СПОСОБ СОЗДАНИЯ УСЛОВИЙ ДЛЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА В ГЕРМООБЪЕКТЕ Российский патент 1999 года по МПК B63C11/00 B63C11/36 

Изобретение относится к области физиологии подводного плавания и аварийно-спасательного дела и может быть использовано для повышения пожаробезопасности в условиях длительного плавания - при автономных походах подводных лодок (ПЛ).

Аналоги способа широко освещены в литературе. Фактически, как в нашей стране, так и за рубежом создание условий для жизнедеятельности подводников при автономных походах подразумевает поддержание атмосферного давления воздуха в отсеках и постоянный контроль параметров воздушной среды и микроклимата (Физиология подводного плавания и аварийно-спасательного дела /Учебник. - 2-е изд. - Л: Воен.-мед.акад. им. С.М. Кирова, 1986; Сапов И.А., Солодков А. С. Состояние функций организма и работоспособность моряков. - Л.: Медицина, 1980).

Сведения об авариях и катастрофах на ПЛ публикуются в основном в специальной литературе. В то же время, даже по информации общедоступных источников можно сделать заключение о том, что основной причиной тяжелых аварий на ПЛ являются пожары и взрывы (По следам подводных катастроф /Автор-составитель С. П. Букань. - М.: Гильдия мастеров "Русь", 1992; Нарусбаев А.А. Катастрофы в морских глубинах. - Л.: Судостроение, 1989). Источники взрыво- и пожароопасности ПЛ - это аккумуляторные батареи, легковоспламеняющиеся вещества и газы (дизельное топливо, бензил и другие горюче-смазочные материалы). Потенциальными источниками пожара являются лодочное электрооборудование и раскаленные части двигателей, а средой его распространения - изоляция кабелей, оборудование, оснащение и отделка помещений.

Динамика распространия огня в условиях гермообъекта, комплексное воздействие на экипаж поражающих факторов, сопутствующих пожару, отсутствие надежных автономных средств защиты и экипировки личного состава до настоящего времени не позволяют эффективно бороться с пожаром, возникающим на борту.

Альтернативным путем является предотвращение распространения пожара на ПЛ - повышение пожаробезопасности за счет создания условий, не обеспечивающих поддержание горения материалов в гермообъекте и, в то же время, не препятствующих нормальной жизнедеятельности экипажа.

Вероятность возникновения и развития пожара определяется процентной концентрацией кислорода в газовой среде, окружающей источник возможного воспламенения и горения: пожаробезопасность среды тем выше, чем ниже ее процентный состав по кислороду (Драйздейл Д. Введение в динамику пожаров. - М.: Стройиздат, 1990). В идеальном случае абсолютно пожаробезопасная газовая среда не должна содержать кислорода, но при этом она непригодна для дыхания.

Физиологические представления о содержании кислорода в дыхательной газовой среде (ДГС) предполагают наличие нормоксической концентрации 20 - 21% при нормальном атмосферном давлении, что соответствует нормоксическому парциальному давлению кислорода 20 - 21 кПа. При понижении содержания кислорода в ДГС до 18,5 - 12% у человека развивается первая стадия острого кислородного голодания, а при длительном воздействии даже слабого гипоксического раздражителя возникает хроническая гипоксия (Физиология подводного плавания и аварийно-спасательного дела /Учеб. - 2-е изд. - Л.: Воен.-мед. акад. им. С. М. Кирова, 1986, с. 302 - 304).

Известны концентрации кислорода в газовой среде, при которых воспламенение и горение невозможно (Zubetakis M.G. Flammability characteristics of combustible gases and vapours //US Burean of Mines Bulletin, 1965). На этой основе показана теоретически и подтверждена на практике возможность создания пожаробезопасных газовых смесей: установлено, что концентрация кислорода 10 - 11% предотвращает возгорание практически всех материалов, а при более высокой его концентрации (14 - 15%) газовая среда не поддерживает горение более чем 70% широко распространенных веществ и материалов (Spacecraft Fire-Safety Workshop. - NASA-Lewis, 1986), однако с физиологической точки зрения такие концентрации кислорода при нормальном атмосферном давлении (0,1 МПа) являются гипоксическими и могут привести к неблагоприятным для организма человека последствиям.

Вместе с тем, гипоксическая газовая среда еще в 1965 году предложена специалистами США для пилотируемых космических кораблей (Lamb L.E. Hypoxia - an anti-deconditioning factor for manned space flight. - Aerospace Med. 1965, vol. 36, p. 97 - 100). Это предложение получило развитие в способе создания условий для жизнедеятельности экипажа космических кораблей с использованием пожаробезопасной концентрации кислорода 14 - 16% при нормальном атмосферном давлении 0,1 МПа (~1 кГс/см²) (Shvartz E. Advantages of a low-oxygen environment in space cabins. - Aviat. Space Environ. Med. 1990, vol. 61, N 3, p. 272 - 276). По-видимому, это наиболее близкий аналог (прототип) предлагаемого изобретения.

Согласно прототипу парциальное давление кислорода в среде оставляет 14 - 16 кПа, то есть человек находится в условиях гипоксии, когда возникает первая стадия кислородного голодания. Очевидно, что такая ДГС непригодна для дыхания при длительном (многосуточном) воздействии. По парциальному давлению кислорода указанная ДГС эквивалентна горной атмосфере на высоте около 3000 - 4000 м и допустима для лиц, длительно и постоянно живущих в таких регионах (Адаптация и резистентность организма в условиях гор /Сб. науч. трудов. - Киев: Наук. думка, 1986). Способ предусматривает предполетную длительную акклиматизацию пилотов в условиях высокогорья с комплексом мероприятий для активизации процессов адаптации организма к гипоксии (Shvartz, 1990), но эта сторона прототипа вызывает критику с экономических позиций - по значительным финансовым затратам.

Таким образом, особенности прототипа не позволяют использовать его в качестве способа создания условий для жизнедеятельности подводников в автономных походах ПЛ: по процентной концентрации кислорода среда пожаробезопасна, но непригодна для продолжительного пребывания в ней человека, а предварительная высокогорная акклиматизация экипажа ПЛ и сопутствующие ей мероприятия нецелесообразны как по объемам финансовых затрат, так и организационно.

Предлагаемый способ создания условий для жизнедеятельности человека в гермообъекте, как и прототип, включает использование не поддерживающей горения кислородно-азотной среды (КАС) с содержанием кислорода 14 ± 1% и контроль ее параметров, но отличается от прототипа тем, что с целью обеспечения пригодности КАС для дыхания подводников и исключения развития у них гипоксических состояний при автономных походах в отсеках ПЛ повышают давление, величину которого поддерживают таким образом, чтобы парциальное давление кислорода в среде соответственно нормоксическому, составляя 20 - 21 кПа.

Предлагаемый способ создания условий для жизнедеятельности человека в гермообъекте, направленный на повышение пожаробезопасности ПЛ в автономных походах за счет использования не поддерживающей горения газовой среды, позволяет разрешить противоречие между требованиями пожаробезопасности газовой среды и ее приемлемостью для дыхания подводников в обеспечение их нормальной жизнедеятельности. Опасность развития гипоксических состояний у личного состава исключена и вследствие адекватной оксигенации организма в условиях автономного похода нет необходимости в предварительной высокогорной акклиматизации.

Известно, что концентрация кислорода 15% не поддерживает горения бумаги, а при 14% предотвращается угроза возгорания бензина и близких ему по составу легковоспламеняющихся веществ, горюче-смазочных материалов и т.п. (Zubetakis, 1965; Shvartz, 1990 и др.). Это в первую очередь вещества и материалы, которые являются потенциальными источниками возгорания и распространения поржара на ПЛ. Диапазон изменения процентной концентрации кислорода в среде (±1%) задан с учетом возможностей контрольно-измерительной аппаратуры.

Давление среды в отсеках ПЛ (P) определяется из следующего сотношения, вытекающего из закона Дальтона:
pO₂ = fO₂ • P/100%, (1)
где pO₂ - парциальное давление кислорода в ДГС;
fO₂ - процентное содержание кислорода в ДГС.

При заданных параметрах способа (pO₂ = 20 - 21 кПа, fO₂ = 14%), давление (P) составляет 0,15 МПа (или 150 кПа), что соответствует избыточному давлению 0,05 МПа, эквивалентному глубине 5 м.

Другой отличительной особенностью предлагаемого способа является процедура декомпрессии подводников, которую начинают по истечении 45 - 60 суток похода и проводят путем линейного снижения давления до нормального атмосферного за 10 - 15 минут одновременно с вентиляцией отсеков ПЛ воздухом.

Процедура декомпрессии не требует специальных ступенчатых режимов, используемых в водолазной практике во избежание возникновения у человека декомпрессионной болезни, обусловленной пересыщением организма азотом. В предложенном способе парциальное давление азота (pN₂) в КАС, которое соответствует его напряжению в тканях организма в состоянии насыщения, можно определить согласно закону Дальтона
pN₂ = P - pO₂. (2)
В свою очередь, пересыщение организма азотом определяется как разница между повышенным значением pN₂ и нормальным атмосферным давлением. При указанных выше параметрах способа пересыщение организма азотом составляет около 30 кПа, что соответствует среднему значению допустимого пересыщения, принятому в физиологии водолазного труда (Литошко И.А. Дис. ... канд.биол.наук. - Л: Воен. -мед. акад. им. С.М. Кирова, 1986 и др.) и свидетельствует о безопасности сброса давления при декомпрессии без ступенчатого режима. Диапазон индивидуально допустимых значений пересыщения организма человека азотом составляет от 20 до 52 кПа (Литошко, 1986), то есть не исключена вероятность развития внутрисосудистого газообразования у некоторых членов экипажа ПЛ при "мгновенном" сбросе давления до атмосферного. Во избежание этого, а также для предотвращения развития гипоксических состояний из-за кратковременного падения парциального давления кислорода в КАС при снижении давления предложено осуществлять декомпрессию подводников одновременно с вентиляцией отсеков воздухом. Декомпрессию целесообразно проводить за 10 - 15 минут - при этом соответствующие скорости снижения давления обеспечивают приемлемый уровень шумового воздействия на ораны слуха (при "мгновенном" сбросе давления уровень шума может привести к поражению аппарата внутреннего уха). Таким образом, предложенные операции обеспечивают безопасность возвращения экипажа в условия нормального атмосферного давления воздуха.

В практике подводного плавания пожаробезопасная газовая среда с пониженной концентрацией кислорода в отсеках ПЛ специально не создавалась, а повышенное до 1,1 МПа давление воздуха возникало только в аварийных ситуациях (либо при их имитации в ходе учебных мероприятий). Указанные особенности нового способа коренным образом отличают его от аналогов, используемых в настоящее время при создании условий для жизнедеятельности подводников в автономных походах ПЛ.

Вместе с тем, устройство современных ПЛ, их технические характеристики позволяют осуществить предложенный способ, используя имеющиеся на ПЛ системы, то есть технические аспекты не являются проблемой внедрения на ПЛ нового способа.

Медико-биологические аспекты нового способа в обоснование возможности его осуществления, а также безопасность предложенных параметров имеют как теоретическое обоснование с позиций подводной физиологии и водолазной медицины, так и практическое подтверждение в водолазном деле.

Искусственная КАС с парциальным давлением кислорода 20 - 21 кПа под достигнутым давлением (0,15 МПа) по парциальному давлению азота эквивалентна воздуху на глубине 6,0 - 6,2 м. Эффекты воздействия факторов КАС на жизненно важные органы и системы организма человека в указанных условиях хорошо изучены (Кисляков Ю. Я., Бреслав И.С. Дыхание, динамика газов и работоспособность при гипербарии. - Л.: Наука, 1988; Зальцман Г.Л., Кучук Г.А., Гургенидзе А. Г. Основы гипербарической физиологии. - Л.: Медицина, 1979; Гуляр С. А. Функциональные сдвиги в организме человека при пребывании в подводных лабораториях на малых глубинах: Автореф. дис. ... канд.мед. наук. - Донецк, 1971 и др.).

Необходимо подчеркнуть, что парциальное давление азота в КАС, составляющее около 130 кПа, значительно меньше порогового значения (320 кПа), при котором проявляется эффект его "наркотического" действия (Беннетт П.Б. Наркотическое действие нейтральных газов // Медицинские проблемы подводных погружений Под ред. П.Б. Беннетта и Д.Г. Эллиота. - Пер. с англ. - М.: Медицина, 1988, с. 247 - 273).

Опыт изучения воздействия факторов искусственной ДГС в условиях гермообъема и нормирования ее параметров успешно применяется на барокомплексах ВМФ в интересах развития метода насыщенных водолазных погружений, предусматривающего многосуточное пребывание под повышенным давлением. Согласно ст. 96 ч. II Правил водолазной службы Военно-Морского Флота /ПВС ВМФ-85/ (М.: Воениздат, 1987) продолжительность пребывания акванавтов под избыточным давлением до 1 МПа (100 м) составляет до 40 суток. В экспериментальных погружениях, выполненных в последующие годы, общая продолжительность периода герметизации, включая время декомпрессии, составляла 45 - 50 суток.

Отечественный и зарубежный опыт погружений в специальных подводных лабораториях свидетельствует о том, что на малых и средних глубинах допустимые сроки герметизации составляют до 60 суток (NOAA Diving Manual: Diving for Science and Technology /Ed. J.W. Miller. - 2nd ed. - US Department of Commerce, 1979, p. 14.1 - 14.17; Боровиков П. Лаборатория на морском дне. - Л.: Гидрометеоиздат, 1977 и др.).

В обоснование возможности использования нового способа в мае - июне 1995 года на базе войсковой части 20914 проведены исследования с участием группы испытателей из шести человек. Целью работы являлась экспериментальная проверка безопасности разработанного способа при воздействии на организм пожаробезопасной КАС с содержанием кислорода 14 ± 1% под давлением 0,15 МПа (5 м) при имитации условий автономного похода ПЛ.

Установлено, что характер изменений показателей функционального состояния и работоспособности испытателей, а также уровень этих изменений, их динамика статистически не отличаются от таковых у подводников, то есть ведущим фактором является длительная изоляция экипажа (пребывание в гермообъекте per se). В стендовых условиях барокомплекса продолжительность герметизации составляла 45 суток, что сопоставимо с 60-ю сутками реального похода ПЛ - с учетом различия уровней обитаемости (и социально-бытовых особенностей) двух указанных объектов. Ограничение периода герметизации связано с сенсорной депривацией, переутомлением и риском развития заболеваний инфекционно-воспалительной природы.

Фактически, изобретение готово к использованию, но его практическая реализация требует внесения изменений в ряд руководящих документов ВМФ, регламентирующих особенности прохождения службы на ПЛ и деятельности подводников.

Изобретение относится к физиологии подводного плавания и аварийно-спасательного дела. Способ включает использование кислородно-азотной среды с содержанием кислорода 14±1% и контроль ее параметров. С целью обеспечения пригодности кислородно-азотной среды для дыхания подводников и исключения развития у них гипоксических состояний при автономных походах в отсеках подводной лодки повышают давление и поддерживают его величину таким образом, чтобы парциальное давление кислорода в среде соответствовало нормоксическому, составляя 20 - 21 кПа. Для обеспечения безопасности подводников декомпрессию начинают по истечении 45 - 60 сут похода и проводят ее путем линейного снижения давления до нормального атмосферного за 10 - 15 мин одновременно с вентиляцией отсеков воздухом. Достигается повышение пожаробезопасности при автономных походах подводных лодок. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ создания условий для жизнедеятельности человека в гермообъекте, включающий использование не поддерживающей горения кислородно-азотной среды с содержанием кислорода (14 ± 1)% и контроль ее параметров, отличающийся тем, что в отсеках подводной лодки повышают давление и поддерживают его величину таким образом, чтобы парциальное давление кислорода в среде соответствовало нормоксическому, составляя 20 - 21 кПа. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что декомпрессию подводников начинают по истечении 45 - 60 суток похода и проводят ее путем линейного снижения давления в отсеках подводной лодки от достигнутого до нормального атмосферного за 10 - 15 мин одновременно с вентиляцией отсеков воздухом.