Физиология и гигиена летчика в экстремальных условиях

Сергей Михайлович Разинкин, 2019

Монография посвящена медицинским и психофизиологическим аспектам обеспечения безопасности и эффективности деятельности летного состава в экстремальных условиях воздействия высоких температур. Отличительной особенностью монографии является системный анализ путей защиты лиц опасных профессий с позиции деятельностного подхода. Обобщен многолетний опыт проведения исследований включая особенности медицинского сопровождения деятельности летного состава в реальных условиях ведения боевых действий в Афганистане. Многие материалы публикуются впервые и содержат уникальные данные о лимитирующем значении психофизиологических возможностей человека в экстремальных условиях. Монография адресована широкому кругу читателей. Она будет полезна врачам, гигиенистам и физиологам, обеспечивающим работу лиц экстремальных профессий.

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.

Для прогнозирования тепловой устойчивости лиц операторского профиля по показателю возможной продолжительности выполнения деятельности в условиях высокой температуры было установлено, что из числа изученных 85 показателей функционального состояния, включающего такие интегральные методики как вело — и статоэргометрия, определение высотного потолка в барокамере, общеклинический анализ крови и сахарная нагрузка, наибольшей информативностью обладают значения степени невротизации, выраженность черт флегматика, значения индекса массы тела, время переносимости пробы ререспирации. Из числа биохимических показателей наибольшей информативностью обладают параметры содержание инсулина в крови. Кроме того, показано, что чем ниже активность аланинаминотранспептидазы, активность γ-аминотранспептидазы и уровень циклической аминотрансферазы крови, тем выше тепловая устойчивость испытателей. Иными словами, чем ниже выраженность цитодеструктивных процессов, тем большей резистентностью обладает организм человека-оператора. Целесообразна также меньшая активность симпатоадреналовой системы, о чем свидетельствуют значения соотношения адреналин / норадреналин.

Одним из важнейших итогов выполнения исследований явилась разработка методов сохранения работоспособности в условиях жаркого климата, определение путей оптимизации функционального состояния летного состава при перебазировании в условия жаркого климата.

Также были определены пути совершенствования физиолого-гигиенического обоснования способов и средств поддержания работоспособности и боеспособности летного состава при воздействии высоких температур.

В качестве одного из перспективных направлений дальнейших исследований в системе обеспечения работоспособности летчика, нами апробирован и предложен к внедрению АПК авиационного врача, позволяющий своевременно выявлять ранние нарушения в состоянии функционального состояния летчика.