Кислородные приборы с периодической подачей кислорода

Бортовые кислородные приборы.

Основным и наиболее распространенным типом бортового кислородного прибора являются приборы с периодической подачей. В чистом виде принцип легочного автомата, т. е. подача по потребности во время фазы вдоха, применяется только до тех пор, пока «высота» в кабине не превышает 12 км и кислородная маска герметично прилегает к лицу. На больших высотах бортовой прибор с помощью дополнительных механизмов подает кислород непрерывно. Это повышает надежность питания кислородом и обеспечивает безопасность высотного полета.

Типовая принципиальная схема кислородного прибора типа легочного автомата приведена на рис. 2.12. Прибор действует следующим образом. Разрежение, возникающее в маске при вдохе, распространяется по шлангу в корпус прибора, эластичная мембрана 1 прогибается и нажимает на рычаг 2 легочного автомата. Рычаг 2 через звенья передачи открывает клапан 4, и кислород проходит к соплу инжектора 6 и одновременно к штуцеру индикатора. Струя кислорода, вытекающая из сопла 6, создает в корпусе инжектора разрежение и через обратный клапан 8 подсасывает наружный воздух, образуя кислородно-воздушную смесь. Состав смеси регулируется автоматически клапаном 9, связанным с пакетом анероидов 10. При увеличении высоты анероиды расширяются и уменьшают площадь проходного сечения для воздуха. На высоте около 9 км клапан 9 полностью закрывается, и в маску поступает чистый кислород. При желании летчик может прекратить подсос воздуха, повернув рукоятку 11. Это может понадобиться для десатурации или при появлении в кабине вредных примесей.

При выдохе давление в рабочей камере прибора увеличивается, мембрана 1 и рычаг 2 отклоняются влево, клапан 4 закрывается и подача кислорода прекращается до следующего вдоха.

Рис. 2.12. Принципиальная схема кислородного прибора – легочного автомата: 1 – мембрана; 2 – рычаг; 3, 5, 7, 15 – пружины; 4 – клапан; 6 – сопло инжектора; 8 – обратный клапан; 9 – клапан подсоса воздуха; 10 – пакет анероидов; 11 – ручной выключатель подсоса воздуха; 12 – диффузор инжектора; 13 – пакет анероидов механизма избыточного давления; 14 – колпачок; 16 – штуцер (сообщается с атмосферой)

Сопло инжектора имеет малое отверстие и может засориться. Для того чтобы не прекратилась подача кислорода, сопло выполняется в виде предохранительного клапана, закрываемого пружиной 5. Сопло срабатывает как клапан также и в тех случаях, когда потребный объем кислорода превышает пропускную способность сопла.

Чтобы уменьшить опасность кислородного голодания при негерметично надетой маске, прибор имеет дополнительный механизм, состоящий из анероидов 13, колпачка 14 и пружины 15. На высотах более 5 – 6 км анероиды расширяются и через колпачок 14 и пружину 15 начинают давить на мембрану. Если маска герметична и в ней на выдохе поддерживается подпор 0,35…0,40 кПа (35…40 мм вод. ст.), то сила внутреннего давления на мембрану превышает силу пружины 15, и во время фазы выдоха клапан 4 будет закрыт. Если же маска негерметична, то прибор обеспечит непрерывную подачу кислорода, как на фазе вдоха, так и на фазе выдоха, что видно по показаниям индикатора кислорода.

По описанной схеме выполняются бортовые кислородные приборы, предназначенные для полетов на высотах до 12 км.

Для получения необходимого парциального давления кислорода при полетах на больших высотах необходимо создать в легких избыточное давление кислорода.

Для обеспечения удовлетворительного снабжения кислородом организма человека кислородный прибор должен создавать под маской на высоте:

1) 6...12 км – избыточное давление 0,29...0,39 кПа для исключения подсоса воздуха под маску;

2) 13 км – избыточное давление 1,0... 1,2 кПа;

3) 14 км – избыточное давление 1,8... 2,1 кПа;

4) 15 км – избыточное давление 3,2... 3,4 кПа;

5) 16 км – давление 4,4... 4,8 кПа;

6) 17 км – давление 6,2... 6,6 кПа;

7) 18 км – давление 7,4... 7,8 кПа.

