Работа водолазов в условиях повышенного давления

Работа водолазов в условиях повышенного давления

Глава 1 ФИЗИЧЕСКИЕ И ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ГЛУБОКОВОДНЫХ СПУСКОВ

Влияние высокого давления на водолазов при спуске под воду

Спуск человека под воду связан с воздействием на него физических и физиологических факторов, необычных для нормальных условий его существования. К физическим факторам относятся: повышенное давление; большая плотность среды; высокая теплопроводность воды; быстрое падение освещенности.

Возможности человеческого организма воспринимать и пере-, носить повышенное давление значительны и объясняются тем, что организм на 65—70 %’ состоит из жидкости. Непосредственного воздействия давления на организм человек до известных пределов не ощущает, но при условии, когда с изменением внешнего давления быстро выравнивается давление в воздухоносных органах: легких, желудке, кишечнике, среднем ухе и придаточных полостях (пазухах) носа.

При свободном погружении человека под воду (нырянии) выравнивание давления в воздухоносных полостях достигается за счет эластичности органов и мышц, сжимающихся под воздействием внешнего давления. Естественная приспособленность человеческого организма к восприятию повышенного внешнего давления при нырянии ограничивается глубиной около 30 м. Рекордсмены-ныряльщики достигали глубины 80 м, но такие погружения чрезвычайно опасны и в большинстве стран запрещены.

Другая картина наблюдается при водолазном спуске, когда воздух или дыхательные смеси (§ 3) подаются для дыхания водолазу под давлением, равным давлению окружающей среды. Воздействие внешнего давления водолаз будет ощущать только при его изменении со скоростью, превышающей естественную возможность адаптации организма.

При резком повышении или понижении давления в легких может произойти разрыв легочной ткани — баротравма легких (тяжелое профессиональное заболевание водолазов). Более часты при спусках случаи надавливания на барабанные перепонки и придаточные полости носа.

Предотвращение болевых ощущений и возможных повреждений при спуске и подъеме водолаза достигается ограничением их скорости, которая для тренированных людей лежит в пределах 10—20 м/мин. Таким образом удавалось предотвращать вредное влияние высокого давления при спусках на малые и средние глубины, а также на первых этапах освоения глубоководных спусков.

При совместном франко-американском эксперименте в 1968 г. с имитацией погружения в береговом гипербариче-ском комплексе, когда была достигнута глубина 360 м, через

4 мин пребывания испытуемых на этой глубине эксперимент был прерван [27]. Испытуемые ощущали общую вялость, появилась нервная дрожь (тремор), двигательные реакции замедлялись и нарастала сонливость. Этот комплекс был отнесен за счет наркотического действия гелия, входящего в состав дыхательной смеси. В 70-х гг. исследования показали, что обнаруженный эффект, названный гипербарическим нервным синдромом, вызывается быстрым повышением давления, к которому организм не успевает приспосабливаться.

Проведенными экспериментами был найден путь преодоления возникшего препятствия — проводить спуск с довольно длительными остановками для адаптации организма водолазов к давлению.

Погружение на большие глубины связано не только с воздействием высокого давления, но и других факторов, которые будут рассмотрены в данной главе. Что касается непосредственного воздействия высокого давления, то надо считать доказанным, что погружение с остановками для адаптации возможно до глубин 800—900 м [32].

Источник

Работа водолазов в условиях повышенного давления

Решение проблемы изучения и освоения человеком глубин Мирового океана связано с необходимостью создания современных экспериментальных и производственных баз с водолазными комплексами для имитации глубин в барокамерах и для натурных погружений. Такие комплексы должны быть оснащены эффективными и надежными системами жизнеобеспечения (СЖО), которые представляют собой совокупность технических средств, предназначенных для создания в отсеках барокамер условий для относительно нормальной жизнедеятельности людей в период их многосуточного пребывания под повышенным давлением. Очевидно, что основной функцией СЖО является формирование и поддержание на заданном уровне параметров дыхательной газовой среды (ДГС) и микроклимата в замкнутом объеме барокамеры. Это обеспечивается функционированием комплекса подсистем, входящих в состав общей СЖО.

