Компенсирующие жилеты для экипажей высотных самолетов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.26.02, кандидат технических наук Зотов, Владимир Анатольевич

• Зотов, Владимир Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Зотов, Владимир Анатольевич

ВВЕДЕНИЕ.

1 .СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ И РАЗРАБОТОК ВКК

1.1. Неблагоприятные факторы высотного полета и средства защиты летчика 9 от них.

1.2. ВКК за рубежом.

1.3. Анализ отечественных ВКК.

1.4. Анализ патентной литературы последних десятилетий в области ВКК.

1.5. Анализ существующих методик расчета параметров ВКК.

Выводы по главе 1.

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ И РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ВКЖ.

2.1. Назначение, область применения и требования к ВКЖ.

2.2. Конструктивная схема ВКЖ.

2.3. Основные исследуемые параметры ВКЖ.

2.4. Модель геометрической формы поперечного сечения тела человека.

2.5. Модель геометрической формы и математическая модель для 35 определения параметров поперечного сечения жилета после заполнения газом камеры.

2.6. Модель геометрической формы и математическая модель для 48 определения параметров поперечного сечения жилета на участке проймы.

2.7. Модель геометрической формы продольного сечения камеры (чехла).

2.8. Математическая модель для определения напряжений (погонных сил), 53 возникающих в силовой оболочке ВКЖ после наддува камеры.

2.9. Расчет параметров ВКЖ и анализ результатов расчета.

Выводы по главе 2.

3. КОНСТРУКЦИЯ ВКЖ.

3.1 Новая модульная структура ВКК.

3.2. Устройство жилета повышенного давления ЖК-6.

3.3. Работа ЖК-6.

3.4. Устройство жилета единого давления ЖК-ЕД.

3.5. Работа ЖК-ЕД.

3.6. Материалы для ВКЖ.

Выводы по главе 3.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВКЖ.

4.1. Экспериментальная техника и методика проведения экспериментов.

4.2. Результаты экспериментального исследования геометрических параметров ВКЖ и их анализ.

4.3. Результаты экспериментального исследования распределения давления на тело и их анализ.

4.4 Результаты экспериментального исследования напряжений (погонных 119 сил) в силовой оболочке жилета ЖК-6 и их анализ.

4.5. Испытания жилетов ЖК-6 и ЖК-ЕД.

Выводы по главе 4.

5. ЭРГОНОМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЖИЛЕТА ЖК-6.

5.1. Основные цели и виды исследований.

5.2. Примерочные испытания.

5.3. Испытания на функциональную досягаемость.

5.4. Летно-прыжковые испытания.

5.5. Общая оценка эргономичное™ жилета ЖК-6 в составе высотнокомпенсирующего комплекта.

Выводы по главе 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Компенсирующие жилеты для экипажей высотных самолетов»

Актуальность проблемы. С увеличением высоты полета усиливается воздействие на летчика неблагоприятных факторов, вызванных разреженной атмосферой. Защиту летчика от воздействия пониженного барометрического давления и недостатка кислорода в атмосфере в настоящее время обеспечивает герметичная кабина самолета и дыхание кислородно-воздушной смесью или чистым кислородом, подаваемым в кислородную маску или гермошлем от бортовой кислородной системы. Однако при возникновении аварийной ситуации, связанной с разгерметизацией кабины на высотах более 12км и падении давления в ней ниже давления в легких, летчик вынужден дышать под избыточным давлением. В этих условиях единственным средством защиты летчика от депонирования крови в нижние конечности и чрезмерного растяжения легких или даже их разрыва при вдохе является высотно-компенсирующий костюм (ВКК). ВКК обеспечивает компенсацию избыточного давления путем оказания противодавления на тело равного давлению в легких или превышающего его. Для этого ВКК снабжен натяжным устройством (НУ), основным элементом которого является герметичная камера. При наполнении этой камеры кислородом она раздувается и через тканевый чехол натягивает силовую оболочку костюма, которая и оказывает давление на тело.

В настоящее время в отечественной авиации при полетах на высотах до 20км применяются ВКК с плоской камерой, встроенной под силовую оболочку -ВКК-15 (ВКК-15К, ВКК-15М). Достоинством данных костюмов является то, что они наряду с высотной компенсацией выполняют и функции противоперегрузочного костюма (ППК).

