Главная  Новости  Гостевая  Комментарий  Ссылки   Дневник  English  Deutsch  Français  El español

Авиастроение, экспресс-информация № 17 1987 г.

ПРОБЛЕМА ПОТЕРИ СОЗНАНИЯ ЛЕТЧИКАМИ-ИСТРЕБИТЕЛЯМИ ПРИ МАНЕВРИРОВАНИИ С БОЛЬШИМИ ПЕРЕГРУЗКАМИ

Внедрение в эксплуатацию самолетов-истребителей нового поколения, способных длительно маневрировать с большими перегрузками, показало, что возможности организма летчика выдерживать такие перегрузки весьма ограничены, и это иногда приводит к кратковременной потере сознания (ПС) летчиком в момент воздействия перегрузки. Возникла проблема, которая становилась все более острой и важной в течение нескольких последних лет. В зарубежной литературе эта проблема именуется G-loc ( G – induced loss of capacitation ),  что может переводиться как "индуцированная перегрузкой потеря сознания». Специалисты обращают внимание на то, что явление ПС отличается от обычных явлений при воздействии на человека длительной высокой перегрузки, для которых характерны классические симптомы «туннельного видения», «серой пелены» и «черной пелены» и весьма редкие случаи полной потери сознания.

Явление ПС, могло возникать и на самолетах-истребителях предыдущих поколений, которые позволяли маневрировать с кратковременными (длившимися не более нескольких секунд) перегрузками порядка 4 - 6 единиц. Особенно его касается самолетов, на которых не было предусмотрено использование летчиком противоперегрузочного костюма (ППК).

На более новых типах самолетов-истребителей вероятность ПС значительно возросла. ВВС США потеряли вследствие КПС несколько самолетов F-16, фирма Нортроп (США) по этой же причине потеряла два опытных образца самолета F-20, а фирма Бритиш Аэроспейс (Великобритания) - опытный образец самолета Hawk 200. Как полагают, зарегистрированные летные происшествия (ЛП) по причине ПС являются только ''видимой верхушкой айсберга", основная масса которого скрыта от наблюдения. Подтверждением такого мнения являются результаты анонимного анкетирования летчиков, проведенного службой авиакосмической медицины в ВВС США. Из 1680 летчиков-истребителей, заполнивших анкеты, 201 летчик (т.е. 12% от общего числа) отметил, что в он испытывал ПС. В материалах другого обследования 20% летчиков сообщили, что они испытали на себе явление ПС во время полета хотя бы один раз. Из этого сделаны выводы о том, что явление ПС в действительности весьма частое для летчиков-истребителей, только оно не всегда регистрируется и не всегда докладывается летчиками.

Причинные связи возникновения ПС следует искать в строении и функционировании кровеносной системы человека, которые делают возможной гипоксию некоторых органов, и в частности мозга, при воздействии большой перегрузки. При нормальной вертикальной позе человека среднего роста расстояние по вертикали от сердца до уровня глаз составляет около 300 мм, что соответствует гидростатическому давлению крови примерно в 22 мм.рт.ст. При положительной перегрузке на каждую единицу гравитационного ускорения приходится прирост гидростатического давления крови в 22 мм.рт.ст. Сердце человека имеет ограниченные возможности для создания давления в кровеносных сосудах. Когда эти возможности становятся недостаточными для поддержания давления крови на уровне глаз по крайней мере 20 мм.рт.ст., появляются визуальные симптомы действия перегрузки (сначала "серая пелена», а затем в "черная пелена''). Если перегрузка оказалась настолько большой, что привела к прекращению кровоснабжения мозга, человек может потерять сознание, после того как через 5 - 6 сек. мозг человека израсходует некоторый резервный запас кислорода.

Проведенные на центрифугах исследования показали, что весьма часто ПС может наступить без каких-либо предупреждающих симптомов. Средняя продолжительность бессознательного состояния составляет 15 сек. и более, на восстановление сознания требуется еще несколько секунд. Поэтому весь период потери в восстановления сознания занимает, примерно 25 сек, причем в течение этого времени человек  находится в состоянии непроизвольных, спазматических движений. Быстрые сокращения в расслабления мышц тела приводят к движениям, подобным состоянию человека в момент эпилептического  припадка.