Рис. 2.12а. Схема индикатора кислорода: 1 – упругая мембрана; 2 – латунные диски; 3 – рычажная система; 4 – сегменты; 5 – шкала указателя с окнами; 6 – пружина

Кислородный указатель состоит из двух приборов, вмонтированных в один корпус: кислородного манометра и кислородного индикатора. Манометр (не показан на рис 2.12а) предназначен для замера давления кислорода, поступающего в кислородный прибор. Чувствительным элементом манометра является металлическая подковообразная (прямоугольная в поперечном сечении) трубка, которая по мере возрастания давления распрямляется на определенную величину и через передаточный механизм вращает ось, на которой посажена стрелка.

Индикатор кислорода предназначен для контроля подачи кислорода в маску. Схема индикатора кислорода представлена на рис. 2.12а. Механизм индикатора

состоит из двух скрепленных латунных дисков 2, между которыми зажата металлическая упругая мембрана 1. При возникновении потока кислорода через клапан легочного автомата давление по трубке передается мембране 1, которая под действием перепада давлений прогибается. Деформация мембраны 1 через рычажную систему 3 вызывает расхождение сегментов-шторок 4, которые при движении открывают окна на шкале 5 указателя. При вдохе сегменты 4 полностью расходятся. При выдохе под действием пружины 6 сегменты 4 сходятся и закрывают окна шкалы 5 указателя.

Кислородные маски

Наиболее простым способом защиты от гипоксии является подача обогащенной кислородом газовой смеси или чистого кислорода через кислородную маску (КМ). Кислородные маски служат для подвода кислорода (или кислородно-воздушной смеси) непосредственно к органам дыхания и изоляции их от окружающей атмосферы. Она представляет собой резиновый колпачок фигурной формы, плотно прилегающий к лицу человека. К маске по шлангу подводится кислород или обогащенный кислородом воздух. На высотах свыше 12 км необходимо дыхание чистым кислородом под избыточным давлением, по отношению к атмосферному давлению p_H.

По конструкции они разделяются на маски открытого и закрытого типа.

Кислородные маски открытого типа

Маски открытого типа, предназначены для пассажирских самолетов. Их главное преимущество – простота конструкции и удобство обращения с маской. На рис. 2.13 показана схема кислородной маски КМ-19 с дополнительной емкостью-мешком, применяемым в комплекте с кислородным прибором коллективного пользования КП-32 (для 20 человек) на пассажирских самолетах. Маска КМ-19 работает следующим образом.

Рис. 2.13. Кислородная маска КМ-19 с дополнительной емкостью: 1 – корпус маски; 2 – проволочная дужка; 3 – клапан выдоха; 4 – патрубок; 5 – дыхательный мешок; 6 – трубка; 7 – шланг подачи кислорода; 8 – тесьма крепления

Кислород подается непрерывным потоком по тонкому шлангу 7 и перфорированной трубке 6 в дыхательный (резиновый) мешок 5. Этот мешок широким патрубком 4 соединен с корпусом маски 1. При выдохе начальная порция воздуха, более богатая кислородом, наполняет мешок 5; остальной выдыхаемых воздух, насыщенный углекислотой, выпускается через два клапана выдоха 3. В момент вдоха человек сначала вдыхает все содержимое мешка с последующим дополнительным подводом кислорода из прибора. Таким образом, мешок уменьшает сопротивление вдоху и позволяет сократить расход кислорода. Для подгонки корпуса маски по переносице служит проволочная дужка 2, а дли крепления маски на голове – тесьма 8.

Кислородное оборудование пассажирского самолета обеспечивает подачу дыхательной смеси по следующей схеме:

- до 9 км – смесь О₂ и атмосферный воздух;

- на высотах 9…12 км – чистый О₂ с небольшим избыточным давлением;

- на высотах более 12 км – чистый О₂ с избыточным давлением, возрастающим с высотой полета.

Преимущества: удобны в эксплуатации, имеют малое сопротивление на вдохе, постоянный состав дыхательной смеси даже при неплотном прилегании маски.

Недостатки: большой непроизводительный расход кислорода.

