Физиология и гигиена летчика в экстремальных условиях

Рецензент

доктор медицинских наук, профессор, академик РАН,

генерал-майор медицинской службы И. Б. Ушаков

Список сокращений

α-ГБДГ – альфа-гидроксибутиратдегидрогеназа

α-ГДФГ-Г – альфа-глицерофосфатдегидрогиназа

α-ГФДГ-М – альфа-глицерофосфатдегидрогиназа митохондриальная

γ-ГТ – гамма-глутамилтрансфераза

АВК – аналого-вычислительный комплекс

АД – артериальное давление

АКМС – автомат Калашникова модернизированный со складываемым прикладом

АлАТ – аланинаминотрансфераза

АМК – аэродромный многоцелевой кондиционер

АПК – аппаратно-программный комплекс

Ас АТ – аспартат-аминотрансфераза

БАМ – Байкало-Амурская магистраль

БАТК – биологически активная точка кожи

БД – боевые действия

БЖ – бронежилет

БКДУ – бортовая кислорододобывающая установка

БЭГ – биоэлектрограмма

ВВС – Военно-воздушные силы

ВК – вентилирующий костюм

ВКК – высотно-компенсирующий костюм

ВЛК – врачебная летная комиссия

Г-6-ФДГ – глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа

ГБО – гипербарическая оксигенация

ГГ – гипоксическая гипоксия

ГГС – гипоксическая газовая смесь

ГДГ – глутаматдегидрогеназа

ГНИИИ – Государственный научно-исследовательский испытательный институт

ГРВ – газоразрядная визуализация

ГФДГ-Г – глицерофосфатдегидрогеназы алоплазматической

ГФДГ-М – глицерофосфатдегидрогеназы митохондриальной

ДАД – диастолическое артериальное давление

ЖКТ – желудочно-кишечный тракт

ЗШ – защитный шлем

ИЧ – индекс чувствительности

КК – креатинкиназа

КМ – кислородная маска

КП – коэффициент паузации

КФ – креатинфосфат

КЧСМ – критическая частота слияния мерцаний

ЛА – летательный аппарат

ЛДГ – лактатдегидрогеназа

МАИ – Московский авиационный институт

МОД – минутный объем легких

МСК – морской спасательный костюм

н у.м. – над уровнем моря

НАД Н2-Д – никотинаденин-динуклеотид

НАЗ – носимый аварийный запас

НАСА – Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства

НКП – навигационный командный прибор

НПО – научно-производственное предприятие

ОТТ – общие технические требования

ПАРС – показатель активности регуляторной системы

ПВО – противовоздушная оборона

ПДК – предельно допустимая концентрация

ПЗРК – противозенитный ракетный комплекс

ПМ – пистолет Макарова

ППК – противоперегрузочный костюм

ППТ – переносная полевая термостанция

ПС – программируемая саморегуляция

ПСМР – простая сенсомоторная реакция

ПСНД – патрон сигнальный день – ночь

РДМ – Разинкин, Духович, Мельников

РИ – реографический индекс

РЭГ – реоэнцефалография

САД – систолическое артериальное давление

САН – самочувствие, активность, настроение

САТ – средства активной саморегуляции

СДГ – сукцинатдегидрогеназа

СМИЛ – стандартизированный метод исследования личности

СМОЛ – сокращенный многофакторный опросник для исследования личности

ССС – сердечно-сосудистая система

СУ – солнечный удар

ТБК – термобарокамера

ТИО – тепловое истощение вследствие обезвоживания

ТИС – тепловое истощение вследствие уменьшения содержания солей в организме

ТС – тепловая судорога

ТТН – тестовая тепловая нагрузка

ТХ – турбохолодильник

ФН – физическая нагрузка

ФС – функциональное состояние

ФТН – функциональные тепловые изменения

ЦНС – центральная нервная система

ЧД – частота дыхания

ЧСС – частота сердечных сокращений

Предисловие

В представленной монографии изложены материалы многолетних и многоплановых исследований, посвященных решению основной задачи – сохранению работоспособности и боеспособности летного состава в экстремальных температурных условиях, выдвинутых в число приоритетных условий исследований, как при освоении авиационной техники 4-го поколения, так и при ведении БД, что особенно ярко проявилось при выполнении полетов армейской авиации в Афганистане. Отличительной особенностью последних явилась необходимость летать не только при температурах 30–35 °C, при которых прекращаются полеты в условиях мирного времени, но и при более высоких температурах вплоть до 42–43 °C при которых летательный аппарат ещё технически может взлететь.

