Исследование и разработка противоперегрузочного костюма (ППК) нового поколения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.26.02, кандидат технических наук Аверьянов, Андрей Анатольевич

• Аверьянов, Андрей Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Аверьянов, Андрей Анатольевич

ВВЕДЕНИЕ.

1.СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ И РАЗРАБОТОК ППК.

1.1. Краткая история создания первых ППК.

1.2. Анализ существующих ППК.

1.3. Зарубежные ППК.

1.4. Анализ патентной литературы последних десятилетий по ППК.

1.5. Анализ существующих методик расчета параметров ППК.

Выводы по главе 1.

2. КОНСТРУКЦИЯ ППК НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ.

2.1. Назначение, область применения и требования к ППК нового поколения

2.2. Конструкция ППК-6.

2.3. Материалы для силовой оболочки ППК.

2.4. Материалы для камеры ППК.

2.5. Технология соединения тканепленочных материалов для камеры ППК.

2.6. Оценка технологичности ППК - 6.

2.7. Работа ППК-6.

Выводы по главе 2.

3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ И МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ППК В РАБОЧЕМ СОСТОЯНИИ.

3.1. Исследуемые параметры ППК.

3.2. Модель геометрической формы поперечного сечения тела человека

3.3. Основные допущения, принимаемые для расчета формы поперечного сечения надутой камеры.

3.4. Модель геометрической формы поперечного сечения ножной секции надутой камеры (бедра или голени).

3.5. Модель геометрической формы поперечного сечения брюшной секции надутой камеры.

3.6. Модель геометрической формы продольного сечения надутой камеры.

3.7. Математическая модель и методика расчета погонных сил, возникающих в материале ППК после наддува камеры воздухом. Выводы по главе 3.

4. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ППК-6.

4.1. Краткая характеристика алгоритма расчета.

4.2 Учет деформации ткани силовой оболочки.

4.3. Брюшная секция.

4.4 Бедренная секция.

4.5. Голенная секция.

4.6. Оценка коэффициентов запаса прочности материала силовой оболочки и швов ПГЖ-6.

Выводы по главе 4.

5. Экспериментальное исследование ППК-6.

5.1. Экспериментальная техника и методика проведения экспериментов.

5.2. Результаты экспериментального исследования геометрических параметров ППК-6 и их анализ.

5.3. Результаты экспериментального исследования давления на тело и их анализ.

5.4. Результаты экспериментального исследования напряжений (погонных сил) в силовой оболочке и их анализ.

5.5. Испытания ППК-6.

Выводы по главе 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка противоперегрузочного костюма (ППК) нового поколения»

Актуальность проблемы. Скорость и маневренность современных летательных аппаратов, особенно военных самолетов, с каждым годом возрастает. Возникающие при маневрах перегрузки достигают 10-12 единиц и оказывают отрицательное влияние на организм летчика. Защита летчика от положительных перегрузок (в направлении «голова - таз») осуществляется с помощью противоперегрузочного костюма, снабженного герметичной воздушной камерой, вложенной в чехол, пришитый к костюму в области живота, бедер и голеней. Камера через антигравитационный клапан подсоединяется к системе воздухоснабжения самолета. При увеличении перегрузок до 1,5.2 единиц камера автоматически наполняется воздухом под избыточным давлением, пропорциональным перегрузке, обеспечивая обжатие нижних частей тела. Это уменьшает отток крови от верхних частей тела к нижним, исключает смещение вниз органов верхних частей тела, увеличивая тем самым естественную переносимость перегрузок человеком.

В настоящее время для полетов на высотах до 20км в отечественной авиации применяются разработанные на предприятии «Звезда» хорошо зарекомендовавшие себя костюмы ППК-1У, ППК-З с плоскими, или накладными, камерами, а также противоперегрузочные устройства (ППУ) в составе высотных компенсирующих костюмов (ВКК) типа ВКК-15. Указанные костюмы обеспечивают переносимость перегрузок летчиком до 9-11 единиц.