Для водолазных гипербарических систем, как и для любых замкнутых обитаемых систем, наиболее жесткие требования предъявляются к контролю основных параметров среды: давление (Р), парциальное давление кислорода (РО2) и двуокиси углерода (РСО2), температура (T °C), относительная влажность (RH, %), скорость движения среды, вредные микропримеси, – а также к системам их регулирования и поддержания на заданном уровне. Это обусловлено тем, что все указанные факторы в условиях повышенного давления оказывают влияние на функциональное состояние организма водолаза, его работоспособность и здоровье, что прямо связано с безопасностью работы в таких условиях [1, 2]. В этой связи целью данной работы является анализ проблемы обеспечения жизнедеятельности человека в замкнутом объеме барокамеры, реализуемого на физиолого-гигиенических принципах формирования гипербарической среды, для повышения безопасности пребывания в условиях гипербарии.

Методы исследования – теоретические и экспериментальные (анализ, обобщение литературных и экспериментальных данных), основанные на многолетнем опыте проведения исследований в условиях повышенного давления в барокамерах при моделировании различных глубин погружения водолазов и под водой в обитаемых гипербарических системах (подводные дома, убежища, аппараты).

Результаты исследования показывают, что жизнедеятельность человека в любых условиях поддерживается в основном за счет адекватного этим условиям дыхательного газообмена: потребления кислорода и выделения двуокиси углерода. Особенностью ДГС в условиях повышенного давления является то, что для больших глубин или длительного пребывания даже на средних (до 40 м) глубинах она является искусственной, соответствующей специальным физиолого-гигиеническим требованиям [3, 4].

Количественное соотношение газовых компонентов (кислород, азот, гелий) в смеси изменяется с изменением давления или соответствующей ему глубины. При имитации погружений в барокамере на большие глубины азот воздуха замещается гелием, хотя небольшая доля азота в смеси от остаточного перед компрессией воздуха в камере сохраняется. Но в любом случае формирование дыхательной среды и поддержание газового состава смеси на заданном уровне является основой для обеспечения жизнедеятельности. Парциальное давление кислорода в таких условиях должно находиться в допустимых пределах, исключающих развитие гипоксии в организме и интоксикации кислородом (5, 6). На фоне даже умеренной гипоксии в условиях повышенного давления в барокамере функциональные возможности человека снижаются, а при развитии токсического действия кислорода реакции организма переходят в патологические. Поэтому в зависимости от давления, состава газовой среды и длительности пребывании в барокамере РО2 в отсеках должно поддерживаться в диапазоне 0,25–
0,30 кгс/см2 [3], что соответствует 184–221 мм рт. ст. Это умеренно гипероксический, но не токсический уровень РО2. Не будет проявлять токсичность и РО2 на уровне 0,35 кгс/см2 (258 мм рт. ст.), но при ограничении длительности пребывания под повышенным давлением. Следует отметить, что дыхание в условиях гипербарии и нормоксической смесью (РО2 – 0,21 кгс/см2, или 156 мм рт. ст.) в условиях относительного покоя не приводит к изменению кислородного режима организма [7].

Кроме оптимального газового состава гипербарической среды, на функциональные возможности организма оказывает влияние и микроклимат в барокамере. Он характеризуется температурой (конвекционной и радиационной), влажностью и подвижностью газовой среды. Температура является основным параметром обитаемости камер.

Теплофизические свойства гипербарической газовой среды в барокамерах обусловлены действием двух факторов: изменением давления газовой среды и изменением её состава. При замене азота на гелий изменяется не только плотность, но и вязкость, теплопроводность и теплоёмкость смеси. Гелий обладает в 6 раз большей теплопроводностью и в 5,2 раза большей теплоёмкостью, чем воздух, и это является причиной того, что при недостаточном обогреве при повышенном давлении потеря тепла находящимся в барокамере человеком может оказаться равной его продукции при обмене веществ в организме. Это вызывает необходимость повышения температуры окружающей газовой среды в барокамере для компенсации увеличения теплопотерь в связи с повышением теплопередающих свойств искусственной атмосферы. Например, при дыхании кислородно-азотно-гелиевой смесью температура в среде барокамеры при давлении 31 кгс/см2, имитирующем глубину 300 метров, может находиться в диапазоне допустимых температур – 29,2–31,2 °C при относительной влажности 60–80 % [3]. Но эти величины температуры могут иметь и несколько другие значения, в зависимости от других параметров микроклимата, физической активности человека и его одежды.