На современных пассажирских самолетах возможно быстрое надевание маски, так как в случае падения давления в кабине маска автоматически выбрасывается из ячейки, расположенной под потолком кабины, и повисает на своем шланге перед лицом пассажира.

Кислородные маски закрытого типа

Кислородные маски закрытого типа в свою очередь подразделяются на маски без избыточного и с избыточным давлением.

КМ без избыточного давления (рис. 2.14) по конструкции просты: корпус маски с обтюратором 1, клапаны вдоха 2 и выдоха 4. Под маской поддерживается давление окружающей среды и поэтому в негерметичных кабинах они могут использоваться летчиками при полетах на высотах до 12 км и в аварийных условиях кратковременно – до 13,5 км.

Рис. 2.14. Схема устройства кислородной маски без избыточного давления: 1 – корпус маски с обтюратором; 2 – клапан вдоха; 3 – шланг; 4 – клапан выдоха

Принципиальная схема маски с избыточным давлением и общий вид показаны вместе с защитным шлемом на рис. 2.15.

Кислород поступает в маску во время вдоха через гофрированный шланг и клапан вдоха. Последний состоит из собственно резинового клапана тарельчатой формы и пластмассового седла.

Рис. 2.15. Схема устройства кислородной маски с избыточным давлением: 1 – жесткий каркас КМ; 2 – каска ЗШ; 3 – пневмокамера, обеспечивающая притягивание маски к лицу при создании в ней избыточного давления; 4 – замок крепления маски к ЗШ; 5 – трубка для подвода кислорода из-под маски в камеру 3; 6 – компенсированный клапан выдоха; 7 – трубка к источнику компенсирующего противодавления

Клапан выдоха предназначен для удаления выдыхаемой газовой смеси как при отсутствии, так и при наличии избыточного давления в маске. Для этого лепестковый клапан выдоха поджимается к своему седлу резиновым клапаном-мембраной 6, внутренняя полость которого трубочкой 7 соединяется с линией вдоха или с регулятором давления маски. Когда на высотах более 12 км в маску поступает кислород с избыточным давлением, то же давление действует изнутри клапана-мембраны 6, уравновешивает давление в маске, и клапан не может самопроизвольно открываться. Тем более он будет закрыт во время вдоха, когда в маске понижается давление.

При выдохе давление в маске повышается, клапан-мембрана 6 отходят от седла и выдыхаемая смесь через окна в корпусе клапана удаляется в атмосферу. Для более герметичного прилегания маски к лицу служит компенсатор натяга 3, закрепленный на шлемофоне. При создании избыточного давления в маске резиновые камеры компенсатора раздуваются и натягивают тесьму крепления маски 4.

Преимущества: автоматическое поддержание заданного процентного содержания кислорода в зависимости от высоты, экономичны, используются в качестве летного противогаза.

Недостатки: значительное сопротивление на вдохе, сложность эксплуатации.

Применение различных масок определяется как смесевым составом дыхательной смеси, так и давлением ее подачи: на высоте до 9 км дыхательная смесь без избыточного давления с увеличением содержания кислорода до 100%; на высотах 9…12 км подача кислорода под маску осуществляется под небольшим избыточным давлением для исключения подсоса окружающего воздуха; на высотах более 12 км подача кислорода должна осуществляться под возрастающем по высоте давлением.

Личное снаряжение летчика

Компенсирующий жилет

Рис. 2.15а. Схема компенсирующего жилета: 1 – КМ; 2 – дыхательно-компенсирующая камера; 3 – оболочка жилета

При избыточном давлении в легких свыше 3,3 кПа дыхание быстро расстраивается, резко падает работоспособность. Чтобы облегчить дыхание человека в этих условиях, достаточно применения компенсирующего жилета (КЖ), который создает механическое давление на грудную клетку и живот, равное давлению в легких.

КЖ изготавливается из малорастяжимой ткани и плотно подгоняется по фигуре летчика (рис. 2.15а). В области грудной клетки под жилет помещается соединенная с маской пневмокамера 2, давление в которой компенсирует давление внутри легких, помогая производить выдох.

Тем не менее, КЖ не обеспечивает равномерной компенсации давления по всему туловищу. Более того, в случае его использовании увеличивается отток крови в голову и конечности.

