Матвеенко А.М. (ред.) - Системы оборудования летательных аппаратов - 2005

Защитное снаряжение

Одним из назначений ЗШ является за­ щита головы летчика от травмирования при катапультировании на больших ско­ ростях полета. При хорошо подтянутой КМ и опущенном светофильтре допу­ скается индикаторная скорость катапуль­ тирования 900...950 км/ч. К сожалению, летчики нередко забывают или не ус­ певают опустить светофильтр, что при­ водит к необходимости использования, помимо светофильтра, постоянно опу­ щенного прозрачного смотрового щитка или автоматического опускания свето­ фильтра с помощью микропиропатро­ на одновременно со сбросом фонаря кабины.

СКАФАНДР

Длительное пребывание на высотах более 12 км возможно в высотном ска­ фандре (рис. 5.11). Высотный скафандр (ВС) представляет собой газонепроница­ емый комбинезон, соединенный с ГШ, гермоперчатками и обувью. Загерме­ тизированный ВС изолирует находя­ щегося в нем человека от окружающей атмосферы и удерживает под своей оболочкой искусственную "микроатмо­ сферу" с необходимым давлением.

Кислородное питание в ВС обеспе­ чивается подачей чистого кислорода или кислородно-воздушной смеси ли­ бо в ГШ, отделенный от остальной оболочки эластичным шейным кла­ паном (шторкой) (рис. 5.12, а), либо в расположенную внутри ГШ кисло­ родную маску (рис. 5.12, б), либо в ли­ цевую зону (рис. 5.12, в), отделенную от остального объема ГШ эластичным об­ тюратором.

ВС защищает человека от перегрева и переохлаждения, предохраняет от уда­ ра встречного потока воздуха при ка­ тапультировании, обеспечивает плаву­ честь при попадании в воду.

181

Рис. 5.11. Типовая конс­ труктивная схема высотно­ го скафандра:

1 — ГШ; 2 — внешняя сило­ вая оболочка; 3 — шарниры (плечевой, локтевой, тазо­ бедренный, кистевой, ко­ ленный); 4 — силовая тесьма и тросы, предотвращающие «вырастание» скафандра под действием избыточного дав­ ления; 5 — гермоперчатка; 6 — герметизирующая обо­ лочка; 7 — подкладка с сис­ темой вентиляции подскафандрового пространства

182 Индивидуальные системы обеспечения жизнедеятельности

г

Кислород

Воздух

Рис. 5.12. Схемы отделения полости дыхания от наддуваемого воздухом объема ави­ ационного скафандра:

а — герметизация по шее; 6 — встроенная КМ; в — клапан-обтюратор, герметично приле­ гающий по периметру лица; 1 — оболочка скафандра; 2 — ГШ; 3 — шейная перегородка (шторка) с клапаном выдоха; 4 — регулятор давления в скафандре; 5 — КМ; 6 — лицевой обтюратор

К сожалению, создать ВС, который имел бы небольшую массу и обеспечивал достаточную подвижность, довольно труд­ но. Кроме того, он имеет особенности, усложняющие его экс­ плуатацию, так как летчика в скафандре необходимо постоянно вентилировать воздухом, а оборудование в кабине самолета должно быть размещено с учетом ограниченной подвижности скафандра.

Скафандр должен удовлетворять следующим основным требо­ ваниям:

■обеспечивать необходимую подвижность, достаточный обзор и защищать глаза от слепящих лучей;

■быть прочным, газонепроницаемым, легким и озоностойким;

■легко надеваться, подгоняться по росту;

■обладать плавучестью, водонепроницаемостью и сохранять жизнь летчика в холодной воде;

■иметь минимальное абсолютное давление в скафандре 22,6...

25,2 кПа (что соответствует высотам 11... 10 км). На случай появ­ ления высотных болей должна быть предусмотрена возможность повышения давления в скафандре до 35,5...41 кПа (8...7 км);

■температура в скафандре должна составлять 20...25 °С, относи­ тельная влажность 30...70%, скорость движения воздуха — не более 0,5 м/с.

Взависимости от способа вентиляции и кислородного пита­ ния ВС подразделяются на вентиляционные и регенерационные. Каждый из них может быть выполнен с КМ на лице или без нее.

Защитное снаряжение

183

Рис. 5.13. Схема распределения вентилирующего воздуха в высотном скафандре:

1 — вход вентилирующего воздуха в скафандр; 2 — регулятор давления; 3 — вентилирующая система скафан­ дра

Основными частями скафандра явля­ ются (см. рис. 5.11): ГШ 1, герметизиру­ ющая оболочка 6, внешняя силовая обо­ лочка 2, подкладка с системой вентиля­ ции 7, верхняя защитная одежда, силовые тросы и тесьма 4, регулятор давления и предохранительный клапан (ПК). Под­ вижность шлема обеспечивается гермо­ подшипником. Мягкие (плечевой, локте­ вой, тазобедренный, коленный и кисте­ вой) шарниры 3 изготовляются из той же ткани, что и комбинезон скафандра.

Регулятор давления 2 (рис. 5.13) пред­ назначен для выпуска воздуха из скафан­ дра и поддержания необходимого избы­ точного давления под его оболочкой во время полета в разгерметизированной кабине. ПК срабатывает в случае отказа регулятора давления.

СОСТАВ ВЫСОТНОГО СНАРЯЖЕНИЯ

ДЛЯ ПОЛЕТОВ НА РАЗЛИЧНЫХ ВЫСОТАХ

Самолетам-истребителям в большинстве случаев достаточно 2..3 мин для снижения с максимальной высоты полета до высоты 12 км. В этом случае возможны полеты на высотах до 13,5 км с КМ без избыточного давления, так как время сохранения работоспо­ собности на этой высоте при дыхании чистым кислородом — не менее 4...5 мин, а с учетом нарастания давления в процессе сни­ жения самолета оно возрастает до 10 мин.

Продолжительность сохранения летчиком активного сознания при недостаточном кислородном питании в высотном полете на­ зывается резервным временем. Оно зависит от давления в окру­ жающей летчика среде и состава высотного снаряжения. Таким образом высотность снаряжения летчика зависит от его состава и требуемого резервного времени.

В табл. 5.1 указаны высоты, в среднем соответствующие четы­ рем значениям резервного времени при вдыхании чистого кисло­ рода, для различных составов высотного снаряжения.

184 Индивидуальные системы обеспечения жизнедеятельности

Таблица 5.1

Допустимая высота (км) пребывания в течение заданного резервного времени летчика в зависимости от состава его высотного снаряжения

Резервное	КМ без избы­		С избыточным давлением
время, мин	точного давления	КМ	КМ сКЖ	КМ с ВКК	ГШ с ВКК
1	14,0	15,7	16,9	21,7
3	13,7	15,3	16,5	20,9	Не
10	13,5	15,0	16,2	20,2	ограничена
30	13,3	14,8	15,9	19,7

Допустимая продолжительность пребывания на больших вы­ сотах в снаряжении ГШ с ВКК ограничена не резервным време­ нем, а качеством механической компенсации избыточного давле­ ния в легких и возможностью возникновения декомпрессионных расстройств. В зависимости от конструкции ВКК это время со­ ставляет от 10 до 100 мин.

Длительное пребывание на "высотах" в окружающей летчика среде более 12 км возможно только в высотном скафандре.

ПРОТИВОПЕРЕГРУЗОЧНЫЙ КОСТЮМ

Для повышения переносимости вертикальных перегрузок, со­ здаваемых ЛА, в направлении голова — таз предназначены противоперегрузочные костюмы (ППК).

Физиологическое действие ППК основано на том, что обжа­ тием нижней части тела ППК фиксирует положение внутренних органов, препятствует их смещению и растяжению, а также пре­ пятствует инерционному смещению крови в сосуды брюшной по­ лости и нижних конечностей. Это приводит к лучшему крово­ снабжению головного мозга, в результате чего работоспособность летчика и устойчивость его против перегрузок сохраняются на бо­ лее высоком уровне, чем без костюма.

ППК (рис. 5.14) представляет собой плотно подгоняемые по фигуре летчика штаны из малорастяжимой ткани, создающие ме­ ханическое обжатие тела с помощью пневматических устройств, аналогичных устройствам ВКК (трубчатые натяжные устройства или пневмокамеры). В пневматических устройствах ППК с помо­ щью автомата давления (АД) автоматически создается избыточное давление газа, пропорциональное перегрузке.

Современные ППК позволяют повысить индивидуальную пе­ реносимость положительных линейных перегрузок на 2,5...3 еди­ ницы. Это означает, что физиологически летчик в ППК восприни­ мает как бы меньшую на 2,5...3 единицы перегрузку.

Защитное снаряжение

185

Схема устройства простейшего АД представлена на рис. 5.15. Под воздействием перегрузки груз 3 давит на золотник 4, пре­ одолевает усилие пружины 6 и открывает доступ газа в ППК (см. рис. 5.15, а). По мере нарастания давления в ППК это давле­ ние все сильнее воздействует на золотник 4 и, преодолевая усилие груза 3, вновь перекрывает подачу газа. По окончании действия перегрузки давление в ППК создает большее усилие на поршень, чем груз 3, и происходит сброс газа в атмосферу (см. рис. 5.15, б).

Типичный режим работы АД для ППК камерного типа (см. рис. 5.6, б) представлен на рис. 5.16.

Рис. 5.14. Противоперегрузочный костюм летчика:

1 — внешняя оболочка костюма;

2 — шланг подачи газа для наддува костюма; 3 — шнуровка Для подгонки ППК

о)

Рис. 5.15. Схема золотникового автомата давле­ ния противоперегрузочного устройства:

а — во время действия перегрузки; 6 — после оконча­ ния действия перегрузки; 1 — газ от источника давле­ ния; 2 — корпус; 3 — груз; 4 — золотник; 5 — газ на наддув ППК; 6 — пружина; 7 — сброс давления в ат­ мосферу; 8 — сброс давления из ППК

р, кПа

__

ВО	/ f
/ /

у //УЛ

'У

//

20

/У 'У

1

3

5

7

9 п

Рис. 5.16. Типичный режим работы автомата дав­ ления для противоперегрузочного костюма камер­ ного типа (зависимость давления от перегрузки):

номинальные требования; -------	допускаемые
отклонения

186 Индивидуальные системы обеспечения жизнедеятельности

Физиологами установлено, что дополнительным средством по­ вышения переносимости положительных линейных перегрузок яв­ ляется дыхание кислородом под избыточным давлением, что поз­ воляет улучшить кислородное питание мозга и клеток глазного дна.

Масса ППК составляет 1,5 кг, а масса всего устройства с АД не превышает 3 кг.

ВЕНТИЛИРУЕМОЕ СНАРЯЖЕНИЕ

Создать обычную одежду, которая защищала бы от перегрева при высокой температуре и от переохлаждения при низкой тем­ пературе в окружающей среде, невозможно.

Для того чтобы противостоять низкотемпературным воздейс­ твиям только пассивной теплоизоляцией, снаряжение летчика должно было бы обладать теплоизолирующими свойствами зим­ ней одежды полярников и снаряжения водолазов одновременно. Даже используя самые лучшие из современных теплоизолирую- п т и х материалов, не удается создать для этих условий снаряжение с пассивной теплозащитой, которое не было бы тяжелым, громозд- j ким, не стесняло бы летчика и не ограничивало его подвижность. J При высоких температурах окружающей среды пассивная теплоизоляция эффективна лишь кратковременно — до тех пор, пока |

не наступит перегрев организма от накапливающегося метаболи-	I
ческого тепла.

Все это вынуждает создавать снаряжение с принудительным j терморегулированием пододёжного пространства. Наиболее ши- j роко распространены в военной авиации системы вентиляции снаряжения членов экипажей кондиционированным воздухом,

В режиме охлаждения основная отдача тепла организмом про- | исходит в области торсовой части и головы, поэтому именно эти | зоны должны вентилироваться наиболее интенсивно. Весь отра- | ботанный вентилирующий воздух сбрасывается из скафандра через одно выпускное отверстие — клапан регулятора давления, поэтому к месту расположения регулятора устремляются потоки воздуха со всех участков подскафандрового пространства. Необ­ ходимо при этом так комбинировать величины и направления по- | токов, чтобы не создавалось местного перегрева или переохлаж­ дения прилегающей к регулятору зоны. Один из вариантов распределения вентилирующего воздуха в скафандре показан на рис. 5.13.

На основании теоретических расчетов и экспериментальных исследований определено, что в диапазоне температур наружного воздуха от —50 до +50 °С потребная вентиляция снаряжения лет­ чика должна составлять 250...350 л/мин, приведенных к нормаль­ ным условиям, при этом температура воздуха, подаваемого на вентиляцию, должна поддерживаться в диапазоне от 10 до 80 °С.

Защитное снаряжение

187

В некоторых случаях, когда внешняя тепловая нагрузка на лет­ чика настолько велика, что применение вентилируемого снаря­ жения оказывается недостаточно эффективным, может приме­ няться снаряжение с циркуляцией жидкого теплоносителя. Таким снаряжением, в частности, является костюм водяного охлажде­ ния — подогрева. Он представляет собой эластичный сетчатый комбинезон с расположенными на его внутренней поверхности гибкими пластмассовыми трубками, по которым циркулирует жидкий теплоноситель (вода).

Важное физиологическое преимущество снаряжения с цирку­ ляцией жидкого теплоносителя, работающего в режиме охлажде­ ния, состоит в уменьшении потоотделения человека, так как это снаряжение снимает тепло главным образом контактным путем при минимальном напряжении терморегуляторных механизмов организма.

Недостатком этого снаряжения является усложнение конс­ трукции и эксплуатации ИСОЖ.

Применение жидкого теплоносителя в сочетании со скафанд­ ром или герметичным комбинезоном не исключает необходимос­ ти вентилировать туловище для удаления из пододёжного про­ странства водяных паров.

МОРСКОЙ СПАСАТЕЛЬНЫЙ КОСТЮМ

Скафандр, обладая плавучестью, герметичностью и теплоизо­ ляцией, обеспечивает спасение летчика при попадании в холод­ ную воду.

В тех случаях, когда скафандр не применяется, а возможность катапультирования над морем не исключена, применяется мор­ ской спасательный костюм (МСК). МСК должен:

■быть водонепроницаемым;

■иметь достаточный запас плавучести и обеспечивать такое по­ ложение тела, при котором голова находится выше уровня воды;

■иметь приспособление для быстрого наполнения газом плава­ тельного воротника или жилета;

■позволять удобно работать и свободно двигаться;

■защищать человека от перегрева и переохлаждения.

Эти требования предопределяют необходимость иметь в соста­

ве МСК гермооболочку, теплозащитный костюм, вентилируемый костюм и надувной воротник или жилет. Кроме того, МСК может использоваться в комплекте с другими видами защитного снаря­ жения: ППК, ВКК с КМ или ГШ.

Водонепроницаемая оболочка (герметичный комбинезон) из­ готовляется из прочной прорезиненной ткани. Кисти рук и шея герметизируются резиновыми манжетами, исключающими попа­ дание воды под оболочку комбинезона.

188 Индивидуальные системы обеспечения жизнедеятельности

Воздух подается в костюм по гибкому шлангу. Для выпуска воздуха на водонепроницаемой оболочке установлены клапаны.

Плавательный ворот, изготовленный из прорезиненной ткани, прикрепляется к оболочке костюма. В надутом состоянии он обеспечивает правильное положение летчика на плаву, когда го­ лова и затылок приподняты над водой, а устойчивое положение создают дополнительные мешочки — "жабры".

Спасательный жилет и плавательный ворот наполняются угле­ кислотой из специального баллончика, прикрепляемого к костю­ му. Включается баллончик вручную или автоматически.

5.2. СИСТЕМЫ КИСЛОРОДНОГО ПИТАНИЯ

СКП предназначены для создания и поддержания необходи­ мого парциального давления кислорода в легких (так называемого альвеолярного парциального давления кислорода).

Для поддержания парциального давления кислорода в альвеоляр­ ном воздухе на уровне /?о2ьв “ 14,7 кПа (рис. 5.17), соответствующем наземным условиям при дыхании воздухом, с увеличением высоты СКП должна повышать процентное содержание кислорода во вды­ хаемом воздухе. Используя формулу (2.8), определим процентное содержание кислорода Г во вдыхаемом воздухе:

г =	2000		(5.2)
	р н-	6,25‘

Рк,Я«

Рис. 5.17. Давление воздуха в стандартной атмосфере (СА) и потребное парциальное дав­ ление кислорода:

1 — в сухой вдыхаемой газовой смеси; 2 — во вдыхаемой газовой смеси в трахее; 3 — в альвеолах легких

Системы кислородного питания

189

Отсюда видно, что при ph —26,25 кПа (т. е. на высоте h » 10 км) требуется подавать для дыхания чистый кислород.

При дыхании чистым кислородом без избыточного давления на высоте Л = 12 км, где атмосферное давление Рь = п = 19,3 кПа, парциальное давление кислорода в альвеолах, как видно из (2.8), снижается до

= (19,3 - 6,25)Щ - 5,3 = 7,75 кПа.

При этом насыщение крови кислородом достигает минималь­ но допустимого уровня для длительного (более 30 мин) дыхания.

На высотах более 12 км СКП должна создавать избыточное давление кислорода в дыхательной системе в соответствии с фор­ мулой (5.1).

Если в снаряжение летчика входит компенсирующая одежда (см. табл. 5.1), то СКП должна подавать кислород в натяжные ус­ тройства под давлением, обеспечивающим обжатие тела, компен­ сирующим избыточное давление в легких и зависящим от кон­ струкции натяжных устройств.

Тип источника кислорода на борту самолета определяется в основном общей массой кислорода, необходимого для обеспече­ ния одного полета с учетом возможной разгерметизации кабины.

Из числа представляющих практический интерес источников кислорода в авиационных СКП можно выделить следующие: бал­ лоны высокого давления; газификаторы; химические генераторы и бортовые газоразделительные аппараты.

Наиболее распространенным в настоящее время является первый из перечисленных источников, который имеет существенный недо­ статок — большой массовый коэффициент (масса пустого баллона, приходящаяся на единицу массы помещенного в него кислорода).

Для баллонов из легированной стали большой емкости (более 25 л) при запасе прочности, равном 3...4, давлении зарядки 21 МПа массовый коэффициент составляет 2,2, для баллонов ма­ лой емкости — 2,5.

К сожалению, для изготовления кислородных баллонов непри­ годен титан, так как он нестоек к действию кислорода и энергич­ но окисляется под высоким давлением. Для предотвращения раз­ лета осколков в случае разрушения баллонов применяется армировка их внешней поверхности стекловолокном.

Кислород в криогенном состоянии на борту самолетов хранит­ ся в специальных теплоизолированных сосудах-газификаторах под небольшим избыточным давлением. Массовый коэффициент газификаторов большой емкости (более 15 кг) равен 1...1,5, малой (менее 15 кг) — 1,6...2. Однако газификатор имеет значительные

190 Индивидуальные системы обеспечения жизнедеятельности

потери вследствие испарения кислорода и поэтому непригоден для длительного хранения.

Химические генераторы кислорода представляют собой аппара­ ты, в которых кислород выделяется из химических веществ путем их термического разложения, электролиза или иного вида реакции.

Применяемые в настоящее время на некоторых самолетах хи­ мические генераторы кислорода используют реакцию разложения алкалоидов металлов (хлоратов, перхлоратов), при которой может выделяться до 40...50% кислорода по массе. Необходимость ис­ пользования устройств для охлаждения выделяемого кислорода и для очистки его от вредных примесей повышает относительную массу аппарата, приближая ее к относительной массе баллонов. Большим преимуществом хлоратных генераторов кислорода яв­ ляется возможность их многолетнего хранения практически без эксплуатационных затрат. Это особенно важно для запаса кисло­ рода аварийного назначения, который должен находиться в пос­ тоянной готовности к работе.

Другим перспективным направлением развития самолетных источников кислорода следует считать создание бортовых аппа­ ратов для получения кислорода из атмосферного воздуха непос­ редственно в полете. Отделение кислорода в этом аппарате про­ изводится при помощи так называемых молекулярных сит или хелатных соединений. При низкой температуре и высоком давлении эти вещества сорбируют кислород из воздуха, а при последующем нагреве и вакуумировании поглотительного патрона происходит десорбция кислорода. Реализация подобной системы в приемле­ мом для самолетных условий варианте позволит иметь автоном­ ный постоянный источник кислорода, не зависящий от продол­ жительности полета и не требующий заправки на земле.

СКП бывают трех типов: с непрерывной, прерывной и комби­ нированной подачей кислорода.

СИСТЕМЫ КИСЛОРОДНОГО ПИТАНИЯ

С НЕПРЕРЫВНОЙ ПОДАЧЕЙ КИСЛОРОДА

СКП с непрерывной подачей применяются для кислородного питания пассажиров самолетов гражданской авиации, а также пассажиров, перевозимых транспортными самолетами, в случае их аварийной разгерметизации.

Структурная схема СКП коллективного пользования с непре­ рывной подачей кислорода к индивидуальным точкам питания показана на рис. 5.18. Давление кислорода, подводимого к регу­ лятору давления (РД), стабилизируется кислородным редуктором (КР). Давление на выходе из РД в зависимости от высоты уста­ навливается высотным регулятором (ВР), воздействующим на мембрану управляемого клапанного узла (УКУ).