автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.02, диссертация на тему:Компенсирующие жилеты для экипажей высотных самолетов

правах рукописи. К 629.7.047 8. 658 3015.11

□03052300

Зотов Владимир Анатольевич

КОМПЕНСИРУЮЩИЕ ЖИЛЕТЫ ДЛЯ ЭКИПАЖЕЙ ВЫСОТНЫХ

САМОЛЕТОВ

Специальности: 05.26.02 - «Безопасность в чрезвычайных ситуациях» (авиационная и ракетно-космическая техника) 19.00.03 - «Психология труда, инженерная психология, эргономика»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва, 2007 год

003052300

Работа выполнена на кафедре «Технология материалов» Московского авиационного института (Государственного технического университета).

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор Тазетдинов Рустем Галятдинович доктор медицинских наук, доцент Дворников Михаил Вячеславович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Демидова Надежда Сергеевна доктор технических наук, старший научный сотрудник Найченко Михаил Васильевич

Ведущая организация: в/ч 22737,141103, г. Щелково-3, Московская область.

Защита состоится « часов

на заседании диссертационного совета Д 212.125.09 при Московском авиационном институте (государственном техническом университете) по адресу: 125993 Москва, ГСП, Волоколамское шоссе, д. 4.

Просим Вас принять участие в обсуждении диссертационной работы или прислать свой отзыв в 2-х экземплярах, заверенный гербовой печатью Вашей организации.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан «_»

2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.125.09

Н.С. Кудрявцева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. С увеличением высоты полета усиливается воздействие на летчика неблагоприятных факторов, вызванных разреженной атмосферой. Защиту летчика от воздействия пониженного барометрического давления и недостатка кислорода в атмосфере в настоящее время обеспечивает герметичная кабина самолета и дыхание кислородно-воздушной смесью или чистым кислородом, подаваемым в кислородную маску или гермошлем от бортовой кислородной системы. Однако при возникновении аварийной ситуации, связанной с разгерметизацией кабины на высотах более 12км и падении давления в ней ниже давления в легких, летчик вынужден дышать под избыточным давлением. В этих условиях единственным средством защиты летчика от депонирования крови в нижние конечности и чрезмерного растяжения легких или даже их разрыва при вдохе является высотно-компенсирующий костюм (ВКК). ВКК обеспечивает компенсацию избыточного давления путем оказания противодавления на тело равного давлению в легких или превышающего его. Для этого ВКК снабжен натяжным устройством (НУ), основным элементом которого является герметичная камера. При наполнении этой камеры кислородом она раздувается и через тканевый чехол натягивает силовую оболочку костюма, которая и оказывает давление на тело.

В настоящее время в отечественной авиации при полетах на высотах до 20км применяются ВКК с плоской камерой, встроенной под силовую оболочку - ВКК-15 (ВКК-15К, ВКК-15М). Достоинством данных костюмов является то, что они наряду с высотной компенсацией выполняют и функции противоперегрузочного костюма (ППК).

Однако костюм ВКК-15 имеет и существенные недостатки. Он выполнен в виде комбинезона и отдельное ношение его нижней части в качестве ППК или верхней части в виде компенсирующего жилета невозможно. В то же время большинство полетных заданий выполняется на высотах до 12км, где высотная компенсация не нужна, поэтому верхняя часть костюма является лишь помехой для летчика. В области живота и ног у ВКК-15 имеются две камеры - НУ и противоперегрузочного устройства (ГОТУ), что утяжеляет костюм.

Другой особенностью ВКК-15 является то, что в аварийной ситуации давление в камере НУ в 3,2 раза превышает давление в магистрали дыхания. Это способствует эффективной защите летчика, однако оказывает и значительное силовое воздействие на грудную клетку, что при довольно узких нагрудных секциях камеры, вызывает дискомфорт у летчика.

Костюм ВКК-15 изготовлен их хотя и прочной, малорастяжимой, однако малогигиеничной ткани СВМ. Вследствие этого, а также из-за наличия расположенных под камерами жестких воздуховодов костюм неудобен в эксплуатации и часто вызывает жалобы летчиков.

В военной авиации стран НАТО ВКК используются в режиме единого давления - давления в камере и линии- дыхания одинаковы. ВКК единого давления, камера которого охватывает не менее половины грудной клетки, при небольшом (не более 10—12кПа) избыточном давлении в ней, естественно, более полно и менее безболезненно воздействует на тело и поэтому является более эргономичным. Однако он требует обязательной тепловентиляции пододежного пространства в области груди.

В настоящее время в литературе отсутствует достаточно надежная математическая модель и расчетная методика, которая позволяла бы обоснованно выбирать конструктивные параметры высотно-компенсирующего жилета (ВКЖ) на стадии проектирования.

В связи с изложенным, создание нового расчетно и экспериментально обоснованного высотно-компенсирующего комплекта, способного выполнять те же функции, что и ВКК-15, однако более эргономичного и имеющего отделяемые друг от друга верхнюю (ВКЖ) и нижнюю (ППК с функцией высотной компенсации) части, является актуальной задачей.*

Цель работы. Целью настоящей диссертационной работы является создание экспериментально подтвержденной математической модели и методики расчета параметров ВКЖ с плоской камерой и разработка на их основе высокоэргономичного жилета из современных материалов в двух вариантах -повышенного и единого давления — с максимальной степенью силовой компенсации соответственно 40% и 90%, обеспечивающего в составе высотно-компенсирующего комплекта совместно с ППК-6 эффективную защиту летчика от воздействия пониженного барометрического давления при разгерметизации кабины самолета на высотах до 20км.

Методы исследования. Результаты работы получены путем создания математической модели и расчетной методики, разработки конструкций жилетов ЖК-6 ЖК-ЕД и экспериментального исследования их параметров.

Научная новизна.

1 Разработана математическая модель для определения формы камеры (чехла) ВКЖ в рабочем состоянии и параметров ее механического взаимодействия с телом летчика, позволяющая рассчитать геометрические параметры камеры, распределение давления на тело и напряжений в силовой оболочке.

2 Предложена и реализована в конструкции новая, модульная, структура ВКК — с раздельными верхней (ВКЖ) и нижней (ППК с функцией высотной компенсации) частями —, обеспечивающая большую эргономичность комплекта по сравнению с серийным ВКК и позволяющая эксплуатировать его в различных сочетаниях для различных целей: ППК отдельно на высотах до 12км или вместе с ВКЖ на высотах до 20км в противоперегрузочном режиме; ВКЖ с ППК — в режиме высотной компенсации на высотах до 20км; ВКЖ отдельно на высотах до 15 - 16км в режиме высотной компенсации для маломаневренных самолетов.

3 Получены численные экспериментально подтвержденные зависимости геометрических (размеры участков камеры, опорная степень компенсации) и силовых (распределение давления на тело, напряжений в силовой оболочке, силовая степень компенсации) от конструктивных (деформируемость ткани силовой оболочки, слабина ткани, ширина камеры) и эксплуатационных (давление в камере) параметров ВКЖ.

Практическая значимость.

1 Разработаны и изготовлены опытные образцы жилета ЖК-6 и экспериментальные образцы жилета ЖК-ЕД, удовлетворяющие цели данной работы и прошедшие физиологические наземные и высотные испытания.

2 Разработана методика экспериментального исследования напряжений в материале силовой оболочки защитного снаряжения.

* В настоящее время такой комплект разрабатывается в ОАО «Объединение «Вымпел» по заданию МО РФ. Нижняя часть комплекта ППК, исследованию которого была посвящена диссертация Аверьянова А.А, уже разработана

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

«МАИ»

Москва, Волоколамское шоссе, 4 Телефон: 158-58-62, 158-42-80 Исх.№ « »__200 г.

Российская государственная библиотека 101000, г. Москва, ул. Воздвиженка, 3

Направляю Вам автореферат диссертации Зотова Владимира Анатольевича, представленный к защите на соискание ученой степени кандидата технических наук, на тему: «Компенсирующие жилеты для экипажей высотных самолетов».

Защита состоится в диссертационном Совете Д 212.125.09 О дне защиты будет сообщено дополнительно.

Просьба принять участие в обсуждении диссертации, для чего заблаговременно закажите пропуск по телефону 158-58-62, 158-42-80.

Отзыв на автореферат, заверенный печатью, направляйте по адресу: 125993, Москва, А-80,

3 Теоретические и экспериментальные результаты работы использованы в учебном процессе - курсовом и дипломном проектировании студентов специальности 190600 в Московском авиационном институте.

Достоверность полученных результатов обеспечивается соотетствием экспериментальных данных расчетным с погрешностью 5-7% и результатами -испытаний ЖК-6 и ЖК-ЕД.

Внедрение результатов работы. Результаты работы внедрены в ОАО «Объединение «Вымпел» и ЗАО НПО «Динафорс», что подтверждается актами о внедрении.

Апробация работы. Основные положения диссертации апробированы в виде выступлений автора на 1Х-м Международном симпозиуме «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред», г. Ярополец М.О. (Россия), 2003г., 2 доклада; Х-м Международном симпозиуме с тем же названием, 2004г., 2 доклада; отдельной секции «Инженерные технологии в медицине и медицинская техника» ХП-го Международного симпозиума «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред»; 1-м Международном симпозиуме по техническому текстилю, нетканым материалам и защитной одежде, г. Москва, 2003г.

Автор выносит на защиту

1 Математическую модель, позволяющую рассчитать геометрические параметры, распределение давления на тело и напряжения в силовой оболочке ВКЖ с плоркой камерой в зависимости от деформационных характеристик материала силовой оболочки, формы и размеров камеры, давления газа в ней, слабины ткани и антропометрических параметров летчика.

2 Модульную структуру ВКК - с раздельными верхней (ВКЖ) и нижней (ППК с функцией высотной компенсации) частями, реализованную в конструкции ВКЖ из современных прочных, малорастяжимых, огнестойких и высокогигиеничных материалов, со степенью силовой компенсации при полном вдохе не менее 40% в варианте повышенного давления, а в варианте единого давления не менее 90%, обеспечивающего в составе высотно-компенсирующего комплекта совместно с ППК-6 эффективную защиту летчика в условиях разгерметизации кабины самолета на высотах до 20км.

3 Методику экспериментального исследования напряжений в силовой оболочке защитного снаряжения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, библиографического списка (56 наименований). Объем работы составляет 157 страниц машинописного текста, включая 54 рисунка, 14 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена сущность проблемы, ее актуальность, сформулированы цель и задачи исследования, дана общая характеристика работы.

В первой главе приведен анализ современного состояния исследований и разработок ВКК. В настоящее время в отечественной военной авиации широко применяются облегченные ВКК с плоскими камерами (ВКК-15), выполненные в виде цельного комбинезона. Они обеспечивают кратковременную (3-5мин.) защиту

летчика при условиях разгерметизации кабины самолета на высотах до 20км и выполняют также противоперегрузочные функции. Соотношение избыточных давлений в камере и магистрали дыхания у них равно 3,2:1, что способствует эффективной компенсации. Однако довольно большой перепад давления на грудь, возникающий при этом, вызывает дискомфорт у летчика. Отдельное применение нижней части костюма в качестве ППК для полетов на высотах менее 12км невозможно. Все это обусловливает невысокую эргономичность серийных ВКК.

В авиации стран Запада применяются ВКК единого давления - давления в камере и линии дыхания одинаковы. Они более комфортны в эксплуатации, не требуют второй кислородной магистрали в кабине, однако в виду того, что герметичная камера охватывает не менее половины периметра груди летчика, они должны иметь систему принудительной вентиляции.

В литературе отсутствуют математические модели и экспериментальные проработки, которые позволяли бы оценить компенсирующую способность ВКЖ с плоской камерой, его эргономичность в зависимости от конструктивных и эксплуатационных параметров и сравнить между собой жилеты повышенного и единого давления на стадии проектирования.

Вторая глава посвящена теоретическому анализу, разработке математической модели и расчету геометрических параметров, давления на тело ри и напряжений в силовой оболочке ВКЖ с плоской камерой, конструктивная схема которого представлена на рис. 1. Жилет состоит из силовой оболочки 1 и камеры 2 в тканевом чехле, расположенной на груди в виде двух секций, соединенных перемычкой на животе.

Рис. 1 Конструктивная схема ВКЖ

Рис. 2 Геометрическая модель поперечного сечения груди с камерой в рабочем состоянии

Г"?

Геометрическая модель поперечного сечения чехла (камеры) в рабочем состоянии на груди человека приведена на рис. 2. Оси декартовой системы координат имеют направления: х — по большой оси эллипса груди, г-на малой оси, у - по продольной оси тела. Начало координат для каждого сечения - в последней точке взаимного касания силовой оболочки и тела. Поскольку наполненная газом камера является такой же мягкой оболочкой, как и камера ППК-6, то здесь применимы тот же подход и допущения, что были применены в диссертации Аверьянова A.A. Однако там рассчитан только случай симметричного расположения камеры на теле. Здесь же камеры расположены на эллипсе груди несимметрично (с наклоном), имеется центральная перемычка между секциями, а также участок проймы с незамкнутым по сечению силовым контуром. Поэтому в настоящей работе математическая модель является более общей, чем приведенная в указанной диссертации.

Основными допущениями являются, аппроксимация передней части поперечного сечения тела человека эллипсом, пренебрежение трением костюма о белье, деформацией тела. Контур поперечного сечения секции чехла состоит из четырех однорядных секторов: 1,3- левый и правый боковые, 2 - верхний, 4 -нижний, опертый о тело. Боковые сектора отделены от верхнего боковой 5 и центральной 6 перемычками. В первом приближении сектора 2, 4 и проекции секторов 1, 3 на направления перпендикулярные швам, можно принять за дуги окружности, что подтверждается предварительными измерениями.

С использованием геометрических соотношений, условия взаимного касания нижнего и боковых секторов, боковой перемычки и эллипса тела и равновесий сил в Точках А и Д для сечения участка секции камеры ниже проймы получены 17 уравнений для расчета геометрических параметров (радиусов секторов, углов, координат).* Число же неизвестных равно 18. Недостающее уравнение получено из условия равенства друг другу поперечных погонных сил Ne в точках В и С.

На участке выше проймы силовой контур по сечению не замкнут, боковая перемычка отсутствует. Число необходимых уравнений здесь равно 12.

Все четыре участка чехла приближенно можно представить как сегменты оболочек вращения, оси которых в общем случае искривлены. При известных радиусах всех секторов поперечных сечений г0 и заданном радиусе кривизны оси вращения R параметры продольных (по основе) сечений - главные радиусы кривизны ги г2 и угол наклона гх к касательной к оси вращения <р можно найти численно методом конечных разностей.

Полученная система должна быть дополнена уравнениями связи погонных сил с главными радиусами кривизны. Они получены путем решения системы дифференциальных уравнений равновесия элемента оболочки:

9 R + rocos0 дв

----Nerx coscp = 0

дер

* Ввиду их громоздкости эти уравнения здесь не приведены

где N^N0 - продольная (по основе) и поперечная (по утку) погонные силы; в -поперечный угол; Ф - продольный угол, отсчитываемый от продольной оси до нормали к поверхности; г - нагрузка (г = -р для секторов 1, 2,3, р - избыточное давление в камере; г = -р + ри для сектора 4, ри - давление на тело). Данная система решалась в угловых координатах, однако для использования при решении геометрических уравнений полученные выражения для погонных сил выражены через декартовы координаты х, у, г (см. рис.2). Совместное численное решение методом последовательных приближений полученных систем уравнений для всех 4-х участков чехла позволяет получить значения геометрических параметров, распределения давления на тело и погонных сил в силовой оболочке.

