Физиология и гигиена летчика в экстремальных условиях

3.1. Аналитический обзор

С учетом материалов предыдущей главы, свидетельствующих о воздействии на летчика в кабине летательного аппарата высоких внешних тепловых нагрузок, в рамках данной главы необходимо было определить: во-первых, оказывает ли высокая температура влияние на работоспособность человека-оператора в реальном масштабе времени выполнения полетного задания летным составом; во-вторых, соответствует ли субъективная оценка качества выполнения деятельности объективно регистрируемым параметрам, в частности, насколько правомочны анкетные данные, свидетельствующие о снижении работоспособности у летчика в жаркий период года и возможном времени ее сохранения в условиях экстремально высоких температур в кабине ЛА; в-третьих, оценить, какова структура психофизиологических изменений при воздействии температурного фактора, что наряду с использованием общепринятых критериев теплового состояния может иметь важное самостоятельное значение при изучении эффективности методов повышения тепловой устойчивости у лиц операторского профиля.

Необходимость изучения поставленных вопросов была продиктована данными анализа материалов специалистов по авиационной медицине (Ажаев А. Н., 1979, Ажаев А. Н., 1986, Ажаев А. Н., Зорилэ В. И., 1980, Ажаев А. Н., Зорилэ В. И., 1988, Ажаев А. Н., Кузьмин А. С., 1992), свидетельствующими об отсутствии влияния высоких температур на работоспособность человека-оператора во временных интервалах, имеющих практическое значение. Так, по данным А. Н. Ажаева с соавт. (Ажаев А. Н., 1979, Ажаев А. Н., 1986, Ажаев А. Н., Зорилэ В. И., 1980), не зарегистрировано существенного изменения управления в режиме двухмерного слежения в течение 6 часов пребывания при температурах 45°С. При температурах 50 и 55°С значимые изменения качества деятельности были отмечены только в конце 4-го и 2-го часов воздействия, соответственно. Близки к указанным и данные об ухудшении работоспособности, полученные Ю. И. Приемским (1979). В свою очередь, В. А. Ефимову с соавторами (1982) не удалось найти изменений качества управления в режиме слежения при 60-минутных температурных воздействиях от 30 до 65°С. В то же время ранее приведенные нами собственные данные экспертной оценки летным составом времени сохранения работоспособности в условиях пребывания при температурах 30–45–55°С значительно ниже полученных указанными авторами.

Анализ доступных литературных источников также не позволил однозначно ответить на поставленные вопросы. Опубликованные в последнее время по материалам иностранной печати обзоры (Ажаев А. Н., Малинин И. Д., 1987, Grather W. F., 1973, Hancock P. A., 1984) преимущественно констатируют противоречивость данных о влиянии высоких температур на психофизиологическое состояние человека. Проведенный более системно обзор литературных данных позволил П. Ханкоку (Hancock P. A., 1982) заключить, что пороги понижения работоспособности при выполнении задач различной категории сложности находятся в обратно пропорциональной зависимости от прироста температуры тела. В частности, порог снижения простейших видов умственной работоспособности соответствует повышению температуры тела на 1,33°С, порог снижения выполнения слежения – 0,9°С и порог ухудшения комплексной работоспособности (двойные задачи) – повышению температуры тела на 0,22°С.

Не останавливаясь пока на результатах работ отдельных авторов, в целом, можно заключить, что сложившиеся к середине 60-х годов две точки зрения на характер изменения психофизиологического состояния человека под влиянием высоких температур находят своих сторонников и до настоящего времени. Инициатор первой точки зрения П. Уэбб (Webb P., 1961) считал, что снижение работоспособности под влиянием теплового стресса, является функцией приближающегося термофизиологического коллапса. Так, он писал: «…общее правило гласит: работоспособность начинает ухудшаться в любых заданных условиях, требующих трех четвертей переделов физиологической переносимости». Другой точки зрения придерживался Дж. Винг (Wing J., 1965), считающий, что кривая длительности температурной устойчивости при решении психофизиологических задач находится гораздо ниже сопоставимой кривой физиологической устойчивости к воздействию тепла в каждый момент времени.

Среди возможных причин отсутствия до настоящего времени единого мнения о характере влияния высоких температур на психофизиологическое состояние человека-оператора, что объясняется, по нашему мнению, рядом различных переменных, которые не могли не сказаться как на результатах, так и на выводах исследователей. Анализ работ позволил сгруппировать их в следующем виде.

А. Методические особенности моделирования теплового стресса и порядка тестирования в ходе экспериментальных исследований.