Однако конструкции существующих костюмов имеют и серьезные недостатки. У ППК-1У и ППК-З отсутствует внешнее давление в области коленных суставов и ягодиц, что приводит к болезненным ощущениям и жалобам со стороны летчиков. Костюмы ВКК не имеют вырезов в нижней части, однако плотная подгонка на указанных участках в них также не предусмотрена. В данных костюмах в области живота и ног имеются две камеры - ППУ и натяжного устройства (НУ) высотно-компенсирующей системы. Наличие двух камер усложняет и утяжеляет костюм. Кроме того, большая часть полетных заданий выполняется на небольших высотах, до 12км, где применение ВКК необязательно, поэтому верхняя часть костюма является только помехой для движений летчика. Однако отдельное ношение нижней части этого костюма, т. е. брюк, невозможно.

В настоящее время отсутствуют также расчетные методики, которые позволяли бы обоснованно выбирать конструктивные параметры ППК еще на стадии проектирования. Указанные и другие недостатки существующих ППК во многом ограничивают возможность более полного использования технических возможностей современных самолетов. Поэтому создание ППК нового поколения с лучшими эксплуатационными характеристиками является актуальной задачей.

Целью настоящей диссертационной работы является разработка полнопрофильного ППК из современных высокопрочных огнестойких и высокогигиеничных материалов, способного обеспечивать обжатие костюмом не менее 90 % поверхности нижней части тела, работать как отдельно в противоперегрузочном режиме, так и в комбинации с высотным компенсирующим жилетом на высотах более 12 км в режиме высотной компенсации, а также создание экспериментально подтвержденной расчетной методики, позволяющей обосновать конструктивные, технологические, эксплуатационные параметры данного ППК, а также костюмов аналогичного принципа действия.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. С учетом современного состояния исследований и разработок, предложить новое конструктивное решение, удовлетворяющее современным требованиям, предъявляемым к индивидуальному снаряжению летчика военной авиации, в котором были бы устранены основные недостатки, имеющиеся в существующих ППК.

2. С учетом требований к конструкции ППК выбрать материалы для его силовой оболочки и герметичной камеры, а таюке прогрессивную технологию сборки камеры.

3. Разработать методику расчета характеристик ППК в рабочем состоянии и на основании расчетов выявить значения основных внешних параметров, определяющих эффективность и прочность ППК.

4. Произвести экспериментальные исследования параметров ППК на экспериментальных образцах, сравнить их с результатами расчетов и при необходимости скорректировать расчетную методику.

5. С учетом результатов проведенных исследований окончательно выбрать конструктивные, технологические и эксплуатационные параметры ППК, изготовить опытный образец и произвести его испытания.

Научная новизна.

1. Создана новая теоретически и экспериментально обоснованная конструкция полнопрофильного ППК с плоской камерой, удовлетворяющая цели настоящей работы: обжатие костюмом не менее 90 % поверхности нижней части тела, что даст возможность повысить переносимость перегрузок летчиком на 2,5.3 единицы, способность работать как отдельно в противоперегрузочном режиме, так и в комбинации с компенсирующим жилетом на высотах более 12 км (до 20 км) в режиме высотной компенсации.

2. Разработаны математическая модель, методика и программа расчета параметров ППК с плоской камерой в рабочем состоянии, позволяющие рассчитать геометрическую форму, размеры надутой камеры, форму и площадь поверхности тела, обжатую костюмом, распределение давления на тело, а также напряжения, возникающие в его силовой оболочке.

3. Теоретически и экспериментально установлен характер влияния конструктивных (ширина камеры, слабина ткани) и эксплуатационных (давление в камере) параметров на противоперегрузочные характеристики ППК (степень компенсации, распределение давления на тело, размеры некомпенсированных участков) и напряжения в материале.

4. Показано, что необходимый для обеспечения высокого противоперегрузочного эффекта положительный градиент давления на тело, направленный сверху вниз, можно обеспечить в ППК данного типа благодаря увеличению кривизны поперечного сечения тела и некоторому расчетно обоснованному уменьшению относительной ширины камеры от живота к голени.