Расчеты проводились для жилета 52-го размера. Для приближенных расчетов кривизна оси вращения учитывалась только для боковых секторов, где она явно выражена (кривизна швов). Заданными параметрами являются полуоси эллипсов груди а и с, измеренные непосредственно на фигуре человека; ширина чехла в, углы наклона /?ь /?2 к продольной оси у и радиусы кривизны швов Я] и И2. Учитывалось также общее растяжение (общая деформация) ткани по утку, так как оно оказывает существенное влияние на компенсацию. Продольная деформация по предварительным расчетам примерно в два раза меньше поперечной и, кроме того, ее влияние на компенсацию незначительно, поэтому она не учитывалась.

Изменяемыми параметрами были: избыточное давление в камере р = 0...50кПа; слабина ткани Д0 = 2,5см; 5см; 7,5см соответственно для полного вдоха, свободного дыхания, полного выдоха; ширина чехла в данном сечении Ъ. За базовое распределение ширины чехла по высоте Ь0(у) были взяты соответствующие значения для ВКК-15.

Наиболее важные результаты расчетов: 1) давление на тело ри под камерой практически пропорционально давлению р в камере, что связано с малым (2...4%) растяжением ткани; 2) радиусы и длины дуг боковых секторов малы (2...5см) и соответственно, малы и силы, действующие на этих участках (при р = 50кПа не более 500-1700Н/м), а также на нижнем участке (1100-1900Н/м); 3) вследствие этого давление на грудь всего на 10-15% превышает значение р (рис. 3); 4) максимальные погонные силы

р.

кПа

57

56

58

55

Рис. 3 Изменение давления на тело под камерой вдоль оси тела (сверху вниз) при различных состояниях дыхания: 1 - полный

вдох; 2 - свободное дыхание; 3 - полный выдох

о

6 9 12 15 18 21 24 27 30 у, см

Н/м

2300

3450

2875

1725

1150

погонных сил в верхнем секторе чехла от продольной координаты при различных состояниях дыхания:

1 - полный вдох; 2 -свободное дыхание; 3 - полный выдох

Рис. 4 Зависимости продольной

<2>(.....) и поперечной JV<2) (—_)

о

6

12 15 18 21 24 27 30 у.сы

сосредоточены в верхнем участке (рис. 4) и перемычках и именно они определяют прочность костюма, максимальный запас прочности, рассчитанный по боковому шву при максимальном давлении р = 50кПа (это несколько выше, чем необходимо на высоте 20км для жилета повышенного давления), составляет 4,1; 5) и"

геометрическая, или опорная (степень облегания тела костюмом) 8а и силовая (отношение среднего давления на тело к величине р) /?0 степени компенсации возрастают с уменьшением А0, т.е. с увеличением глубины вдоха, что, в общем, благоприятно, так как избыточное давление в легких максимально именно в конце вдоха (рис. 5,6); 6) суммарная ширина перемычек близка к общей ширине открытых (некомпенсированных) участков тела, поэтому нет необходимости в экспериментах определять-эти трудно доступные для измерений участки, а степень компенсации находить с учетом площади перемычек; 7) с увеличением- ширины, камеры Ъ по сравнению с базовой Ъ0 и опорной и силовой степени компенсации возрастают: для полного вдоха соответственно от 67% и 40% при Ь = Ь0/Ь = \ при полном вдохе до

73% и 90% при максимально возможном Ь =1,6. При увеличении высоты камеры до ключиц и уменьшении ширины центральной перемычки в 1,8-2 раза указанные величины возрастают соответственно на 4-4,5% и 3-3,5%.

При этом в физиологическом отношении силы, действующие на грудь в жилете повышенного давления, могут быть слишком большими и вызывать болезненную реакцию. Поэтому при значениях Ь ~ 1,6 можно рассматривать возможность снижения давления в камере, т.е. перехода к жилету единого давления такой же конструктивной схемы, что и жилет повышенного давления. При этом давление в камере для высот до 20км при применении кислородной маски не превышает 10-10,66кПа, а распределение давления на тело по периметру становится значительно более равномерным (ср. рис. 7 и 8). В данном случае при применении той же ткани арт. 22-03 практически не требуется расчет на прочность.

4.

%95 90 85 80 75 70 65 60 55

Рис. 5 Зависимости опорной степени компенсации по всему жилету от

относительной ширины камеры:-с обычной высотой камеры и ширины

центральной перемычки;-------с увеличенной высотой камеры и уменьшенной

шириной центральной перемычки: 1 — полный вдох; 2 — свободное дыхание; 3 — полный выдох

й»%

90 80 70 60 50 40 30 20 10

0 0,9 1,0 1,1 1,2 1.3 1,4 1,5 1,6 1,7 Ь-ЫЬ,

Рис. 6 Зависимости средней степени силовой компенсации по всему жилету (РсР, сплошная) и под камерой ( Ргср, пунктир) от относительной ширины камеры: 1 - полный вдох; 2 - свободное дыхание; 3 - полный выдох

.]_I_I_I_I_I_I_I.

В третьей главе теоретически и экспериментально обоснована модульная структура ВКК с раздельными верхней (ВКЖ) и нижней (ППК с функцией высотной компенсации) частями. Благодаря этому существенно повысилась эргономичность комплекта, так как его модули летчик может носить по мере необходимости либо совместно, либо отдельно, а также расширилась возможность более рационального применения комплекта для различных высот и типов самолетов. Дано описание конструкций жилетов повышенного давления ЖК-6 и единого давления ЖК-ЕД,

разработанных при участии автора с использованием указанного модульного принципа и полученных расчетных результатов.

Рис. 7 Эпюра давлений на тело в жилете повышенного давления при свободном дыхании (р=50 кПа; Д0=5см;_у=15с)

Рис. 8 Эпюра давлений на тело в жилете с увеличенными размерами камеры (жилет единого давления) при свободном дыхании (р=15 кПа; Д0= 5см; у= 15см)

Эскиз ЖК-6 приведен на рис. 9. Он разработан в соответствии с техническим заданием МО РФ в составе комплекта защитного снаряжения «Жизнь-1» и вместе с ППК-6 составляет высотно-компенсирующий комплект.

Устройство камеры 2, форма и размеры ее по ширине, расположение застежки-молнии 3, обеспечивающей передний распах жилета, в основном такие же, как и у ВКК-15. Однако в отличие от последней секции камеры не является продолжением камеры нижней (брючной) части, а образуют отдельную камеру. Левая секция чехла пришита к силовой оболочке, а правая пристегивается по правому плечу и правому боку с помощью застежки «контакт». Принципиальными отличиями ЖК-6 от верхней части комбинезона ВКК-15 являются: 1) полная автономность в ношении, так как жилет соединен с ППК-6 разъемно через автоматический переключатель 4; при полетах на высоте до 12км жилет можно не носить, что дает большую свободу движений летчику и снижает массу его снаряжения; 2) переключатель 4 позволяет наполнять камеру ППК-6 в противоперегрузочном режиме его работы или обе камеры - ЖК-6 и ППК-6 - в режиме высотной компенсации в случае разгерметизации кабины на высотах больше 12км; 3) благодаря конструктивному решению, указанному в п. 2, в комплекте отсутствует отдельная камера НУ в области живота и ног, что упрощает конструкцию и снижает ее массу; 4) благодаря выполнению силовой оболочки 1 из ткани арт. 22-03 с большей влаго- и воздухопроницаемостью, чем СВМ, жилет ЖК-6 может применяться без системы принудительной вентиляции; отсутствие воздуховодов под камерой (как у ВКК-15) повышает его эргономичность и уменьшает ее массу. Масса комплекта на 20% меньше, чем у комбинезона ВКК-15. Камера ЖК-6 выполнена их двухслойного материала - полиэфирная ткань (лавсан) с полиуретановым покрытием и собрана'по прогрессивной технологии — высокочастотной сваркой.

