13.1. Влияние воздушной среды на организм человека

Современные самолеты выполняют полеты на различных высотах. С увеличением высоты полета вследствие недостатка кислорода и понижения окружающего давления среды ухудшается работоспособность человека и снижается его реакция на внешние раздражители. Это объясняется тем, что с увеличением высоты изменяются основные параметры воздушной среды — барометрическое давление, температура, плотность и влажность. Воздействие изменений этих параметров по сравнению с их привычными для человека значениями на земле проявляется в виде кислородного голодания и декомпрессионных расстройств в его организме.

В процессе дыхания каждый цикл вдоха и выдоха обеспечивает вентиляцию легких. Однако обмен между находящимися в легких газами и поступающим при вдохе воздухом происходит не полностью. Оставшийся в легких воздух, получивший название альвеолярного, заполняет мельчайшие пузырьки легких (альвеолы) и определенное время не участвует в процессе обмена.

Обмен газами между кровью и альвеолами подчиняется законам диффузии. Согласно этим законам газ переходит в то пространство, где давление среды меньше. Насыщение крови кислородом зависит от парциального давления кислорода в альвеолярном воздухе.

Парциальное давление кислорода определяется давлением входящего в газовую смесь кислорода, которое он имел бы, если бы один занимал весь объем этой смеси при неизменной начальной температуре. Поскольку альвеолярный воздух всегда насыщен водяными парами, имеющими при нормальной температуре тела человека давление 6,3 кПа (47 мм рт. ст.), парциальное давление кислорода определяется из выражения.

Нетрудно заметить, что увеличение парциального давления достигается повышением его процентного содержания во вдыхаемой воздушной среде или увеличением давления окружающей среды, а также одновременным обогащением смеси кислородом и повышением давления этой среды.

На смотреть статью под номером 13.1 представлена зависимость изменения парциального давления кислорода в альвеолах от высоты полета при дыхании атмосферным воздухом и чистым кислородом без избыточного давления.

Физиологическими исследованиями установлено, что удовлетворительная работоспособность человека обеспечивается лишь в том случае, если насыщение артериальной крови кислородом составляет не менее 80% и парциальное давление кислорода в альвеолах легких не ниже 6,7 кПа (50 мм рт. ст.). Этим значениям давлений соответствует высота около 4500 м при дыхании атмосферным воздухом и высота 13 ООО . 13 500 м — при дыхании чистым кислородом без избыточного давления. При уменьшении парциального давления кислорода ниже указанного значения происходит нарушение физиологических процессов, снижение работоспособности и общее ухудшение самочувствия человека — возникает так называемая высотная болезнь. Причиной этих расстройств является кислородное голодание организма.

Анализ приведенных графиков позволяет сделать вывод о возможности разделения высот на три зоны в зависимости от способа защиты человека от кислородного голодания при полетах в пределах каждой из них.

Первая зона включает высоты от поверхности Земли до 4500 м. В этой зоне полет человека теоретически возможен в открытой кабине без использования кислородного оборудования. Однако уже на высоте более 2000 м вследствие кислородного голодания возникает ряд расстройств центральной нервной системы. В пер; вую очередь нарушается работа зрительного центра головного мозга. Это проявляется в искажении восприятия цвета и ослаблении ночного и глубинного зрения, т. е. способности воспринимать пространственную форму объектов. При длительных полетах на высоте более 3500 . 4000 м кислородное голодание вызывает ряд психофизиологических расстройств. Их причиной является нарушение баланса между реакциями возбуждения и торможения в центральной нервной системе. В связи с этим международные нормы требуют обязательного использования кислородной системы.

Этими международными нормами установлено, что при выполнении дневных полетов пассажирских самолетов на высотах более 4000 м один из пилотов должен быть в кислородной маске. При длительных ночных полетах следует пользоваться кислородными приборами с высот порядка 1500 . 2000 м. Требуется выбирать оптимальные траектории снижения, которые обеспечивают нормальное состояние пассажиров.

Вторая зона включает диапазон высот от 4500 до 13 500 м. Полет человека в этой зоне принципиально возможен в открытой кабине, но с обязательным применением кислородных приборов. При полетах до высоты порядка 8000 . 9000 м для дыхания можно использовать смесь кислорода с воздухом, а на больших высотах необходимо использовать чистый кислород. В этом случае предельной высотой полета является высота 13 000 . 13 500 м.

При полетах в третьей зоне, т. е. в диапазоне высот более 13 000. 13 500 м, экипаж необходимо размещать в герметической кабине. В ней должно быть создано такое давление среды, при котором парциальное давление кислорода в альвеолах легких было бы не меньше 6,3 кПа (47 мм рт. ст.). На высоте порядка 19 000 . 19 500 м, где атмосферное давление становится близким 6,3 кПа, человек погибает даже в среде чистого кислорода. Дальнейшее увеличение высоты полета возможно при создании в легких человека избыточного давления по отношению к давлению окружающей среды. Однако с точки зрения безопасности для организма человека создание избыточного давления в легких допустимо только при условии применения компенсирующих устройств, оказывающих на тело человека избыточное давление, равное избыточному давлению кислорода в легких.

При уменьшении давления воздушной среды, помимо кислородного голодания, возникает ряд расстройств в организме человека, называемых декомпрессионными заболеваниями. В открытой кабине на высотах более 8000 м или в герметической кабине, в которой режим давления среды соответствует этим высотам, возникают боли в суставах и окружающих их тканях. В авиационной медицине это явление носит название аэроэмболизма.

Причиной этого заболевания является переход растворенного в тканях азота в газообразное состояние. Количество азота, находящегося в тканях и крови человека, зависит от его парциального давления в легких. При давлении, соответствующем давлению на уровне моря, ткани и кровь оказываются полностью насыщенными атмосферным азотом. С уменьшением атмосферного давления парциальное давление азота в тканях становится выше, чем в легких, и ткани оказываются перенасыщенными растворенным азотом. Если скороподъемность самолета невелика, избыток азота может выделиться из организма через легкие, и расстройств в нем не возникает. При быстром же подъеме растворенный азот переходит в газообразный, и образующиеся газовые пузырьки оказывают механическое воздействие на нервные окончания и вызывают закупорку мелких кровеносных сосудов. Появляются боли в суставах и мышцах. Низкая температура и повышенная нервная и физическая нагрузки способствуют обострению болевых ощущений. При снижении до высоты порядка 6000 м мышечносуставные боли исчезают. Однако нередко остается ощущение усталости в течение нескольких часов. Для профилактики аэроэмболизма экипажу рекомендуется перед выполнением высотного полета в течение получаса дышать воздухом с повышенным содержанием кислорода. Это способствует процессу освобождения организма человека от азота.

Наряду с аэроэмболизмом при разгерметизации кабины и скафандра на высотах 19 ООО . 20 ООО м может возникнуть явление аэроэмфиземы вздутия подкожных тканей. Его причиной является образование газовых пузырей между мышцами и кожным покровом.

Известно, что жидкость закипает в тот момент, когда упругость ее пара превысит давление внешней среды. Поскольку температура плазмы крови и жидкостей в тканях и полостях организма близка к температуре +37° С, на высотах, превышающих 19 ООО м, в организме человека возникает процесс интенсивного испарения находящихся в нем жидкостей. Поры кожного покрова не в состоянии пропустить всю массу образовавшихся паров, и они, скопившись под кожей, оттягивают ее. Это вызывает расслаивание подкожной клетчатки и появление болевых ощущений. При снижении пары конденсируются и вновь поглощаются клетками ткани и кровью, а болевые ощущения исчезают. Последствия аэроэмфиземы могут вызвать необратимые последствия структуры желудка, плевры, кровеносных сосудов и сердца.

При внезапной разгерметизации кабины или скафандра, помимо опасности кислородного голодания, возникают болевые ощущения в замкнутых и полузамкнутых полостях организма, таких как кишечник, среднее ухо, лобные пазухи, легкие. Это явлейие получило наименование высотного метеоризма. Причиной его возникновения является резкий перепад между давлениями в этих органах и во внешней среде.

Для защиты экипажа и пассажиров от вредного воздействия атмосферы больших высот служебные и пассажирские кабины современных самолетов герметизируются, а в них поддерживаются необходимые для жизнеобеспечения параметры воздушной среды. На высотных самолетах эта проблема реализуется снаряжением экипажей скафандрами, высотными компенсирующими костюмами и системой кислородного бортового оборудования.

Повышенная и пониженная температура окружающей среды приводит к снижению работоспособности и нарушению комфорта и стойким нарушениям нормальной жизнедеятельности человеческого организма.

Понижение относительной влажности среды (менее 40%) вызывает появление сухости в носоглотке и слизистой оболочке глаз, а при ее повышении организм становится неспособным поддерживать нормальную температуру тела в условиях окружающей среды.

Для защиты людей от вредного воздействия атмосферы больших высот кабины экипажей и салоны высотных самолетов герметизируются. Необходимое избыточное давление и температура создаются с помощью системы наддува и кондиционирования воздушной среды.

Кроме того, в целях повышения безопасности выполняемых полетов и создания необходимого комфорта в кабинах всех самолетов, а также в пассажирских салонах некоторых самолетов гражданской авиации устанавливается необходимое кислородное оборудование с приборами коллективного пользования.

Защита экипажа скороподъемного самолета от кислородного голодания и болевых ощущений в случае разгерметизации кабины и при аварийном ее покидании обеспечивается применением индивидуального высотного снаряжения, в состав которого, помимо кислородного оборудования, входят высотные компенсирующие костюмы или скафандры.