СОЗДАНИЕ СТЕНДА-ТРЕНАЖЕРА РДМ-2 И ОБОСНОВАНИЕ ЕГО ИНФОРМАТИВНОСТИ ПРИ ОЦЕНКЕ ВЛИЯНИЯ ФАКТОРОВ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ НА РАБОТОСПОСОБНОСТЬ ЧЕЛОВЕКА-ОПЕРАТОРА

Проблема экстремальных воздействий в авиационной медицине является ключевой. Определяется это рядом причин. Во-первых, летчик осуществляет свою работу в специфических условиях окружающей среды, которые в других профессиях не встречаются или имеют существенно меньшую интенсивность. Во-вторых, условия летной деятельности характеризуются высокой психологической «ценой», опасностью для жизни, высокой «стоимостью» принимаемых решений, увеличением информационной нагрузки и т.п. В-третьих, в ряде случаев отсутствует возможность активного влияния летчика на условия деятельности и на выход из экстремальной обстановки. В-четвертых, экстремальность условий деятельности при совершенствовании авиационной техники имеет тенденцию к неуклонному росту. Перечень причин можно продолжить, но уже и названных достаточно, чтобы понять актуальность рассматриваемой проблемы.

Многие труды специалистов Института авиационной и космической медицины посвящены решению рассматриваемой проблемы. К их числу можно отнести монографии, вышедшие в серии «Проблемы космической биологии», и, в частности, работу

А. Н. Ажаева «Физиолого-гигиенические аспекты действия высоких и низких температур» (1979), в которой автор обобщил основные итоги проводимых в течение 20 лет исследований, посвященных изучению влияния экстремальных микроклиматических условий на функциональное состояние человека.

Однако, анализ работ названных авторов по данной тематике свидетельствовал скорее об отсутствии данной проблемы в авиации с позиции деятельностного подхода. И соответственно, если высокие температуры не влияют на работоспособность летчика, то отсутствует и необходимость обеспечивать кабины системой кондиционирования. В тех случаях, когда летчик допускает ошибочное действие, виноват он, а не условия среды обитания.

Для иллюстрации сказанного приведу фрагмент статьи.

«В целях изучения возможности использования показателей психофизиологических функций и работоспособности для нормирования микроклимата проведены испытания с длительным пребыванием людей (до 5 ч) в термокамере при температуре воздуха и стен 25, 30, 35, 40, 45 и 50 °С, скорости движения воздуха 0,2-0,3 м/с и относительной влажности 10-20%. В испытаниях участвовали 16 практически здоровых мужчин в возрасте 25-30 лет. Контрольными были эксперименты в условиях теплового комфорта, при температуре окружающей среды 20 °С.

В начале каждого часа воздействия высокой температуры измеряли температуру кожи и тела (ректальную), определяли частоту сердечных сокращений, время простой сенсомоторной реакции на звуковой раздражитель, скорость реакции на движущийся объект, мышечную силу и выносливость кистей по показателю величины остаточного усилия после удержания в течение минуты динамометра на уровне 1/2 максимального мышечного усилия. Работоспособность оценивали по качеству управления в режиме одномерного компенсаторного слежения с использованием синусоидальных входных сигналов с частотой 0,1-0,15 Гц. О качестве управления судили по эквивалентной ошибке путем суммирования значений разных уровней ошибок за каждые 5 мин непрерывной работы. Определяли также резервные возможности испытуемых по приему и переработке дополнительной информации и реализации на этой основе моторных актов. Для этого в процессе управления участники испытаний в течение 1 мин выполняли дополнительное задание (нажатие на кнопки в ответ на предъявление зрительных сигналов из трех альтернатив). Регистрировалось число правильных и ошибочных реакций.

Результаты исследований показали, что скорость простой сенсомоторной реакции на звук достоверно снижается только при температуре окружающей среды 45 °С и 50 °С (рисунок 3.1). В этих случаях ректальная температура повышалась до 38,1+0,08 °С и 38,8+0,11 °С, средневзвешенная температура кожи-до 37,11+0,26 °С и 38,27+0,16 °С соответственно. Потери массы тела за 5 ч пребывания испытуемых в термокамере составляли около 1,5 кг. При температуре окружающей среды 40 °С время простой сенсомоторной реакции было таким же, как в условиях теплового комфорта (20 °С). В этом случае ректальная температура не превышала 37,8+0,07 °С, а средневзвешенная температура кожи была 36,4+0,2 °С. Аналогичные результаты изменений сенсомоторной реакции на звук и свет получили И. Д. Кроль (1939), Н. П. Савенко (1961) и др.