Наполнение камеры кислородом происходит через резиновый шланг со штуцером 6, смонтированный с переключателем и подключенный к кислородному прибору КП-120. Камера жилета вместе с камерой ППК-6, подключенной через резиновый шланг со штуцером 7 к переключателю 4, а через него к камере ЖК-6, выполняют в режиме высотной компенсации-роль единой камеры НУ. Переключатель с помощью шланга со штуцером подсоединяется также к автомату давления АД-15 линии ГОТУ для подачи газа в камеру ПИК в противоперегрузочном режиме.

Жилет ЖК-ЕД разрабатывался по личной инициативе автора. Эскиз экспериментального варианта ЖК-ЕД представлен на рис. 10.

Его конструкция сходна с конструкцией ЖК-6. Главным отличием является большая ширина камеры 3, которая полностью закрывает грудь до спины и ключиц, за исключением центральной перемычки, которая в среднем на 40-50% уже, чем у ЖК-6. Другая особенность ЖК-ЕД - наличие воздуховода системы вентиляции. Воздуховод размещен под центральной перемычкой на всю длину до горловины, а вдоль горловины расходится на обе стороны до плечевых швов. Воздуховод — это чехол с пористым наполнителем из объемной ткани, который помещен в подкладку. Воздух от шланга 1 проходит через поры чехла и подкладки, а также через специальные отверстия в чехле, растекается по обе стороны груди и выходит наружу через поры силовой оболочки. Шланг заканчивается штуцером для подачи воздуха от системы вентиляции. Регулировочная шнуровка расположена не только по бокам 6, но и на плечах 2. В экспериментальном варианте жилет имеет задний распах (молния 5). Шланг 5 камеры подсоединяется непосредственно к линии дыхания в случае автономного (без ППК) применения жилета.

Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию жилетов ЖК-6 и ЖК-ЕД, а также их физиологическим испытаниям. Эксперименты проводились на манекене 52-го размера, а контрольные измерения — на человеке с таким же размером одежды. Форма и размеры доступных наблюдению мест - верхних участков камеры, перемычек, а также вертикальные координаты точек поперечных сечений этих участков, определялись с помощью гибкой линейки с шагом Зсм по координате у. Результаты п = 5 измерений для каждого сечения обрабатывались статистически. Форма поперечных сечений с погрешностью 3-5% (доверительная вероятность 90%) повторяют расчетные, т.е. они действительно близки к дугам окружности, что подтверждает справедливость расчетной модели. Сравнение рассчитанных по средним значениям 2 методом наименьших квадратов радиусов верхних секторов г™(у) с расчетными (рис.11) также показывает удовлетворительное согласие.

Результаты измерений давления на тело компенсационным методом с помощью прибораУВК-2 в диапазоне р = 0...0,2кгс/см2 согласуются с расчетными значениями с погрешностью 5-7%. Для ЖК-6 при р = 0,2 кгс/см2 эти зависимости приведены также на рис. 12.

Рис. 11 Сравнение экспериментальных зависимостей от продольной координаты радиуса верхнего сектора поперечного сечения чехла жилетов ЖК-6 (1 -р = 50кПа) и ЖК-ЕД (2-р = 20кПа) с

30 у, см

расчетными (-

-) А« = 5см

Напряжения (погонные силы) в силовой оболочке жилета ЖК-6 определяли косвенным методом, измеряя деформации и сопоставляя их с диаграммой одноосного растяжения ткани. Определение деформаций путем индикации на прозрачной пленке расстояний между нашитыми на ткань с определенным шагом (3-4см) метками до и после наддува камеры газом с последующим сканированием пленки в компьютер и автоматической обработкой результатов была впервые применена в диссертации Аверьянова A.A. Однако при ручной фиксации меток на пленке трудно добиться достаточной точности. Поэтому в настоящей работе эта методика была модернизирована. Индикация положений всех меток осуществлялась фотографированием цифровым фотоаппаратом, снимки затем передавались в компьютер. Благодаря применению бесконтактного метода индикации точность

грудь

10 12 14 16 18

Рис. 12 Сравнение экспериментальных и расчетных значений давления на тело под жилетом ЖК-6 (у = 15см; Д, = 5,0см; р = 20кПа)

3500

3000

2500

2000

1500

0 3 6 9 12 15 18 21 >>,см

{

Рис. 13 Сравнение экспериментальных и расчетных значений погонных сил в верхнем участке чехла ЖК-6: точки - эксперимент; линии — расчет (р = 50кПа; А0 = 5см)

определения напряжений повысилась в 2-3 раза. Значения экспериментальных погонных сил, статистически обработанные по результатам 11 измерений в каждой точке, в целом согласуются с расчетными (рис. 13), хотя некоторые точки и выпадают. Наиболее вероятные причины этого: применение диаграмм одноосных испытаний растяжения ткани вместо двухосных; некоторая погрешность расчетной методики и др.

Таким образом, экспериментальные исследования подтверждают правильность расчетной методики, достаточную прочность силовой оболочки жилета ЖК-6, а также расчетные оценки степени компенсации обоих жилетов - ЖК-6 и ЖК-ЕД.

С использованием полученных результатов в ОАО «Объединение «Вымпел» была изготовлена опытная партия ЖК-6 и экспериментальные образцы ЖК-ЕД, фотографии которых приведены на рис. 14.

Были проведены как наземные, так и высотные испытания жилетов в ГНИИИ ВМ РФ с использованием стандартной кислородно-дыхательной аппаратурой (кислородные маски КМ-35, КМ-35М, кислородный прибор КП-120, регулятор подачи кислорода РПК-52) и современных электронных средств измерения и записи результатов.

В наземных сравнительных испытаниях комплектов ВКК-15 и ЖК-ЕД с нижней частью ВКК-15 с участием 6 испытателей с непрерывной записью их показателей внешнего дыхания и гемодинамических данных была показана как сама возможность применения под избыточным давлением 1000-1200мм вод.ст. режима единого давления с отношением давлений в камере и маске р/ркм=1, так и достаточная защитная эффективность ЖК-ЕД. Наземные испытания различных вариантов комплектов (ВКК-15, ЖК-6 с ППК-6 в режиме р!рт=3,2; ЖК-ЕД с ППК-6 в режимах р/р^Ъ,! и 1), при дыхании под избыточным давлением газовыми смесями с различным содержанием кислорода с участием 10 испытателей также показали нормативные функционирования их организма в данных условиях -показатели гемодинамики и внешнего дыхания отклонялись от обычных земных (фоновых) значений не более чем на 10-15%.

б)

Рис. 14 Фотографии опытного образца жилета ЖК-6 (а) и опытного образца

жилета ЖК-ЕД (б)

С учетом полученных данных были проведены высотные испытания жилетов в барокамере СБК-80 с имитацией высоты посредством создания разрежения в ней.

Технические испытания ЖК-6 в комплекте с ППК-6, кислородной маской КМ-35М, кислородным прибором КП-120, и регулятором подачи кислорода РПК-52 на манекенах с плавным увеличением высоты до 15км и имитацией условий взрывной декомпрессии, т.е. созданием резкого перепада избыточного давления (рис. 15) полностью подтверждают работоспособность комплекта, а также автоматического переключателя. Компенсация (соотношение давлений в камере и под маской 3,2:1) была полной, уже начиная с 3-ей секунды, в то время как по техническим условиям она может достигаться на 9-12 секундах. Таким образом, комплект ЖК-6 - ППК-6 совместим со стандартной кислородно-дыхаггельной аппаратурой.

Рис. 15 Динамика изменения параметров давления в камерах НУ ВКК (ППК-6 и ЖК-6) и КМ при проведении технического эксперимента с «перепадом» в СБК-80 с использованием манекена (28.02.06)

__Время, с

1 Ркм, ммводст 8ысста км Рдкк. кгс£м2 I

Рис. 16 Динамика изменения параметров давления в камерах НУ ВКК (ППК-6 и ЖК-6) и КМ-35 у испытателя Капутина А.И. при проведении эксперимента с плавным подъемом в СБК-80 до высоты 15 и 20км (23.10.06)

Физиологические испытания с учетом испытателей путем плавного подъема на высоты 15-16км и 20км с пребыванием на заданной высоте до 1 минуты и быстрым (в течение 1,5-2 минут) спуском на безопасную высоту ниже 12км также показали

* Задержка компенсации на высоте 15км связана не со снаряжением, а со сбоем прибора РПК-52

достаточные защитные характеристики комплекта (рис. 16)*. Физиологические показатели: частота дыхания, сердечных сокращений, артериальное давление до и после пребывания на высоте, а также самочувствие испытателей были нормальными. Более того, даже при задержках до 40с подачи давления в камеры комплекта (из-за сбоя в работе РПК-52) испытатели не чувствовали дискомфорт.

