С. А. Гозулов
Приземление космических аппаратов, отделяемых кабин или спасательных капсул в зависимости от скорости снижения, характера грунта, силы ветра, рельефа местности и других факторов может сопровождаться значительными по величине ударными перегрузками. Разработка средств, обеспечивающих в этом случае безопасность экипажа, требует всестороннего изучения физиологически допустимых для организма величин ударных перегрузок, а также изыскания способов повышения их переносимости.
С известными приближениями можно принять, что величина перегрузки в момент приземления определяется в основном скоростью снижения кабины и длиной пути, на котором происходит ее торможение. В естественных условиях посадки путь торможения зависит от плотности грунта, формы и веса кабины, а также упругих свойств конструкции, поглощающей часть ее кинетической энергии. Взаимодействие названных параметров определенным образом влияет на результирующую перегрузки: с увеличением скорости приземления возрастает величина перегрузки и, что особенно важно, пропорционально квадрату скорости возрастает кинетическая энергия, которую необходимо поглотить при торможении. Но поскольку в процессе торможения претерпевает изменение не только конструкция или опорная поверхность, а также и масса тела животного (или человека), величина начальной кинетической энергии оказывается весьма существенным фактором для оценки интенсивности ударного воздействия на организм.
При одной и той же скорости приземления на жесткий и мягкий грунт возникнут различные по величине и времени действия ударные перегрузки. Хотя условия в обоих случаях окажутся одинаковыми по кинетической энергии, характер нагрузки на ткани и органы тела будет неравнозначным. Приземление с большими пиками перегрузок вызовет существенное увеличение механических нагрузок на опорные ткани и костно-суставной аппарат.
Для различных условий приземления могут быть установлены пороговые значения динамических параметров, которые в определенном соотношении при данной скорости приземления оказывают или не оказывают выраженного механического действия на организм. Таким образом, опуская ряд деталей динамики действия ускорения на организм, можно утверждать, что скорость приземления является в известной степени показателем интенсивности воздействия ударных перегрузок.
Для оценки действия перегрузок на организм при скоростях приземления от 2,5 до 14,5 м/сек проводились исследования на животных (белые крысы, морские свинки, собаки). Условия приземления моделировались на ударном вертикальном стенде. Перегрузки во всех случаях действовали в направлении спина-грудь. Физиологические и патоморфологические изменения изучались при перегрузках от 50 до 1400 ед, для выявления скрытого действия перегрузок применялся метод кумулятивных воздействий (С. А. Гозулов, Н. П. Морозова, В. А. Эливанов, 1967). Критерием повреждающего действия перегрузок являлись очаговые кровоизлияния в легких или подкапсульные кровоизлияния в печени и других органах.
Первые наблюдения об устойчивости мелких животных к ударным перегрузкам выявили существенную зависимость функциональных и патоморфологических изменений от скорости приземления и величины действующей перегрузки (С. А. Гозулов, Г. П. Миролюбов, 1963; С. А. Гозулов, Г. П. Миролюбов и др., 1964; Г. П. Миролюбов, 1966). В частности, было отмечено, что с увеличением скорости приземления уменьшается перегрузка, которая вызывает аналогичные нарушения функций и повреждения внутренних органов. Кроме того, было установлено, что с увеличением веса животных устойчивость их к ударным перегрузкам снижается и что травматический эффект зависит также от скорости приземления и степени жесткости опоры (Г. П. Миролюбов и др., 1966). Дальнейший анализ показал, что в определенном диапазоне скоростей для каждой ее величины (намечается свой предел переносимых перегрузок, который обратно пропорционален величине скорости. Такая закономерность обнаруживается до определенной скорости приземления, ниже которой травматический эффект вообще не возникает независимо от величины действующей перегрузки. Более детальное изучение условий приземления со скоростью 7–10 м/сек позволило уточнить такую границу минимальной скорости: она оказалась для крыс равной 7,5–8 м/сек, для морских свинок – 6–6,5 м/сек. Выше этой скорости небольшое увеличение действующей перегрузки усугубляет травматический эффект.
Приземление животных с меньшей скоростью на грунт любой плотности с любой возможной величиной перегрузки, однократно действующей на организм, не сопровождается видимыми повреждениями внутренних органов. В наиболее ранимом органе – легких – встречаются лишь единичные точечные кровоизлияния, которые иногда наблюдаются и у контрольных животных. Таким образом, с уменьшением скорости приземления устойчивость животных к действующим перегрузкам повышается.
Однако указанные величины скорости приземления и возникающие при этом перегрузки нельзя считать абсолютно безвредными для организма, так как в периоде последействия наблюдается снижение устойчивости животных к различным функциональным нагрузкам. Если в этот период повторить несколько раз воздействие с той же или несколько меньшей интенсивностью, то вновь будут обнаружены повреждения внутренних органов, появится эффект кумуляции, который в большей степени зависит от общего количества повторных воздействий, чем от интервалов между ними.
Эффект кумуляции при больших интервалах между воздействиями свидетельствует о значительной продолжительности периода последействия, зависящего либо от глубины травматических нарушений, вызванных непосредственным влиянием механических факторов, либо от вторично возникающих реактивных изменений. Представляется наиболее вероятным, что снижение устойчивости связано с суммированием микротравматических эффектов (которые ослабляют резистентность тканей к повторному механическому воздействию) и с изменением функционального состояния организма, его реактивности в целом.
Величина интервала в периоде последействия практически несущественно сказывается на эффекте кумуляции. Для проявления кумуляции более важно отношение данной скорости приземления к ее критической величине. В зоне скоростей, близких к критическим (то есть вызывающим повреждения), кумулятивный эффект быстро нарастает.
Применение метода кумуляции для оценки устойчивости животных к ударным перегрузкам, с одной стороны, дало возможность определить длительность последействия, а с другой – зону минимальных скоростей, при которых кумулятивный эффект практически отсутствует при большом числе повторений.
При изучении кумулятивного действия ударных перегрузок приземления отмечено, что у животных при относительной целостности покровных тканей имеют место травмы внутренних органов. Это следовало учитывать при оценке безопасности условий приземления человека в кабине, особенно в случаях применения средств защиты костно-опорного аппарата и покровных тканей тела.
Полученный экспериментальный материал позволил установить, что существует ряд пороговых значений скорости и перегрузки, когда проявляются те или иные эффекты травматического воздействия механических сил на организм. Прежде всего, для каждого вида животных может быть определена минимальная величина перегрузки, при которой в момент приземления практически с любой скоростью не будут возникать травмы органов и тканей. С другой стороны, существует минимальная величина скорости, когда приземление с любой величиной перегрузки не вызывает травматического эффекта. Скорость не является действующим фактором, а лишь обозначает качественные границы, после которых перегрузка в пределах определенной продолжительности перестает оказывать повреждающее действие независимо от ее величины.
Анализируя зависимость реакций (повреждений) организма от скорости приземления и величины действующей перегрузки, удалось выделить четыре характерные зоны скоростей (рис. 1).
Первая зона – зона индифферентных скоростей – относится к малым интенсивностям воздействия, когда в организме не возникает каких-либо нарушений (например, скрытых микротравм). Приземление с такой скоростью не приводит к остаточным явлениям, связанным со специфическим действием перегрузки, и поэтому не сопровождается при повторных воздействиях эффектами кумуляции; период последействия в данном случае практически отсутствует. Верхняя граница индифферентных скоростей для белых крыс находится в пределах 4–4,5 м/сек.
Вторая зона – зона относительно индифферентных или субкритических скоростей, при которых однократное воздействие безопасно для организма независимо от величины возникающей перегрузки. Приземление с такой скоростью не приводит к выраженным повреждениям организма, но они существуют в виде более или менее скрытых функциональных и микроструктурных изменений, которые определяют период последействия. Если в этот период подвергнуть животных вторичным воздействиям с такой же или меньшей величиной перегрузки, то возникнут травмы, проявится эффект кумуляции. Верхняя граница этой зоны, названная критической скоростью, находится для белых крыс в пределах 7,5–8 м/сек.
Третья зона – зона эпикритических скоростей – лежит выше критической скорости. Приземление с такой скоростью безопасно лишь до определенной величины перегрузки. Причем с увеличением скорости приземления допустимая величина перегрузки быстро уменьшается, так как в этой зоне устойчивость организма зависит от величины действующей перегрузки. Верхние пределы безопасных скоростей этой зоны ограничиваются кривой переносимости.
Четвертая зона – зона выше пределов безопасных скоростей, когда приземление сопровождается тяжелыми и смертельными травмами.
Следует подчеркнуть, что границы для каждой зоны рассмотренных скоростей не одинаковы при различных условиях размещения и фиксации животного, направления действия перегрузки и зависят также от ряда других факторов. Критическую скорость нужно понимать как промежуточную область – полосу, разграничивающую опасные и безопасные для организма перегрузки приземления. Внутри этой полосы и особенно в эпикритической зоне резко возрастает значение внешних отягчающих факторов, индивидуальной устойчивости, вторичного действия вибраций и т. д.
Характеристики скоростей получены применительно к тотальному действию перегрузки, исключающей нанесение локальных ударов и травм.
Рис. 1. Четыре зоны скоростей приземления, зависящие от величины перегрузки и повторности ее воздействия на организм:
1 – индифферентные скорости;
2– относительно индифферентные или субкритические скорости;
3 – эпикритические скорости;
4 – зона повреждающих воздействий:
а – грайица кумулятивных эффектов;
б – граница критической скорости;
в – граница безопасной перегрузки
Однако последнее представляет не меньший интерес в связи с необходимостью защиты головы от ударных нагрузок. Как показывают результаты исследований на животных, существует аналогичная принципиальная зависимость силы травматического эффекта от скорости соударения головы с жесткой преградой. Здесь также могут быть определены те же качественные зоны скоростей, хотя их величины и широта диапазона для каждой зоны будут, естественно, иными.
В связи с оценкой скорости приземления как одной из основных характеристик условий безопасной посадки необходимо остановиться еще на двух вопросах: на взаимосвязи функциональных и морфологических изменений при действии на организм ударных перегрузок и на частоте возникновения легких и тяжелых повреждений внутренних органов в зависимости от скорости приземления.
При использовании средств защиты костного аппарата и покровных тканей тела от повреждений при локальных нагрузках максимально переносимая перегрузка повышается, первоначальные функциональные изменения в организме возникают, как правило, при меньших величинах скорости, чем патоморфологические. В то же время, выраженные нарушения функций нередко наблюдаются одновременно с травматическими изменениями в органах при близких значениях скорости и перегрузки. Анализируя зависимость реакций от условий приземления, можно прийти к выводу, что существует общая основа для проявления рефлекторных нарушений функции и механических микроповреждений органов, при которых может выявляться эффект кумуляции. Такой общей основой, по-видимому, являются ноцицептивные пороги механорецепторов различных областей и систем организма. Можно полагать, что для того, чтобы достигнуть того или иного эффекта от ударного воздействия, необходимо вызвать определенную интенсивность раздражения механорецепторов и оказать на них воздействие с силой, превышающей их адекватные пороги. При этом действующая сила должна преодолеть какую-то минимальную величину внутренней деформации тканей. В этом отношении допустимо различать минимальную деформацию раздражений, минимальную деформацию микротравмы тканей (травмы отдельных органов и т. д.), предельную или безопасную деформацию при тотальном действии перегрузки на все тело. Количественно описать эти степени деформации пока не представляется возможным, но, несомненно, они непосредственно связаны с величиной индифферентной и критической скорости приземления, а неоднородность механических свойств различных областей тела в какой-то мере определяет и гетерохронизм функциональных и структурных нарушений.
Более выраженные травматические изменения, обнаруживаемые при патоморфологическом исследовании, наблюдаются обычно в зоне эпикритической скорости приземления. В опытах на собаках было установлено, что приземление со скоростью 8 м/сек (в данных условиях воздействия перегрузок) сопровождается появлением легких травм внутренних органов, главным образом печени и легких, начиная с перегрузок порядка 100–115 ед, а тяжелых травм – с перегрузок 150–170 ед. С увеличением скорости приземления до 10 м/сек легкие травмы (точечные или небольшие очаговые подкапсульные кровоизлияния, надрывы капсулы и др.) возникают значительно раньше, а именно: при перегрузках порядка 70–80 ед, при перегрузках 90–100 ед переходят в тяжелые травмы. При скорости приземления 12,5 м/сек травмы внутренних органов наблюдаются при перегрузках 60–65 ед и практически сразу же оказываются тяжелыми (разрывы органов с внутренним кровотечением, долевые кровоизлияния в легкие и т. д.). Таким образом, с увеличением скорости приземления травматическое действие перегрузки значительно усиливается.
Аналогичная, хотя и менее четко выраженная, зависимость наблюдается и для нарушения сердечного ритма: первичная брадикардия, асистолия и нарушения атриовентрикулярной проводимости, которые свидетельствуют о появлении специфической реакции на ударное механическое воздействие. Так, при скорости приземления менее 6 м/сек специфические реакции на ударное воздействие вообще не возникали. С увеличением скорости от 7,5–10 м/сек до 11–13 м/сек нарушения ритма сердца появлялись при уменьшении величины перегрузки в 1,5–2 раза.
Различие в характере реакций на ударное воздействие внутри каждой зоны скоростей определяется главным образом величиной действующей перегрузки и скоростью ее нарастания. При этом перегрузки большей величины, но с меньшим временем действия в пределах данной скорости переносятся хуже. Поэтому, уменьшая перегрузку и увеличивая ее продолжительность, можно достигнуть большей безопасной скорости приземления, то есть расширить зону эпикритической скорости.
На этом принципе в общем случае основано применение защитных демпфирующих средств, которые, снижая пик перегрузки и скорость ее нарастания, позволяют обеспечить переносимость более интенсивных воздействий.
Похожие статьи:
Написать ответ
Вы должны войти чтобы комментировать.
