Решение проблемы изучения и освоения человеком глубин Мирового океана связано с необходимостью создания современных экспериментальных и производственных баз с водолазными комплексами для имитации глубин в барокамерах и для натурных погружений. Такие комплексы должны быть оснащены эффективными и надежными системами жизнеобеспечения (СЖО), которые представляют собой совокупность технических средств, предназначенных для создания в отсеках барокамер условий для относительно нормальной жизнедеятельности людей в период их многосуточного пребывания под повышенным давлением. Очевидно, что основной функцией СЖО является формирование и поддержание на заданном уровне параметров дыхательной газовой среды (ДГС) и микроклимата в замкнутом объеме барокамеры. Это обеспечивается функционированием комплекса подсистем, входящих в состав общей СЖО.
Для водолазных гипербарических систем, как и для любых замкнутых обитаемых систем, наиболее жесткие требования предъявляются к контролю основных параметров среды: давление (Р), парциальное давление кислорода (РО2) и двуокиси углерода (РСО2), температура (T °C), относительная влажность (RH, %), скорость движения среды, вредные микропримеси, – а также к системам их регулирования и поддержания на заданном уровне. Это обусловлено тем, что все указанные факторы в условиях повышенного давления оказывают влияние на функциональное состояние организма водолаза, его работоспособность и здоровье, что прямо связано с безопасностью работы в таких условиях [1, 2]. В этой связи целью данной работы является анализ проблемы обеспечения жизнедеятельности человека в замкнутом объеме барокамеры, реализуемого на физиолого-гигиенических принципах формирования гипербарической среды, для повышения безопасности пребывания в условиях гипербарии.
Методы исследования – теоретические и экспериментальные (анализ, обобщение литературных и экспериментальных данных), основанные на многолетнем опыте проведения исследований в условиях повышенного давления в барокамерах при моделировании различных глубин погружения водолазов и под водой в обитаемых гипербарических системах (подводные дома, убежища, аппараты).
Результаты исследования показывают, что жизнедеятельность человека в любых условиях поддерживается в основном за счет адекватного этим условиям дыхательного газообмена: потребления кислорода и выделения двуокиси углерода. Особенностью ДГС в условиях повышенного давления является то, что для больших глубин или длительного пребывания даже на средних (до 40 м) глубинах она является искусственной, соответствующей специальным физиолого-гигиеническим требованиям [3, 4].
Количественное соотношение газовых компонентов (кислород, азот, гелий) в смеси изменяется с изменением давления или соответствующей ему глубины. При имитации погружений в барокамере на большие глубины азот воздуха замещается гелием, хотя небольшая доля азота в смеси от остаточного перед компрессией воздуха в камере сохраняется. Но в любом случае формирование дыхательной среды и поддержание газового состава смеси на заданном уровне является основой для обеспечения жизнедеятельности. Парциальное давление кислорода в таких условиях должно находиться в допустимых пределах, исключающих развитие гипоксии в организме и интоксикации кислородом (5, 6). На фоне даже умеренной гипоксии в условиях повышенного давления в барокамере функциональные возможности человека снижаются, а при развитии токсического действия кислорода реакции организма переходят в патологические. Поэтому в зависимости от давления, состава газовой среды и длительности пребывании в барокамере РО2 в отсеках должно поддерживаться в диапазоне 0,25–
0,30 кгс/см2 [3], что соответствует 184–221 мм рт. ст. Это умеренно гипероксический, но не токсический уровень РО2. Не будет проявлять токсичность и РО2 на уровне 0,35 кгс/см2 (258 мм рт. ст.), но при ограничении длительности пребывания под повышенным давлением. Следует отметить, что дыхание в условиях гипербарии и нормоксической смесью (РО2 – 0,21 кгс/см2, или 156 мм рт. ст.) в условиях относительного покоя не приводит к изменению кислородного режима организма [7].
Кроме оптимального газового состава гипербарической среды, на функциональные возможности организма оказывает влияние и микроклимат в барокамере. Он характеризуется температурой (конвекционной и радиационной), влажностью и подвижностью газовой среды. Температура является основным параметром обитаемости камер.
Теплофизические свойства гипербарической газовой среды в барокамерах обусловлены действием двух факторов: изменением давления газовой среды и изменением её состава. При замене азота на гелий изменяется не только плотность, но и вязкость, теплопроводность и теплоёмкость смеси. Гелий обладает в 6 раз большей теплопроводностью и в 5,2 раза большей теплоёмкостью, чем воздух, и это является причиной того, что при недостаточном обогреве при повышенном давлении потеря тепла находящимся в барокамере человеком может оказаться равной его продукции при обмене веществ в организме. Это вызывает необходимость повышения температуры окружающей газовой среды в барокамере для компенсации увеличения теплопотерь в связи с повышением теплопередающих свойств искусственной атмосферы. Например, при дыхании кислородно-азотно-гелиевой смесью температура в среде барокамеры при давлении 31 кгс/см2, имитирующем глубину 300 метров, может находиться в диапазоне допустимых температур – 29,2–31,2 °C при относительной влажности 60–80 % [3]. Но эти величины температуры могут иметь и несколько другие значения, в зависимости от других параметров микроклимата, физической активности человека и его одежды.
При повышении давления зона температурного комфорта закономерно сужается. Это приводит к тому, что изменение температуры в указанных условиях всего лишь на 0,5 °C, в пределах диапазона допустимых значений, довольно быстро приводит к нарушению температурного комфорта для человека.
Большое значение в условиях барокамеры имеет влажность газовой среды. Высокая относительная влажность является не только причиной неприятных субъективных ощущений водолазов. Известно, что при относительной влажности среды более 70 % в условиях гипербарии происходит интенсивное размножение грибковой флоры, которая может вызвать даже порчу оборудования и являться источником вредных микропримесей. Помимо этого, грибковая флора может вызывать специфические заболевания у находящихся в барокамере людей в связи со снижением их иммунно-биологической устойчивости.
Существенную роль в формировании микроклимата играет также и скорость движения газовой среды. Для барокамер длительного пребывания (ДП) она должна находиться в пределах 0,05–0,1 м/с, для камер кратковременного пребывания (КП) – 0,1–0,15 м/с [4]. При повышении скорости движения гипербарической среды влияние её на теплообмен усиливается. Это объясняется большим, чем в нормальных условиях, увеличением коэффициента теплопередачи конвекцией при увеличении подвижности среды. Таким образом, этот фактор микроклимата может весьма эффективно использоваться в гипербарической среде для обеспечения поддержания теплового комфорта человека.
В любых гермообъектах, каковым является и водолазная барокамера, основным источником загрязнений исходного газового состава дыхательной среды является человек, а также находящиеся в камере материалы и работающие аппараты [8]. За счет потребления человеком кислорода его содержание в замкнутой дыхательной среде снижается, при этом содержание двуокиси углерода повышается. Кроме того, человек выделяет из организма в окружающую среду через легкие, кожу, почки, кишечник небольшие количества эндогенных продуктов метаболизма (окись углерода, аммиак, метан, сероводород и другие примеси, а также водяные пары, запахи, тепло). В атмосфере обитаемых отсеков гермокамеры было обнаружено более 200 летучих вредных микропримесей [9]. В обычных условиях человек выдыхает порядка 600 летучих соединений [10]. Образующаяся специфическая для замкнутого объема дыхательная газовая среда и микроклимат должны управляться системой жизнеобеспечения и поддерживаться ею за счет восстановления в реальном времени всех изменяющихся и имеющих значение для организма параметров среды с учетом физиолого-гигиенических требований. Этим обеспечивается жизнедеятельность водолазов в период пребывания, особенно длительного, в условиях повышенного давления искусственной газовой среды. Поэтому в общей системе жизнеобеспечения водолазов в барокамере целесообразно выделить, как наиболее ответственные, следующие подсистемы: регенерации ДГС (подача кислорода для восполнения потребляемого, инертных газов и удаление двуокиси углерода), кондиционирования (поддержание параметров микроклимата: температуры, относительной влажности, скорости движения газовой среды) и очистки дыхательной среды от вредных микропримесей в отсеках барокамеры (рисунок). Эти системы работают непрерывно в течение всего срока (иногда до 4–5 недель) пребывания водолазов в барокамере, формируют и поддерживают под управлением систем автоматики дыхательную среду в отсеках камеры. В структуре этих систем, которые обычно располагаются снаружи барокамеры (но бывают и внутренние, и комбинированные системы), находятся и функционируют находящиеся в герметичных корпусах побудители расхода, осушители, теплообменные и химические аппараты с поглотительными реагентами для очистки среды от СО2 и вредных микропримесей. Весь этот комплекс аппаратов и устройств в составе общей СЖО обеспечивает создание, изменение и поддержание условий для пребывания и работы водолазов в барокамерах с сохранением здоровья, то есть он направлен на формирование адекватной условиям дыхательной газовой среды и микроклимата [11, 12].
