Понедельник, 15.10.2018, 21:48
Приветствую Вас Гость | RSS
Шестнадцатая олимпиада
QR-код сайта
Форма входа
...
Главное меню
ОБЩАЕМСЯ
Архив
...
Грант Президента
Поиск
Система Orphus
Главная » Статьи » Архив работ » Пятнадцатая олимпиада (2017/18 уч.год)

Жидкостное дыхание: перспективы в аэрокосмической сфере

Автор: Беляева А.С.
Возраст:17 лет
Место учебы: МБОУ СОШ№9
Город, район: г. Бирск, Респ. Башкортостан
Руководитель: Субхангулов Р.И., учитель физики

Жидкостное дыхание: перспективы в аэрокосмической сфере

Содержание:

Введение
1. Проблема перегрузок
2. История жидкостного дыхания
3. Интервью со специалистами
4. Современные разработки
Заключение
Список информационных источников

Введение

Ни для кого не секрет, что полет на истребителях, или даже космический полет сопряжен с серьезными рисками, но мало кто понимает, с какими именно. Слишком часто в работе летчика и космонавта возникают моменты, когда все, включая их жизнь, зависит от их мастерства, подготовки и способностей. Одной из причин таких ситуаций является перегрузка. Способность организма переносить перегрузки находится в списке основных требований к военным летчикам и космонавтам, так что каждый из курсантов после обязательной медкомиссии преступает к тренировкам на центрифуге. Тут-то и начинаются первые сложности.

Разработана специальная методика, позволяющая человеку оставаться в сознании при серьезных перегрузках – напряжение мышц ног и живота, особая техника дыхания. Но стоит пилоту лишь на секунду расслабиться – и вся кровь, которую он усилием своего организма пытался держать в верхней части тела, под воздействием перегрузки отхлынет от мозга. Рассказывать, чем это грозит, бессмысленно – потеря сознания во время виража явно не закончится ничем хорошим ни для пилота, ни для его техники.

Может ли такая разработка, как жидкостное дыхание, помочь человеку благополучно переносить серьезные перегрузки?

Ответ на этот вопрос я постараюсь дать в моей историко-исследовательской работе «Жидкостное дыхание: перспективы в аэрокосмической сфере»

Цель работы: Определить перспективы использования технологии жидкостного дыхания в аэрокосмической сфере.

Актуальность работы: Проблема перегрузок, испытываемых авиаторами и космонавтами, до сих пор актуальна, значит и решение этой проблемы тоже.

Задачи работы:

• Рассмотреть влияние перегрузок на летчика, космонавта и человека в целом.

• Рассмотреть методы защиты от перегрузок, оценить их результативность.

• Рассмотреть историю жидкостного дыхания.

• Оценить перспективы, которые дает жидкостное дыхание по сравнению с другими методами защиты от перегрузок.

• Провести интервью со специалистами из Центра подготовки космонавтов, Военно-медицинской академии и Центра подводных исследований, узнать их мнение касаемо данного вопроса.

• Найти информацию о текущем положении дел в сфере разработок жидкостного дыхания.

• Сформировать вывод на основе полученных сведений.