При повышении давления зона температурного комфорта закономерно сужается. Это приводит к тому, что изменение температуры в указанных условиях всего лишь на 0,5 °C, в пределах диапазона допустимых значений, довольно быстро приводит к нарушению температурного комфорта для человека.

Большое значение в условиях барокамеры имеет влажность газовой среды. Высокая относительная влажность является не только причиной неприятных субъективных ощущений водолазов. Известно, что при относительной влажности среды более 70 % в условиях гипербарии происходит интенсивное размножение грибковой флоры, которая может вызвать даже порчу оборудования и являться источником вредных микропримесей. Помимо этого, грибковая флора может вызывать специфические заболевания у находящихся в барокамере людей в связи со снижением их иммунно-биологической устойчивости.

Существенную роль в формировании микроклимата играет также и скорость движения газовой среды. Для барокамер длительного пребывания (ДП) она должна находиться в пределах 0,05–0,1 м/с, для камер кратковременного пребывания (КП) – 0,1–0,15 м/с [4]. При повышении скорости движения гипербарической среды влияние её на теплообмен усиливается. Это объясняется большим, чем в нормальных условиях, увеличением коэффициента теплопередачи конвекцией при увеличении подвижности среды. Таким образом, этот фактор микроклимата может весьма эффективно использоваться в гипербарической среде для обеспечения поддержания теплового комфорта человека.

В любых гермообъектах, каковым является и водолазная барокамера, основным источником загрязнений исходного газового состава дыхательной среды является человек, а также находящиеся в камере материалы и работающие аппараты [8]. За счет потребления человеком кислорода его содержание в замкнутой дыхательной среде снижается, при этом содержание двуокиси углерода повышается. Кроме того, человек выделяет из организма в окружающую среду через легкие, кожу, почки, кишечник небольшие количества эндогенных продуктов метаболизма (окись углерода, аммиак, метан, сероводород и другие примеси, а также водяные пары, запахи, тепло). В атмосфере обитаемых отсеков гермокамеры было обнаружено более 200 летучих вредных микропримесей [9]. В обычных условиях человек выдыхает порядка 600 летучих соединений [10]. Образующаяся специфическая для замкнутого объема дыхательная газовая среда и микроклимат должны управляться системой жизнеобеспечения и поддерживаться ею за счет восстановления в реальном времени всех изменяющихся и имеющих значение для организма параметров среды с учетом физиолого-гигиенических требований. Этим обеспечивается жизнедеятельность водолазов в период пребывания, особенно длительного, в условиях повышенного давления искусственной газовой среды. Поэтому в общей системе жизнеобеспечения водолазов в барокамере целесообразно выделить, как наиболее ответственные, следующие подсистемы: регенерации ДГС (подача кислорода для восполнения потребляемого, инертных газов и удаление двуокиси углерода), кондиционирования (поддержание параметров микроклимата: температуры, относительной влажности, скорости движения газовой среды) и очистки дыхательной среды от вредных микропримесей в отсеках барокамеры (рисунок). Эти системы работают непрерывно в течение всего срока (иногда до 4–5 недель) пребывания водолазов в барокамере, формируют и поддерживают под управлением систем автоматики дыхательную среду в отсеках камеры. В структуре этих систем, которые обычно располагаются снаружи барокамеры (но бывают и внутренние, и комбинированные системы), находятся и функционируют находящиеся в герметичных корпусах побудители расхода, осушители, теплообменные и химические аппараты с поглотительными реагентами для очистки среды от СО2 и вредных микропримесей. Весь этот комплекс аппаратов и устройств в составе общей СЖО обеспечивает создание, изменение и поддержание условий для пребывания и работы водолазов в барокамерах с сохранением здоровья, то есть он направлен на формирование адекватной условиям дыхательной газовой среды и микроклимата [11, 12].

Структурно-функциональная схема системы жизнеобеспечения с основными подсистемами формирования газовой среды и микроклимата в барокамере

Управление этим процессом осуществляется на основе измеряемых величин параметров микроклимата и газовой среды. С повышением давления в камере значение этих параметров повышается. В таких условиях управлять системами гипербарического объекта становится сложнее. Это особенно проявляется при переводе системы жизнеобеспечения с одного режима на другой, то есть в процессе повышения или понижения давления.