а


Рис. 3.1. Время простой сенсомоторной реакции на звук (а) и температура тела (б) при различных температурах окружающей среды

(fp- ректальная температура, С-средневзвешенная температура кожи)


Максимальное мышечное усилие после статической мышечной нагрузки достоверно уменьшалось на 11-18% при температуре окружающей среды 45 °С, начиная со 2-го часа и при 50 °С-с 1-го часа воздействия (рисунок 3.2). Как видно на этом рисунке, максимальное мышечное усилие снижается, когда при температуре окружающей среды 45 °С и 50 °С средневзвешенная температура кожи достигает соответственно

Рис. 3.2. Изменение максимальной мышечной силы (а), средневзвешенной температуры кожи (б) и массы тела (в) при воздействии высокой температуры (Р<0,05)

36,9+0,14 °С и 37,1+0,11 °С, ректальная температура - 37,75+0,06 °С и 37,35+0,13 °С, а дефицит массы тела-0,8% и 0,5%. При температуре окружающей среды 40 °С, когда температура тела была 37,8+0,07 °С, достоверного снижения мышечной силы не наблюдалось. Температура кожи около 37 °С и выше отмечалась только в исследованиях при температуре окружающей среды 45 °С и 50 °С. Эти данные позволяют предполагать, что изменение мышечной силы обусловлено влиянием внешней тепловой нагрузки на тепловое состояние «оболочки» и последующей импульсацией с терморецепторов кожи на центры терморегуляции.

Показатель точности реагирования на движущийся объект (методика РДО) существенно не изменялся. Качество слежения ухудшалось, начиная с температуры окружающей среды 35 °С, на 5-м часу пребывания испытуемых в термокамере (рисунок 3.3). При этом ректальная температура достигала 37,6+0,05 °С, а средневзвешенная температура кожи была 35,5+0,08 °С. По классификации тепловых состояний человека эти изменения находятся на границе перегревания -1 и II степени дискомфорта (Кри-чагин В. И., 1966; Ажаев А. Н., 1979). Ухудшение качества слежения наиболее отчетливо наблюдалось при температуре окружающей среды 45 °С и 50 °С, когда ректальная температура повышалась на 5-4-м часу эксперимента соответственно до 38,1+0,08 °С и 38,5+0,09 °С.

Рис. 3.3. Изменение качества слежения (а) и ректальной температуры (б) при воздействии высокой температуры (Р<0,05)



Кроме того, причиной явно завышенных цифр продолжительности безошибочной работы летчика (оператора), могло послужить то, что исследования проводились в промышленной термобарокамере большого объема. Серийная промышленная термобарокамера (например, ТБК-08 производства НПО «Звезда») (рисунок 3.4.1) не могла обеспечить необходимых габаритов для симуляции явлений тепломассообмена в гермокабине самолета. Для выведения температуры на режимы 35 °С требуется 3-4 часа.

Рис. 3.4.1. Промышленный образец термобарокамеры ТБК-8

Поэтому параметры физиологического состояния регистрировались вне камеры, а выполнение деятельности только в термобарокамере. За фоновые значения принимались значения выполнения деятельности в первые Ю-15 минут.

Большой объем камеры, отсутствие полной экипировки соответствующей экипировке летчика и привело на наш взгляд к некорректным данным, полученным в рамках приведенного исследования

Исходя из сказанного, сложность явлений тепломассообмена в гермокабине самолета и в защитном снаряжении летчика потребовала создания специального стенда-тренажера, который был оборудован СКВ, аппаратурой, моделирующей летную деятельность, и контрольно-измерительными приборами. Принципиальная схема стенда-тренажера РДМ-2 представлена на рисунке 3.4.2.

Рис. 3.4.2. Принципиальная схема стенда-тренажера моделирования факторов среды обитания и системы оценки функционального состояния человека-оператора



Стенд-тренажер РДМ-2 был создан в 1984 г. в инициативном порядке С. М. Разин-киным (старший научный сотрудник), В. А. Мельниковым (инженер отдела), В. М. Духо-вич (адъюнкт отдела) по расчетам подготовленным специалистами МАИ (Московский авиационный институт). Стенд назван по первым буквам фамилий создателей РДМ-2. Его предшественник - термокамера РДМ-1, разработанная для животных, позволяла проводить тепловые тренировки и определять тепловую устойчивость (рисунок 3.5).