1. Проблема перегрузок

Согласно Википедии, отношение абсолютной величины линейного ускорения, вызванного негравитационными силами, к ускорению свободного падения на поверхности Земли называется перегрузкой. На поверхности земли, перегрузка, постоянно испытываемая человеком, численно равна его весу и обозначается 1g. Состояние невесомости, соответственно, 0g.
Перегрузка является векторной величиной, поэтому направление ее вектора действия имеет немаловажное отношение для организма живого существа. При перегрузке органы стремятся сохранить состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, поэтому при положительной перегрузке (ускорение направленно вверх, вектор перегрузки наоборот), кровь отливает к ногам и животу, а желудок смещается вниз. При отрицательной перегрузке кровь отливает к голове. Путем опытов на животных было установлено наиболее благоприятное положение тела при перегрузке - лежа лицом по направлению вектора ускорения, и самое неблагоприятное - в продольном направлении ногами к направлению ускорения. При перегрузке у человека постепенно пропадает периферическое зрение, а при продолжении воздействия и зрение вообще (конечно же, временно). Это служит последним сигналом бедственного положения организма перед тем, как окончательно потерять сознание. Для целей контроля предобморочного состояния летчика внутри кабины центрифуги, на которой производятся тесты переносимости перегрузок, установлены лампы. Когда пилот видит, что одна из ламп загорелась, он должен ее «загасить» нажатием кнопки, но когда его периферическое зрение слабеет, лампы он уже не видит, что служит сигналом медикам остановить испытания.
Способность организма переносить перегрузки является одной из основных требований к военным  летчикам и космонавтам. Обычный человек выдерживает перегрузку до 6g не более 3-4 секунд, после чего теряет сознание. Перегрузки в 6-10g человек не выдерживает уже более 1-2 секунд. Тренированные же пилоты в противоперегрузочных костюмах могут переносить перегрузки от -3 до 12g относительно продолжительное время. 
Однако «переносить» вовсе не значит «быть работоспособным». Современные пилоты истребителей регулярно вынуждены испытывать серьезные перегрузки. Максимального значения они достигают при переходе из прямого полета в вираж, так как скорость самолета еще максимальная. Учитывая то, что в воздушном бою возможность виражировать имеет глобальное значение, проблема перегрузок у летчиков не менее серьезна, чем у космонавтов. Согласно данным свободной энциклопедии «Википедия» перегрузки, действующие на летчиков, колеблются от -7 до 12 g!

Первая тренировка будущего летчика истребителя на центрифуге.
Перегрузка в 7,63g, мужчина теряет сознание.

Существуют костюмы, способные  в какой-то мере защитить пилотов от перегрузок. Это так называемые противоперегрузочные костюмы, представляющие собой плотно подгоняемые по фигуре летчика штаны из малорастяжимой, газопроницаемой ткани, которые создают с помощью системы наддува камер противоперегрузочных костюмов (устройств, аналогичных устройствам ВКК) обжатие нижней части тела человека, пропорциональное положительной перегрузке (в направлении голова – таз).
Такое обжатие не позволяет органам сместиться и деформироваться, а так же препятствует оттоку крови к нижним частям тела, благодаря чему пилот может гораздо легче переносить положительные перегрузки. Летчик в противоперегрузочном костюме физиологически ощущает как бы меньшую на 2-2,5g единиц перегрузку, чем та перегрузка, с которой маневрирует самолет. Однако, по заверению заслуженного летчика РФ, космонавта-испытателя Урала Назибовича Султанова, на практике использование ППК не дает таких результатов, а даже ухудшает положение пилота.
Космонавты так же испытывают серьезные проблемы из-за перегрузок, но справляются с ними немного по-другому. Как говорилось выше, положение тела так же важно при перегрузке. Космонавты при взлете практически лежат, из-за чего перегрузка действует в направлении грудь-спина, позволяя выдержать несколько минут перегрузку в серьезное количество единиц g. Если же погрузить космонавта в жидкость, давление будет распределяться на все его тело, а не на конкретные опоры.
В книге А.С. Барера «Предел переносимости. Очерки об устойчивости человека к неблагоприятным факторам авиационного и космического полетов» были описаны эксперименты с погружением летчика истребителя в воду и воздействием на него перегрузкой 9g. Результаты были выдающиеся,  но основную проблему не решили.
Не буду приводить полную цитату, но суть такова: погружение тела человека в жидкость нейтрализует такую реакцию пилота на перегрузку, как потеря сознания. Более того, он не только не старается напрягать мышцы ног и живота, а так же делать специальные дыхательные упражнения для того, чтобы кровь не ушла от мозга, а полностью расслабляется и при этом отлично себя чувствует. Однако вопрос с потерей зрения так и не решен.

Рис. 1. Схема-эскиз камер ППК СИ (а) и устройство для открытой водной иммерсии (б).
Изображения из книги «Предел переносимости».

Идею погружения человека в жидкость для повышения устойчивости к действию ускорений высказывал еще К.Э. Циолковский. Он предложил метод погружения человека в жидкость одинаковой с телом плотности. Этот метод был опробован в условиях действия длительных перегрузок на центрифуге. Ввиду различных условий погружения не всем ученым удалось получить обнадеживающие результаты. Но опыты на животных все же подтвердили правильность высказываний К.Э. Циолковского о возможности использования метода погружения для защиты от действия ударных перегрузок.
Но что будет, если пойти дальше идеи Циолковского? На этот вопрос нам ответит история жидкостного дыхания.

