15.2. Системы кондиционирования и индивидуального жизнеобеспечения

15.2.1. Влияние условий полета на организм человека

   Организм человека функционирует нормально при определенных параметрах окружающей среды.
   В полете на экипаж и пассажиров, находящихся на борту ЛА, могут воздействовать неблагоприятные и физиологически опасные факторы. Эти факторы определяются, в основном, параметрами атмосферы в кабине (давление, температура, состав газовой смеси, которой дышит человек, влажность), уровнем шума и динамикой полета ЛА.
   С подъемом на высоту давление воздуха и его температура в атмосфере Земли снижаются. До высоты порядка 2400 м человек чувствует себя нормально, на больших высотах самочувствие человека ухудшается, проявляется целый ряд функциональных расстройств (объединенных общим названием - высотная болезнь), что связано в первую очередь с уменьшением снабжения в процессе дыхания организма человека кислородом, хотя, как уже отмечалось (см. раздел 3.2), до высот порядка 70-90 км объемное содержание кислорода в атмосфере (~21%) практически не меняется.
   Основным фактором, определяющим насыщение гемоглобина крови кислородом и удаление в выдыхаемый воздух углекислого газа, является соотношение парциального давления кислорода и углекислого газа в легочных альвеолах (от лат. alveolus - ячейка, углубление, пузырек) - пузырьковидных образованиях в легких человека, густо оплетенных капиллярами (от лат. capillaris - волосной) - мельчайшими кровеносными сосудами, через очень тонкие стенки которых, как через полупроницаемые мембраны (от лат. membrana - кожица, перепонка), происходит насыщение крови и тканей организма кислородом и удаление из них в выдыхаемый воздух углекислого газа.
   Парциальное давление (позднелат. partialis - частичный) - это давление газа, входящего частью в состав газовой смеси, которое он имел бы, занимая один весь объем газовой смеси, при температуре смеси.
   Воздух является смесью газов, и его полное давление является суммой парциальных давлений его компонентов. На основании физиологических исследований установлена взаимосвязь между парциальным давлением кислорода в альвеолах легких и давлением воздуха, содержанием в нем кислорода, углекислого газа и водяных паров. С увеличением высоты пропорционально уменьшению общего атмосферного давления уменьшается парциальное давление кислорода p_O2 в атмосферном воздухе (рис. 15.7) и вместе с ним парциальное давление кислорода в альвеолах.

Рис. 15.7. Зависимость парциального давления кислорода pO2 в воздухе от высоты (в кабине) H

   На высоте порядка 3000 м оно достигает среднего физиологически допустимого уровня, насыщение крови кислородом становится недостаточным, начинается гипоксия (от греч. hypo - под, внизу и лат. oxigenium - кислород) - кислородное голодание, особенно опасное тем, что субъективно человек не осознает своего состояния и, несмотря на кажущееся хорошее самочувствие, может внезапно потерять сознание. При дальнейшем увеличении высоты явления кислородного голодания интенсивно развиваются вплоть до полной потери работоспособности и потери сознания у подавляющего большинства людей на высоте 6000-7000 м. На высоте около 8000 м возникают смертельно опасные явления. Следует отметить, что интенсивность кислородного голодания возрастает при выполнении человеком какой-либо работы.
   Воздействие пониженного давления на организм человека не ограничивается только явлениями кислородного голодания.
   При подъеме на высоту расширяются газы в пищеварительном тракте - высотный метеоризм (от греч. meteorismos - поднятие вверх), что приводит к вздутию живота, сопровождающемуся схваткообразными болями, подъему диафрагмы, уменьшению емкости легких и другим расстройствам.
   На высотах 8000-13 000 м при пониженном давлении азот, растворенный при нормальном давлении в крови и тканях человека, выделяется в виде пузырьков свободного газа, которые, оказывая механическое давление на нервные окончания, вызывают боли в мышцах и суставах. Это явление называется аэроэмболией (от греч. aer - воздух и embole - вбрасывание) или декомпрессионной болезнью.
   На высоте более 19 000 м возникает высотная эмфизема (греч. emphysema - наполнение воздухом, вздутие). На этой высоте вода, составляющая около 70% массы тела человека, закипает при температуре человеческого тела, что может привести к смертельному исходу.
   Для обеспечения максимальной дальности и экономичности магистральные пассажирские самолеты летают на высотах, близких к практическому потолку (для дозвуковых самолетов 9000-11 000 м, а для сверхзвуковых 18 000-20 000 м).
   Температура воздуха на высотах более 11 000 м снижается почти до -60°С. Если не принимать специальных мер, то при длительном полете кабина постепенно охлаждается до температур, близких к температуре наружного воздуха. С другой стороны, при полете сверхзвуковых самолетов температура их конструкции повышается в зависимости от скорости полета до -130°С - +250°С вследствие кинетического нагрева и, в результате, повышается температура в кабине. Самочувствие человека, его работоспособность существенным образом зависят от температуры окружающего воздуха, его влажности, от масс и скорости движения воздушных потоков внутри помещения. Так, при повышенной физической и эмоциональной нагрузке для обеспечения комфортных условий желательна пониженная температура. При отклонении температуры от комфортных значений человек испытывает неприятные ощущения.
   Таким образом, в полете на экипаж и пассажиров, находящихся на борту ЛА, действует комплекс неблагоприятных и физиологически опасных факторов, определяющим из которых является уменьшение с подъемом на высоту общего атмосферного давления, уменьшение парциального давления кислорода в атмосферном воздухе и, как следствие, парциального давления кислорода в альвеолярном воздухе.
   Нормальная жизнедеятельность человека может быть обеспечена поддержанием парциального давления кислорода во вдыхаемом воздухе на определенном уровне.

Рис. 15.8. Зависимость потребного процентного содержания кислорода в дыхательной смеси αO2 от высоты (в кабине)

    Экспериментами установлено, что при подъеме на высоту в атмосфере Земли (и, соответственно, при уменьшении атмосферного давления) необходимо увеличивать (рис. 15.8) процентное содержание кислорода α_O2 во вдыхаемом воздухе (дыхательной смеси) и на высоте 10 000 м для дыхания требуется уже чистый кислород, а на высоте 12 000 м кислород для дыхания необходимо подавать под повышенным давлением, обеспечивающим постоянство парциального давления кислорода в легких независимо от высоты.
   Технически эту задачу можно решить повышением давления вдыхаемого воздуха (применение гермокабин) или повышением процентного содержания кислорода в дыхательной смеси (применение кислородных приборов).
   Для обеспечения нормальной жизнедеятельности и комфорта пассажиров и экипажа самолетов, совершающих полеты на высотах более 3000 м, их размещают в герметичных кабинах с системами кондиционирования (от лат. conditio - условие, состояние), где на всех режимах полета "высота в кабине" не превышает 2400 м, т. е. давление в кабине должно быть не менее давления атмосферного воздуха на высоте 2400 м, температура не должна быть меньше -17°С и больше +25°С.
   При таком давлении и температуре количество кислорода, необходимое для обеспечения жизнедеятельности человека, содержится в сравнительно небольшом количестве свежего воздуха: за одну минуту в покое человек вдыхает и выдыхает 6-9 л воздуха, при физической нагрузке - 80-90 л, иногда до 170 л.
   Однако в условиях ограниченного пространства основным при определении необходимого количества воздуха, подаваемого в гермокабину, является допустимая концентрация вредных примесей (углекислого газа, выделяемого при дыхании, запахов, обусловленных жизнедеятельностью человека, паров топлива, которые могут попасть в гермокабину, и т. п.), температура и влажность. На современных пассажирских самолетах величина подачи свежего воздуха в гермокабину на одного пассажира составляет 24-40 кг/ч.
   Как уже отмечалось, проблема шума внутри кабин стала чрезвычайно острой с появлением в эксплуатации реактивных самолетов. Шум, создаваемый двигателями, воздушными винтами, пограничным слоем воздуха, обтекающего фюзеляж, настолько велик, что значительно превышает "предел переносимости" его человеком, т. е. ту максимально допустимую величину общего звукового давления, объединяющего всю совокупность звуков в отдельных частотных интервалах спектра звуковых частот (высокие, средние и низкие звуковые частоты), которая еще физиологически переносима человеком. Значительный шум в кабину вносит система кондиционирования (наддува и вентиляции кабин), в которой источником шума является воздух, движущийся по трубопроводам и истекающий через отверстия (сопла) трубопроводов внутрь кабины. Источниками дополнительных шумов в кабине служат элементы оборудования (электро- и гидромоторы, преобразователи постоянного тока в переменный и т. п.), установленные вблизи от кабины.
   Снижение уровня шума до допустимого предела обеспечивается как компоновочными, так и конструктивными мероприятиями. Так, не следует размещать кресла пассажиров в плоскости воздушных винтов ТВД или в зонах влияния выхлопных струй газов ТРД на фюзеляж. Установки и оборудование, создающие шум, стараются вынести за пределы кабины или размещать их в звукоизолирующих отсеках. Трубопроводы для подвода и раздачи воздуха в кабинах покрывают звукоизолирующими покрытиями. Кабина изнутри покрывается теплозвукоизолирующими покрытиями, причем толщина покрытия увеличивается в местах источников внешних шумов и к концу кабины по мере роста толщины пограничного слоя и, соответственно, создаваемого им шума.
   Среди факторов, обусловленных динамикой полета, прежде всего следует отметить перегрузки. Как уже отмечалось (см. рис. 6.7), наиболее опасное физиологическое воздействие оказывают перегрузки, направленные вдоль тела человека. При больших положительных перегрузках происходит отлив крови от головы к ногам и возможна потеря сознания. Для компенсации таких перегрузок экипажи маневренных ЛА применяют противоперегрузочные костюмы.
   С динамикой полета при снижении и наборе высоты связана скорость изменения давления в кабине самолета, которую человек ощущает болью в полузакрытых полостях организма - в полости среднего уха и лобной пазухе. Установлена физиологически допустимая норма скорости изменения давления в кабине, при которой болезненные ощущения отсутствуют. Скорости изменения давления в гермокабине при снижении и наборе высоты ограничивают регуляторы давления.
   Комплекс технических средств, обеспечивающих нормальную жизнедеятельность пассажиров и работоспособность экипажей на всех режимах полета и в экстремальных ситуациях, называют системами обеспечения жизнедеятельности. В состав этих систем входят: системы кондиционирования воздуха в гермокабинах, системы кислородного питания, высотное (защитное) снаряжение экипажей боевых самолетов.