В монографии представлено описание оригинальной разработки – теплового стенда-тренажера, позволяющего создавать различные режимы температурного воздействия, имитирующие реальный профиль полета, а также неравномерный режим температурного воздействия по вертикали с преимущественным нагревом области головы и торса оператора.

Значимость влияния высоких температур была подтверждена при обследовании летчиков, участвующих в боевых действиях в Афганистане. Особенно наглядно это проявилось при оценке функционального состояния летчиков в зависимости от времени перебазирования в условия Афганистана.

Книга имеет подробный иллюстративный материал, исследования построены на деятельностном подходе к возможности функционирования летного состава с использованием защитного снаряжения, подробно исследуются температурные режимы при пребывании летчика в защитном снаряжении.

Ранее не публиковались материалы по ускоренной адаптации, прогнозированию тепловой устойчивости летно-подъемного состава, обоснованию дифференцированных нормативов функционирования летчиков в экстремальных условиях высоких температур, подробно не исследовалось вентилирующее снаряжение (костюм, защитный шлем, жилет, термоактивные ткани, режимы вентиляции), не учитывалось влияние стресса в условиях реальной угрозы жизни и здоровью летного состава в условиях боевых действий.

Для обоснования полученных закономерностей авторами были проведены многоплановые исследования, в их число вошло порядка 900 исследований с участием 300 летчиков и испытателей, и порядка 5000 экспериментов на лабораторных животных.

Также авторами определены пути совершенствования физиолого-гигиенического обоснования способов и средств поддержания работоспособности и боеспособности летного состава при воздействии высоких температур, крайне важна разработанная авторами скрининг-диагностика профессионального здоровья летного состава. В частности, авторами, на базе лаборатории ГНИИИ ВМ МО РФ, 444 Центра Боевого Применения и Переучивания летного состава проведена работа по оценке профессионального здоровья лётного состава с использованием аппаратно-программного комплекса «Диамед-МБС». Обследовано 90 лётчиков из числа слушателей и инструкторов, не имеющих диагнозов и жалоб на состояние здоровья. Полученные результаты сравнивались с данными медицинской документации, заключениями летчиков-инструкторов. Показана высокая целесообразность использования диагностического комплекса в практике оценки и прогноза функционального состояния лиц экстремальных профессий для решения ряда важных научно-практических задач прикладного характера. С его помощью впервые получен «эталонный» уровень здоровья индивидуума, под которым следует понимать тот реально достижимый для пациента уровень здоровья, к формированию которого ему следует стремиться.

Представленный в монографии материал и сделанные на основе его выводы позволяют рекомендовать:

Включить материалы и выводы монографии в наставления по боевому применению авиации в условиях жаркого климата и в других условиях работы оператора при повышенных температурах, в том числе и в пилотируемых космических аппаратах, а также использовать их для адаптации программ подготовки врачебного состава летно-космических частей и соединений.

Учитывать их при разработке новых типов атмосферных и заатмосферных летательных аппаратов и оснащения их экипажей; при разработке методик подготовки и адаптации экипажей к условиям мест боевого применения техники (Южный Федеральный округ, Сирия); при разработке графиков работы экипажей, при разработке пищевых рационов для них.

АПК «Диамед-МБС» рекомендуется к включению в состав штатного оснащения авиационных частей и соединений, к использованию при подготовке космонавтов, в системе подготовки наземных служб обеспечения, диспетчеров, подготовке и оснащению рабочих мест наземного оперативного состава.

Считаем, что монография С. М. Разинкина, М. В. Дворникова «Физиология и гигиена летчика в экстремальных условиях» и разработанный авторами аппаратно-программный комплекс заслуживают номинации на премию Министра обороны Российской Федерации, материалы и методики применения которых способны резко увеличить интенсивность и эффективность боевого применения авиатехники в условиях жаркого климата, обеспечить снижение утомляемости летного и наземного состава, тем самым поддерживать высокую боеспособность авиационных групп ВВС Российской Федерации.

Введение

Проблема оптимизации функционального состояния летчика при работе в неблагоприятных условиях среды кабин летательных аппаратов, особенно при действии высокой температуры, является неотъемлемым звеном системы обеспечения эффективности и надежности военной техники и сохранения здоровья летного состава. Эта проблема нашла свое отражение в ряде работ, имеющих как общетеоретическое, так и практическое значение. В то же время, эта область знаний достаточно динамична и требует постоянного активного развития, что обусловлено:

• совершенствованием авиационной техники, в частности появлением самолетов 4-го поколения;

• усложнением социально-экономических и экологических условий в последние 15–20 лет, вызванных участием летного состава в локальных военных конфликтах в условиях горно-пустынной местности;

• целесообразностью уточнения гигиенических стандартов с учетом вновь вводимого защитного снаряжения измененного функционального состояния летчика характерного при участии в БД;

• постоянным поиском и совершенствованием средств защиты от агрессивных факторов среды обитания;

• необходимостью проведения индивидуальной оценки готовности летчика к работе в экстремальных условиях обитания;

• целесообразностью использования методов повышения тепловой устойчивости в ряде конкретных случаев.

Все это вызвало необходимость уточнения старых и поиска новых путей оптимизации функционального состояния летчика при выполнении деятельности в экстремальных условиях среды обитания.

Проведенные многоплановые исследования были посвящены решению основной задачи – сохранению работоспособности и боеспособности летного состава в экстремальных температурных условиях, выдвинутых в число приоритетных, как при освоении авиационной техники 4-го поколения, так и при ведении БД, что проявилось особенно ярко при выполнении полетов ЛА в Афганистане. Отличительной особенностью последних явилась необходимость летать не только при температурах 30–35°С, при которых прекращаются полеты в условиях мирного времени, но и при более высоких температурах, вплоть до 42–43°С, при которых ЛА еще может взлететь. Очевидно, что в этих условиях проблема сохранения теплового гомеостаза, являясь методологической основой медицинского обеспечения полетов на ЛА 2-го и 3-го поколений, потребовала разработки новой концепции.

Для чего необходимо данное исследование? Какие новые данные оно привнесет в разработку проблемы работоспособности человека в экстремальных условиях? Прежде всего, данная монография является обобщением и сведением всех предыдущих работ в одну, предлагая подробную методическую часть, что позволяет пройти весь пусть с самого начала и внести необходимые уточнения при дальнейших исследованиях.

В частности, в исследовании будет представлено описание оригинальных разработок: тепловые камеры, установки для оценки ректальной температуры крыс и мышей, анкеты, представлены подробный иллюстративный материал, деятельностный подход с использованием защитного снаряжения и температурные режимы в случае начала вентиляции сразу или через 10 минут пребывания в защитном снаряжении.

Отметим, что ранее материалы по ускоренной адаптации, прогнозированию тепловой устойчивости, обоснованию дифференцированных нормативов, вентилирующему снаряжению (костюм, защитный шлем, жилет, термоактивные ткани, режимы вентиляции), стрессу в условиях реальной угрозы состоянию здоровья не публиковались.

В ходе данной работы удалось установить следующие закономерности.

1. Сохранение здоровья и работоспособности летного состава в условиях мирного времени и при ведении боевых действий в условиях горно-пустынной местности в жаркий период года возможно только при комплексном решении биопсихосоциальных проблем и оптимизации функционального состояния организма летчика.

