● 摘要
占我国陆地面积四分之一强的青藏高原素有“世界屋脊”之称，高原缺氧严重影响了人员的健康和工效，是导致驻边部队非战斗减员，战斗力降低的重要因素，也是西部开发中亟待解决的难题。如何解决高原缺氧问题，保证人员的工效，增强军队的战斗力，对维护西南边陲的稳定，加速西部开发起着重要的作用，对我国来说有着特殊的重要意义。目前对高原习服的研究结果表明，阶梯习服、适应性运动锻炼、缺氧预适应、高原富氧室、药物、促习服因子等均对高原缺氧有不同程度的作用。其中高原富氧室通过建立平原人已经适应的高氧环境，使环境适应人，能有效提高人群在高原上的劳动能力（作战能力），预防高山病的发生。本着“以人为本”的思想，本文以装甲指挥车辆为研究对象，以航空航天医学和高原医学的研究成果为依据，以保证人员工效为根本目标，提出了一种采用膜分离制氧系统配合BLB面罩的供氧方案，使装甲车辆内部环境更适合人的工作。该方案综合考虑了压缩机的输气特性、膜组件的渗透特性、人员的呼吸特性以及柴油机的高原特性，巧妙地利用各特性之间的关系，采用定压比、定温度系统而不是定压力、变温度系统，使系统内各部件更好的匹配。根据实际情况提出了两种驱动供氧系统的方式：主发动机驱动和小型柴油机驱动。主发动机驱动以发动机转速的时间频度为依据，根据高原山地路况和装甲车辆的运行模式确定供氧系统正常运行时发动机转速范围为1000rpm～2000rpm，此转速范围覆盖的时间频度约为85%，可满足大部分时间的供氧要求。采用该方式能够获得最小的系统体积，适合于空间紧张的车辆应用，但供氧系统的工作依赖于主发动机，对潜伏和待命状态不利，可采用后勤补给和其他供氧设备解决长时间待命问题。小型柴油机驱动方式可以在潜伏和待命状态使用供氧系统，但系统复杂，体积较大，空间相对富裕的车辆可以选用，匹配计算表明可以不选用涡轮增压柴油机。提出了高原装甲车辆供氧系统的设计条件。详细讨论了青藏高原的气候状况和公路状况，确定供氧系统的工作高度上限为5500m，供氧系统工作温度范围为-45℃～20℃。论述了高原缺氧对视觉、听觉、操作能力、认知能力及体力等多方面工效的影响，选择等效高度3000米作为供氧系统的最低设计指标。建立呼吸系统和BLB氧气面罩数学模型，进行仿真计算，得到氧气面罩储气囊的最佳体积以及输出与输入氧浓度之间的关系，确定制氧机产氧浓度应不低于35％。根据上述设计条件进行系统设计，能够满足装甲车辆在所有青藏高原公路进行机动的供氧要求。提出以双封头膜组件代替传统的单封头膜组件，通过控制膜温、提供冲洗气流的新方法提高系统性能。采用压缩机后冷却器和电加热器联合调温的方法，保证膜组件入口空气温度保持在不超过许用温度的高值，达到增加产量的目的。通过提供冲洗气流，使氧浓度调节与膜分离系统有机结合，并且改善了膜组件渗透侧的浓度分布，使氧收率和产量都得以提高，提高了系统的整体效率。同时通过采用较高的分离压力、在保证氧浓度的前提下选择较大的切割率以及避免在系统中使用储气罐等手段实现体积最小化，以适合车辆使用。本文采用仿真设计方法对系统中关键部件（包括中空纤维膜组件、涡旋式无油压缩机、管带式换热器）进行选型设计，通过建立各部件的数学模型，对不同工况进行仿真计算，其中的核心部件膜组件的仿真结果通过实验数据进行校正，并根据计算结果对部件参数进行调整，使之最终满足各种工况条件，从而完成系统关键部件的设计选型。提出一种高原富氧环境火灾危险性的评价方法，以可燃物品的相对燃烧速度为评价指标，以海平面氧浓度23%的环境为安全标准，通过计算舱内空气压力和氧浓度，结合实验数据得出棉布的相对燃烧速度，对舱内环境进行安全评价。本文研究的供氧系统和供氧方法不仅适用于本文的研究对象，对系统稍作改动还可以用于其他军用车辆，民用车辆，高原列车，室内空间以及自行供氧车辆等对象，对解决高原缺氧问题具有普遍意义。本文最后针对以上应用进行了探讨，针对具体情况提出了适当的供氧方式和供氧系统流程。