Программа экспериментальных исследований функционального состояния и работоспособности человека-оператора при различной степени гипертермии включала ряд серий экспериментальных исследований, в которых моделировались возможные сочетания структуры и интенсивности операторской деятельности и экзотермической нагрузки, характерные для предполетной и летной деятельности применительно к ЛА 4-го и перспективных поколений.

В зависимости от решаемых в различных сериях задач на операторе были одеты плавки, х/б белье, носки, демисезонные ботинки, кислородная маска КМ-34, защитный шлем ЗШ-5 или ЗШ-7. Использовался также вентилирующий костюм ВК-ЗМ, ВК-ЗМ(Д) с регулируемым распределением воздушного потока.

После одевания комплекта измерительных датчиков и летного снаряжения испытатель располагался в кабине стенда с температурой окружающей среды 17-25 °С. Здесь проводилась регистрация фоновых показателей теплового состояния человека и оценивалась его работоспособность в комфортных условиях. По времени цикл занимал 20 мин. Затем оператор переходил в кабину с высокой температурой окружающей среды в диапазоне 28-70 °С (рисунок 3.6).

Конструкция кабины стенда обеспечивала возможность пребывания в ней оператора при различных температурах воздуха с имитацией аэродинамического нагрева


б

Рис. 3.5. Схема сконструированной термокамеры (а) и установки для определения ТУ животных (б)


Рис. 3.6. Стенд-тренажер моделирования факторов среды обитания и системы оценки функционального состояния человека-оператора

поверхности фонаря кабины. Система кондиционирования обеспечивала подачу воздуха в кабину, защитное снаряжение и на дыхание в подмасочное пространство.

Стенд представляет собой две расположенные рядом кабины объемом 2,2 м каждая, геометрические размеры которых приближены к кабинам самолетов-истребителей. Наличие двух кабин позволяло при проведении исследований поддерживать в одной из них комфортную температуру на уровне 15-25 °С, а во второй - повышенную, а также при необходимости повышенную в обеих кабинах.

Нагревание камеры осуществлялось с помощью подачи в нее воздуха, нагретого до температуры 130-200 °С в объеме до 300 л/мин посредством пропускания его по системе трубопроводов через электротуннель печи СУОЛ-1. Забор воздуха для нагревания производился из магистрали высокого давления, либо с помощью центробежных регуляторов из кабины, изменяя расход подаваемого воздуха и его температуру. Температура, задаваемая в камере во время эксперимента, поддерживалась



с точностью 2 °С. За счет постепенного притока горячего воздуха в кабину осуществлялось его перемешивание путем конвекции или с использованием средств принудительной вентиляции. Это позволяло поддерживать градиент температур голова-ноги, равный 8-12 °С, отражающий реальный перепад температуры воздуха по вертикали в кабине самолета. В полете, а также при необходимости поддерживать практически равномерный нагрев, имитирующий нагрев ЛА в ожидании вылета, относительная влажность воздуха составляла 40-60% при температуре в камере 20-35 °С и 6-10% при температуре 40,0-70,0 °С.

При проведении исследований по оценке эффективности перспективных средств защиты летчика температура 60 °С представляла собой среднюю температуру кабины. При этом температура воздуха в районе головы оператора находилась в диапазоне 66±2 °С, стен-58±2 °С.

Внутренняя поверхность камер облицована листовым алюминием. Теплоизоляционный пакет из стекловаты, толщиной 5 см и фанеры (12 мм) обеспечивал температуру на внешней стороне обивки 20 °С при температуре в камере +60 °С.

Одновременно с началом эксперимента практически во всех исследованиях включалась шумовая фонограмма, транслируемая в кабину, где находился испытатель. Громкоговоритель располагался на уровне человека-оператора и позволял создать шум мощностью 85-90 дБ, аналогичный шуму в кабине летчика истребительной авиации. Система кондиционирования воздуха, подаваемого на вентиляцию подкостюмного и подшлемного пространства, состояла из набора резиновых трубок 15 мм, соединенных с ротаметрами и регулировочными вентилями с помощью разъемных муфт. Горячая вентиляционная магистраль представляла собой трубку длиной 10 м, намотанную на барабан 0,2 м и помещенную в кабину стенда. Варьируя длину трубки, сматываемой с барабана и выводимой за пределы камеры, можно было изменять температуру подаваемого воздуха в пределах от комнатной до 10 °С ниже температуры воздуха в камере.

Холодная вентиляционная магистраль представляла собой трубку длиной 7 м, смотанную в спираль, помещенную в металлический бак 0,3 м и объемом 10 л, наполненный смесью холодной воды и льда. Изменяя длину трубки, находящейся в баке, можно было добиться понижения температуры подаваемого воздуха до 15 °С непосредственно у входа в вентиляционное снаряжение и подшлемник при наиболее теплонапряженных режимах.