Личное снаряжение летчика, входящее в комплект высотного кислородного оборудования самолета, состоит из высотно-компенсирующего костюма, герметического шлема или защитного шлема с кислородной маской, вентилируемого костюма и парашютного кислородного прибора.

Высотно-компенсирующий костюм

Рис. 2.16. Схема высотно-компенсирующего устройства: а – с пневмотрубками; б – с пневмокамерами; 1 – оболочка комбинезона из малорастяжимой ткани; 2 – тесьма натяжного устройства; 3 – трубка (дутик) натяжного устройства; 4 – пневмокамера

При избыточном давлении дыхательной смеси, превышающем давление окружающей среды на 5,3 кПа, наступает расстройство не только дыхания, но и кровообращения: кровеносные сосуды конечностей не могут противостоять повышению давления крови и расширяются, что приводит к застойным явлениям в них, а также к ухудшению кровоснабжения головного мозга.

Компенсация избыточного давления крови в конечностях возможна с помощью высотно-компенсирующего костюма (ВКК).

Этот костюм изготавливается в виде плотно подгоняемого по фигуре летчика комбинезона (с перчатками и носками) из малорастяжимой ткани. Механическое давление на поверхности тела создается либо с помощью трубок натяжного устройства (рис. 2.16, а), либо с помощью пневмокамер (рис. 2.16, б).

Конструктивная схема натяжных устройств ВКК трубчатого типа показана на рис. 2.17. Силовая схема натяжного устройства представляет собой петлю в форме восьмерки, в малый круг которой вставлена трубчатая пневмокамера. При наполнении газом камера увеличивается в диаметре и через натяжные тесемки стягивает большой круг, т. е. обжимает тело.

Однако такая конструкция натяжных устройств не обеспечивает равномерного обжатия по периметру тела, особенно его вогнутых частей

Рис. 2.17. Схема элемента натяжного устройства высотно-компенсирующего костюма: 1 – шнуровка для индивидуальной подгонки ВКК по фигуре летчика; 2 – оболочка комбинезона из малорастяжимой ткани; 3 – тесьма натяжного устройства; 4 - пневмокамера

Этого недостатка лишены натяжные устройства с пневмокамерами низкого давления (рис. 2.16, б). Общим недостатком костюмов с пневмокамерами, закрывающими туловище полностью или большую его часть, является то, что они могут применяться только при наличии эффективной системы вентиляции пододёжного пространства.

ВКК с натяжным устройством (рис. 2.18, а) имеют минимальную поверхность, покрытую пневмокамерами, что повышает гигиеничность и улучшает естественную вентиляцию этого костюма, но снижает эффективность компенсации давления, особенно в области подмышечных впадин и паха. Кроме того, натяжение комбинезона в области грудной клетки существенно затрудняет дыхание, так как препятствует подвижности ребер. Для устранения указанных недостатков применяют ВКК комбинированного типа (см. рис. 2.18, б), в которых натяжное устройство сочетается с дыхательно-компенсирующей камерой, выполненной по всему периметру тела. Необходимость вентиляции этого участка тела ограничивает зону размещения.

Наибольшее распространение получили ВКК с натяжными устройствами, в которых для улучшения компенсации давления в области живота применяется плоская камера, соединенная с системой дыхания, так называемый брюшной компенсатор, установленный под оболочкой костюма.

Масса ВКК составляет 2,8...3,4 кг.

ВКК должны удовлетворять следующим основным требованиям:

- оказывать на всю поверхность тела человека равномерное давление, равное давлению газа в легких;

- уменьшать нагрузку на дыхательную мускулатуру;

- не стеснять движений летчика;

- быть газопроницаемыми;

- надеваться и сниматься без посторонней помощи; быстро приводиться в состояние готовности.