Структурно-функциональная схема системы жизнеобеспечения с основными подсистемами формирования газовой среды и микроклимата в барокамере
Управление этим процессом осуществляется на основе измеряемых величин параметров микроклимата и газовой среды. С повышением давления в камере значение этих параметров повышается. В таких условиях управлять системами гипербарического объекта становится сложнее. Это особенно проявляется при переводе системы жизнеобеспечения с одного режима на другой, то есть в процессе повышения или понижения давления.
Мировой опыт эксплуатации водолазных комплексов и проведения медико-физиологических экспериментов в исследовательских барокамерах показал, что эффективность этих работ определяется не только оперативным управлением режимами работы основных технических средств водолазного объекта в соответствии с программой погружения или научного эксперимента, но и оперативной обработкой технической и медико-физиологической информации и отображением её на пульте оператора. Это реализуется с помощью современных систем компьютерной оперативной обработки данных, обеспечивающих наблюдение за параметрами среды в камере, подачу сигналов тревоги в случаях выхода величин этих параметров за допустимые пределы, ведение протокола пребывания в барокамере и выполнение других функций.
Очевидно, что управление гипербарической средой через систему жизнеобеспечения не должно ограничиваться поддержанием на заданном уровне параметров среды, при этом необходимо учитывать и состояние человека в барокамере. Поскольку организм человека является сенсорной системой, он может рассматриваться как элемент системы жизнеобеспечения самого человека. Выраженные реакции организма на измененные условия гипербарической среды являются сигналом к необходимости приведения этих условий к относительной норме. Поэтому высокие требования к контрольно-измерительной аппаратуре дополняются повышенными требованиями к физиологической и медицинской аппаратуре, обеспечивающей экспресс-информацию о функциональном состоянии организма водолазов в барокамере в газовой и водной среде (гидротанк берегового водолазного комплекса) для принятия мер воздействия на дыхательную среду со стороны системы жизнеобеспечения.
Поскольку все эти цели и задачи реализуются при непосредственном участии человека, находящегося в условиях повышенного давления в барокамере, он должен быть защищен от возможных опасных воздействий на организм при отклонении параметров гипербарической среды обитания от допустимых значений. Это определяет высокие требования к дыхательной среде и самой системе жизнеобеспечения, особенно при использовании наиболее эффективного метода длительного (многосуточного) пребывания водолазов под повышенным давлением в научных или производственных целях [13, 14].
Проблемы жизнеобеспечения человека в обитаемых гипербарических системах во многом схожи с проблемами в космических системах и обитаемых подводных аппаратах – контроль и поддержание заданного газового состава и физических параметров среды в замкнутом объеме, сохранение работоспособности и здоровья в измененной газовой среде и другие. При разработке и эксплуатации любых систем жизнеобеспечения за основу принимаются требования безопасности, включающие три главных компонента: обнаружение неполадок, возможность их срочного устранения и резервирование основных подсистем.
Заключение
Обеспечение жизнедеятельности водолазов в барокамерах осуществляется через систему жизнеобеспечения, предназначенную для создания, изменения и поддержания необходимых условий для пребывания водолазов в отсеках камеры с сохранением здоровья. Эти условия заключаются в формировании искусственной среды и поддержании её параметров на заданном уровне. Гипербарическая среда формируется на физиолого-гигиенических принципах с учетом действия факторов среды на организм. Главным параметром формирования дыхательной среды является оптимальное парциальное давление кислорода, которое в условиях гипербарии должно находиться в допустимых пределах, исключающих развитие гипоксии в организме и интоксикации кислородом. В любом случае формирование и поддержание параметров дыхательной среды на оптимальном уровне является основой для обеспечения жизнедеятельности.
Не менее важным для поддержания функциональных возможностей организма является и микроклимат в среде барокамеры. Он связан с изменением теплофизических свойств гипербарической газовой среды под влиянием изменения давления и газового состава. Наиболее характерным при повышении давления в барокамере является повышение комфортной температуры среды. Это особенно проявляется при дыхании смесями на основе гелия. В таких условиях зона температурного комфорта значительно сужается.
В замкнутом объеме барокамеры в результате жизнедеятельности человека в дыхательной газовой среде снижается РО2, повышается РСО2, среда загрязняется вредными микропримесями эндогенного и экзогенного происхождения. Все изменяющиеся параметры среды должны восстанавливаться в реальном времени системами регенерации, кондиционирования и очистки. Этим поддерживается относительно нормальная жизнедеятельность водолазов и безопасность в период пребывания, особенно многосуточного, в условиях повышенного давления искусственной газовой среды.
Работа выполнена в рамках государственного задания ФАНО России (тема № 0149-2018-0011).