Система вентиляции головы представляла собой полихлорвиниловую трубку 8 мм, спрофилированную в виде кольца 17 см и с подводящими магистралями, расположенными в затылочной части головы. На кольцевой части трубки имелись отверстия 1-1,5 мм для выхода вентилирующего воздуха. Стыковка трубок с подводящими магистралями производилась с помощью легкоразъемных переходников. Вес кольца - 20 г.

Качество операторской деятельности, выполняемой на стенде-тренажере, оценивалось методом двухмерного компенсаторного слежения за сигналами синусоидальной формы с частотой 0,15x0,15 Гц. Разработка и сопровождение модели слежения проводились по авторской методике инженера, научного сотрудника Д. А. Арбузова. На первом этапе сигнал задавался прибором МН-7, который позже был заменен на более современную модель МН-10 (рисунок 3.7). Основной проблемой приборов данной серии являлось то, что все они были ламповыми и в течение непродолжительной



Рис. 3.7. Внешний вид прибора «МН-10» аналого-вычислительного комплекса АВК2/3


работы из-за нагрева в них сбивалось положение «нуля». Учитывая эту проблему и развитие научно-технического прогресса, прибор МН-10 был впоследствии заменен на аналого-вычислительный комплекс АВК 2/3 (рисунок 3.8), в сочетании с выполнением задачи выбора из 2 альтернатив, задаваемой аппаратурой «Физиолог-М». Прибор индикатора НКП-4 находился на расстоянии 60 см от глаз испытателя, рисунок 3.6. Удержание стрелок прибора НКП-4 в заданной зоне диаметром 10 мм производилось посредством подачи электрических сигналов на стрелки прибора при помощи ручки, соединенной с потенциометрами по «крену» и «тангажу». Индикатор блока «Резервы» аппаратуры «Физиолог-М» находился вне поля зрения оператора на том же расстоянии, что и НКП-4. Ответная часть кнопки находилась на уровне левого подлокотника кресла оператора. Перед началом слежения операторы инструктировались о необходимости выполнения в первую очередь слежения, а во вторую - задача «Резервы».

Оценка качества операторской деятельности проводилась ежеминутно циклами по 3-5 минут через каждые 5 минут и осуществлялась путем оценки следующих показателей: времени пребывания вне допустимой зоны (Т), количеством выходов


Рис. 3.8. Внешний вид прибора-индикатора НКП-4 и блока резервов выбора из двух альтернатив «Физиолог-М»


за допустимую зону (Е - интеграл ошибки рассогласования по «крену» и «тангажу»), скоростью переработки информации по дополнительной задаче и определению коэффициента надежности выполнения совмещенной деятельности. Скорость переработки дополнительной информации (V) определялась по задаче выбора из 2 альтернатив -сложение двух цифр (четный и нечетный результат) с последующим учетом количества правильных и неправильных ответов в течение 1 минуты. Коэффициент надежности (Кнад.) рассчитывался по формуле:

Кнад = ((l-T/8)+V/0,882)/2,

где 8 и 0,882 - эмпирические коэффициенты.

Латентный период скорости простой сенсомоторной реакции на красный свет определялся с помощью прибора КТД-1 (Венгрия). В исходном состоянии и каждые 10 минут эксперимента определяли тепловое состояние операторов путем измерения ректальной температуры (Тр), температуры поверхности кожи в 6 точках (спина, грудь, плечо, бедро, голень, лоб), температуры в заушной ямке (Ту), температуры темени (Тт), частоты сердечных сокращений, минутного объема дыхания, частоты дыхания.

До и после эксперимента определялась оральная температура (Тор), артериальное давление, вес испытателя в плавках и в снаряжении.

Измерение физиологических показателей проводилось с использованием переносной полевой термостанции ППТ-1 (Ту, Тт, Тлба), двухканальной термостанции СИТКОЛ-3 (температура кожи, Тр), электротермометра ТЭТ-2 (Тш), Hydrotest 6200 (Тор), «Физиолог-М» (кардиореспираторные показатели), медицинских весов, сфигмоманометра (рисунок 3.9).

Субъективное состояние испытуемых оценивалось по методике САН-15 (Доскин В. А, 1975), анкете реактивно-ситуационной тревожности - 20 (Ханин Ю. Л., 1976). Проводилась субъективная оценка отягощающих факторов среды обитания по 5-балльной шкале и теплоощущений участков тела по 15-балльной шкале (Разработка средств и методов подготовки летного состава для выполнения длительных полетов на самолетах-истребителях при базировании в южных регионах страны, 1992).