2. Снижение качества операторской деятельности в условиях равномерного нагрева наступает раньше или одновременно с изменением физиологических показателей состояния организма. Ведущим показателем наряду с увеличением частоты сердечных сокращений является прирост температуры кожных покровов.

3. Применительно к кабинам летательных аппаратов военного назначения гигиенический стандарт температуры воздуха не должен превышать 19°С. На время не более 20 минут возможно повышение температуры до 28°С. Температурные воздействия, выше названных, допустимы в нештатных ситуациях только на ограниченное время.

4. Эффективным путем оптимизации самочувствия и работоспособности человека-оператора в условиях воздействия высоких температур является использование вентилирующего устройства шлема, для поддержания на оптимальном уровне теплового состояния – вентилирующего костюма с раздельной вентиляцией по областям тела.

5. Наибольшую прогностическую значимость при выполнении операторской деятельности в экстремальных температурных условиях среды обитания имеет сравнительная оценка изменения «функциональное состояние – качество деятельности», что отражает тип реагирования человека-оператора.

6. Эффективным способом повышения тепловой устойчивости человека-оператора является физическая экспресс-тренировка в импульсном режиме.

Для обоснования полученных закономерностей были проведены многоплановые исследования, в их число вошло порядка 900 исследований с участием 300 летчиков и испытателей, а также около 5000 экспериментов на лабораторных животных.

Необходимо отметить, что в ходе выполнения работы был создан специальный стенд-тренажер, позволяющий создавать различные режимы температурного воздействия, которые имитируют реальный профиль полета, а также неравномерный режим температурного воздействия по вертикали с преимущественным нагревом области головы и торса оператора.

Значимость влияния высоких температур была подтверждена нами при обследовании летчиков, участвующих в боевых действиях в Афганистане. Особенно наглядно это проявилось при оценке функционального состояния летчиков в зависимости от времени перебазирования в условия Афганистана. Достаточно сказать, что если при замене в феврале снижение массы тела за 2 месяца в среднем составляла порядка 2,0 кг, то при замене в летний период она увеличивалась до 10–11 кг. Аналогичная закономерность была отмечена при определении числа лиц, имеющих оптимальный уровень работоспособности в зависимости от срока проведения замены.

Говоря о значимости влияния высоких температур, было учтено, что этот фактор действует не изолированно, а только в сочетании с рядом других обстоятельств: физических и химических условий среды обитания кабины ЛА – факторов полета, предметов труда и защитного снаряжения, особенностей в организации полетов, психологических факторов, условий питания и занятий физподготовкой, социально-бытовых условий. И если группа физических и химических условий среды обитания по степени своей значимости занимают в среднем 4–5 место из 6 возможных, то высокая температура в ряду отдельных факторов для летчиков СУ-27 в зависимости от места базирования располагается на 2, 4, 5–6 местах, что, по данным субъективной оценки летчиков, оказывается даже более значимо, чем акустический шум и пилотажные перегрузки. Значимость влияния на самочувствие и работоспособность высокой температуры столь же велика и в Афганистане.

Необходимо подчеркнуть, что полученные факты, свидетельствуют о том, что практически каждый второй летчик периодически выполняет полеты на фоне перегревания, в состоянии стресса. Больше половины летчиков отмечает неудобство и громоздкость снаряжения (бронежилет, защитный шлем), испытывая чрезмерные летные нагрузки, которые были учтены нами при установлении их отягощающего влияния на переносимость высоких температур и введение поправочного коэффициента при установлении дифференцированных нормативов.

К числу приоритетных задач нашей работы следует отнести определение влияния высокой температуры на функциональное состояние человека-оператора. Полученные нами данные свидетельствуют об изменении операторской деятельности при температурах выше 39°С с первых минут воздействия, когда регистрация значимых изменений теплового состояния человека-оператора по показателям увеличения температуры тела еще невозможна. При этом ведущие значения, на наш взгляд, имеют не показатели изменения прироста температуры ядра, а прирост средневзвешанной температуры кожи, что нашло подтверждение при работе в интермиттирующем режиме температурного воздействия, а также при оценке динамики температуры тела и выполнения управления в режиме слежения в течение суток. Примечателен и тот факт, что оцениваемая по данным выполнения статэргометрической пробы переносимость пилотажных перегрузок начинает существенно снижаться при температурах в кабине тренажера выше 33°С.