2. История жидкостного дыхания

В середине 50-х гг. прошлого века профессор Лейденского университет Йоганнес Килстра на основе своих расчетов выдвинул следующую версию: поскольку в жабрах и легких происходят одинаковые процессы, человек обязательно сможет дышать под водой, при условии, что в ней будет растворено необходимое количество кислорода. В 1959 г. Килстра провел ряд экспериментов на белых мышах, погружая их в соляной раствор с закаченным туда под давлением кислородом. Мыши быстро осваивались и начинали дышать раствором, и не минуту, не пятнадцать, а все 18 часов находилась мышь-рекордсменка в сосуде с подсоленой водой. Но у этого состава были серьезные недостатки – вода вымывала из альвеол сурфактант – вещество, не дающее альвеолам слипаться, да и углекислый газ не мог выводится из организма таким способом.

Но ученые нашли решение – перфторуглеродные жидкости почти идеально подошли для нужд жидкостного дыхания. Инертны, без вкуса и цвета, прозрачны, растворяют при атмосферном давлении 40-50 объемных % кислорода и вчетверо больше углекислого газа. Проводимые в СССР, в лабораториях СПбГМУ им. Павлова, эксперименты на собаках с использованием перфторуглеродных жидкостей были более чем успешными. Собакам, погруженным в жидкость и дышащими жидкостью, были не страшны ни перепады давления, ни сопутствующие им перепады температур. После того, как их вынимали из жидкости и помогали вывести ее из организма (остатки перфторуглеродов испарялись окончательно сами), собака вновь могла дышать обычным воздухом.

 

Положение собаки в капсуле с перфторуглеродной жидкостью 

Почему же животные могли дышать жидкостью? Причина эффекта, а в физике явления - диффузии газа через мембрану по градиенту концентраций. 
Когда азот, гелий или другой инертный газ (разбавитель кислорода) заменен жидкостью, то диффузия кислорода в кровь та же: она идет по градиенту концентрации. В итоге, жидкость, обеспечивая диффузию в кровь растворенного в ней кислорода, делает не нужным разбавитель - инертный газ, исключая первопричину пресыщения организма этим газом.

Интересно так же то, что существуют патенты на «Устройство для жидкостного искусственного дыхания», датированные 15.05.1979 годом. Сканированные копии их были предоставлены мне А.Н. Филатовым, преподавателем пилотируемой космонавтики Центра подготовки космонавтов им. Ю. А. Гагарина. 
На документе четко видно имена авторов проекта, присутствует формула изобретения и даже схема самого аппарата.

 

3. Интервью со специалистами

Разработка жидкостного дыхания долгое время была засекречена, но пару лет назад Фонд Перспективных Исследований наконец вывел эту тему из-под графы «секретно», официально одобряя реализацию данного проекта. Однако информации об этой технологии даже сейчас нет во «всезнающем» интернете, поэтому за материалами для подготовки этой работы мне пришлось обращаться к специалистам, когда-то занимавшимся этой проблемой. В этой части моей историко-исследовательской работы я хотела бы выразить благодарность за помощь:

ФИЛАТОВУ Александру Николаевичу

Руководителю комплексного тренажера пилотируемого космического корабля «Союз» ФГБУ «Научно-исследовательский испытательный центр подготовки космонавтов имени Ю.А. Гагарина», преподавателю пилотируемой космонавтики.

За предоставленный материал из личных архивов, доходчивые ответы на все мои вопросы и дачу интервью.

ВАСИНУ Александру Васильевичу

Начальнику отдела медицинского управления ФГБУ «Научно-исследовательский испытательный центр подготовки космонавтов имени Ю.А. Гагарина», врачу экипажа МКС-47/48.

За согласие помочь мне в этой сложной, но интересной работе, и за подаренное вдохновение на научные исследования.

МЯСНИКОВУ Алексею Анатольевичу

Доктору медицинских наук, заведующему кафедрой физиологии подводного плавания Военно-Медицинской Академии им. С.М. Кирова

За доходчивое объяснение сложных для меня вещей и дачу интервью.

БУЛГАКОВУ Виктору Иосифовичу

Врачу водолазной медицины, врачу-спецфизиологу Центра Подводных Исследований Русского Географического Общества

За отзывчивость и предоставленный материал по теме работы.