При первом варианте воздействие на испытателей высоких температур, кроме нагревания, проводимого в климатической камере с параллельным выполнением тестовых задач (Jampietro P. F., 1961, Mackworth N. H., 1950), использовалось предварительное нагревание в течение 60–120 мин с последующим определением работоспособности при высокой температуре (Alnutt M. F., 1971, Epstein J., 1980, Grather W. F., 1973, Wilcinson R. T., 1964), комфортной температуре (Марьянович А. Т., 1981, Садиков Г. Н., Азонова Е. К., 1982, Coutright J. F., 1982, Kenneth A., 1974).

При втором варианте прирост теплосодержания создавался с помощью костюма с водяной регуляцией температуры (Gibson T. M., 1979, Gibson T. M., 1980, Nunneley S. A., 1982), пребыванием в ванне, имеющей воду, нагретую до 41°С (Lind A. R., 1963), при выполнении в резиновом костюме ходьбы на тредбане (Benor D., 1971) с одновременной регистрацией психофизиологического состояния.

При третьем варианте – после работы на велоэргометре (Павлов А. С., 1990), выполнения марш-броска (Angus R., 1980).

Особенности используемых методических, подходов, вероятно определяют и существенные различия в состоянии организма испытателей к моменту проведения оценки работоспособности: развитие первичных адаптационных изменений к действию высоких температур при проведении предварительного в течение 60–120 мин теплового воздействия до начала тестирования, способное привести к существенному уменьшению интеркурентных взаимоотношений приспособительных реакций к звену «среда – деятельность», кроме того, исключение мощного потока импульсации с кожных терморецепторов при тестировании в комфортных условиях при первом варианте; исключение нагрева головы и испарительной теплоотдачи с туловища и конечностей, близкая к комфортной температуре вдыхаемого воздуха при втором варианте; при третьем варианте к некоторым из указанных недостатков первого и второго вариантов возможно приобщилось дополнительное влияние усталости или же повышение реакции активации после выполнения физической работы.

Б. Многообразие методов оценки работоспособности.

Обычно в исследовании используются от 1 до 3–5 методов оценки работоспособности; при этом, кроме простой и двухвыборной реакции, только в отдельных из представленных ниже работах они повторяются. В качестве иллюстрации мы их приводим в хронологическом порядке:

1) определение уровня бодрствования, считывание цифровых таблиц, тест на время реакции (Wilcinson R. T., 1964);

2) словообразование из 2 наборов букв (Konz S. A., 1969);

3) одномерное преследующее слежение, устный счет, двухвыборная реакция на свет (Jampietro P. F., 1969);

4) двухвыборная реакция на свет (Rota P., 1970);

5) скорость опознания звукового сигнала, время реакции на звуковой раздражитель (Benor D., 1971);

6) «полет» на тренажере (Jampietro P. E., 1972);

7) двухмерное компенсаторное слежение в сочетании с двухвыборной реакцией на свет (Приемский, 1978);

8) простая сенсомоторная реакция на звуковой раздражитель, сложение и вычитание цифр в заданном темпе, двухмерное компенсаторное слежение (Ажаев А. Н., Зорилэ В. И., 1980);

9) одномерное преследующее слежение, ориентировочный конфликт (Gibson T. M., 1979);

10) выстрел в цель трех размеров (Epstein J., 1980);

11) теппинг-тест, зрительный полет (Angus R., 1980);

12) одномерное слежение (Shvartz E., 1970);

13) методика последовательных цветовых образов, двойного куба Неккера, иллюзии Мюллера-Лайера, «память на числа», «сложение с последующим делением на два», простая и сложная сенсомоторная реакция (Марьянович А. Т., 1981);

14) простая и сложная сенсомоторная реакция, координация движений (Садиков Г. Н., Азонова Е. К., 1982);

15) ориентировочный конфликт (Nunneley S. A., 1983).

В. Комплекты одежды.

Столь же разнообразны и комплекты одежды: рубашка, шорты, кислородная маска (Alnutt M. F., 1971), акриловое нижнее белье, носки, теплый летный жилет и брюки, ботинки, матерчатый летный шлем (Gibson T. M., 1980), изолирующее снаряжение (Кощеев В. С., 1986), охлаждающий жилет и шлем, хлопчатобумажное нижнее белье, импрегнированное активированное углем снаряжение (химическая защита), летный костюм, кислородная маска, защитный шлем (Nunneley S. A., 1983).

Г. Длительность выполнения тестовых задач.