В ходе эксперимента за испытателем осуществлялся непрерывный врачебный контроль визуально, с помощью радиообмена и по физиологическим показателям. На любой стадии была предусмотрена возможность прекращения эксперимента и экстренной эвакуации испытателя.

Одновременно с измерением физиологических показателей регистрировались теплофизические параметры:

  • - температура воздуха в кабине стенда в трех точках: на уровне головы, груди и ног (Hydrotest-6200);

  • - температура поверхности стен кабины в пяти точках (электротермометр ТЭТ-2);

  • - радиационная температура (шар Вернона); температура воздуха, подаваемого на вентиляцию снаряжения и подшлемного пространства (Therm 2253-2);

  • - расход воздуха, подаваемого на вентиляцию снаряжения и подшлемного пространства (ротаметры РС-7, РС-6Г);

  • - давление воздуха в вентиляционных магистралях (манометр МТ);

  • - температура воздуха, поступающего на дыхание в подмасочное пространство (Hydrotest-6200);


Рис. 3.9. Операционный пульт управления исследователя состояния человека-оператора

- относительная влажность в кабине (Therm 2246-2).

Расчетные показатели определялись по нижеприведенным соотношениям. Теплосодержание организма Q:

Q = 3,47-СТТ Р (кДж) и Q = 3,47-СТТ (кДж/кг),

где Р - вес испытателя, кг; СТТ - средняя температура тела, °С.

Средняя температура тела рассчитывалась по Бартону в условиях теплового комфорта (СТТ):

СТТ = 0,7Тр + О,ЗТК°С,

СТТ = 0,9 Тр + 0,1 ТК°С (по Столвину, Харди в условиях перегрева),

где Тк - средневзвешенная температура кожи, °С.

Средневзвешенная температура кожи (Тк):

Тк = 0,222-Тспины + 0,257-Тгруди + 0,179-Тплеча + 0,153-Тбедра + +0,189 Тголени°С.

Площадь поверхности тела (S):

S = РО,425 НО,725- 0,007184 (м2),

где Н - рост испытателя, см.

Общие влагопотери (Р):

P = (P0-PK)/t/S,


где Ро- вес испытателя в плавках до эксперимента, кГ; Рк-вес испытателя в плавках после эксперимента, кГ; t-время эксперимента, ч.Влагопотери испарением (Ри):

Р„ = (Poc-PKc)/t/S,

где Р-вес испытателя в снаряжении до эксперимента, кГ; Ркс-вее испытателя в снаряжении после эксперимента, кГ.

Эффективность испарения (h):

h = Риос-100%.

Уровень акустического шума в кабине и подшлемном пространстве при использовании вентилирующего подшлемника измерялся с помощью статистического анализатора шума-тип 4426, интегрирующего шумомера-тип 2230.

Завершая данный раздел, хотелось бы привести сравнительную оценку созданного стенда-тренажера РДМ-2 и термокамеры промышленного производства (таблица 3.1).

Сравнительные характеристики стенда-тренажера РДМ-2 и термокамеры промышленного производства


Таблица 3.1

№ н.п.

Показатель

Стенд-тренажер «РДМ-2»

Термобарокамера «ТБК-10»

5

Объем стенда, м3

2,5

10,0

6

Расстояние панелей до области головы

20 см

100 см

7

Тип нагрузки

Операторская деятельность

Физическая нагрузка (ходьба на месте)

8

Защитное снаряжение (одежда)

  • - защитный шлем ЗШ-5;

  • - кислородная маска КМ-34;

  • - летный костюм из х/б ткани;

  • - бронежилет, НАЗ-И.

  • - подшлемник из х/б ткани;

  • - спортивный костюм из х/б ткани.

9

Среднее время выполнения деятельности при:

60 °С, 55 °С, 50 °С,

От 57 до 90 минут

От 120 мин до 4 час

45 °С

115 минут

6 часов (360 мин)

10

Причины прекращения исследования

  • - ухудшение самочувствия,

  • - срыв выполнения работы,

  • - резкая одышка (>16-20 л/мин) увеличение пульса более чем на 35-45 ударов в минуту,

  • - прирост ректальной температуры на 0,3-1,1 °С

  • - увеличение пульса более чем в 2 раза,

  • - прирост ректальной температуры на 1,5 °С

4 ОЦЕНКА ИНФОРМАТИВНОСТИ МЕТОДА

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >