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

Влияние высотных условий на организм человека	61
	Таблица 2.1

Расчетные значения температуры атмосферного воздуха в зависимости от высоты

Высота, км	*шах» ^	^ш1п) ^
0	37	-4 7
2	26	-3 0
10	-32,4	-65,1
12	-38,6	-67,8
16	-42,4	- 72,6
24	-37,7	-78,8
30	-27,5	-77,3

исходит в нижних 2...5 км. Тропосфера является местом постоян­ ного формирования облаков, а следовательно, дождя, снега, града.

Движение воздуха в атмосфере имеет обычно турбулентный ха­ рактер — скорость отдельных частиц воздуха изменяется как по величине, так и по знаку.

Основными причинами, вызывающими турбулентность, явля­ ются возникающие по тем или иным причинам температурные контрасты, деформация воздушных течений рельефом земной по­ верхности, процессы облакообразования и т. п.

В качестве расчетной температуры в зависимости от высоты

вавиации приняты значения, приведенные в табл. 2.1. Направление и скорость движения воздуха в тропосфере изме­

няются в очень широких пределах — от слабого ветерка до гроз­ ного урагана со скоростью ветра до 10...20 м/с с порывами до 60...80 м/с. В одной и той же точке земного шара направление

искорость ветра различны в различное время суток и года, хотя

исуществует преобладающее направление ветров, характерное для данной местности.

Встратосфере, удаленной от поверхности Земли, влияние пе­ речисленных факторов уменьшается, и ветры имеют более посто­ янное направление, зависящее либо от сезона, либо от других крупномасштабных явлений.

2.2. ВЛИЯНИЕ ВЫСОТНЫХ УСЛОВИЙ НА ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА

Необходимые для жизни человека снабжение организма кис­ лородом и удаление продуктов жизнедеятельности — углекислого газа и паров воды — происходят в легких человека. При дыхании воздух через носоглотку, трахею и бронхи попадает в легочные альвеолы (диаметром около 0,2 мм), густо оплетенные капилляр­

62	Физиолого-гигиенические аспекты высотных полетов

ными кровеносными сосудами. Через очень тонкие стенки сосу­ дов (0,003...0,004 мм), представляющие полупроницаемые мем­ браны, по законам диффузии происходит насыщение крови кис­ лородом 0 2 и обратный процесс удаления углекислого газа С 02 в воздух. Общая поверхность альвеол достигает 90... 120 м2. Кровь, насыщенная кислородом, доставляет его тканям организма и, обогатившись углекислым газом, вновь поступает в легкие [56].

Основным фактором, определяющим диффузию кислорода из альвеолярного воздуха в кровь и углекислого газа в обратном на­ правлении, является соотношение парциальных давлений этих га­ зов в средах, разделенных полупроницаемой мембраной.

Парциальное давление кислорода р 0 в воздухе на различных высотах уменьшается пропорционально2уменыиению общего ат­ мосферного давления и может быть вычислено по закону Даль­ тона:

Р ° 2

100 ’

^2 ‘7 )

где Г — процентное содержание кислорода в воздухе.

В обычных условиях человек делает 12... 16 циклов дыхания в минуту, вбирая в себя за каждый вдох 0,5...0,6 л воздуха. При вы­ полнении физической работы частота дыхания может возрасти до 20...25 циклов в минуту с одновременным увеличением глубины дыхания — объема вдыхаемого воздуха до 1,5...2,4 л.

Общий объем воздуха, поступающий в органы дыхания за одну минуту, называется легочной вентиляцией.

Легочная вентиляция человека в состоянии покоя составляет около 6...8 л/мин, а при увеличении физической нагрузки может достигать 50...60 л/мин.

При дыхании газообмен в легких происходит не непосред­ ственно с атмосферным воздухом, а с альвеолярным, который по составу существенно отличается от атмосферного [56].

Из 0,5...0,6 л воздуха, поступающего в органы дыхания при вдохе, до альвеол доходит только 0,35 л, остальной воздух запол­ няет гортань, трахею, бронхи. Состав выдыхаемого воздуха также отличается от альвеолярного, так как вначале выдыхается воздух, не участвовавший в газовом обмене, состав которого почти не от­ личается от атмосферного, а лишь потом собственно альвеоляр­ ный воздух. В табл. 2.2 приведены значения парциальных давле­ ний кислорода р 02, углекислого газа Рсо2 и водяных паров Рщ о в воздухе органов дыхания, крови и тканях человека при атмос­ ферном давлении 101,3 кПа (760 мм рт. ст.).

Влияние высотных условий на организм человека	63
	Таблица 2.2

Распределение парциальных давлений кислорода, углекислоты и водяных паров по тракту газообмена

	Составляющие	Парциальное давление, кПа (мм рт. ст.)
		кислорода		углекислого газа		паров воды
	Вдыхаемый воздух	21.2	(159)	0,03 (0,23)		0,8 (6*)
	Выдыхаемый воздух	15,9	(119)	3,6	(27)	4(30)
	Альвеолярный воздух	14...14,7 (105...110)		5.3	(40)	6,25 (47)
	Венозная кровь	8 (60)		6...6.7 (45...50)
	Артериальная кровь	13.3	(100)	5.3	(40)
	Ткани	1,3...2,7 (10...20)		7.3...8 (55...60)

*Соответствует относительной влажност*I 40 % при 18 °С.

Сувеличением высоты падает атмосферное давление, а вместе

сним и парциальное давление кислорода PQ BB в альвеолах. Из­

менение парциального давления кислорода в альвеолах зависит также и от содержания в них углекислого газа и водяных паров и может быть определено следующим образом:

/’о 2ЬВ= 0 ’* - 6 ,2 5 ) ^ - 5 ,3 ,

(2.8)

где 6,25 — парциальное давление водяных паров (кПа); 5,3 — пар­ циальное давление углекислого газа (кПа).

Указанные парциальные давления углекислого газа и водяных паров устанавливаются в альвеолярном воздухе к началу фазы вы­ доха (т. е. после завершения процессов газообмена в легких). При этом следует заметить, что они практически не изменяются с подъемом на высоту.

При уменьшении парциального давления кислорода процесс диффузии его в кровь через стенки альвеол затормаживается, на­ сыщение крови кислородом происходит в недостаточной степени и наступает гипоксия — кислородное голодание, сопровождаю­ щееся рядом функциональных расстройств.

До высоты 2 км ( р ^ в = 10,1 кПа (76 мм рт. ст.)) человек не

чувствует понижения давления воздуха, хотя объективно и возни­ кают некоторые нарушения (понижается острота зрения, особен­ но в ночное время). С точки зрения переносимости человеком высбты до 2 км называют индифферентной зоной. При дальнейшем

64	Физиолого-гигиенические аспекты высотных полетов

увеличении высоты нарушается баланс между реакциями тормо­ жения и возбуждения в коре мозга, клетки которого начинают в первую очередь страдать от недостатка кислорода. В зависимо­ сти от типа нервной системы у одних людей начинают преобла­ дать реакции торможения, развиваются усталость, сонливость, появляется головная боль, уменьшается быстрота реакции; у дру­ гих, состояние которых определяется реакциями возбуждения, появляется беспричинная веселость, увеличивается двигательная и речевая активность, притупляется анализ явлений внешнего ми­ ра. По мере увеличения высоты эти два комплекса расстройств усиливаются и могут переходить один в другой. Главная опасность состоит в том, что испытывающий кислородное голодание чело­ век не осознает своего тяжелого состояния и, несмотря на кажу­ щееся хорошее самочувствие, может внезапно потерять сознание.

На высотах от 2 до 3,5...4 км насыщение крови кислородом снижается, усиливается деятельность сердца и легких. Организм рефлекторно компенсирует недостаток кислорода учащением ды­ хания и увеличением его глубины, явление кислородного голода­ ния выражено слабо. Эта зона высот до 3,5...4 км называется зоной полной компенсации.

На высоте 3,5...4 км парциальное давление кислорода в альве­ олярном воздухе становится равным 7,2...6,3 кПа (54...47 мм рт. ст.) и при дальнейшем повышении высоты даже в условиях ги­ первентиляции легких нормальный газообмен нарушается, явле­ ния кислородного голодания развиваются более интенсивно, вплоть до полной потери работоспособности, а нередко и потери сознания у ряда лиц на высотах 5...6 км, а у подавляющего боль­ шинства — на высотах 6...7 км. На высоте около 8 км возникают смертельно опасные явления [56]. Интенсивность кислородного голодания усиливается при выполнении человеком какой-либо работы.

Нормальная жизнедеятельность человека может быть обеспе­ чена поддержанием парциального давления кислорода в альвео­ лярном воздухе на уровне ро2ьв = 14,7 кПа (110 мм рт. ст.). Тех­ нически это можно обеспечить с помощью повышения давления вдыхаемого воздуха (создание герметической кабины) или повы­ шением процентного содержания кислорода во вдыхаемой смеси (применение кислородных приборов). Изменение процентного содержания кислорода по высоте во вдыхаемом воздухе при усло­ вии сохранения парциального давления в альвеолярном воздухе на уровне /?о2ьв = 14,7 кПа (110 мм рт. ст.) можно рассчитать по

формуле (2.8). На высоте 10 км для дыхания необходим чистый кислород. На высоте 11 км парциальное давление кислорода в альвеолярном воздухе при дыхании чистым кислородом будет 10,9 кПа (82 мм рт. ст.), а на высоте 12 км — 7,7 кПа (58 мм рт. ст.).

Влияние высотных условий на организм человека

65

Из физиологических исследований известно, что минимальным значением парциального давления кислорода в альвеолах легких, при котором кровь еще насыщается на 80...85 %, является давле­ ние 5,5...6,7 кПа (41...50 мм рт. ст.), что соответствует высоте 4,5 км при дыхании воздухом или высоте 12,3 км, если для дыха­ ния используется чистый кислород. При полете в разгерметизи­ рованной кабине на высотах больше 12 км необходимо кислород для дыхания подавать под повышенным давлением, обеспечива­ ющим постоянство парциального давления кислорода независи­ мо от высоты.

Повышение парциального давления кислорода выше нормаль­ ного, характерного для земных условий, может вызвать воспале­ ние и отек легких.

Кроме ГК и кислородных приборов (КП) для защиты летчика от кислородного голодания применяют совместно ГК и комплекс кислородного оборудования или скафандр.

В случае разгерметизации ГК (скафандра) или при прекраще­ нии подачи кислорода человек попадает в условия кислородного голодания, которое может повлечь потерю работоспособности или обморок.

Время, в течение которого человек сохраняет сознание и может принять решение о спасении, называется резервным временем. Средние значения резервного времени для различных высот при­ ведены в табл. 2.3.

На высотах до 13... 14 км применение чистого кислорода для дыхания существенно увеличивает резервное время. На высоте 16 км резервное время остается таким же, как при дыхании ат-

			Таблица 2.3
Средние значения резервного времени человека
При прекращении подачи кислорода		При разгерметизации кабины (скафандра)
и последующем дыхании		и последующем дыхании чистым
атмосферным воздухом		кислородом без избыточного давления
Высота полета, км	Резервное время, с	Высота полета, км	Резервное время, с
7	300	13	300
8	180	13,5	110
9	120	14	50
10	60	14,5	25
11	35	15	15
12	26	16	9
14	20
15	15
16	9

3 -11362

66 Физиолого-гигиенические аспекты высотных полетов

мосферным воздухом. Это объясняется тем, что атмосферное дав­ ление на этой высоте составляет 10,2 кПа (77 мм рт. ст.), и так как сумма парциальных давлений паров воды 6,3 кПа (47 мм рт. ст.) и углекислого газа 4 кПа (30 мм рт. ст.) в альвеолярном воздухе также равна 10,2 кПа (77 мм рт. ст.), то парциальное давление кис­ лорода в альвеолах теоретически равно нулю. В этих условиях при разгерметизации кабины даже при подаче в зону дыхания чистого кислорода без избыточного давления человек через 9 с теряет со­ знание и умирает.

Пониженное давление воздуха помимо кислородного голода­ ния оказывает и другое вредное действие на организм человека, которое проявляется в следующих формах.

Высотный метеоризм обусловлен расширением газов в желудке и кишечнике (например, при подъеме на высоту 12 км объем газов увеличивается примерно в 5 раз) и проявляется в болевых ощу­ щениях, подъеме диафрагмы, уменьшении емкости легких и дру­ гих расстройствах нормальной деятельности организма человека.

Аэроэмболизм, или декомпрессионная болезнь, проявляется при подъеме на высоты 8... 13 км и вызывается выделением азота, рас­ творенного в тканях, при понижении давления. В нормальных земных условиях в крови и тканях человека растворено около 1...1,5 л азота, при понижении давления растворимость газов уменьшается и азот выделяется в виде пузырьков, которые ока­ зывают механическое давление на нервные окончания, что созда­ ет болезненные ощущения в мышцах и суставах. Чаще всего по­ ражаются плечевой и коленный суставы. Обычно декомпресси­ онные расстройства возникают в течение первого часа полета, чаще всего через 10...20 мин и проявляются тем ярче, чем больше скорость падения давления. При снижении до высоты 7 км боли исчезают.

Для профилактики декомпрессионных расстройств необходи­ мо в течение 40...60 мин перед полетом дышать чистым кислоро­ дом. При этом происходит освобождение организма от азота. Так, 45-минутная десатурация перед подъемом на высоту 12 км умень­ шает вероятность появления декомпрессионных расстройств до 0,07 вместо 0,2.

При быстром спуске и подъеме самолета, особенно на малых высотах, где значения градиента dp/dh достигают максимума, че­ ловек ощущает боли в полузакрытых полостях организма — в по­ лости среднего уха и лобной пазухи, особенно чувствительных при нарушениях в носоглотке. Быстрое повышение давления (спуск) пе­ реносится человеком хуже, чем понижение давления (подъем). По АП-25 [2] при любых умеренно вероятных отказах СКВ и СРД («усложнение условий полета») скорость изменения давления воз­ духа в гермокабине не должна превышать 0,667 кПа/с (5 мм рт. ст./с)

Влияние высотных условий на организм человека

67

при повышении давления и 1,33 кПа/с (10 мм рт. ст./с) — при по­ нижении.

Затяжной кашель появляется на больших высотах вследствие того, что при пониженном давлении резко выдыхаемый с боль­ шой скоростью воздух (кашель) не обладает достаточным для уда­ ления раздражающих дыхательные пути веществ (слизь, твердые частицы) скоростным напором.

Высотная эмфизема тканей возникает при подъемах выше 19,2 км. На этой высоте вода закипает при температуре челове­ ческого тела 37 °С. А так как человеческий организм содержит около 70 % воды, то на высотах, больших 19,2 км, происходит ин­ тенсивное выделение водяного пара из тканей организма, пузырь­ ки пара скапливаются под кожей и оттягивают ее от мышц. На­ пример, при подъеме без соответствующей защиты рук на высоту более 19,5 км через 5... 10 мин начинается вздутие кисти руки, а через 15 мин пальцы настолько увеличиваются в объеме, что ра­ бота кистью становится невозможной. После спуска ниже 17 км подкожные вздутия довольно быстро исчезают.

При внезапной разгерметизации ГК происходит быстрое паде­ ние давления до атмосферного, которое принято называть взрыв­ ной декомпрессией.

При взрывной декомпрессии давление в легких не может уменьшиться так же быстро и возможны механические повреж­ дения легких — разрывы, внутренние кровоизлияния, падение кровяного давления, замедление ритма сердца. Степень рас­ стройств, вызванных взрывной декомпрессией, зависит от времени падения давления в кабине до атмосферного и величины относи­ тельного расширения газов, содержащихся в закрытых полостях организма человека, которая характеризуется коэффициентом от­ носительного расширения газов

рк -Рн-ю

В о д - 0	2 .	(2-9)
РК-Р % $

где рк , рк — давление воздуха в кабине к моменту ее разгерме­ тизации и установившееся после разгерметизации.

Экспериментально установлено [11], что если выравнивание давлений происходит за время т < 0,02 с, то действие взрывной де­ компрессии безопасно при значениях р ^ < 3, если т > 0,5, то р ^ может быть в несколько раз больше.

3*

68	Физиолого-гигиенические аспекты высотных полетов

2.3. ВЛИЯНИЕ НА ЧЕЛОВЕКА ТЕПЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

ИВЛАЖНОСТИ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Впроцессе жизнедеятельности человеческий организм расхо­ дует энергию, источником которой является пища, причем только 5 % энергии, высвобождающейся при окислении пищи кислоро­ дом, превращается в механическую работу, в то время как остав­ шиеся 95 % энергии выделяются в виде тепла. Теплообмен между человеческим организмом и окружающей средой происходит излу­ чением, теплопроводностью, конвекцией и испарением. Интен­ сивность протекания этих процессов зависит от многих факто­ ров — температуры, влажности и скорости движения омывающего воздуха, позы человека, вида его одежды, тяжести выполняемой работы. С понижением температуры окружающей среды кожа ох­ лаждается, в результате чего капиллярные кровеносные сосуды вблизи поверхности сужаются, что вызывает сокращение коли­ чества протекающей по ним крови и уменьшение теплопотерь те­ лом человека. Этот эффект может сопровождаться другими яв­ лениями, например, появлением «гусиной кожи», повышающей теплоизоляционное качество кожи, или озноба, при котором воз­

растает мускульная активность для преодоления низкой темпера­ туры. При повышении температуры окружающей среды процесс идет в обратном направлении (сосуды расширяются) и сопровож­ дается подводом к поверхности кожи большого количества крови, благодаря чему облегчается теплоотдача и уменьшается термичес­ кое сопротивление ткани. Самочувствие человека зависит также от скорости движения воздуха и его относительной влажности.

Для оценки одновременного влияния на человека температу­ ры, влажности и скорости движения воздуха введена эквивален­ тно-эффективная температура, которая является условной вели­ чиной, определяющей одинаковый отвод тепла от тела человека. Влажный воздух при низкой температуре и сухой воздух при вы­ сокой температуре могут оцениваться равным значением экви­ валентно-эффективной температуры. На рис. 2.3 представлена номограмма для определения эквивалентно-эффективной темпе­ ратуры в зависимости от температуры окружающей среды, влаж­ ности и скорости движения воздуха, которая составлена без учета лучистого теплообмена на основании наблюдений над нормально одетым человеком, находившимся в состоянии покоя в помеще­ нии, температура стенок которого была равна температуре окру­ жающего воздуха. На номограмме линия, соединяющая показа-

Влияние на человека теплового воздействия и влажности

69

Рис. 2.3. Номограмма для определения эквивалентно-эффективной температуры воздуха:

а — зимняя зона комфорта; б — летняя зона комфорта

ния сухого и влажного термометров, соответствует определенной относительной влажности и дает в точках пересечения с линиями скоростей воздуха значение эквивалентноэффективной темпе­ ратуры. Кроме того, на номограмме приведены зоны комфорта для летних и зимних условий. При относительной влажности воз­ духа 40...60 %, скорости движения воздуха до 0,5 м/с температура окружающей среды должна быть для обеспечения комфортных условий 18...26°С летом и 15...24°С зимой.

Значения эквивалентно-эффективной температуры зависят от физической нагрузки. При повышении нагрузки потребная для обеспечения комфортных условий температура понижается. Так, при повышении теплопродукции от 100 Вт (сидящий человек в состоянии покоя) до 300 Вт (тяжелая физическая работа) для со­ хранения хорошего самочувствия желательно снижение темпера­ туры воздуха на 7...10°С.

При отклонении температуры от комфортных значений человек начинает испытывать неприятные ощущения. При понижении температуры окружающего воздуха последовательно появляются

70	Физиолого-гигиенические аспекты высотных полетов

озноб, окоченелость, потеря чувствительности кожи, восстанав­ ливаемое обморожение, а при дальнейшем снижении температу­ ры — невосстанавливаемое обморожение. Смерть наступает при снижении температуры тела до 22...25°С.

Высокая температура также сказывается неблагоприятно — при повышении температуры до 25...27°С снижаются работоспо­ собность, быстрота реакции, при дальнейшем повышении темпе­ ратуры увеличивается потоотделение и в дальнейшем повышается температура тела.

2 .4 . ТРЕБОВАНИЯ К СОСТАВУ И ЧИСТОТЕ ВОЗДУХА ГЕРМЕТИЧЕСКОЙ КАБИНЫ

Воздух в кабинах летательных аппаратов должен удовлетворять определенным санитарно-гигиеническим требованиям, в част­ ности, содержание в нем вредных газовых примесей не должно превышать установленных предельно допустимых значений.

Газовые примеси могут поступать в ГК от источников, которые можно разделить на внешние и внутренние.

Внутри кабины основными источниками загрязнений возду­ ха являются люди. В процессе жизнедеятельности человек вы­ деляет более 400 химических соединений, в том числе с выды­ хаемым воздухом в окружающую среду поступает 149 веществ, с поверхности кожи — 271. Количество выделяемых человеком веществ весьма изменчиво и зависит от индивидуальных особен­ ностей организма, питания, двигательной активности, возраста и некоторых других факторов. В наибольших количествах выделяют­ ся такие вещества, как аммиак, ацетон, альдегиды, жирные кисло­ ты, окись углерода, углеводороды, углекислый газ. Токсикологи­ ческая значимость выделяемых соединений неодинакова.

Вредные газовые примеси поступают также в результате газовыделений некоторых элементов конструкции СКВ и кабины JIA (воздухораспределительных решеток, ковровых дорожек, обивки кресел, стен, различных предметов интерьера салона и т.п.), вы­ полненных из неметаллических материалов или имеющих неме­ таллические покрытия.

Необходимый газовый состав воздуха обеспечивается пос­ редством вентиляции кабины, при этом концентрация выделяе­ мых вредных примесей уменьшается в результате добавления к воздуху кабины чистого воздуха. Однако подаваемый в кабину воздух можно назвать чистым лишь условно. Во-первых, состав атмосферного воздуха может отличаться от приведенного в разд. 2.1 вследствие выбросов промышленных предприятий, дымов и т. д. Во-вторых, на современных самолетах вентиляция кабин осущест­