Условно можно выделить два варианта: первый – достаточно продолжительное время выполнения задач, превышающее период покоя испытуемого (Benor D., 1971, Jampietro P. E., 1972, Lewis M. J., 1983, Wilcinson R. T., 1964); второй – испытуемые периодически выполняют задачи, время пребывания в покое превышает периоды активного состояния (Ажаев А. Н., Зорилэ В. И., 1980, Alnutt M. F., 1971, Grather W. F., 1973, Epstein J., 1980, Nunneley S. A., 1982). Второй вариант, по всей видимости, менее предпочтителен, так как может привести к ошибочной оценке из-за возможности человека разово, краткосрочно проводить реакции активации и успешно справляться с заданием, особенно при достаточно длительных исследованиях (Медведев В. И., 1982).

Последнее подтверждается и результатами изучения влияния высокой температуры на статическую работоспособность: отмечено снижение только на 8% максимального мышечного усилия и существенное – до 60% уменьшение усилия при продолжительном напряжении.

Д. Степень подготовленности испытателей к выполнению тестовых задач для оценки работоспособности.

В работе (Kenneth A., 1974) после обучения показатели управления в режиме одномерного компенсаторного слежения составляли 50% возможного наилучшего показателя, в исследованиях (Jampietro P. F., 1969) к началу экспериментов при 60°С имело место лишь становление навыка, в результате чего при тестировании отмечалось снижение ошибок с последующим постоянным уровнем работоспособности. Вместе с тем другие авторы (Gibson T. M., 1979, Gibson T. M., 1980, Nunneley S. A., 1982) проводили тренировки до уровня плато работоспособности.

Е. Возраст испытателей.

До 23–25 лет (Марьянович А. Т., 1981, Садиков Г. Н., Азонова Е. К., 1982, Benor D., 1971, Konz S. A., 1959), 22–34 года (Poulton G. C., 1965), 24–40 лет (Ажаев А. Н., Зорилэ В. И., 1980), 23–45 лет (Nunneley S. A., 1983), 30–51 год (Jampietro P. F., 1969, Jampietro P. F., 1972), что также может играть определенную роль и сказаться на результатах исследований. В частности, отмечено, что у лиц в возрасте 20–25 и лиц более 45 лет отмечаются наибольшие размахи психофизиологических показателей, отражающих адаптационные (дизадаптационные) изменения к комплексу неблагоприятных факторов (Горшков С. И., 1983).

Ж. Уровни воздействующих температур и их длительность.

В различных исследованиях температуры колебались между 60 и 70°С/30 мин (Jampietro P. F., 1969), 43 и 60°С/50 мин (Jampietro P. F., 1972), 38°С/160 мин (Alnutt M. F., 1971), 50°С/60 мин (Kenneth A., 1974), 36°С/60 мин (Larsson et al., 1973), 37 и 50°С/120 мин (Epstein J., 1980), 65,6°С/66 мин (Coutright J. F., 1982), 35°С/100 мин (Nunneley S. A., 1983), 32 и 38°С/120 мин (Lewis M. J., 1983). Наиболее широко провел исследования А. Н. Ажаев с соавторами (Ажаев А. Н., 1979, Ажаев А. Н., Зорилэ В. И., 1980), используя температурные нагрузки 30, 35, 40, 45°С в течение 6 часов и 50, 55°С соответственно 4 и 2 часа.

Сравнительный анализ литературных данных позволяет нам не только выявить существующие различия в подходах и методах оценки влияния высоких температур на работоспособность человека-оператора, но определить ряд условий, соблюдение которых целесообразно при проведении подобного рода исследований; к ним относятся:

1) использование полетной одежды с обязательным включением защитного шлема, не только создающего определенные неудобства и вызывающие дискомфорт при его ношении, но и препятствующего эффективной теплоотдаче, а в условиях нагревающего микроклимата – дополнительного источника радиационного нагрева, находящегося в непосредственной близости от волосистой части головы;

2) практически постоянное выполнение в ходе исследований тестовых задач, что в большей мере отражает принцип «активного оператора», работу летного состава;

3) ограничение по возрасту диапазоном 24–43 года;

4) выбор достаточно сложной тестовой задачи, что должно способствовать повышению ее прогностической диагностики и более высокой мотивации испытуемых в ходе ее выполнения;

5) выработка достаточно устойчивого навыка управления в режиме компенсаторного слежения (не менее 20% от задачи);

6) проведение в одинаковых комфортных условиях до и после температурного воздействия исследований для оценки текущего уровня работоспособности при решении тестовых задач и динамики их восстановления после стресс-воздействия у испытателей;

7) создание высокой мотивации у испытателей при их участии в экспериментах.