Характерные для человека зависимости между величиной действующей перегрузки и последствиями приведены на рис. 1, где обозначено:

1 -перегрузка:

2 - время сек,

3 - отрезок времени, в течение которого сознание может поддерживаться за счет использования резервного запаса кислорода в мозгу;

4 - область потери сознания;

5 - визуальные симптомы;

6 - область сохранения сознания за счет рефлексов сердечно-сосудистой системы.

Из графика рис. 1 можно видеть, что летчик может без потери сознания выдерживать очень большие перегрузки, если они длятся не более 5 сек, поскольку именно на такой срок хватает внутренних запасов кислорода в мозгу человека. При более длительном воздействии перегрузки могут возникнуть визуальные симптомы или летчик может без каких-либо предупреждающих симптомов сразу потерять сознание. В промежутке времени примерно от пятой до десятой секунды от начала воздействия перегрузки происходит сначала спад, а затем некоторое увеличение порога переносимости перегрузок. Это объясняют запаздыванием в приспособлении сердечно-сосудистой системы к работе в условиях перегрузки.

Обычно при маневрировании в полете летчики-истребители тянут ручку на себя и таким образом увеличивают положительную перегрузку до тех пор, пока не появятся определенные визуальные симптомы приближения к перегрузке, при которой может наступить потеря сознания (например, таким симптомом может быть «туннельное видение»). После этого летчик может несколько уменьшить перегрузку до уровня, при котором исчезнет возникший визуальный симптом, или же он должен будет выполнить рекомендованный прием произвольного напряжения мышц тела, рассчитанный на то, чтобы повысить порог переносимости перегрузок. И в том и в другом случае летчик принимает меры для того, чтобы исключить вероятность потери сознания от воздействия чрезмерно большой перегрузки. Если перегрузка нарастает медленно или в среднем темпе, до момента, когда она станет представлять опасность для потери сознания, у летчика почти непременно могут появиться визуальные симптомы. Однако при резком возрастании перегрузки ПС может наступить через примерно 5 с без предупреждающих визуальных симптомов

При правильно подогнанном ППК выполнение специальных приемов напряжения мышц тела может повышать порог переносимости перегрузок. Однако по данным исследований примерно 50% летчиков, которые летают на высокоскоростных реактивных самолетах, эти приемы не выполняют или выполняют не совсем правильно. Прием заключается в сознательном напряжении мышц рук и ног, а также грудной клетки (при закрытой или частично открытой гортани). При этом дыхание должно быть частым, на один цикл вдоха-выдоха должно затрачиваться примерно 3 с, Целенаправленное напряжение мышц тела затрудняет возвращение крови к сердцу и таким образом поддерживает темп подачи крови от сердца, что повышает стойкость человека к воздействию перегрузки. Продление времени вдоха позволяет снизить давление в грудной клетке и кровяное давление в мозгу. Летчикам рекомендуют выполнять специальный прием напряжения мышц тела при средних и больших перегрузках, а также при быстром нарастании перегрузки до большой величины. Если этот прием выполняется правильно и ППК летчика подогнан правильно, порог переносимости перегрузок может быть повышен до примерно на 4,5 единицы. Недостатком такой практики является то, что летчик от сильного напряжения мышц тела очень устает, а если напряжение приходится поддерживать более 10 с или выполнять многократно, что его может привести к полному израсходованию запаса сил.

Для предотвращения ПС и возможных ЛП по этой причине в ВВС ряда стран ведутся работы в нескольких направлениях. Самым первым мероприятием для достижения этой цели считают ознакомление летчиков с сущностью в опасностью явления ПС, а также с мерами предосторожности при пилотировании самолета, направленными на то, чтобы летчик не создавал ситуаций, в которых вероятна ПС. Это мероприятие не дает полного решения проблемы ПС, а только позволяет несколько снизить ее остроту. Есть предположения, что для решения проблемы ПС могут оказать пользу усовершенствованные ППК, регулируемые с помощью ЭВМ и имеющие повышенное быстродействие. Имеются идеи создания ППК с пульсацией давления в камерах, позволяющей легче выполнять прием придания предварительной напряженности органам дыхания. В ВВС США ведутся разработки быстродействующего клапана наполнения ППК, который мог бы быстрее реагировать на нарастание перегрузки и быстрее подавать сжатый воздух для наполнения камер костюма. Полагают, что такой клапан может быть применен в комплекте с ППК, который постоянно будет иметь некоторое давление в камерах и поэтому в случае необходимости будет наполняться быстрее, чем ППК, не имеющие достаточного давления в камерах.

Наиболее аффективными мероприятиями для кардинального решения проблемы ПС считают работы по усовершенствованию катапультных кресел, которое позволяло бы увеличить наклон назад тела летчика в моменты действия больших перегрузок и обеспечило бы нормальную исходную позу при необходимости катапультироваться. На самолете F-16 применено катапультируемое кресло с увеличенным до 30 градусов углом наклона назад. Такое увеличение угла наклона кресла позволило повысить порог переносимости перегрузок примерно на одну единицу, но потребовало применения боковой ручки управления самолетом и вынудило летчиков выполнять полеты при сильно поднятых коленях. В результате даже наиболее энергично маневрирующие летчики наибольшее число маневров и основную часть времени маневрирования проводят при перегрузках меньше 9 единиц, на длительное выдерживание которых рассчитан самолет F-16.

В Великобритании проблемами повышения переносимости перегрузок в течение последних примерно 15 лет занимаются институт авиационной медицины и фирма Мартин-Бейкер. Исследования показали, что угол наклона тела летчика должен быть увеличен, по крайней мере, до 65° к вертикали, чтобы можно было в приемлемых пределах уменьшить разность высот сердца и мозга, т.е. величину гидростатического давления, соответствующего в этой разности высот. Институтом авиационной медицины Великобритании были проведены исследования эффективности систем подачи дыхательной смеси под избыточным давлением. Совместно с промышленными предприятиями институтом была разработана система, которая для повышения переносимости перегрузок обеспечивает подачу дыхательной смеси под избыточным давлением. Фирмой Мартин-Бейкер предложена идея создания «шарнирного» (articulated) катапультируемого кресла летчика.

Такое кресло показано на рис. 2, где обозначено:

1 - расчетная точка уровня глаз летчика;

2 - направление движения при катапультировании;

3 - положение чаши сиденья при максимальном угле наклона тела летчика,

4 - линия спины;

5 - положение чаши сиденья перед катапультированием;

6 - основание кресла показано в нижнем положении.

Идея заключается в том, чтобы можно было изменять угол наклона тела летчика, не меняя наклона основной конструкции катапультируемого кресла и не вызывая вертикальных и горизонтальных смешений головы летчика. Для этого кресло имеет чащу сиденья, которая с помощью привода может перемещаться вперед-вверх настолько, чтобы угол наклона тела летчика увеличился с 30 до 65 градусов. Нормальное положение чаши сиденья нижнее, в верхнее положение чаша сиденья переносится, когда предполагается выполнение маневра с большой перегрузкой. Время срабатывания привода 0,9 с.

Поскольку при срабатывании привода чаши сиденья положение головы в линии плеч летчика остается без изменений условия видимости и достижимости кабинной арматуры не изменяются (предполагается, что на самолете применена ручка управления, установленная сбоку или на кресле летчика). Эксперименты, проведенные на центрифуге в наземном моделирующем комплексе, показали, что предложенная идея усовершенствования катапультного кресла может дать положительные аффект. Первоначально при разработках идеи «шарнирного» катапультируемого кресла возникли затруднения потому, что при работе на таком кресле у летчика изменяются условия наблюдения за показаниями приборов, установленных на приборной доске. Позднее были сделаны заключения о том, что внедрение разработанных устройств отображения информации в оборудовании кабин самолетов позволит преодолеть такие затруднения. Это дает возможность считать, что идею применения «шарнирного» катапультируемого кресла следует апробировать вторично с учетом перспектив изменения характеристик и оборудования будущих самолетов. 

Для ознакомления летчиков с правилами предотвращения ПС при боевом маневрировании, обучения летчиков приемам целенаправленного напряжения тела для повышения порога переносимости перегрузок, а также для тренировок и проверок физического состояния летчиков, их готовности к перенесению больших перегрузок считают необходимым создание специальных тренажеров и центрифуг. В этом отношении представляет интерес опыт организации тренировок летчиков ВВС Нидерландов в центрифуге, принадлежащей Национальному экономическому  медицинскому центру в г. Сестерберг. Центрифуга с электрическим приводом имеет длину бруса 4 м, на конце которого смонтирована кабина с регулируемым углом наклона, оснащенная катапультируемым креслом Aces 11. Привод центрифуги позволяет регулировать перегрузку в диапазоне до 23,5 единиц, максимальный темп нарастания перегрузки 3,5 единиц/с. В кабине имеется баллон, со сжатым воздухом и система подключения противоперегрузочного костюма летчика. Справа от кресла летчика расположена ручка управления самолетом F-16 с кнопкой и переключателем управления триммерами, рукоятка управления двигателем имеет встроенное приспособление, получившее название dead man`s handle (в дословном переводе «рукоятка мертвого человека»), поскольку она позволяет переключить центрифугу в режим аварийного торможения, как только летчик прекратит удерживать с нажатием рычаг этого приспособления. Перед летчиком в кабине имеется телевизионный экран, на который выводится изображение земли и неба, а также символика прицела и вид подвижной цели. При выполнении упражнений в центрифуге, летчику может ставиться задача, удерживать перекрестие прицела на подвижной цели. В верхней части экрана показывается горизонтальная линия с красной отметкой в центре и зелеными отметками на обоих концах, Эта линия используется для измерений порога переносимости перегрузок летчиком. Центрифуга может работать в трех различных режимах управления, а именно:

а) полностью автоматическом режиме управления от ЭВМ,

б) ручном режиме управления летчиком или

в) ручном режиме управления со стороны.

Приборное оборудование центрифуги позволяет контролировать и регистрировать электрокардиограммы, электроэнцефалограммы и данные о частоте дыхания летчика. Комплект аварийного медицинского оборудования расположен вблизи от места остановки кабины. В этот комплект входят сердечный дефибриллятор и комплекс приспособлений для реанимации в случаях нарушений сердечной деятельности. Автоматика управления     центрифугой позволяет останавливать центрифугу при следующих обстоятельствах:

1) повышение пульса сверх 200 ударов/мин;

2) частые преждевременные вентикулярные сокращения (т.е. несвоевременные сокращения нижней части сердца, его желудочков) до пяти и более в одном    прогоне;

3) спаренные преждевременные вентикулярные сокращения;

4) многообразие форм преждевременных вентикулярных сокращений;

5) депрессия/повышение параметра ST—Т более чем на 2 мм (систолическая аномальность на электрокардиограмме);

6) вентикулярная тахикардия (увеличение частоты сокращений желудочков сердца) или фибрилляция (хаотические сокращения сердца вследствие случайного поступления стимулирующих сигналов);

7) суправентикулярная тахикардия (повышение частоты сокращений верхней части сердца, предсердий);

8) потеря сознания;

9) любые необычные боли;

10) сильное расстройство участника эксперимента или тренировки.

Программа работ с использованием центрифуги в ВВС Нидерландов имеет и научно-исследовательские цели, связанные со сбором данных, но основная цель этой программы - обучение летчиков-истребителей правильным способам поведения при маневрировании с большими перегрузками. Обучение проходят главным образом летчики, которые летают на самолетах F-16 в строевых частях ВВС Нидерландов и ВВС США в Западной Европе. В течение рабочего дня на центрифуге могут пройти тренировку шесть летчиков, каждый из которых выполняет четыре отдельных прогона. Кандидаты для участия в таких тренировках должны пройти рентгеновское исследование позвоночного столба и снятие электрокардиограммы при стрессовых воздействиях. К участию в тренировках летчики допускаются в персональных защитных шлемах и ППК. Прогон «А» является демонстрационным, центрифуга разгоняется с темпом нарастания перегрузки 0,1 единицы/с до уровня, при котором у летчика начинает теряться боковое зрение (т.е. возникает «туннельное видение»). При этом уровне нарастание перегрузки временно прекращается, летчик должен выполнить прием придания напряженности мышцам тела, и затем перегрузка снова увеличивается до 9 единиц.