Практическая значимость

1. Разработан и изготовлен опытный образец ППК нового поколения -ППК-6, проведены физиологические испытания, подтвердившие его более высокие противоперегрузочные характеристики по сравнению с существующими костюмами типа ВКК-15.

2. Созданные в работе методики расчета и экспериментального исследования ППК-6, алгоритм и программа расчета могут быть использованы при проектировании и расчете других ППК аналогичного типа.

3. Результаты работы использованы в учебном процессе - курсовом и дипломном проектировании студентов специальности 190600 в Московском авиационном институте.

Автор выносит на защиту

1. Конструкцию ППК нового поколения в виде полнопрофильных брюк, способного обеспечивать обжатие не менее 90% площади поверхности нижней части тела, способного работать как в противоперегрузочном режиме, так и в комбинации с компенсирующим жилетом в режиме высотной компенсации на высотах 12. 20км.

2. Математическую модель и методику, позволяющие рассчитать геометрические параметры, давление на тело и напряжения в силовой оболочке ППК с плоской камерой в зависимости от деформационных характеристик силовой оболочки, формы камеры, давления газа в ней, слабины ткани и антропометрических параметров летчика.

3. Методики экспериментального исследования геометрических параметров и напряжений в силовой оболочке ППК.

Заключение диссертации по теме «Безопасность в чрезвычайных ситуациях (по отраслям наук)», Аверьянов, Андрей Анатольевич

Выводы по работе

1. Разработана конструкция ППК с плоской камерой (ППК-6) с использованием в качестве материала силовой оболочки современной параарамидной ткани армалон, отличающаяся от существующих костюмов аналогичного вида возможностью работы не только как противоперегрузочного, но и как высотно-компенсирующего устройства совместно с компенсирующим жилетом, а также обеспечивающая обжатие ягодичной и подколенной областей тела летчика благодаря выполнению костюма в виде полноразмерных брюк и плотной подгонки в указанных областях.

2. Изготовление камеры ППК-6 из полиуретановой пленки вместо прорезиненной ткани позволяет заменить используемую в настоящее время дорогостоящую и вредную для здоровья работающих клеевую технологию сборки камеры на сварную посредством высокочастотной сварки при одновременном снижении себестоимости в 2-3 раза.

3. Разработаны математическая модель, методика, алгоритм, программа расчета геометрических, силовых параметров, степени компенсации ППК с плоской камерой и на основании расчетов для ППК-6 показано, что:

- основными внешними параметрами, определяющими эксплуатационные характеристики костюма, являются степень деформации ткани силовой оболочки, ширина камеры и исходная слабина ткани;

- при применении ткани армалон, ширине камеры, изменяющейся по высоте человека в пределах 33-50% от периметра контура тела и слабине ткани около 2,5см в целом по костюму обеспечивается опорная степень компенсации 92.93%;

- прочность костюма определяется действием максимальных растягивающих напряжений в поперечном направлении в верхних участках и боковых перемычках секций камеры; минимальный запас прочности приходится на боковой запошивочный шов костюма в области живота и при максимальном избыточном давлении в камере 90 кПа составляет 1,21;

- благодаря увеличению кривизны поперечного контура тела и расчетно-обоснованному уменьшению относительной ширины камеры сверху вниз максимальное давление на тело обеспечивается в области голеней, а минимальное - в области живота, что способствует выжиманию крови и межклеточной жидкости снизу вверх, способствуя повышению переносимости перегрузок летчиком.

4. Разработаны методики экспериментального исследования геометрических параметров и напряжений (погонных сил) в силовой оболочке ППК с плоской камерой.

5. Результаты экспериментального исследования геометрических параметров и давления на тело, проведенные в работе, соответствуют расчетным данным в пределах погрешности 3. .5%. Более низкие по сравнению с расчетными (на 7.20%) значения экспериментальных значений погонных сил в силовой оболочке, полученных с использованием диаграммы одноосных испытаний, наиболее вероятно вызвано двухосным характером нагружения материала в реальных условиях.

6. Испытания опытных образцов ППК-6 на людях с моделированием перегрузки с помощью высокорасходного автомата давления АДР-35 до 9 единиц при различных скоростях ее возрастания показали более высокие защитные и эксплуатационные характеристики ППК-6 по сравнению с серийным костюмом ВКК-15 (меньшее на 0,2.0,4 с время повышения давления в камере; отсутствие болевого порога), что позволяет прогнозировать возможность повышения переносимости перегрузок летчиком при использовании ППК-6 на 2,5. .3 единицы. эксплуатационные характеристики данного костюма по сравнению с серийным костюмом ВКК-15, что позволяет прогнозировать возможность повышения переносимости перегрузок летчиком при использовании ППК-6 на 2,5.3 единицы. 4

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Аверьянов, Андрей Анатольевич, 2005 год

1. Уманский С.П. Барьер выносливости летчика. М.: Машиностроение, 1964.- 172с.

2. Defense research and development Canada About DRDC. http://www.drdc-rddc.gs.ca/publications/publicationsl. asp (05/05/2004)

3. Современные средства аварийного покидания самолета / С.М. Алексеев, Я.В. Балкинд, A.M. Гершкович, B.C. Еремин, А.С. Повицкий, H.J1. Уманский. -М.: Оборонизд, 1961.-452 с.

4. Акопов М.Г. Расчет и проектирование систем индивидуального жизнеобеспечения. М.: МАИ, 1979. - 76 с.

5. Уманский С.П. Снаряжение летчика и космонавта. М.: Воениздат, 1967.- 192 с.

6. Алексеев С.М., Уманский С.П. Высотные и космические скафандры. -М.: Машиностроения, 1973. 380 с.

7. Акопов М.Г., Дудник М.Н. Расчет и проектирование авиационных систем индивидуального жизнеобеспечения. М.: Машиностроения, 1983. - 231 с.

8. Christopher Т. Carey. Supporting lite of 80000 feet: Evolution of the american high altitude pressure suit: http:// webs, lanset. com./aeolusaero/ Articles/ S Suits, htm (04.11.2003)

9. Противоперегрузочный костюм ППК-1У// Руководство по технической эксплуатации ППК-1У- 0709.000-00 РЭ. М.: Воениздат, 1989. - 62 с.

10. Противоперегрузочный костюм ПГЖ-З // Руководство по технической эксплуатации АП-9020 00 РЭ. - М.: Воениздат, 1985. - 40 с.

11. Высотный компенсирующий костюм ВКК 6М // Руководство по технической эксплуатации ВКК - 6М - 0719.000 - 00 РЭ. - М.: Воениздат, 1989. - 94 с.

12. Костюм высотный компенсирующий ВКК- 15К // Руководство по технической эксплуатации ОК 9004 - 00 РЭ. - М.: Воениздат, 1986. - 56 с.

13. Halbersfodt H., Halbersfodt M. Bone domes and jeans // US airrev flight / Wirginia, Windrow E. Geene. 1995.

14. Beaufort defence and aerospace division. Anti-g trousers// www. Survitecgroup. Com (15.11.2003).

15. Pressure carment. Pat №5033630 US/ B64D - 10/00/ J.W. Besurick, E.A. Dubois. - №424994, filed 23.10.89.

16. Fliegerhose. Pat. №4012594 DE. В 64D - 10/00/T. Becker, K. Miiller. -№1610625, 20.04.90. Publ. 08.08.91

17. Advanced tecnology anti-g suit. Pat. №5537686 US. B64D 10/00/Jr. R.W. Krufz, G.L. Ripley, R.E. Simpson, R.C. Hill, T.W.Jravis, T.R. Morgan, J.W. Burns. -№273440, field 05.07.94.

18. Schutzanzug. Pat. №4425284 DE. B64D - 10/00/ H. Gense. - №3941684,. 16.07.94. Publ. 07.09.95.

19. Suit for the support body in respect to acceleration forces. Pat №5027437 US. В 64D 10/00 A41D 13/00/ H. Reddemann, R.C. Huttenbach. - №8815233, olait. 27.06.88. Filed 04.05.89, № 347744.

20. Anfropomorphic tank suit. Pat. №5127896 US B64D 10/00/ A.N. de Gasfon. - 402359, field 05.09.89.

21. Device for exerting an external pressure on a human body. Pat. №9525038 WO. B64D 10/00/, A62B 17/00//B6G6/00/ S.J. Savage. - №9400897 - 6, prior. 17.03.94. Publ. 21.09.95.

22. Способ защиты человека от перегрузки. А.С. 1808340 СССР. МКИ А 62 В7/14, B64D 10/00/ Е.П. Тихомиров, Л.И. Леткова. - №4888441/23, заявл 04.12.90. Опубл. 15.04.93. Бюл. №14.

23. Способ компенсирующего обжатия нижних конечностей в противоперегрузочных устройствах. Пат. №828603 Рфю МКИ В 64D 10/00/ В.М. Константинов, В.М. Молодцов., Е.И. Сорокина. - №2865291/23, заявл. 07.01.80. Опубл. 09.06.95. Бюл. №16.

24. Гузий А. Т, Коротков С.М., Болохов А.Н., Васильев C.B. Противоперегрузочное устройство для члена экипажа летательного аппарата. Пат. РФ №2046064, кл 6 В 64 D 10/00, заявл. 20.03.98, опубл. 20.10.95. Бюл. №29.

25. Farrell P.S.E. Goldenberg A.A., Meidan D. Antigravitation kostum mvt dem Druckregulator. Европ. Пат. №646523, МКИ 6B64D 10/00, заявл. 04.10.94., опубл. 05.04.95.

26. Аверьянов A.A., Зотов В.А., Тазетдинов Р.Г. Способ определения формы герметичной камеры защитной одежды. Пат. РФ № 2219106, 64 D 10/00, А 62 В 17/00, А 62 D 5/00, заявл. 07.10.2002, опубл. 20.12.2003. Бюл. №35.

27. Средства спасения экипажа самолета / С.М. Алексеев, Я.В. Балкинд, A.M. Гершкович, B.C. Еремин, A.C. Повицкий, H.JI. Уманский. М.: Машиностроение, 1975. - 432 с.

28. Шапошников А.И. Исследование основных конструктивных схем высотного кислородного прибора с повышенным давлением и компенсирующей одежды, 1955 г., дисс. к. т. н. , 308с. ил. НИИ Авиац. медиц. МО СССР.

29. Алексеев С.А. К теории мягких оболочек вращения // Расчет пространственных конструкций М.: Госстройиздат, 1955, Вып.з, с 309 - 322.

30. Балабух Л.И., Усюкин В.И. Приближенная теория мягких оболочек вращения // Теория оболочек и пластин; Тр. VII Всесоюзн. Конф. по теории обол, и пластин. М.: Наука, 1973. - с 230 - 235.

31. Пневматические строительные конструкции / В.В. Ермолов, У.У. Бэрд, Э. Бубнер и др. Под ред. В.В. Ермолова. М.: Машиностроение, 1983. - 439 с.

32. Алексеев С.А. Основы теории мягких осесимметричных оболочек // Расчет пространственных конструкций. -М.: Стройиздат, 1965, вып 10, с. 5-38.

33. Алексеев С.А. Основы общей теории мягких оболочек // Расчет пространственных конструкций. -М.: Стройиздат, 1966, Вып.11, с.31-52.

34. Усюкин В.Н. Расчет мембранных оболочек при малом параметре нагрузки методом прогонки // Труды VII всесоюзн. Конфер. По теории оболочек и пластинок. М.: Наука, 1969, с 582-587.

35. Ридель В.В., Тулий Б.В. Динамика мягких оболочек. М.: Наука, 1980 -с 205.

36. Тимошенко С.П., Войновский Кригер С. Пластинки и оболочки. - М.: Наука, 1966.-635 с.

37. Аверьянов A.A., Зотов В.А., Тазетдинов Р.Г. Математическая модель расчета напряжений и давлений на тело человека в тканевых чехлах наддутых газом камер высотной компенсирующей (ВКО) и противоперегрузочной (ППО) одежды летчика// Там же, с. 102.

38. Аверьянов A.A., Зотов В.А., Малоземов В.В., Тазетдинов Р.Г., Тибрин Г.С. Расчет параметров компенсирующего жилета ЖК бТам же, с. 1116.

39. Малоземов В.В., Морозов В.В. Экология аэрокосмических систем.: Учеб. Пособие. М. МАИ, 2002. - 95 с.

40. Системы жизнеобеспечения экипажей летательных аппаратов: Учебник для втузов/ В.В. Малоземов, В.Ф. Рожнов, В.Н. Правецкий. М.: Машиностроение, 1986. - 583 с.

41. Малоземов В.В., Кудрявцева Н.С. Автоматическое регулирование систем обеспечения теплового режима. Учеб. Пособие. М.: МАИ, 1951 - 50 с.

42. Аверьянов A.A., Зотов В.А., Артемова Н. Б., Волчкова С.А., Беспалов Е.С., Леонова Е.И. Высотно компенсирующий комплект. Пат. РФ № 2258547, CI, А 62 В 17/00, В 64 Д 10/00, заявл.20.04.04, опубл. 20.08.05. Бюл. № 23.

43. Роговин З.А. Основы химии и технологиии производства химических волокон, т.1. М.: Химия, 1965. - с. 644.

44. Свойства и особенности переработки химических волокон./Под ред А.Б. Пакшвера. М.: Химия, 1975. - с. 469.

45. Перепелкин К.Е. Волокна и волокнистые материалы с экспериментальными свойствами.// Химические волокна. 1991, №4. - с. 27-32.

46. Проспект ООО «Родиа Рус»: Кермель /www.kermel.com/(10.10.03).

47. Beaufort defence and aerospace division. Eurofighter AEA// www. survifecgroup.com (15.11.2002).

48. Carrington performance fabrics limited / Certificates of Conformity and/or test reports are avialable on reque issul: 2. Date. 18/12.2001 (16.12.2003).

49. Феденюк В.Г. Методы клеевого соединения деталей швейных изделий. -М. Гос. Н-т. издат. лит. по легкой пром. 1959. с. 153.

50. Сварка в машиностроении, т.2: Справочник/ Под ред. А.И. Акулова.-М.: Машиностроение, 1978 462 с.

51. Выбор и подготовка защитного снаряжения. Обучение дыханию под избыточным давлением/ М. В. Дворников, A.A. Меденков, В.К. Степанов.-М.: Полет, 2001 160 с.

52. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов.-М.: Наука, 1979 976 с.

53. Тазетдинов Р.Г. Равновесие элемента тонкостенной оболочки вращения с криволинейной осью //Электронный журнал «Труды МАИ», вып. 16.-http: //www.mai.ru (28.07.2004)

54. Тазетдинов Р.Г., Аверьянов A.A., Зотов В.А./ Математическая модель расчета напряжений и давления на тело летчика в противоперегрузочном костюме (ППК) или высотно-компенсирующим костюме (ВКК) с накладными камерами. Там же.

55. Демидович Б.П., Марон И.А. Основы вычислительной математики.-М.: Наука, 1970.-664 с.

56. Зайдель А.И. Погрешности измерения физических величин.-JI.: Наука, 1985,- 112 с.

57. Маркин Н.С. Основы теории обработки результатов измерений.-М.: Изд-во стандартов, 1991. 476 с.

58. Тензодатчики для экспериментальных исследований.-М.: Машиностроение, 1972. 152 с.