Однако костюм ВКК-15 имеет и существенные недостатки. Он выполнен в виде комбинезона и отдельное ношение его нижней части в качестве ППК или верхней части в виде компенсирующего жилета невозможно. В то же время большинство полетных заданий выполняется на высотах до 12км, где высотная компенсация не нужна, поэтому верхняя часть костюма является лишь помехой для летчика. В области живота и ног у ВКК-15 имеются две камеры - НУ и противоперегрузочного устройства (ППУ), что утяжеляет костюм.

Другой особенностью ВКК-15 является то, что в аварийной ситуации давление в камере НУ в 3,2 раза превышает давление в магистрали дыхания. Это способствует эффективной защите летчика, однако оказывает и значительное силовое воздействие на грудную клетку, что при довольно узких нагрудных секциях камеры, вызывает дискомфорт у летчика.

Костюм ВКК-15 изготовлен их хотя и прочной, малорастяжимой, однако малогигиеничной ткани СВМ. Вследствие этого, а также из-за наличия расположенных под камерами жестких воздуховодов костюм неудобен в эксплуатации и часто вызывает жалобы летчиков.

В военной авиации стран НАТО ВКК используются в режиме единого давления - давления в камере и линии дыхания одинаковы. ВКК единого давления, камера которого охватывает не менее половины грудной клетки, при небольшом (не более 10—12кПа) избыточном давлении в ней, естественно, более полно и менее безболезненно воздействует на тело и поэтому является более эргономичным. Однако он требует обязательной тепловентиляции пододежного пространства в области груди.

В настоящее время в литературе отсутствует достаточно надежная математическая модель, которая позволяла бы обоснованно определять конструктивные параметры высотно-компенсирующего жилета (ВКЖ) на стадии проектирования.

В связи с изложенным, создание нового расчетно и экспериментально обоснованного высотно-компенсирующего комплекта, способного выполнять те же функции, что и ВКК-15, однако более эргономичного и имеющего отделяемые друг от друга верхнюю (ВКЖ) и нижнюю (1111К с функцией высотной компенсации) части, является актуальной задачей.

В настоящее время указанный комплект разрабатывается в ОАО «Объединение «Вымпел» при участии ЗАО НПО «Динафорс» по заданию МО РФ. Нижняя часть комплекта ППК-6, исследованию которого была посвящена диссертация Аверьянова А.А., уже разработана.

Целью настоящей диссертационной работы является создание экспериментально подтвержденной математической модели и методики расчета параметров ВКЖ с плоской камерой и разработка на их основе высокоэргономичного жилета из современных материалов в двух вариантах -повышенного и единого давления - с максимальной степенью силовой компенсации соответственно 40% и 90%, обеспечивающего в составе высотно-компенсирующего комплекта совместно с ППК-6 эффективную защиту летчика от воздействия пониженного барометрического давления при разгерметизации кабины самолета на высотах до 20км.

Для достижения данной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1 Разработать математическую модель расчета параметров ВКЖ в рабочем состоянии и на основании расчетов выявить значения параметров, определяющих его эффективность.

2 На основе расчетных данных и с учетом современного состояния исследований и разработок предложить конструктивные решения обоих указанных вариантов ВКЖ, удовлетворяющие современным требованиям, предъявляемым к индивидуальному снаряжению летчика, в котором были бы устранены основные недостатки существующих ВКК, а также выбрать материалы для силовой оболочки и герметичной камеры.

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

4 С использованием результатов проведенных исследований уточнить конструктивные параметры ВКЖ, изготовить опытные образцы жилета повышенного давления и экспериментальные образцы жилета единого давления и произвести их испытания.

Научная новизна

1 Разработана математическая модель для определения формы камеры (чехла) ВКЖ в рабочем состоянии и параметров ее механического взаимодействия с телом летчика, позволяющая рассчитать геометрические параметры камеры, распределение давления на тело и напряжений в силовой оболочке.

2 Теоретически и экспериментально обоснована модульная структура ВКК - с раздельными верхней (ВКЖ) и нижней (ППК с функцией высотной компенсации) частями - обеспечивающая большую эргономичность комплекта по сравнению с серийным ВКК и позволяющая эксплуатировать его в различных сочетаниях для различных целей: ППК отдельно на высотах до 12км или вместе с ВКЖ на высотах до 20км в противоперегрузочном режиме; ВКЖ с ППК - в режиме высотной компенсации на высотах до 20км; ВКЖ отдельно на высотах до 15 - 16км в режиме высотной компенсации для маломаневренных самолетов.

