Условия подводной жизни

Системы жизнеобеспечения длительного пребывания человека под водой

Вода, биологически чуждая человеку среда, по сравнению с воздухом не имеет свободного кислорода для дыхания, обладает большой плотностью, теплопроводностью и теплоемкостью, практически не сжимаема, имеет отличающуюся от воздуха проводимость световых и звуковых волн (табл. 1).

Таблица 1. Физические свойства водной среды мирового океана

Человек может длительное время находиться под водой, работать в этих условиях, применяя различные индивидуальные и групповые системы жизнеобеспечения и специальные орудия труда. В связи с этим особого внимания заслуживает выбор систем жизнеобеспечения, создание надежного и длительно действующего комплекса технических, физико-химических и медико-биологических средств, обеспечивающих благоприятную для человека среду обитания за счет применения аппаратов, приспособленных для длительного пребывания в них человека, систем регулирования микроклимата в заданных параметрах, разработки оптимальных составов газовой смеси, режимов питания, труда и отдыха и др,

Комплекс систем, обеспечивающий сохранение жизнедеятельности организма акванавтов, эффективную работоспособность и минимальную вероятность возникновения патологических изменений, должен предусматривать следующие функции (С. М. Алексеев, С. П. Уманский, 1973; Г. И. Воронин и др., 1967): защиту человека от неблагоприятных физических факторов внешней среды; удовлетворение его массоэнергетических потребностей, то есть обеспечение необходимыми веществами и энергией и удаление продуктов жизнедеятельности и вредных веществ, выделяемых при работе систем и оборудования посредством очистки атмосферы от вредных примесей и микробной флоры, кондиционирования воздуха, средств санитарии и гигиены, ассенизационных устройств; создание благоприятных психо-физиологических условий (обеспечение потребностей человека в движении, отдыхе, внешней информации, нормальных условий труда и т. д.); обеспечение систематического контроля за состоянием здоровья акванавтов и создание условий для оказания медицинской помощи; защиту человека в аварийных ситуациях.

Одной из основных функций комплекса систем жизнеобеспечения является поддержание в допустимых диапазонах равновесия материальных и энергетических затрат акванавтов. Многочисленные исследования, проведенные в камерах и при длительном пребывании человека в условиях космических кораблей и атомных подводных лодок, позволили установить определенный баланс обмена веществ и энергии, необходимый для сохранения здоровья человека массой 70 кг (табл.2).

Таблица 2. Основные массоэнергетические характеристики одного человека в гермообъеме

Эти данные, а также другие критерии, определяющие режимы функционирования систем жизнеобеспечения (микроклимат, содержание вредных примесей, весовой критерий, обеспечение высокой надежности и др.), подробно разработанные для различных герметичных кабин, можно экстраполировать при разработке систем жизнеобеспечения акванавтов. При этом необходимо учитывать дополнительные требования: регулирование давления и газового состава внутренней атмосферы в зависимости от глубины, точное поддержание парциального давления кислорода, обеспечение отвода излишней влаги, непрерывно испаряющейся через нижние люки, эффективную теплоизоляцию одежды акванавтов, пребывающих в водной или гелиевой среде.

Системы жизнеобеспечения по своему назначению разделяются на групповые (подводные базы, лаборатории), предназначенные для обеспечения необходимых условий при длительном пребывании человека под водой, и индивидуальные - скафандры и акваланги, обеспечивающие кратковременное нахождение человека непосредственно в подводной среде.

Групповые системы жизнеобеспечения современных подводных лабораторий (Ю.М. Барац и др., 1970; П. А. Боровиков, В. П. Бровко, 1974; В. Е. Джус, А. В. Майер, 1967; Г. А. О'Нил, 1968; I. Cousteau, 1964; 1967; A. Cobet, R. Dimmick, 1970) выполнены в виде сферической, цилиндрической, прямоугольной или комбинированной по форме оболочки (приложение). Они в достаточной мере отвечают требованиям эффективного и компактного размещения экипажа и оборудования. По своему функциональному назначению помещения разделяются на спальный отсек, столовую, лабораторию, камбуз, склад, санузел с душем и др. Интерьер максимально приближен к нормальным условиям на поверхности. Иллюминаторы обеспечивают достаточный обзор окружающего пространства. Вход в подводную лабораторию осуществляется через люк в днище, находящийся в изолированном водолазном отсеке.

При глубинах погружения до 15 м подводные лаборатории вентилируются сжатым воздухом, который, проходя через фильтр и влагоотделитель, очищается от вредных примесей; при больших глубинах погружения необходимы оборудование и приборы для приготовления, подачи, очистки и регенерации дыхательной смеси, а также контроля за ее составом. Многокомпонентная дыхательная смесь готовится автоматически или вручную. Система очистки и регенерации дыхательной смеси включает фильтры-поглотители, в которых применяется гидроокись лития, древесный уголь и др. В подводной лаборатории "Преконтинент-III" использовали специально разработанную криогенную установку для удаления углекислого газа и других вредных примесей. Система контроля за составом дыхательной смеси включает газоанализаторы и приборы, регулирующие парциальное давление компонентов смеси и контролирующие концентрации токсических загрязнений.

Отопительная система подводных домов и лабораторий представлена инфракрасными излучателями, электрическими нагревателями или калориферными установками. Для согревания акванавтов, возвратившихся после работы в холодной воде, используют горячие души. Большое внимание уделяется теплоизоляции корпуса подводной лаборатории. Применяемые для дезинфекции и дезодорации воздуха ультрафиолетовые лампы также частично обогревают помещение.

Для поддержания уровня относительной влажности в заданных пределах внутри подводной лаборатории часть дыхательной смеси пропускают через пространство между полом и корпусом, не имеющим изоляции и соприкасающимся с забортной водой, в результате чего из газовой смеси при охлаждении выпадает конденсат, а также вымораживают влагу из дыхательной смеси с помощью холодильников.

При установке подводных лабораторий на небольших глубинах и в достаточно прозрачной воде отсеки освещаются в дневное время через иллюминаторы естественным дневным светом, лишенным, однако, низкочастотной части его спектра. Все лаборатории снабжены источниками обычного искусственного освещения.

Между подводными лабораториями и поверхностью поддерживается громкоговорящая и телевизионная связь. Чтобы речь человека, находящегося в гелиевой атмосфере, была более разборчивой, применяют специальные корректоры речи и переговорные устройства с неоно-кислородной смесью.

Приготовление пищи в условиях подводного дома повышает содержание вредных примесей в дыхательной смеси. В связи с этим при погружении подводных домов пища либо доставляется с поверхности в специальных контейнерах, либо применяются стандартные готовые обеды, подогреваемые в подводных условиях, либо специальные рационы из консервированных и лиофилизированных продуктов. Хранение продуктов осуществляется в холодильниках с глубоким холодом (до -40° С). Пресная вода подается с поверхности и в виде аварийного запаса хранится в консервированном виде.

Использованные нами подводные лаборатории типа "Ихтиандр" (табл. 3, рис. 1) представляли собой стационарные сооружения, конструкция которых определялась целями эксперимента. "Ихтиандр-66" был предназначен для пробного эксперимента, "Ихтиандр-67" - для обеспечения нормальной жизнедеятельности 4 - 5 акванавтов в течение длительного времени и проведения обширной программы медико-физиологических исследований; "Ихтиандр-68" создавался как прототип подводной базы с высоким уровнем автономности.

Таблица 3. Техническая характеристика и параметры микроклимата подводных домов-лабораторий

Рис. 1. Размещение систем, приборов в экспериментах с подводными лабораториями: 1 - электростанция, 2 - группа компрессоров высокого и низкого давления, 3 - воздушный фильтр, 4 - пульт управления, 5 - декомпрессионная камера, 6 - медицинские и технические лаборатории, 7 - воздушные и водяные магистрали, кабели подачи электроэнергии, связи и телеконтроля, 8 - подводные электросветильники, 9 - бурильная установка, 10 - телевизионные камеры, 11 - система погружения подводного дома, 12 - прожекторы, 13 - кубрик, 14 - трубки дистанционного забора проб воздуха, 15 - герметичный кабельный ввод, 16 - бытовой отсек, 17 - лабораторный отсек, 18 - блоки громкоговорящей и телефонной связи, 19 - датчик контроля уровня воды во входном люке, 20 - водолазный отсек с входным люком, 21 - воздухоотводный шланг и фановая система, 22 - регулируемые опоры

"Ихтиандр-67" водоизмещением 33 м³ состоял из четырех блоков. В каждом из них было по три иллюминатора, которые давали возможность кругового обзора, и по два светильника. Функционально "Ихтиандр-67" разделялся на водолазный отсек, кубрик с четырьмя койками, напоминающий вагонное купе, лабораторию для проведения медико-физиологических исследований и бытовой отсек (камбуз, склад, санузел с душем). Все помещения обшиты пластиком, который служил для теплоизоляции и одновременно выполнял гигиенические и декоративные функции. Кроме телефонной и громкоговорящей связи, были установлены две телевизионные передающие камеры, в лаборатории и в воде у входной шахты.

Вентиляцию подводных домов рассчитывали по содержанию во внутренней атмосфере углекислого газа, выделяемого акванавтами. "Ихтиандр-66" вентилировался компрессором производительностью 0,5 м³/мин, "Ихтиандр-67" - 5 м³/мин, "Ихтиандр-68"- 1 м³/мин. Пробы воздуха из разных точек подводного дома забирали несколько раз в день дистанционно с пульта по пневмокабелю. Вредные примеси (угарный газ, сероводород, окислы азота и др.) определяли прямо в домах экспресс-анализаторами, количество их было ниже пределов обнаружения.

Конструкция подводной лаборатории "Черномор" Института океанологии им. П. П. Ширшова АН СССР подробно описана (П. А. Боровиков, В. А. Иванов, Н. Г. Обдиркин, 1969).

Эксперимент "Сальватор" был проведен в микроклиматической камере Всесоюзного научно-исследовательского института горноспасательного дела. Камера была дополнительно снабжена регенерационной системой обеспечения жизнедеятельности, средствами дистанционного контроля физиологических показателей и параметров микроклимата, средствами обеспечения безопасности.

Индивидуальные системы жизнеобеспечения - скафандры - должны отвечать общим требованиям, предъявляемым к системам жизнеобеспечения, а также быть удобными при передвижении, проведении работ, быстро надеваться и сниматься и др. Индивидуальные системы жизнеобеспечения в последнее время интенсивно разрабатываются в космической и авиационной технике, горноспасательном деле (Д. И. Иванов, А. И. Хромушкин, 1968; С. М. Алексеев, С. П. Уманский, 1973). У акванавта в настоящее время еще нет надежного и удобного скафандра, отвечающего всем предъявляемым к нему требованиям (П. А. Боровиков, В. П. Бровко, 1974).

Дыхательная смесь акванавту при глубоководных погружениях, как правило, подается по шлангам из подводной лаборатории. В целях повышения безопасности акванавт обеспечивается еще резервным носимым аквалангом с запасом необходимой дыхательной смеси. При мелководных погружениях используются шланговые аппараты открытого типа. Они значительно увеличивают время пребывания акванавта в водной среде, но снижают эффективность подводных работ из-за ограниченных возможностей перемещения. Разработаны и испытаны несколько вариантов автономных аппаратов (Mk-VIII, Mk-XI и др.) для работы акванавтов под водой.

Температурный режим акванавтов сохраняется путем теплоизоляции гидрокостюмов, электрообогрева и подачи горячей воды в систему трубок, вмонтированных в скафандр. Теплоизолирующие свойства гидрокостюмов в условиях повышенного давления и гелиевой атмосферы низки и позволяют акванавтам работать при температуре окружающей среды около 10°С всего от 70 до 90 мин. Электрообогреваемая одежда (спирали, ртутные трубочки, токопроводящий материал) дает приемлемые результаты, но ненадежна. Использование метода циркуляции горячей воды через систему трубок внутри костюма более эффективно, но длительность работы на глубине в таких костюмах (как и в костюмах с электрообогревом) также не превышает 2 ч.

Сложной проблемой является связь акванавтов, находящихся в водной среде, между собой и с подводной лабораторией ввиду наличия гелия в дыхательной смеси, загубника, препятствующего правильному произношению звуков, отсутствия надежного беспроводного канала связи.

При проведении экспериментов "Чибис" (человек и безопорная иммерсионная среда) в 1969 - 1970 гг. мы предприняли попытку создать легководолазный неавтономный скафандр (рис. 2), выполняющий все функции индивидуальной системы жизнеобеспечения (Ю. М. Барац и др., 1971). В состав легководолазного вентилируемого скафандра вхоlили: легкий сухой гидрокомбинезон (1) из многослойной прорезиненной ткани с системой компенсации внутреннего избыточного давления (шнуровки, ремни, захваты для удержания шлема); жесткий пространственный шлем (2) из стеклоткани с иллюминатором из оргстекла; подшлемник с приемно-передающим устройством связи (5, 6) и устройством телеметрического контроля; система вентиляции, включающая компрессор (26), влагоотделитель (25), воздушный фильтр (24), 40-литровые баллоны (18), редуктор (16), герметический разъем, коммутатор (10), вентилирующая одежда (9), клапан для поддержания в гидрокомбинезоне избыточного давления по отношению к окружающей среде в пределах до 0,2 кг/см² (3); система подогрева дыхательной смеси; аппаратура дуплексной громкоговорящей связи (14, 15); устройство приема пищи (7); ассенизационное (12, 13) и устройство акустической связи для переговоров акванавтов со страхующими аквалангистами (5, 6); датчики и приборы для измерения ЭКГ в грудном отведении по Нёбу (28, 23), температуры кожи в 5 точках (27, 22), температуры подскафандрового пространства в 5 точках (21); глубинограф для измерения, дистанционной передачи и записи глубины погружения (29, 20); устройства для отбора проб слюны (8), выдыхаемого воздуха и регистрации вентиляции (16, 17); легочный автомат для аварийных целей (4); фал (31) с линиями питания энергией (19) электрообогреваемой одежды (30), связи, а также передачи информации от датчиков и электроразъемом (11); пояса с грузами для регулирования плавучести.

Рис. 2. Функциональная схема скафандра для длительного пребывания под водой (см. обозначения в тексте)?

Техническая характеристика скафандра приведена в табл. 4.

Таблица 4. Техническая характеристика и показатели микроклимата легководолазного вентилируемого скафандра