3.2. Общие подходы моделирования условий деятельности и оценки функционального состояния человека-оператора

Программа экспериментальных исследований функционального состояния и работоспособности человека-оператора при различной степени гипертермии включала ряд серий экспериментальных исследований, в которых моделировались возможные сочетания структуры и интенсивности операторской деятельности и экзотермической нагрузки, характерные для предполетной и летной деятельности применительно к ЛА 4-го и перспективных поколений.

В зависимости от решаемых в различных сериях задач на операторе были одеты плавки, х/б белье, носки, демисезонные ботинки, кислородная маска КМ-34, защитный шлем ЗШ-5 или ЗШ-7. Использовался также вентилирующий костюм ВК-3М, ВК-3М(Д) с регулируемым распределением воздушного потока.

После одевания комплекта измерительных датчиков и летного снаряжения испытатель располагался в кабине стенда с температурой окружающей среды 17–25°С. Здесь проводилась регистрация фоновых показателей теплового состояния человека и оценивалась его работоспособность в комфортных условиях. По времени цикл занимал 20 мин.

Затем оператор переходил в кабину с высокой температурой окружающей среды в диапазоне 28–70°С. Принципиальная схема и общий вид стенда тренажера представлен на рис. 3.1 и 3.2.

Рис. 3.1 – Принципиальная схема стенда-тренажера моделирования факторов среды обитания и системы оценки функционального состояния человека-оператора

Рис. 3.2 – Стенд-тренажер моделирования факторов среды обитания и системы оценки функционального состояния человека-оператора

Следует подчеркнуть, что сложность явлений тепломассообмена в гермокабине самолета и в защитном снаряжении летчика потребовала от нас создания специального стенда тренажера. Последний был оборудован СКВ, аппаратурой, моделирующей летную деятельность, и контрольно-измерительными приборами. Стенд-тренажер был создан в 1984 г. в инициативном порядке С. М. Разинкиным (старший научный сотрудник), В. А. Мельниковым (инженер отдела), В. М. Духович (адъюнкт отдела) по расчетам подготовленными специалистами МАИ (Московский авиационный институт). Стенд был назван по первым буквам фамилий создателей РДМ-2, первый стенд РДМ-1 был создан для животных.

Серийная промышленная термобарокамера (например, ТБК-08 производства НПО «Звезда») (рис. 3.3) не могла обеспечить необходимых габаритов для симуляции явлений тепломассообмена в гермокабине самолета.

Рис. 3.3 – Промышленный образец термобарокамеры ТБК-8

Конструкция кабины стенда обеспечивала возможность пребывания в ней оператора при различных температурах воздуха с имитацией аэродинамического нагрева поверхности фонаря кабины. Система кондиционирования обеспечивала подачу воздуха в кабину, защитное снаряжение и на дыхание в подмасочное пространство.

Стенд представляет собой две расположенные рядом кабины объемом 2,2 м каждая, геометрические размеры которых приближены к кабинам самолетов-истребителей. Наличие двух кабин позволяло при проведении исследований поддерживать в одной из них комфортную температуру на уровне 15–25°С, а во второй – повышенную, а также при необходимости повышенную в обеих кабинах.

Нагревание камеры осуществлялось с помощью подачи в нее воздуха, нагретого до температуры 130–200°С в объеме до 300 л/мин посредством пропускания его по системе трубопроводов через электротуннель печи СУОЛ-1. Забор воздуха для нагревания производился из магистрали высокого давления, либо с помощью центробежных регуляторов из кабины, изменяя расход подаваемого воздуха и его температуру. Температура, задаваемая в камере во время эксперимента, поддерживалась с точностью 2°С. За счет постепенного притока горячего воздуха в кабину осуществлялось его перемешивание путем конвекции или с использованием средств принудительной вентиляции. Это позволяло поддерживать градиент температур голова–ноги, равный 8–12°С, отражающий реальный перепад температуры воздуха по вертикали в кабине самолета. В полете, а также при необходимости поддерживать практически равномерный нагрев, имитирующий нагрев ЛА в ожидании вылета, относительная влажность воздуха составляла 40–60% при температуре в камере 20–35°С и 6–10% при температуре 40,0–70,0°С.