Таким образом, испытания с применением современной экспериментальной техники позволяют установить, что соотношение давлений 3,2:1 для кратковременного (до 3-х минут) пребывания на высотах до 20км завышенное и можно говорить о возможности уменьшения данного соотношения.

Физиологические высотные испытания ЖК-ЕД (выше 20км) проводились в комплекте с нижней частью ВКК-15 с соотношением р/р,м= 1 в ЖК-ЕД и 3,2 в нижней части ВКК-15.

Физиологические показатели испытателей (6 человек) до и после пребывания под избыточным давлением подтвердили, что комплект с ЖК-ЕД обеспечивает более эффективную защиту, чем серийный ВКК-15 (р/рки= 3,2).

В пятой главе изложены результаты эргономических исследований опытных образцов жилета ЖК-6 совместно с ППК-6 в составе комплекта снаряжения «Жизнь-1». Испытания проводились в ЛИИ им. Громова и ГНИИИ ВМ МО РФ.

Примерки, протаскивания, прыжковые испытания показали, что по соответствию антропометрическим данным летчиков, удобству надевания и снятия, сочетаемости с различными видами снаряжения комплекта «Жизнь-1» и стандартным летно-техническим оборудованием, досягаемости до ручек и кнопок управления и другим параметрам комплект ЖК-6 - ППК-6 совместима с кабинами различных типов самолетов (МиГ-23, МиГ-29, Су-24, Су-30, Ил-76, вертолета Ми-8) на уровне существующих ВКК. Эргономическая оценка ЖК-6 со стороны летчиков-испытателей, участвовавших в экспериментах - хорошая. Отдельные замечания, сделанные в адрес ЖК-6 не затрагивают конструкцию ЖК-6 и в настоящее время уже устранены. По результатам испытаний комиссией принято решение о передаче комплекта «Жизнь-1» на этап государственных испытаний.

В перспективе, т.е. при эксплуатации комплект ЖК-6 - ППК-6 имеет более высокую эргономичность, чем серийные ВКК. Это обусловлено, как уже было отмечено выше, возможностью раздельного применения жилета и ППК-6, меньшей массой комплекта, отсутствием неудобных в ношении воздуховодов под камерой, применением более гигиеничной ткани для силовой оболочки. Как показала практика эксплуатации ВКК-15, принудительная вентиляция тела применяется только в 5% полетов (в очень жаркую погоду). В этих случаях комплект ЖК-6 -ППК-6 может использоваться совместно с вентилирующим костюмом ВК-6, входящим в состав комплекта «Жизнь-1». Все, что касается эксплуатационной эргономичности ЖК-6, в принципе справедливо и для жилета ЖК-ЕД, так как конструкция последней почти такая же, как и у ЖК-6, кроме того, имеется система вентиляции с воздуховодом между секциями камеры.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 1 Для ВКЖ с плоской камерой разработаны математическая модель, методика, алгоритм, программа расчета геометрических параметров, распределения давления на тело и напряжений в силовой оболочке и на основании расчетов показано, что:

основными параметрами, определяющими компенсационные

характеристики жилета, являются деформируемость ткани силовой оболочки, ширина камеры и исходная слабина ткани;

- при применении малорастяжимой ткани арт. 22-03, размерах камеры, близких к размерам нагрудной камеры серийных ВКК, можно обеспечить максимальную степень силовой компенсации не менее 40%, а при увеличенной в 1,6 раза ширине камеры не менее 90%;

- прочность жилета определяется действием максимальных растягивающих напряжений по утку ткани силовой оболочки в верхнем участке чехла и боковой перемычке; при максимальном избыточном давлении в камере 50кПа коэффициента запаса прочности по боковому запошивочному шву для ткани арт. 22-03 составляет 4,1.

2 Теоретически и экспериментально обоснована модульная структура высотно-компенсирующего комплекта и на ее основе с применением современных высокогигиеничных материалов разработана конструкция ВКЖ в двух вариантах: повышенного давления ЖК-6 (давление в камере в 3,2 раза больше давления в линии дыхания) и единого давления ЖК-ЕД (указанные давления одинаковы), которые благодаря специальному автоматическому переключателю, установленному на жилете, могут работать в качестве верхней части высотно-компенсирующего комплекта совместно с его нижней частью - ППК-6 - для полетов на высотах до 20км.

3 Показано, что при применении предложенного в настоящей работе бесконтактного способа индикации деформации взамен контактной точность экспериментальной методики определения напряжений в силовой оболочке высотного снаряжения повышается в 2-3 раза.

4 Результаты экспериментальных исследований распределения геометрических параметров, давления на тело, напряжений в силовой оболочке жилетов, проведенных в работе, соответствуют расчетным данным в пределах погрешности 5-7%, что подтверждает расчетную оценку степеней компенсации.

5 Физиологические наземные и высотные (в барокамере) испытания опытных образцов жилета ЖК-6 в комплекте с ППК-6 и экспериментальных образцов жилета ЖК-ЕД показали, что оба вида жилета совместимы с серийной кислородно-дыхательной аппаратурой и обеспечивают эффективную защиту летчика от неблагоприятного воздействия пониженного барометрического давления при разгерметизации кабины самолета на высотах до 20км при более быстром (на 5-6с) выходе на режим компенсации, чем серийный ВКК-15К.

6 Эргономичность жилетов ЖК-6 и ЖК-ЕД в комплекте с ППК-6 выше, чем у серийных ВКК-15К благодаря возможности автономного применения верхней и нижней частей комплекта, более высокой гигиеничности силовой оболочки, а в случае ЖК-ЕД также меньшему давлению на грудную клетку.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Аверьянов A.A., Зотов В.А., Тазетдинов Р.Г. Математическая модель и методика расчета форм и размеров надутых газом камер высотной компенсирующей

(ВКО) и противоперегрузочной (ППО) одежды летчика // Материалы IX Международного симпозиума «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» (Ярополец, М.О., 10. ..14 февраля 2003г.). -М.: МАИ, 2003, с. 101

2. Аверьянов A.A., Зотов В.А., Тазетдинов Р.Г. Математическая модель расчета напряжений и давлений на тело человека в тканевых чехлах надутых газом камер высотной компенсирующей (ВКО) и противоперегрузочной (ППО) одежды летчика // Там же, с. 102.

3. Аверьянов A.A., Зотов В.А., Тазетдинов Р.Г. Способ определения формы герметичной камеры защитной одежды. Пат. № 2219106, РФ 64 D 10/00, А 62 В 17/00, А 62 D 5/00, заявл. 07.10.2002, опубл. 20.12.2003. Офиц. бюлл. «Изобрет. и полезн. модели» №35.

4. Аверьянов A.A., Зотов В.А., Мапоземов В.В., Тазетдинов Р.Г., Тибрин Г.С. Расчет параметров противоперегрузочного костюма ППК-6// Материалы X Международного симпозиума «Динамические и технологические проблемы механики конструкции и сплошных сред» (Ярополец, 9... 13 февраля 2004 год.). -М.: МАИ, 2004, с. 4-10.

5. Аверьянов A.A., Зотов В.А., Малоземов В.В., Тазетдинов Р.Г., Тибрин Г.С. Расчет параметров компенсирующего жилета ЖК-6. Там же, с. 11-16.