3 Получены численные экспериментально подтвержденные зависимости геометрических (размеры участков камеры, опорная степень компенсации) и силовых (распределение давления на тело, напряжений в силовой оболочке, силовая степень компенсации) от конструктивных (деформируемость ткани силовой оболочки, слабина ткани, ширина камеры) и эксплуатационных (давление в камере) параметров ВКЖ.

Практическая значимость

1 Разработаны и изготовлены опытные образцы жилета ЖК-6 и экспериментальные образцы жилета ЖК-ЕД, удовлетворяющие цели данной работы и прошедшие физиологические наземные и высотные испытания.

2 Разработана методика экспериментального исследования напряжений в материале силовой оболочки защитного снаряжения.

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

Автор выносит на защиту

1 Математическую модель, позволяющую рассчитать геометрические параметры, распределение давления на тело и напряжения в силовой оболочке ВКЖ с плоской камерой в зависимости от деформационных характеристик материала силовой оболочки, формы и размеров камеры, давления газа в ней, слабины ткани и антропометрических параметров летчика.

2 Модульную структуру ВКК - с раздельными верхней (ВКЖ) и нижней (ППК с функцией высотной компенсации) частями -, реализованную в конструкции ВКЖ из современных прочных, малорастяжимых, огнестойких и высокогигиеничных материалов, со степенью силовой компенсации при полном вдохе не менее 40% в варианте повышенного давления, а в варианте единого давления не менее 90%, обеспечивающего в составе высотно-компенсирующего комплекта совместно с ППК-6 эффективную защиту летчика в условиях разгерметизации кабины самолета на высотах до 20км и обладающего большей эргономичностью, чем существующие ВКК.

3 Методику экспериментального исследования напряжений в силовой оболочке защитного снаряжения.

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

Выводы по работе

1 Для ВКЖ с плоской камерой разработаны математическая модель, методика, алгоритм, программа расчета геометрических параметров, распределения давления на тело и напряжений в силовой оболочке и на основании расчетов показано, что:

- основными параметрами, определяющими компенсационные характеристики жилета, являются деформируемость ткани силовой оболочки, ширина камеры и исходная слабина ткани;

- при применении малорастяжимой ткани арт. 22-03, размерах камеры, близких к размерам нагрудной камеры серийных ВКК, можно обеспечить максимальную степень силовой компенсации не менее 40%, а при увеличенной в 1.6 раза ширине камеры не менее 90%;

- прочность жилета определяется действием максимальных растягивающих напряжений по утку ткани силовой оболочки в верхнем участке чехла и боковой перемычке; при максимальном избыточном давлении в камере 50кПа коэффициент запаса прочности по боковому запошивочному шву для ткани арт. 22-03 составляет 4,1.

2 Теоретически и экспериментально обоснована модульная структура высотно-компенсирующего комплекта и на ее основе с применением современных высокогигиеничных материалов разработана конструкция ВКЖ в двух вариантах: повышенного давления ЖК-6 (давление в камере в 3,2 раза больше давления в линии дыхания) и единого давления ЖК-ЕД (указанные давления одинаковы), которые благодаря специальному автоматическому переключателю, установленному на жилете, могут работать в качестве верхней части высотно-компенсирующего комплекта совместно с его нижней частью -ППК-6 - для полетов на высотах до 20км.

3 Показано, что при применении предложенного в настоящей работе бесконтактного способа индикации деформации взамен контактной точность экспериментальной методики определения напряжений в силовой оболочке высотного снаряжения повышается в 2-3 раза.

4 Результаты экспериментальных исследований распределения геометрических параметров, давления на тело, напряжений в силовой оболочке жилетов, проведенных в работе, соответствуют расчетным данным в пределах погрешности 5-7%, что подтверждает расчетную оценку степеней компенсации.

5 Физиологические наземные и высотные (в барокамере) испытания опытных образцов жилета ЖК-6 в комплекте с ППК-6 и экспериментальных образцов жилета ЖК-ЕД показали, что оба вида жилета совместимы с серийной кислородно-дыхательной аппаратурой и обеспечивают эффективную защиту летчика от неблагоприятного воздействия пониженного барометрического давления при разгерметизации кабины самолета на высотах до 20км при более быстром (на 5-6с) выходе на режим компенсации, чем серийный ВКК-15К.