СУЛТАНОВУ Уралу Назибовичу

Советнику Председателя Башкортостанского отделения Федерации космонавтики России, космонавту-испытателю СССР, Заслуженному летчику-испытателю России

За дачу интервью и готовность помочь подрастающему поколению.

БОЛЬШОЕ СПАСИБО!

К сожалению, лимит размеров работ не позволяет мне предоставить все интервью целиком, но я охотно поделюсь полученными материалами по просьбе читателей.

Часть интервью с А.А. Мясниковым
(Косым шрифтом приводятся ответы)

1. Какие именно сложности, по вашему мнению, не позволяют ученым и дальше развивать идею жидкостного дыхания?
1. Преодоление защитных реакций организма при заполнении легких жидкостью при начале ЖД; 2. Трудность самопроизвольного дыхания ввиду различий в физических свойствах газа и жидкости (плотности, вязкости и др.).; 3. Быстрое и полное выведения дыхательной жидкости  из легких по окончании ЖД; 4. Фармакологическая коррекция уровня метаболизма в процессе и  реабилитации после ЖД…

2. Знаете ли вы ученых или организации, продолжающие заниматься разработками технологии жидкостного дыхания?
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт токсикологии» ФМБА России (ФГБУН ИТ ФМБА России); Федеральное государственное бюджетное учреждение науки институт аналитического приборостроения Российской академии наук (ФГБУН ИАП РАН); ФГАОУ ВО Севастопольский государственный университет; АО "Технодинамика; 40-1 ГосНИИ ВМФ РФ... Список приблизительный, и кто из них реально занимается этой проблемой СЕЙЧАС сказать сложно.

Часть интервью с А.Н. Филатовым
(Косым шрифтом приводятся ответы)

1. Считаете ли вы саму идею жидкостного дыхания перспективной в современном мире?
Это очень перспективная система! Эту идею выдвигал еще К. Э. Циолковский, найди обязательно его работу «Вне земли». Там буквально несколько строчек посвящено этому, правда там речь идет не о жидкостном дыхании, а о погружении тела в жидкость соответствующую. Но эксперименты такие Циолковский проводил, по крайней мере, на насекомых. На своей центрифуге, которую он сам сконструировал, есть такое упоминание. Тараканов погружал в воду и крутил. Результатов, правда, не приведено никаких, но есть воспоминания такие. То есть, идея-то давно существует, но только сейчас она достигла того технологического уровня, который позволяет ее реализовать, в том числе в космонавтике.

2. Как именно жидкость выводят из организма? Понятно, что температура кипения у нее низкая, и окончательно из легких она испаряется сама, но основную часть как-то выводят? И как вводят?
Жидкость выводится сама, перфторуглерод, в отличие от воды, испаряется очень быстро при комнатной температуре. Для более быстрого испарения используется газовая вентиляция, то есть, кислородом дышат.

Часть интервью с У. Н. Султановым
(Косым шрифтом приводятся ответы)

1. Какие максимальные перегрузки вы испытывали?
Положительные 9g и отрицательные  - 2g где-то.

2. Насколько хорошо помогают переносить перегрузку противоперегрузочный костюм и другие, направленные на это, методики приспособления?
Кому помогает, кому нет. Мне ППК только мешал, поэтому я летал с ремнем. С офицерским ремнем, он исполнял роль противоперегрузочного костюма. Летишь когда – он не туго, а когда напрягаешься – упирается, и не дает таких ощущений, как будто ты еще дополнительную нагрузку получаешь. Поэтому я ППК не надевал. А для бойцов… Ну, кто любит, надевает, хотя приказ был всем надевать. В общем, если нужно – надевали, если нет… 
Вырабатывается рефлекс, летчик, управляющий самолетом, давая команду на ручку создания перегрузки, одновременно напрягает мышцы, это с опытом приходит, с навыками. На современных боевых самолетах противоперегрузочные костюмы очень помогают в том смысле, что перегрузки могут быть продолжительными.

4. Современные разработки

На данный момент существуют проекты аппаратов жидкостного дыхания, ориентированные на спасение экипажей затонувших подводных лодок. Думаю, при достаточном финансировании подобные проекты для использования в аэрокосмической сфере тоже появятся.
Автором данных разработок является Андрей Филлипенко.

Аппарат жидкостного дыхания АВФ15

АВФ15 применяется для самостоятельного спасения свободным всплытием с глубин 250-1000 м.
Сфера использования: глубоководные обитаемые аппараты, туристические подводные лодки.
Использование АВФ15 является единственной возможностью для экипажей спастись свободным всплытием с глубин 250-1000 м, обеспечивая безопасную работу исследователей океана и туристов.
Время работы аппарата под водой 15 минут позволяет всему экипажу в нормальном рабочем темпе, соблюдая все правила эвакуации, покинуть аварийную подводную лодку в условиях возможного повышения давления в отсеке – это является решающим фактором успеха спасательной операции.

Аппарат жидкостного дыхания АВФ240

АВФ240 предназначен для водолазов-спасателей, организующих выход экипажей из аварийных подводных лодок, а также профессиональных глубоководных работ 2-4 часа на глубине 500-1000 м.
Профессиональная спасательная команда, включающая таких водолазов-спасателей, может быть десантирована на место аварии подводной лодки с самолета или вертолета, что значительно быстрее, чем доставка спасательного подводного аппарата на надводном корабле или подводной лодке.

Заключение

Выполнив все поставленные мною задачи, остается только сформулировать только итог. Проблема перегрузок остается все такой же актуальной, как для профессиональных водолазов, так и для военных летчиков и космонавтов. Специалисты из Центра подготовки космонавтов, Военно-медицинской академии и Центра подводных исследований подтвердили это,  как и то, что перспективы у  применения жидкостного дыхания есть. Более того, мысли о подобном преодолении действия перегрузок на человека приходили многим выдающимся представителям человечества еще до возникновения самой такой концепции – К.Э. Циолковскому, Ж.-Б. Кусто и др.  
Другое дело – отсутствие финансирования для продолжения работы над этими проектами. Российский Фонд перспективных исследований окончательно одобрил разработку техники только в прошлом году, поэтому, возможно, нам еще предстоит услышать о жидкостном дыхании и покорении человеком новых подводных, воздушных и космических пределов.

Список использованных источников

1. http://andrei-filippenko.ru
2. Проблемы космической биологии, том 3. Влияние перегрузок приземления на животных, погруженных в воду, Г.П. Миролюбов.
3. Жизнь в невесомости. «Скорость и ускорения, или в мире повышенной тяжести».
4. «Предел переносимости» Очерки об устойчивости человека к неблагоприятным факторам авиационного и космического полетов, том 1. А. С. Барер.
5. Концепция спасения с затонувшей подводной лодки: переход на жидкостную вентиляцию легких, безотлагательное свободное всплытие. www.ozakaz.ru
6. «Вне земли», К. Э. Циолковский.
7. «XX ВЕК: ЧЕЛОВЕК НА ДНЕ ОКЕАНА», http://www.vokrugsveta.ru
8. Перегрузка (летательные аппараты), https://ru.wikipedia.org

Данная версия работы является сокращенной из-за ограничения в объеме. По просьбе заинтересованных читателей могу предоставить полный текст работы.

Категория: Пятнадцатая олимпиада (2017/18 уч.год) | Добавил: Service (14.01.2018) | Автор: Беляева Александра Сергеевна E W
Просмотров: 856 | Комментарии: 3 | Рейтинг: 3.3/33
Всего комментариев: 3
3  
Классно, узнала много нового и интересного!  Работа написана грамотным научным языком, но очень понятно и доступно с сопровождением различных иллюстраций! Удачи Вам!!!

2  
Действительно интересная работа! Все ясно и четко изложено, правда шрифт мелковат. Тема совершенно новая, но, я уверена, многообещающая. Очень порадовало обращение к специалистам за помощью, было бы очень здорово прочитать все интервью:-)
Удачи в дальнейших исследованиях!

1  
Работа интересная, необычная, новая нетрадиционная тема!

Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
Переводчик
...
ВНИМАНИЕ!
ПРИЁМ ЗАЯВОК ОТКРЫТ!
ТЕСТИРОВАНИЕ НАЧАТО!
ПРИЁМ РАБОТ ОТКРЫТ!

Календарь
Google+
Их многие читают
Нет материалов
Мини-чат
Техподдержка
E-mail отправителя *:


Тема письма:


Текст сообщения *:



Форум техподдержки
Наш логотип
«Олимпиада Можайского»
Организатор

Copyright: Клуб авиастроителей ©2018