Герметический шлем

Рис. 2.18. Типовые конструктивные схемы высотно-компенсирующего костюма: а – ВКК с механической компенсацией; б – ВКК с пневмомеханической компенсацией; 1 – комбинезон; 2 – шнуровка; 3 – натяжные камеры; 4 – дыхательно-компенсирующая камера

В случае применения ВКК с КМ при избыточном давлении дыхательной смеси по сравнению с окружающей средой более 10 кПа происходит расстройство зрения и слуха. Создать внешнее механическое противодавление на глаза и уши невозможно, поэтому для обеспечения продолжительного дыхания под избыточным давлением более 10 кПа вместо КМ применяется герметический шлем (ГШ) (рис. 2.19.). ВКК с ГШ позволяет довести избыточное давление в легких до 19,3 кПа (и более), т. е. обеспечить условия дыхания практически на любой высоте.

Рис. 2.19. Схема устройства гермошлема высотно-компенсирующего снаряжения: 1 – каска; 2 – шейный герметизирующий клапан; 3 – оболочка комбинезона ВКК; 4 – трубка к источнику компенсирующего противодавления; 5 – компенсированный клапан выдоха; 6 – шланг подачи кислорода на дыхание; 7 – клапан вдоха; 8 – смотровое остекление

Время пребывания в компенсирующем снаряжении на высотах более 12 км ограничено в силу особенностей механической компенсации. Поэтому высотно-компенсирующее снаряжение может рассматриваться лишь как аварийное средство, позволяющее в случае разгерметизации кабины быстро снизиться на безопасную высоту.

Применение ВКК с ГШ целесообразно на самолетах, летающих на высотах более 20 км, либо при невозможности аварийного снижения на высоту 12 км в течение нескольких минут.

ГШ безмасочного типа выполняет все функции КМ. Кроме того, он полностью изолирует голову от наружной атмосферы, защищает ее от ударов, а лицо от скоростного напора воздуха при катапультировании.

Органическое стекло смотрового щитка склеено из двух слоев, между которыми помещены нагревательные элементы из проволоки. Электрообогрев предохраняет смотровое стекло от запотевания и обмерзания.

При создании в ГШ избыточного давления газа на шлем действует сила, направленная вверх. Для восприятия вертикальных усилий шлема, возникающих от избыточного давления в его полости, служит система подтяга шлема к высотно-компенсирующему костюму.

ВКК используется и в качестве средства, защищающего летчика от действия перегрузок. В костюме смонтировано противоперегрузочное устройство (ППУ), обтягивающие брюшную зону и область ног, уменьшающие отток крови в нижнюю часть тела, что приводит к улучшению кровообращения головного мозга, повышая работоспособность летчика. Давление воздуха в камерах ППУ зависит от величины перегрузок. Чем больше перегрузка, тем больше давление воздуха в камерах ППУ. Применение в комплекте ВКК противоперегрузочного устройства с автоматом давления обеспечивает переносимость перегрузок до 10 единиц.

Рис. 2.20. Схема защитного шлемофона 1 – КМ; 2 – светофильтр; 3 – каска; 4 – амортизирующий вкладыш; 5 – «противошумы» с телефоном; 6 – ларингофон

Защитный шлем с кислородной маской и шлемофоном

В том диапазоне высот, где достаточно применения КМ и нет необходимости в ГШ, функции защиты головы летчика от ударов и лица от встречного напора воздуха при катапультировании выполняет защитный шлем (ЗШ), всегда используемый в комплекте с КМ (см. рис. 2.20).

Защитный шлем в комплекте с шлемофоном и кислородной маской являются составной частью снаряжения летного состава и предназначены для защиты:

- головы и лица летчика от повреждений при ударах о внутренние части кабины самолета в полете и при посадке;

- головы и лица летчика от солнечной радиации и ослепляющего действия солнечных и прожекторных лучей;

- лица летчика от воздействия воздушного потока при катапультировании.

ЗШ должен быть достаточно легким, не мешать поворотам головы, не ограничивать обзор и не вызывать болевых ощущений при длительном ношении.

Ударные нагрузки воспринимаются каской и амортизирующими вкладышами ЗШ.

Амортизирующие вкладыши и «противошумы» с телефонами ЗШ обеспечивают изоляцию от шумов.

Светофильтр предназначен для защиты глаз от ослепляющего действия лучей, изготовляется из окрашенного органического стекла, и выполняется обычно сдвижным, чтобы не затруднять обзор в условиях низкой освещенности. Светофильтр опускается также перед катапультированием для защиты лица от скоростного потока.

Современные ЗШ имеют массу около 2 кг.