Мировой опыт эксплуатации водолазных комплексов и проведения медико-физиологических экспериментов в исследовательских барокамерах показал, что эффективность этих работ определяется не только оперативным управлением режимами работы основных технических средств водолазного объекта в соответствии с программой погружения или научного эксперимента, но и оперативной обработкой технической и медико-физиологической информации и отображением её на пульте оператора. Это реализуется с помощью современных систем компьютерной оперативной обработки данных, обеспечивающих наблюдение за параметрами среды в камере, подачу сигналов тревоги в случаях выхода величин этих параметров за допустимые пределы, ведение протокола пребывания в барокамере и выполнение других функций.

Очевидно, что управление гипербарической средой через систему жизнеобеспечения не должно ограничиваться поддержанием на заданном уровне параметров среды, при этом необходимо учитывать и состояние человека в барокамере. Поскольку организм человека является сенсорной системой, он может рассматриваться как элемент системы жизнеобеспечения самого человека. Выраженные реакции организма на измененные условия гипербарической среды являются сигналом к необходимости приведения этих условий к относительной норме. Поэтому высокие требования к контрольно-измерительной аппаратуре дополняются повышенными требованиями к физиологической и медицинской аппаратуре, обеспечивающей экспресс-информацию о функциональном состоянии организма водолазов в барокамере в газовой и водной среде (гидротанк берегового водолазного комплекса) для принятия мер воздействия на дыхательную среду со стороны системы жизнеобеспечения.

Поскольку все эти цели и задачи реализуются при непосредственном участии человека, находящегося в условиях повышенного давления в барокамере, он должен быть защищен от возможных опасных воздействий на организм при отклонении параметров гипербарической среды обитания от допустимых значений. Это определяет высокие требования к дыхательной среде и самой системе жизнеобеспечения, особенно при использовании наиболее эффективного метода длительного (многосуточного) пребывания водолазов под повышенным давлением в научных или производственных целях [13, 14].

Проблемы жизнеобеспечения человека в обитаемых гипербарических системах во многом схожи с проблемами в космических системах и обитаемых подводных аппаратах – контроль и поддержание заданного газового состава и физических параметров среды в замкнутом объеме, сохранение работоспособности и здоровья в измененной газовой среде и другие. При разработке и эксплуатации любых систем жизнеобеспечения за основу принимаются требования безопасности, включающие три главных компонента: обнаружение неполадок, возможность их срочного устранения и резервирование основных подсистем.

Заключение

Обеспечение жизнедеятельности водолазов в барокамерах осуществляется через систему жизнеобеспечения, предназначенную для создания, изменения и поддержания необходимых условий для пребывания водолазов в отсеках камеры с сохранением здоровья. Эти условия заключаются в формировании искусственной среды и поддержании её параметров на заданном уровне. Гипербарическая среда формируется на физиолого-гигиенических принципах с учетом действия факторов среды на организм. Главным параметром формирования дыхательной среды является оптимальное парциальное давление кислорода, которое в условиях гипербарии должно находиться в допустимых пределах, исключающих развитие гипоксии в организме и интоксикации кислородом. В любом случае формирование и поддержание параметров дыхательной среды на оптимальном уровне является основой для обеспечения жизнедеятельности.

Не менее важным для поддержания функциональных возможностей организма является и микроклимат в среде барокамеры. Он связан с изменением теплофизических свойств гипербарической газовой среды под влиянием изменения давления и газового состава. Наиболее характерным при повышении давления в барокамере является повышение комфортной температуры среды. Это особенно проявляется при дыхании смесями на основе гелия. В таких условиях зона температурного комфорта значительно сужается.

В замкнутом объеме барокамеры в результате жизнедеятельности человека в дыхательной газовой среде снижается РО2, повышается РСО2, среда загрязняется вредными микропримесями эндогенного и экзогенного происхождения. Все изменяющиеся параметры среды должны восстанавливаться в реальном времени системами регенерации, кондиционирования и очистки. Этим поддерживается относительно нормальная жизнедеятельность водолазов и безопасность в период пребывания, особенно многосуточного, в условиях повышенного давления искусственной газовой среды.

Работа выполнена в рамках государственного задания ФАНО России (тема № 0149-2018-0011).

Источник