6. Аверьянов A.A., Зотов В.А., Малышев А.Н., Тазетдинов Р.Г. Обоснование выбора материалов для нового поколения высотных компенсирующих костюмов, применяемых для защиты от перегрузок и факторов высоты в условиях пилотирования современных боевых самолетов // 1-я Международная ярмарка технического текстиля, нетканых материалов и защитной одежды. Р.Ф., Москва, 13-28.09.03/Каталог и материалы CHMno3HyMa/http://www.textile_market.ru (19.05.04).

7. Тазетдинов Р.Г., Аверьянов A.A., Зотов В.А./ Математическая модель расчета напряжений и давления на тело летчика в противоперегрузочном костюме (1111К) или высотно-компенсирующим костюме (ВКК) с накладными камерами. // Электронный журнал «Труды МАИ», вып. 16,-http://www.mai.ru (28.07.2004).

8 Аверьянов A.A., Зотов В.А., Артемова Н. Б., Волчкова С.А., Беспалов Е.С., Леонова Е.И. Высотно - компенсирующий комплект. Пат. РФ № 2258547, Cl, А 62

В 17/00, В 64 Д 10/00, заявл. 20.04.04., опубл. 20.08.05. Офиц. бюлл. «Изобрет. и полезн. модели» № 23.

9 Зотов В.А. Экспериментальное исследование высотно-компенсирующего жилета ЖК-6. // Материалы XII Международного симпозиума «Динамические и психологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» (Москва, 13... 17.02.2006г.). -М.: МАИ, 2006, с. 126.

ВВЕДЕНИЕ.

1 .СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ И РАЗРАБОТОК ВКК

1.1. Неблагоприятные факторы высотного полета и средства защиты летчика 9 от них.

1.2. ВКК за рубежом.

1.3. Анализ отечественных ВКК.

1.4. Анализ патентной литературы последних десятилетий в области ВКК.

1.5. Анализ существующих методик расчета параметров ВКК.

Выводы по главе 1.

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ И РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ВКЖ.

2.1. Назначение, область применения и требования к ВКЖ.

2.2. Конструктивная схема ВКЖ.

2.3. Основные исследуемые параметры ВКЖ.

2.4. Модель геометрической формы поперечного сечения тела человека.

2.5. Модель геометрической формы и математическая модель для 35 определения параметров поперечного сечения жилета после заполнения газом камеры.

2.6. Модель геометрической формы и математическая модель для 48 определения параметров поперечного сечения жилета на участке проймы.

2.7. Модель геометрической формы продольного сечения камеры (чехла).

2.8. Математическая модель для определения напряжений (погонных сил), 53 возникающих в силовой оболочке ВКЖ после наддува камеры.

2.9. Расчет параметров ВКЖ и анализ результатов расчета.

Выводы по главе 2.

3. КОНСТРУКЦИЯ ВКЖ.

3.1 Новая модульная структура ВКК.

3.2. Устройство жилета повышенного давления ЖК-6.

3.3. Работа ЖК-6.

3.4. Устройство жилета единого давления ЖК-ЕД.

3.5. Работа ЖК-ЕД.

3.6. Материалы для ВКЖ.

Выводы по главе 3.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВКЖ.

4.1. Экспериментальная техника и методика проведения экспериментов.

4.2. Результаты экспериментального исследования геометрических параметров ВКЖ и их анализ.

4.3. Результаты экспериментального исследования распределения давления на тело и их анализ.

4.4 Результаты экспериментального исследования напряжений (погонных 119 сил) в силовой оболочке жилета ЖК-6 и их анализ.

4.5. Испытания жилетов ЖК-6 и ЖК-ЕД.

Выводы по главе 4.

5. ЭРГОНОМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЖИЛЕТА ЖК-6.

5.1. Основные цели и виды исследований.

5.2. Примерочные испытания.

5.3. Испытания на функциональную досягаемость.

5.4. Летно-прыжковые испытания.

5.5. Общая оценка эргономичное™ жилета ЖК-6 в составе высотнокомпенсирующего комплекта.

Выводы по главе 5.

Актуальность проблемы. С увеличением высоты полета усиливается воздействие на летчика неблагоприятных факторов, вызванных разреженной атмосферой. Защиту летчика от воздействия пониженного барометрического давления и недостатка кислорода в атмосфере в настоящее время обеспечивает герметичная кабина самолета и дыхание кислородно-воздушной смесью или чистым кислородом, подаваемым в кислородную маску или гермошлем от бортовой кислородной системы. Однако при возникновении аварийной ситуации, связанной с разгерметизацией кабины на высотах более 12км и падении давления в ней ниже давления в легких, летчик вынужден дышать под избыточным давлением. В этих условиях единственным средством защиты летчика от депонирования крови в нижние конечности и чрезмерного растяжения легких или даже их разрыва при вдохе является высотно-компенсирующий костюм (ВКК). ВКК обеспечивает компенсацию избыточного давления путем оказания противодавления на тело равного давлению в легких или превышающего его. Для этого ВКК снабжен натяжным устройством (НУ), основным элементом которого является герметичная камера. При наполнении этой камеры кислородом она раздувается и через тканевый чехол натягивает силовую оболочку костюма, которая и оказывает давление на тело.

В настоящее время в отечественной авиации при полетах на высотах до 20км применяются ВКК с плоской камерой, встроенной под силовую оболочку -ВКК-15 (ВКК-15К, ВКК-15М). Достоинством данных костюмов является то, что они наряду с высотной компенсацией выполняют и функции противоперегрузочного костюма (ППК).

Однако костюм ВКК-15 имеет и существенные недостатки. Он выполнен в виде комбинезона и отдельное ношение его нижней части в качестве ППК или верхней части в виде компенсирующего жилета невозможно. В то же время большинство полетных заданий выполняется на высотах до 12км, где высотная компенсация не нужна, поэтому верхняя часть костюма является лишь помехой для летчика. В области живота и ног у ВКК-15 имеются две камеры - НУ и противоперегрузочного устройства (ППУ), что утяжеляет костюм.

Другой особенностью ВКК-15 является то, что в аварийной ситуации давление в камере НУ в 3,2 раза превышает давление в магистрали дыхания. Это способствует эффективной защите летчика, однако оказывает и значительное силовое воздействие на грудную клетку, что при довольно узких нагрудных секциях камеры, вызывает дискомфорт у летчика.

Костюм ВКК-15 изготовлен их хотя и прочной, малорастяжимой, однако малогигиеничной ткани СВМ. Вследствие этого, а также из-за наличия расположенных под камерами жестких воздуховодов костюм неудобен в эксплуатации и часто вызывает жалобы летчиков.

В военной авиации стран НАТО ВКК используются в режиме единого давления - давления в камере и линии дыхания одинаковы. ВКК единого давления, камера которого охватывает не менее половины грудной клетки, при небольшом (не более 10—12кПа) избыточном давлении в ней, естественно, более полно и менее безболезненно воздействует на тело и поэтому является более эргономичным. Однако он требует обязательной тепловентиляции пододежного пространства в области груди.

В настоящее время в литературе отсутствует достаточно надежная математическая модель, которая позволяла бы обоснованно определять конструктивные параметры высотно-компенсирующего жилета (ВКЖ) на стадии проектирования.

В связи с изложенным, создание нового расчетно и экспериментально обоснованного высотно-компенсирующего комплекта, способного выполнять те же функции, что и ВКК-15, однако более эргономичного и имеющего отделяемые друг от друга верхнюю (ВКЖ) и нижнюю (1111К с функцией высотной компенсации) части, является актуальной задачей.

В настоящее время указанный комплект разрабатывается в ОАО «Объединение «Вымпел» при участии ЗАО НПО «Динафорс» по заданию МО РФ. Нижняя часть комплекта ППК-6, исследованию которого была посвящена диссертация Аверьянова А.А., уже разработана.

Целью настоящей диссертационной работы является создание экспериментально подтвержденной математической модели и методики расчета параметров ВКЖ с плоской камерой и разработка на их основе высокоэргономичного жилета из современных материалов в двух вариантах -повышенного и единого давления - с максимальной степенью силовой компенсации соответственно 40% и 90%, обеспечивающего в составе высотно-компенсирующего комплекта совместно с ППК-6 эффективную защиту летчика от воздействия пониженного барометрического давления при разгерметизации кабины самолета на высотах до 20км.

Для достижения данной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1 Разработать математическую модель расчета параметров ВКЖ в рабочем состоянии и на основании расчетов выявить значения параметров, определяющих его эффективность.

2 На основе расчетных данных и с учетом современного состояния исследований и разработок предложить конструктивные решения обоих указанных вариантов ВКЖ, удовлетворяющие современным требованиям, предъявляемым к индивидуальному снаряжению летчика, в котором были бы устранены основные недостатки существующих ВКК, а также выбрать материалы для силовой оболочки и герметичной камеры.

3 Произвести экспериментальные исследования параметров ВКЖ на экспериментальных образцах, сравнить их с результатами расчетов и при необходимости скорректировать расчетную методику.

4 С использованием результатов проведенных исследований уточнить конструктивные параметры ВКЖ, изготовить опытные образцы жилета повышенного давления и экспериментальные образцы жилета единого давления и произвести их испытания.

Научная новизна

1 Разработана математическая модель для определения формы камеры (чехла) ВКЖ в рабочем состоянии и параметров ее механического взаимодействия с телом летчика, позволяющая рассчитать геометрические параметры камеры, распределение давления на тело и напряжений в силовой оболочке.

2 Теоретически и экспериментально обоснована модульная структура ВКК - с раздельными верхней (ВКЖ) и нижней (ППК с функцией высотной компенсации) частями - обеспечивающая большую эргономичность комплекта по сравнению с серийным ВКК и позволяющая эксплуатировать его в различных сочетаниях для различных целей: ППК отдельно на высотах до 12км или вместе с ВКЖ на высотах до 20км в противоперегрузочном режиме; ВКЖ с ППК - в режиме высотной компенсации на высотах до 20км; ВКЖ отдельно на высотах до 15 - 16км в режиме высотной компенсации для маломаневренных самолетов.

3 Получены численные экспериментально подтвержденные зависимости геометрических (размеры участков камеры, опорная степень компенсации) и силовых (распределение давления на тело, напряжений в силовой оболочке, силовая степень компенсации) от конструктивных (деформируемость ткани силовой оболочки, слабина ткани, ширина камеры) и эксплуатационных (давление в камере) параметров ВКЖ.

Практическая значимость

1 Разработаны и изготовлены опытные образцы жилета ЖК-6 и экспериментальные образцы жилета ЖК-ЕД, удовлетворяющие цели данной работы и прошедшие физиологические наземные и высотные испытания.

2 Разработана методика экспериментального исследования напряжений в материале силовой оболочки защитного снаряжения.

3 Теоретические и экспериментальные результаты работы использованы в учебном процессе - курсовом и дипломном проектировании студентов специальности 190600 в Московском авиационном институте.

Автор выносит на защиту

1 Математическую модель, позволяющую рассчитать геометрические параметры, распределение давления на тело и напряжения в силовой оболочке ВКЖ с плоской камерой в зависимости от деформационных характеристик материала силовой оболочки, формы и размеров камеры, давления газа в ней, слабины ткани и антропометрических параметров летчика.

2 Модульную структуру ВКК - с раздельными верхней (ВКЖ) и нижней (ППК с функцией высотной компенсации) частями -, реализованную в конструкции ВКЖ из современных прочных, малорастяжимых, огнестойких и высокогигиеничных материалов, со степенью силовой компенсации при полном вдохе не менее 40% в варианте повышенного давления, а в варианте единого давления не менее 90%, обеспечивающего в составе высотно-компенсирующего комплекта совместно с ППК-6 эффективную защиту летчика в условиях разгерметизации кабины самолета на высотах до 20км и обладающего большей эргономичностью, чем существующие ВКК.

3 Методику экспериментального исследования напряжений в силовой оболочке защитного снаряжения.

Выводы по работе

1 Для ВКЖ с плоской камерой разработаны математическая модель, методика, алгоритм, программа расчета геометрических параметров, распределения давления на тело и напряжений в силовой оболочке и на основании расчетов показано, что:

- основными параметрами, определяющими компенсационные характеристики жилета, являются деформируемость ткани силовой оболочки, ширина камеры и исходная слабина ткани;

- при применении малорастяжимой ткани арт. 22-03, размерах камеры, близких к размерам нагрудной камеры серийных ВКК, можно обеспечить максимальную степень силовой компенсации не менее 40%, а при увеличенной в 1.6 раза ширине камеры не менее 90%;

- прочность жилета определяется действием максимальных растягивающих напряжений по утку ткани силовой оболочки в верхнем участке чехла и боковой перемычке; при максимальном избыточном давлении в камере 50кПа коэффициент запаса прочности по боковому запошивочному шву для ткани арт. 22-03 составляет 4,1.

2 Теоретически и экспериментально обоснована модульная структура высотно-компенсирующего комплекта и на ее основе с применением современных высокогигиеничных материалов разработана конструкция ВКЖ в двух вариантах: повышенного давления ЖК-6 (давление в камере в 3,2 раза больше давления в линии дыхания) и единого давления ЖК-ЕД (указанные давления одинаковы), которые благодаря специальному автоматическому переключателю, установленному на жилете, могут работать в качестве верхней части высотно-компенсирующего комплекта совместно с его нижней частью -ППК-6 - для полетов на высотах до 20км.

3 Показано, что при применении предложенного в настоящей работе бесконтактного способа индикации деформации взамен контактной точность экспериментальной методики определения напряжений в силовой оболочке высотного снаряжения повышается в 2-3 раза.

4 Результаты экспериментальных исследований распределения геометрических параметров, давления на тело, напряжений в силовой оболочке жилетов, проведенных в работе, соответствуют расчетным данным в пределах погрешности 5-7%, что подтверждает расчетную оценку степеней компенсации.

5 Физиологические наземные и высотные (в барокамере) испытания опытных образцов жилета ЖК-6 в комплекте с ППК-6 и экспериментальных образцов жилета ЖК-ЕД показали, что оба вида жилета совместимы с серийной кислородно-дыхательной аппаратурой и обеспечивают эффективную защиту летчика от неблагоприятного воздействия пониженного барометрического давления при разгерметизации кабины самолета на высотах до 20км при более быстром (на 5-6с) выходе на режим компенсации, чем серийный ВКК-15К.

6 Эргономичность жилетов ЖК-6 и ЖК-ЕД в комплекте с ППК-6 выше, чем у серийных ВКК-15К благодаря возможности автономного применения верхней и нижней частей комплекта, более высокой гигиеничности силовой оболочки, а в случае ЖК-ЕД также меньшему давлению на грудную клетку.

1. Дворников М.В., Меденков А.А., Степанов В.К. Выбор и подгонка защитного снаряжения. Обучение дыханию под избыточным давлением. М.: Полет, 2001.- 160с.

2. Уманский С.П. Барьер выносливости летчика. М.: Машиностроение, 1964.-172 с.

3. Черняков И.Н. Эффективность комплектов кислородного оборудования как средства жизнеобеспечения в стратосферных полетах (при разгерметизации кабины)// Косм. биол. и авиакосм. мед. 1989. т. 23, № 1 - с. 11-13

4. Уманский С.П. Снаряжение летчика и космонавта. М.: Воениздат, 1967. -192 с.

5. Алексеев С.М., Уманский С.П. Высотные и космические скафандры. -М.: Машиностроения, 1973.-280 с.

6. Современные средства аварийного покидания самолета / С.М. Алексеев, Я.В. Балкинд, A.M. Гершкович, B.C. Еремин, А.С. Повицкий, H.JI. Уманский. -М.: Оборонизд, 1961.-452 с.

7. Christopher Т. Carey. Supporting lite of 80000 feet: Evolution of the american high altitude pressure suit: http:// webs, lanset. com./aeolusaero/ Articles/ S Suits, htm (04.10.2004).

8. Halbersfodt H., Halbersfodt M. Bone domes and jeans // US airrev flight / Wirginia, Windrow E. Geene. 1995.

9. Beaufort defence and aerospace division. Anti-g trousers// www. Survitecgroup. Com (10.12.2004).

10. Beaufort defence and aerospace division. Eurofighter AEA// www. Survitecgroup. Com (10.12.2004).

11. Carrington performance fabrics limited / Certificates of Conformity and/or test reports are avialable on reque issul: 2. Date. 18/12.2001 (10.11.2004).

12. Высотный компенсирующий костюм ВКК 6М // Руководство по технической эксплуатации ВКК - 6М - 0719.000 - 00 РЭ. - М.: Воениздат, 1989.-94 с.

13. Костюм высотный компенсирующий ВКК- 15К // Руководство по технической эксплуатации ОК 9004 - 00 РЭ. - М.: Воениздат, 1986. - 56 с.

14. Pressure carment. Pat №5033630 US/ B64D - 10/00/ J.W. Besurick, E.A. Dubois. - №424994, filed 23.10.89.

15. Davie f or exerting an external pressure on a human body. Pat. №9525238 WO. В 64D 10/00, A62B 17/001 B6G6/00/ S. J. vage. - № 9400897 - 6, prior. 1700394. Publ. 21.09.95.

16. Suit for the support body in respect to acceleration forces. Pat №5027437 US. В 64D 10/00 A41D 13/00/ H. Reddemann, R.C. Huttenbach. - №8815233, olait. 27.06.88. Filed 04.05.89, № 347744.

17. Anfropomorphic tank suit. Pat. №5127896 US B64D 10/00/ A.N. de Gasfon. -402359, field 05.09.89.

18. Аверьянов А.А., Зотов В.А., Тазетдинов Р.Г. Способ определения формы герметичной камеры защитной одежды. Пат. РФ 64 D 10/00, А 62 В 17/00, А 62 D 5/00, заявл. 07.10.2002, опубл. 20.12.2003. Офиц. бюлл. «Изобрет. и полезн. модели» №35.

19. Средства спасения экипажа самолета / С.М. Алексеев, Я.В. Балкинд, A.M. Гершкович, B.C. Еремин, А.С. Повицкий, H.JI. Уманский. М.: Машиностроение, 1975.-432 с.

20. Шапошников А.И. Исследование основных конструктивных схем высотного кислородного прибора с повышенным давлением и компенсирующей одежды, 1955 г., дисс. к. т. н., 308с. ил. НИИ Авиац. медиц. МО СССР.

21. Балабух Л.И., Усюкин В.И. Приближенная теория мягких оболочек вращения // Теория оболочек и пластин; Тр. VII Всесоюзн. Конф. по теории обол, и пластин. М.: Наука, 1973. - с 230 - 235.

22. Алексеев С.А. К теории мягких оболочек вращения // Расчет пространственных конструкций М.: Госстройиздат, 1955, Вып.з, с 309 - 322.

23. Пневматические строительные конструкции / В.В. Ермолов, У.У. Бэрд, Э. Бубнер и др. Под ред. В.В. Ермолова. М.: Машиностроение, 1983. - 439с.

24. Алексеев С.А. Основы теории мягких осесимметричных оболочек // Расчет пространственных конструкций. М.: Стройиздат, 1965, вып 10, с. 538.

25. Алексеев С.А. Основы общей теории мягких оболочек // Расчет пространственных конструкций. -М.: Стройиздат, 1966, Вып.11, с.31-52.

26. Усюкин В.Н. Расчет мембранных оболочек при малом параметре нагрузки методом прогонки // Труды VII всесоюзн. Конфер. По теории оболочек и пластинок. М.: Наука, 1969, с 582-587.

27. Ридель В.В., Гулий Б.В. Динамика мягких оболочек. М.: Наука, 1980 -205 с.

28. Аверьянов A.A., Зотов В.А., Тазетдинов Р.Г. Математическая модель расчета напряжений и давлений на тело человека в тканевых чехлах надцутых газом камер высотной компенсирующей (ВКО) и противоперегрузочной (ППО) одежды летчика// Там же, с. 102.

29. Аверьянов A.A., Зотов В.А., Малоземов В.В., Тазетдинов Р.Г., Тибрин Г.С. Расчет параметров компенсирующего жилета ЖК бТам же, с. 11-16.

30. Аверьянов A.A. Исследование и разработка противоперегрузочного костюма (ППК) нового поколения, 2005г., дисс. к.т.н., 186 е., ил. МАИ (ГТУ).

31. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. М.: Наука, 1979 - 976 с.

32. Тазетдинов Р.Г. Равновесие элемента тонкостенной оболочки вращения с криволинейной осью // Электронный журнал «Труды МАИ», вып. 16.-http: //www.mai.ru (28.07.2004)

33. Тазетдинов Р.Г., Аверьянов A.A., Зотов В.А./ Математическая модель расчета напряжений и давления на тело летчика в противоперегрузочном костюме (ППК) или высотно-компенсирующим костюме (ВКК) с накладными камерами.// Там же.

34. Акопов М.Г. Расчет и проектирование систем индивидуального жизнеобеспечения. М.: МАИ, 1979. - 76 с.

35. Акопов М.Г., Дудник М.Н. Расчет и проектирование авиационных систем индивидуального жизнеобеспечения. М.: Машиностроения, 1983. -231 с.

36. Системы жизнеобеспечения экипажей летательных аппаратов: Учебник для втузов/ В.В. Малоземов, В.Ф. Рожнов, В.Н. Правецкий. М.: Машиностроение, 1986. - 583 с.

37. Малоземов В.В., Кудрявцева Н.С. Автоматическое регулирование систем обеспечения теплового режима. Учеб. Пособие. М.: МАИ, 1951 - 50с.

38. Пичулин B.C., Олизаров В.В. Системы терморегулирования индивидуального снаряжения. Учебное пособие. М.: МАИ, 1995. - 58 с.

39. Михеев М.А., Михеев И.М. Основы теплопередачи. Изд-е 2-е, стереотипы. М.: Энергия, 1977. - 344 с.

40. Физические величины: Справочник / А.П. Бабичев, H.A. Бабушкина, A.M. Братковский и др.; Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейликова. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 1232 с.

41. Аверьянов A.A., Зотов В.А., Артемова Н. Б., Волчкова С.А., Беспалов Е.С., Леонова Е.И. Высотно компенсирующий комплект. Пат. РФ № 2258547,CI, А62 В17/00, В64Д 10/00, заявл. 20.04.04, опубл. 20.08.05. Офиц. бюлл. «Изобрет. и полезн. модели» № 23.

42. Сварка в машиностроении, т. 2: Справочник / Под ред. А.И. Акулова. -М.: Машиностроение, 1978. 462 с.

43. Зайдель А.И. Погрешности измерения физических величин. Л.: Наука, 1985.- 112 с.

44. Маркин Н.С. Основы теории обработки результатов измерений. М.: Изд-во стандартов, 1991. - 476 с.

45. Тензодатчики для экспериментальных исследований. -М.: Машиностроение, 1972. 152 с.

46. Тензометрия в машиностроении: Справочное пособие / Под ред. P.A. Макарова. М.: Машиностроение, 1975. - 287 с.

47. Богачев И.И., Олизаров В.В. Обеспечение условий обитания эргатических систем. Учеб. пособие / Под ред. В.В. Малоземова. М.: МАИ, 1988.-67 с.

48. Богачев С.К. Авиационная эргономика.: Вероятностные методы. М.: Машиностроение, 1978. - 138 с.

49. Основы авиационной эргономики. М.: Воздушный транспорт, 1985. -312 с.

50. Зинченко В.Т., Мунипов В.М. Основы эргономики. М.: МАИ, 1977. -71с.

51. Беловицкий Н.С. Инженерная психология. М.: МЭИ, 1977. - 71 с.