При прогоне «В» перегрузка увеличивается быстро, в темпе 1 единица/с до уровня 6 единиц и удерживается на этом уровне в течение 30 с.

В прогоне «С» перегрузка увеличивается быстро до уровня 8 единиц и удерживается такой в течение 15 с.

Прогон «D» отведен для     имитации условий маневрирования в воздушном бою с перегрузкой на     уровне, соответствующем потере бокового зрения. Летчик при этом сам задает перегрузки, ведя прицеливание по подвижной цепи. Программа упражнения составлена таким образом, чтобы сначала перегрузка нарастала в темпе 3,5 единицы/с, затем в течение 8 с была на уровне 8,5 единиц и еще 10 с. поддерживалась на максимальном уровне, равном 9 единицам.

После тренировки каждый летчик проходит разбор упражнений, заполняет анонимную анкету. Примерно 90% летчиков в анкетах отметили полезность проведенных в центрифуге тренировок.

Анализ показал, что примерно 80% летчиков в начале цикла тренировок не могли правильно выполнить прием придания напряженности мышцам тела. Приблизительно таким же был процент летчиков, прибывших на тренировки с неправильно подогнанным ППК (слишком свободным). Кратковременные ПС были отмечены у 10% летчиков, прошедших тренировки, главным образом по причине неправильного выполнения приема придания напряженности мышцам тела, усталости или преждевременного расслабления. Летчики не всегда учитывали, что центрифугу нельзя затормозить слишком быстро, поскольку при этом могут возникнуть сильные ощущения кувыркания. Несмотря на предупреждения, сделанные при инструктаже, некоторые летчики иногда прекращали поддерживать напряжение мышц тела или начинали вести переговоры. И в том и в другом случаях неизбежно наступала потеря сознания. Этот факт может рассматриваться также и в аспекте перспектив внедрения систем речевого управления в оборудование маневренных самолетов.

Хотя во время тренировок летчиков, проведенных в центрифуге, не было зарегистрировано случаев возникновения опасных ухудшений здоровья летчика, у некоторых летчиков все таки были замечены отдельные преждевременные вентикулярные сокращения мышц сердца, У других летчиков, имевших изолированные преждевременные вентикулярные сокращения при перегрузке, равной единице (т.е. без отклонений от привычных условий гравитации), такие же сокращения замечены и при воздействии установившейся перегрузки. У двух летчиков были отмечены нарушения ритма Nodal Escape (когда стимулирующий сигнал сердца «выскакивает» из центрального узла и вызывает пропуск пульса) в нескольких ударах. Все вариации нормальных изменений пульса и ритмики которые были отмечены при тренировках летчиков, происходили при перегрузках, равных +7 единицам и более.

Как показывает статистика ЛП, потеря сознания летчиком при маневрировании может быть причиной катастроф и аварий. Это обстоятельство должно учитываться при конструировании самолетов-истребителей и их оборудования, постановке задач на разработку новых образцов техники. В частности, по этим причинам фирма Israel Aircraft Industries (Израиль) приняла решение ограничить маневренность опытного образца самолета-истребителя Lavi (путем корректировки программного обеспечения бортовой ЭВМ) до тех пор, пока явление потерн сознания летчиком не будет изучено более глубоко и пока не будут созданы более эффективные ППК о высоким быстродействием. Другие авиастроительные фирмы решают эту же проблему иными способами, внедряя усовершенствования, позволяющие хотя бы частично снизить вероятность потери сознания летчиком, но ориентируясь и на возможность в будущем решить проблему более кардинально.

В.И. Алимов

создана 17 апреля 2005 года / 10 июня 2005 года обновление