При установлении дифференцированных нормативов обобщены данные экспертной оценки 250 летчиков о возможной продолжительности выполнения полетов в условиях воздействия высоких температур и результаты 130 полунатурных исследований, свидетельствующих о том, что при температурах выше 30°С время сохранения операторской деятельности составляет менее 30 минут. Выявленные зависимости явились основой определения потенциальной ненадежности летчика и нашли подтверждение при моделировании действия высоких температур путем подачи в течение 30 минут от СКВ вертолета Ми-26 воздуха с температурами в диапазоне 30–50°С. В то же время, необходимо отметить, что ухудшение качества выполнения выбора из 2 альтернатив при температурах 45 и 60°С наступает практически на пределе переносимости высоких температур. Соответственно этому, зная время переносимости высоких температур, возможно определить время безошибочного выполнения относительно простой деятельности или ее выполнение высоко подготовленными специалистами.

Учитывая тот факт, что деятельность военного летчика производится на фоне выраженного эмоционального напряжения, акцент в работе сделан на изучение влияния фактора стресса на показатели теплового состояния. Установлено, что у операторов в условиях эмоционального стресса, обусловленного ожиданием локального удара, значения ответных физиологических реакций соответствуют предельным значениям теплового стресса. Оптимальными температурными режимами в условиях эмоционального стресса при выполнении напряженной операторской деятельности являются температуры в диапазоне 15–19°С. Данные, полученные при определении времени переносимости на фоне измененной реактивности использовании защитного снаряжения, позволяют рекомендовать введение коэффициента запаса равного 2 для подсчета времени безошибочной деятельности.

Итогом исследований, выполненных на данном этапе, явилось установление двух уровней нормативных требований к температуре воздуха кабин ЛА военного назначения для штатной ситуации: оптимальный – не превышающий 19°С и допустимый – равный 28°С на 20 минут. Все температурные воздействия выше названных допустимы в аварийных ситуациях на ограниченное время в зависимости от характера выполняемых задач операторского профиля.

При определении путей совершенствования средств активной терморегуляции было установлено, что самочувствие и работоспособность оператора существенно улучшаются при использовании вентилирующего устройства шлема, а тепловое состояние, и в частности ректальная температура, СВТК, эффективность потоотделения возрастают при использовании вентилирующего костюма ВК-3М. Модернизированный (доработанный) костюм ВК-3М(Д), сочетая достоинства обоих вариантов оптимизации теплового состояния, позволяет эффективно использовать его при защите организма человека-оператора от воздействия высоких температур.

Необходимо отметить, что эффективность вентиляции существенно снижается при ее использовании на фоне увлажнения кожных покровов потом. При этом температура выбора в течение первых 3–7 минут находится на уровне 55–75°С с последующим снижением до 45 или до 25°С.

Наиболее оптимальным вариантом является вентиляция защитного снаряжения сразу после его надевания с температурами вентилирующего воздуха в диапазоне 20–25°С, что позволяет наиболее эффективно обеспечить сохранение качества операторской деятельности и поддержать функциональные возможности при воздействии высоких температур.

Использование пассивных средств терморегуляции в виде терморегулирующих тканей в составе защитного шлема и бронежилета в условиях теплового стресса позволяет сохранить на более высоком уровне показатели самочувствия, активности, настроения, снизить ощущение перегревания области головы, груди, спины и поясницы, на 0,8–1,2°С снизить температуру кожи под жилетом, на 10–15% повысить уровень работоспособности человека-оператора. Положительно оценивается потопоглощающая ткань, позволяющая снизить «прилипание» жилета к телу.

Система активного термовлагорегулирования хорошо сочетается с вентилирующими жилетами и бронежилетом, обеспечивает более равномерное распределение воздушных потоков, снижая явления локального дискомфорта в случае увлажнения кожных покровов. В случае отсутствия или недостаточной эффективности средств активной и пассивной терморегуляции, при перебазировании в условиях жаркого климата успешно могут быть использованы методы повышения тепловой устойчивости, обеспечивающие ускоренную адаптацию к высоким температурам окружающей среды.

При проведении экспериментов на белых мышах и крысах, нами было установлено, что адаптация к гипоксии в течение 21 дня существенно повышает переносимость высоких температур, незначительно уступая эффективности специфической тепловой тренировки.

В то же время было установлено, что из нескольких режимов адаптации к гипоксии (стационарный, ступенчатый, импульсный) наиболее эффективным у животных является импульсный метод экспресс-адаптации с 15-кратным подъемом на 2 мин до «высоты» 6500 м с последующим спуском за 1 мин на высоту 3000 м, являющийся субмаксимальным уровнем воздействия гипоксического фактора. Именно этот метод благоприятствует тренировке адаптационных систем организма, что проявляется особенно выраженно при сочетанном воздействии высокой температуры и гипоксической гипоксии. Установленные закономерности были приняты нами во внимание при проведении исследований с определением эффективности использования физической тренировки.

В исследованиях с участием человека также подтверждаются преимущества импульсного режима тренировки перед стационарным. Показано, что проведение физической тренировки в импульсном режиме продолжительностью 7 дней приводит к минимизации «цены» физиологических ответных реакций на тепловое воздействие по тесту САН, приросту частоты сердечных сокращений, ректальной температуры и возрастанию уровня теплосодержания, оптимизирует ряд показателей качества выполнения операторской деятельности, что проявляется в ухудшении скоростных характеристик при определении времени реагирования на допущенную ошибку при пилотировании тренажера и выполнении простой сенсомоторной реакции на свет в условиях воздействия высоких температур.

Кроме того, в наших исследованиях показана целесообразность выполнения деятельности на фоне постепенного увеличения интенсивности тепловой нагрузки в течение 60–70 минут и использования гипербарической оксигенации для коррекции измененного функционального состояния в период действия интенсивных тепловых нагрузок.

Оценка изменения функционального состояния летчиков при выполнении полетов в жаркое время суток в Афганистане и сравнительный анализ изменения функционального состояния и работоспособности испытателей при воздействии высоких температур в условиях пилотирования тренажера позволили установить, что летчики (испытатели) одного уровня подготовки, имели разнонаправленные ответные реакции организма и уровень работоспособности. По индивидуальным ответным реакциям при воздействии экстремальных температур выявлено 5 групп лиц. Обращают на себя внимание 2 крайних типа ответных реакций: «пластичный», характеризующийся высоким уровнем качества выполнения деятельности и выраженными изменениями частоты сердечных сокращений и температуры тела; и, напротив, «инертный», отличающийся от первого высокой степенью стабильности гомеостазирования физиологических параметров и низким уровнем качества операторской деятельности. Полученные данные позволяют прийти к заключению, что в условиях интеркурентных взаимоотношений выбора летчики (испытатели) «пластичного» типа реагирования отдают предпочтение качественному выполнению деятельности, в то время как летчики (испытатели) инертного типа реагирования стремятся к поддержанию на относительно постоянном уровне теплового состояния. Полученные материалы свидетельствуют, что наибольшую прогностическую значимость при воздействии на организм человека неблагоприятных условий внешней среды имеют данные сравнительной оценки динамики изменения звена «качество деятельности – функциональное состояние» человека-оператора и тип его реагирования на меняющиеся условия окружающей среды. То есть летчики, выполняющие полеты в неблагоприятных условиях среды обитания, обладают не только неоднотипным характером переносимости стресс-факторов, но и различной способностью к качественному выполнению полетного задания. При этом ряд ошибочных действий при выполнении полетов в неблагоприятных условиях среды обитания обусловлены не профессиональной неподготовленностью летчиков, а биологически детерминированы и определяются типом реагирования человека на экстремальные условия среды обитания.