6 Эргономичность жилетов ЖК-6 и ЖК-ЕД в комплекте с ППК-6 выше, чем у серийных ВКК-15К благодаря возможности автономного применения верхней и нижней частей комплекта, более высокой гигиеничности силовой оболочки, а в случае ЖК-ЕД также меньшему давлению на грудную клетку.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Зотов, Владимир Анатольевич, 2007 год

1. Дворников М.В., Меденков А.А., Степанов В.К. Выбор и подгонка защитного снаряжения. Обучение дыханию под избыточным давлением. М.: Полет, 2001.- 160с.

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

3. Черняков И.Н. Эффективность комплектов кислородного оборудования как средства жизнеобеспечения в стратосферных полетах (при разгерметизации кабины)// Косм. биол. и авиакосм. мед. 1989. т. 23, № 1 - с. 11-13

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

5. Алексеев С.М., Уманский С.П. Высотные и космические скафандры. -М.: Машиностроения, 1973.-280 с.

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

7. 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 (04.10.2004).

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

9. Beaufort defence and aerospace division. Anti-g trousers// www. Survitecgroup. Com (10.12.2004).

10. Beaufort defence and aerospace division. Eurofighter AEA// www. Survitecgroup. Com (10.12.2004).

11. Carrington performance fabrics limited / Certificates of Conformity and/or test reports are avialable on reque issul: 2. Date. 18/12.2001 (10.11.2004).

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

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

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

15. Davie f or exerting an external pressure on a human body. Pat. №9525238 WO. В 64D 10/00, A62B 17/001 B6G6/00/ S. J. vage. - № 9400897 - 6, prior. 1700394. Publ. 21.09.95.

16. 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.

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

18. Аверьянов А.А., Зотов В.А., Тазетдинов Р.Г. Способ определения формы герметичной камеры защитной одежды. Пат. РФ 64 D 10/00, А 62 В 17/00, А 62 D 5/00, заявл. 07.10.2002, опубл. 20.12.2003. Офиц. бюлл. «Изобрет. и полезн. модели» №35.

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

20. 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.

21. 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.

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

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

24. Алексеев С.А. Основы теории мягких осесимметричных оболочек // Расчет пространственных конструкций. М.: Стройиздат, 1965, вып 10, с. 538.

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

26. 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.

27. Ридель В.В., Гулий Б.В. Динамика мягких оболочек. М.: Наука, 1980 -205 с.

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

29. Аверьянов A.A., Зотов В.А., Малоземов В.В., Тазетдинов Р.Г., Тибрин Г.С. Расчет параметров компенсирующего жилета ЖК бТам же, с. 11-16.

30. Аверьянов A.A. Исследование и разработка противоперегрузочного костюма (ППК) нового поколения, 2005г., дисс. к.т.н., 186 е., ил. МАИ (ГТУ).

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

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

33. 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.

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

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

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

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

38. Пичулин B.C., Олизаров В.В. Системы терморегулирования индивидуального снаряжения. Учебное пособие. М.: МАИ, 1995. - 58 с.

39. Михеев М.А., Михеев И.М. Основы теплопередачи. Изд-е 2-е, стереотипы. М.: Энергия, 1977. - 344 с.

40. Физические величины: Справочник / А.П. Бабичев, H.A. Бабушкина, A.M. Братковский и др.; Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейликова. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 1232 с.

41. 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, А62 В17/00, В64Д 10/00, заявл. 20.04.04, опубл. 20.08.05. Офиц. бюлл. «Изобрет. и полезн. модели» № 23.

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

43. Зайдель А.И. Погрешности измерения физических величин. Л.: Наука, 1985.- 112 с.

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

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

46. Тензометрия в машиностроении: Справочное пособие / Под ред. P.A. Макарова. М.: Машиностроение, 1975. - 287 с.

47. Богачев И.И., Олизаров В.В. Обеспечение условий обитания эргатических систем. Учеб. пособие / Под ред. В.В. Малоземова. М.: МАИ, 1988.-67 с.

48. Богачев С.К. Авиационная эргономика.: Вероятностные методы. М.: Машиностроение, 1978. - 138 с.

49. Основы авиационной эргономики. М.: Воздушный транспорт, 1985. -312 с.

50. Зинченко В.Т., Мунипов В.М. Основы эргономики. М.: МАИ, 1977. -71с.

51. Беловицкий Н.С. Инженерная психология. М.: МЭИ, 1977. - 71 с.