При проведении исследований по оценке эффективности перспективных средств защиты летчика температура 60°С представляла собой среднюю температуру кабины. При этом температура воздуха в районе головы оператора находилась в диапазоне 66 ± 2°С, стен – 58 ± 2°С.

Внутренняя поверхность камер облицована листовым алюминием. Теплоизоляционный пакет из стекловаты, толщиной 5 см и фанеры (12 мм) обеспечивал температуру на внешней стороне обивки 20°С при температуре в камере +60°С.

Одновременно с началом эксперимента практически во всех исследованиях включалась шумовая фонограмма, транслируемая в кабину, где находился испытатель. Громкоговоритель располагался на уровне человека-оператора и позволял создать шум мощностью 85–90 дБ, аналогичный шуму в кабине летчика истребительной авиации.

Система кондиционирования воздуха, подаваемого на вентиляцию подкостюмного и подшлемного пространства, состояла из набора резиновых трубок 15 мм, соединенных с ротаметрами и регулировочными вентилями с помощью разъемных муфт. Горячая вентиляционная магистраль представляла собой трубку длиной 10 м, намотанную на барабан 0,2 м и помещенную в кабину стенда. Варьируя длину трубки, сматываемой с барабана и выводимой за пределы камеры, можно было изменять температуру подаваемого воздуха в пределах от комнатной до 10°С ниже температуры воздуха в камере.

Холодная вентиляционная магистраль представляла собой трубку длиной 7 м, смотанную в спираль, помещенную в металлический бак 0,3 м и объемом 10 л, наполненный смесью холодной воды и льда. Изменяя длину трубки, находящейся в баке, можно было добиться понижения температуры подаваемого воздуха до 15°С непосредственно у входа в вентиляционное снаряжение и подшлемник при наиболее теплонапряженных режимах.

Система вентиляции головы представляла собой полихлорвиниловую трубку 8 мм, спрофилированную в виде кольца 17 см и с подводящими магистралями, расположенными в затылочной части головы. На кольцевой части трубки имелись отверстия 1–1,5 мм для выхода вентилирующего воздуха. Стыковка трубок с подводящими магистралями производилась с помощью легкоразъемных переходников. Вес кольца – 20 г.

Качество операторской деятельности, выполняемой на стенде-тренажере, оценивалась методом двухмерного компенсаторного слежения за сигналами синусоидальной формы с частотой 0,15×0,15 Гц. Разработка и сопровождение модели слежения проводилось по авторской методике инженера, научного сотрудника Д. А. Арбузова. На первом этапе сигнал задавался прибором МН7, который позже был заменен на более современную модель МН10 (рис. 3.4). Основной проблемой приборов серии МН являлось то, что все они были ламповыми и в течение непродолжительной работы из-за нагрева в них сбивалось положение «нуля». Учитывая эту проблему и развитие научно-технического прогресса, прибор МН 10 был в последствии заменен на аналого-вычислительный комплекс АВК 2/3 (рис. 3.5), в сочетании с выполнением задачи выбора из 2 альтернатив, задаваемой аппаратурой «Физиолог-М». Прибор индикатора НКП-4 находился на расстоянии 60 см от глаз испытателя. Удержание стрелок прибора НКП-4 в заданной зоне диаметром 10 мм производилось посредством подачи электрических сигналов на стрелки прибора при помощи ручки, соединенной с потенциометрами по «крену» и «тангажу». Индикатор блока «Резервы» аппаратуры «Физиолог-М» находился вне поля зрения оператора на том же расстоянии, что и НКП-4. Ответная часть кнопки находилась на уровне левого подлокотника кресла оператора. Перед началом слежения операторы инструктировались о необходимости выполнения в первую очередь слежения, а во вторую – задача «Резервы».

Рис. 3.4 – Внешний вид прибора «МН-10»

Рис. 3.5 – Внешний вид Аналого-вычислительного комплекса АВК2/3

Оценка качества операторской деятельности производилась ежеминутно циклами по 3–5 минут через каждые 5 минут и осуществлялась путем оценки следующих показателей: времени пребывания вне допустимой зоны (Т), количеством выходов за допустимую зону (Σ – интеграл ошибки рассогласования по «крену» и «тангажу»), скоростью переработки информации по дополнительной задаче и определению коэффициента надежности выполнения совмещенной деятельности. Скорость переработки дополнительной информации (V) определялась по задаче выбора из 2 альтернатив – сложение двух цифр (четный и нечетный результат) с последующим учетом количества правильных и неправильных ответов в течение 1 минуты. Коэффициент надежности (Кнад.) рассчитывался по формуле: