Физиологическая характеристика водолазного снаряжения

В современных условиях значительная часть работ под водой выполняется человеком водолазным методом с использованием специального снаряжения и оборудования. Водолазное снаряжение - это комплект надеваемых на человека изделий и устройств, обеспечивающих его жизнедеятельность под водой. В нашей стране и за рубежом используются несколько десятков различных образцов водолазного снаряжения, объединяемых по тем или иным, нередко несущественным, признакам в различные группы, типы и виды (тяжелое и легкое, глубоководное и неглубоководное снаряжение, аппараты заспинного и нагрудного расположения и т. п.). Однако из всех функций, возлагаемых на снаряжение по поддержанию жизнедеятельности человека под водой, важнейшей является функция обеспечения дыхания.

На основе используемого принципа оптимизации состава дыхательной газовой смеси все многообразие водолазного снаряжения может быть представлено двумя его типами: жесткое и мягкое снаряжение.

Жесткое снаряжение - это антропоморфный стальной скафандр, который защищает человека от гидростатического давления и обеспечивает тем самым пребывание его под водой в условиях нормального атмосферного давления. Технические и физиолого-гигиенические особенности снаряжения обусловлены необходимостью обеспечения жизнедеятельности человека в малом герметизированном объеме. Для этого имеются системы регенерации выдыхаемого воздуха и автономного газоснабжения. На дыхание водолазу подается оптимальная по составу и величинам парциального давления газов дыхательная смесь. Снаряжение предназначено для спусков на большие глубины (200 м и более), однако используется пока сравнительно редко вследствие высокой сложности его эксплуатации, значительного ограничения возможностей для выполнения работы и низкой производительности труда, а также значительной стоимости изготовления. Жесткие скафандры являются родоначальниками различных обитаемых подводных аппаратов, нашедших широкое применение в хозяйственной, научной и других сферах деятельности человека под водой.

Мягкое водолазное снаряжение не защищает человека от воздействия внешнего давления, поэтому все факторы его в полной мере оказывают воздействие на организм.

В настоящее время известно четыре способа нормализации состава дыхательной газовой смеси в снаряжении:

- вентиляция,

- отказ от повторного использования выдыхаемого воздуха,

- кондиционирование (регенерация) выдыхаемой смеси,

- смешанный, вентиляционно-регенеративный способ.

В соответствии с этим мягкое водолазное снаряжение включает четыре класса:

- вентилируемое снаряжение,

- снаряжение с открытой схемой дыхания,

- регенеративное,

- инжекторно-регенеративное снаряжение.

В классе снаряжения с открытой схемой дыхания различают подклассы автономных, шланговых, универсальных и криогенных аппаратов, а в классе регенеративного снаряжения - автономные, шланговые аппараты, аппараты для спасения из подводных объектов и изолирующие противогазы.

При спусках в мягком снаряжении нормальное дыхание возможно лишь при условии подачи водолазу воздуха (искусственных дыхательных газовых смесей) под давлением, равным давлению окружающей среды. Вследствие этого предельная глубина погружения в мягком водолазном снаряжении определяется не только технической характеристикой и конструктивными особенностями снаряжения, а прежде всего составом дыхательной смеси, величинами парциального давления составляющих ее газов.

Способ, используемый для нормализации состава дыхательной газовой смеси, в значительной мере определяет достоинства и недостатки конкретного вида водолазного снаряжения.

Вентилируемое водолазное снаряжение за последние 100 - 150 лет не претерпело принципиальных изменений, просто по устройству, надежно в эксплуатации и до настоящего времени находит самое широкое применение. В качестве ДГС в снаряжении используется обычный воздух, что позволяет осуществлять спуски на глубины до 60 м, а для нормализации его состава внутри скафандра применяется постоянная вентиляция. Одетый в снаряжение водолаз дышит газом из свободного подшлемного объема, что исключает развитие дополнительного сопротивления дыханию за счет механических (конструктивных) факторов, снижает вероятность возникновения барогипертензии и баротравмы легких.

Вместе с тем, при работе в вентилируемом снаряжении водолаз подвергается комплексному воздействию неблагоприятных факторов, которые не только снижают работоспособность, но могут быть причиной некоторых профессиональных заболеваний. Выдыхаемый водолазом воздух поступает в подшлемное пространство, и содержание углекислого газа в этом объеме определяется величиной вентиляции. При подаче воздуха в количестве 80-100 л/мин объемная концентрация СО₂ составляет 1,2-1,5% и увеличивается с интенсификацией окислительно-восстановительных процессов в организме (усиленная физическая нагрузка, низкая температура окружающей среды).

Для поддержания парциального давления (можно сказать – доли) СО₂ в допустимых пределах по мере возрастания глубины погружения необходимо пропорционально увеличивать объем подаваемого газа. Подача водолазу в одну минуту более 100 - 120 л воздуха, сжатого до давления глубины погружения, сопряжена с техническими трудностями, существенно затрудняет поддержание нормальной остойчивости под водой, резко повышает и без того большую интенсивность шума в шлеме, что является причиной снижения слышимости и разборчивости речи, нарушения функционального состояния центральной нервной системы. Поступающий с поверхности сжатый воздух в скафандре подвергается редуцированию, при этом его температура падает, что вызывает охлаждающий эффект. Переохлаждение также обусловливается большой скоростью движения газа в шлеме, высокой влажностью и отрицательной тепловой радиацией.

Свободный газ в скафандре придает водолазу значительную положительную плавучесть, для погашения которой применяются тяжелые грузы, галоши с металлическими подошвами. Большая масса и объем снаряжения, его громоздкость, а также сопротивление, создаваемое воздушным шлангом и сигнальным концом, значительно затрудняют передвижение водолаза на грунте, повышают энергозатраты, снижают производительность труда. Поддержание оптимального соотношения массы и объема снаряжения в различных ситуациях под водой достаточно сложно, требует определенных практических навыков и физических усилий. Нарушение указанных соотношений изменяет остойчивость водолаза, затрудняет дыхание, вызывает преждевременное утомление и может быть причиной обжима водолаза или выбрасывания его на поверхность воды. Значительные физические нагрузки под водой обусловливают, при прочих равных условиях, большую величину конечного насыщения организма индифферентным газом, а развившееся утомление нарушает процесс нормального рассыщения при декомпрессии. Неслучайно поэтому наиболее частым видом специфической патологии при работе в вентилируемом снаряжении является декомпрессионная болезнь. Автономность снаряжения в случае прекращения подачи воздуха с поверхности ограничена несколькими минутами, на протяжении которых, вплоть до критических величин, возрастает концентрация СО₂ и столь же неуклонно снижается парциальное давление кислорода.

Снаряжение с открытой схемой дыхания (акваланг) получило признание и широкое распространение в 50-х годах прошлого столетия. Основной характеристикой этих аппаратов является незамкнутая схема дыхания: воздух водолазу поступает только при вдохе, а выдох осуществляется в окружающую среду. Акваланги как водолазные аппараты для малых и средних глубин имеют существенные преимущества по сравнению с другими видами снаряжения. Они просты по устройству, надежны в эксплуатации, их подготовка и использование несложны, для дыхания применяется доступная газовая смесь (воздух). Имея небольшую массу и габариты, снаряжение незначительно стесняет движения водолаза и может использоваться в варианте плавания под водой. Акваланги находят широкое применение при кратковременных спусках на небольшие глубины, а также в подводных видах спорта.

Важным преимуществом аппаратов является их относительно высокая безопасность. Отказ от утилизации выдыхаемого воздуха практически исключает возможность возникновения отравления углекислым газом и кислородного голодания, а ограничение предельной глубины погружения - опасность отравления кислородом и азотный «наркоз». В большинстве стандартных аппаратов запас сжатого воздуха в баллонах рассчитан на ограниченное время пребывания на разных глубинах, исключающее значительное насыщение тканей организма индифферентным газом. Следовательно, и вероятность возникновения декомпрессионной болезни при безостановочном подъеме на поверхность сводится, как правило, к минимуму.

Открытая схема дыхания в акваланге обеспечивается дыхательным автоматом, который является одним из важнейших узлов аппарата. Этот узел осуществляет подачу водолазу необходимого количества воздуха под давлением, равным величине окружающего давления. Нарушения в работе дыхательного автомата могут быть причиной развития барогипертензии, баротравмы легких, кислородного голодания.

Использование аквалангов, как и любой дыхательной аппаратуры, всегда сопряжено с дыханием под избыточным давлением. Величина дополнительного сопротивления дыханию складывается из факторов механического, аэродинамического и гидростатического характера. Механическое (частично - аэродинамическое) сопротивление обусловлено конструктивными особенностями, исполнением отдельных частей аппарата и поэтому является относительно неизменным. Аэродинамический компонент общего сопротивления находится в прямой зависимости, главным образом, от интенсивности и характера дыхания, а также от величины легочной вентиляции. Нестабильным является и гидростатическое сопротивление, величина которого зависит от компоновки дыхательного автомата на акваланге, размещения аппарата на водолазе и положения человека под водой, что в конечном итоге определяет величину градиента давления на уровне расположения дыхательного автомата и нижнего края грудной клетки. Таким образом, даже у одного и того же аппарата общее сопротивление дыханию не бывает постоянным, изменяясь в зависимости от условий спуска и характера выполняемой водолазом работы под водой. В ряде случаев избыточное давление в дыхательных путях по величине, скорости нарастания и времени воздействия становится достаточным, чтобы быть причиной развития патологического состояния.

В конструкцию всех современных аквалангов входит узел, назначением которого является подача водолазу сигнала о снижении запасов газа до минимально допустимых пределов. Принцип работы такого указателя в различных образцах аппаратов может быть неодинаков. Тактильно-звуковые указатели работают безотказно, и единственным их недостатком является слабый по силе сигнал, который водолаз не всегда может услышать, появляется опасность остаться под водой без запасов газа. Звуковые указатели лишены этого недостатка: звук (свист) достаточной интенсивности появляется при каждом вдохе и хорошо слышен. Однако конструкция узла довольно сложна и менее надежна, поэтому в современных моделях используется редко.

В последнее время получили распространение указатели «физиологического» типа, названные так потому, что воздействуют на физиологический механизм дыхания. Принцип их действия основан на увеличении сопротивления дыханию вследствие перекрытия каналов поступления газа в дыхательный автомат при определенном снижении давления в баллонах. Однако быстрое закрытие газопроводящих путей, особенно при значительном минутном расходе газа, может закончиться развитием баротравмы легких.

Несущественно улучшает конструкцию и другая модификация, при которой канал поступления газа перекрывается неполностью. Опасность развития барогипертензии и баротравмы легких при этом не устраняется, а только уменьшается. Таким образом, рассмотренный принцип работы таких узлов по своей сущности не является физиологичным, ибо увеличивает и без того достаточно высокое дополнительное сопротивление дыханию в акваланге.

Принятая в аквалангах схема дыхания в значительной мере обеспечивает безопасность при использовании снаряжения и в то же время обусловливает неэкономный расход запасов газа, что ограничивает глубину погружения и время пребывания на грунте в автономных аквалангах.

В шланговых аппаратах воздух на дыхание подается с поверхности, а его запас в баллонах является аварийным. В таких аквалангах время пребывания под водой может быть значительно увеличено.

Регенеративное снаряжение является самым представительным по числу входящих в него видов и включает в себя аппараты различного целевого назначения, используемые как на малых, так и на предельных глубинах.

Регенеративные аппараты (ребризеры) применяют также для проведения кислородной декомпрессии и сеансов оксигенобаротерапии в камерах повышенного давления.

Конструктивные и физиологические характеристики столь различных аппаратов не могут быть однозначными. Общим их признаком является принятый метод снабжения человека газовой смесью: дыхание водолаза обеспечивается за счет непрерывной регенерации циркулирующего по замкнутому контуру выдыхаемого газа и пополнения кислорода за счет запасов газовой смеси в баллонах.

Преимуществом замкнутой схемы дыхания является:

- экономный расход газовой смеси,

- возможность более длительного пребывания под водой.

Регенеративные аппараты отличаются:

- небольшой массой и габаритами,

- мало стесняют движения водолаза,

- обеспечивают скрытность и бесшумность при проведении подводных работ.

Вместе с тем, они достаточно сложны по устройству и требуют для использования высокой профессиональной подготовленности. При работе в регенеративных аппаратах и наличии соответствующих условий не исключается возможность развития практически всех известных видов профессиональной патологии водолазов.

Непременным условием дыхания в регенеративных аппаратах является плотное соединение его с дыхательными путями человека, что обеспечивается применением загубника или полумаски. При нахождении под водой загубник достаточно надежно выполняет эту функцию и подсос из шлема практически исключен, однако в случае использования аппарата в камере высокого давления возможен подсос газа носом. Длительное дыхание в аппарате с загубником вызывает раздражение слизистой рта, обильную саливацию, утомляет жевательную мускулатуру, изменяет привычное носовое дыхание и увеличивает дополнительное сопротивление дыханию.

Полумаски лишены многих из этих недостатков, однако герметичность соединения аппарата с дыхательными путями при этом страдает. Направленная циркуляция газа в аппарате обеспечивается клапанами вдоха и выдоха, неисправность в работе которых увеличивает мертвое пространство, нарушает регенерацию газовой смеси и может быть причиной значительного накопления СО₂ в аппарате. Количество СО₂ в дыхательной смеси зависит также от качества поглотителя и условий протекания реакции его связывания. Дыхательный мешок аппарата выполняет функцию резервуара для газовой смеси, откуда производится вдох, а также является редуцирующей емкостью, автоматически выравнивающей давление поступающего из баллонов газа до величины давления окружающей среды. С помощью дыхательных трубок и загубника мешок непосредственно сообщается с легкими водолаза, поэтому любые колебания давления в нем вызывают синхронные изменения давления и в легких. Неисправности в работе газоподающих частей, травяще-предохранительного клапана обусловливают несоответствие давления в мешке внешнему давлению и могут вызывать существенные изменения функций сердечно-сосудистой и дыхательной систем, барогипертензию и повреждение легочной ткани.

Замкнутая система дыхания требует постоянной коррекции состава газовой смеси ввиду прогрессирующего снижения парциального давления кислорода и возрастания доли индифферентного газа. Поэтому отступления в правилах периодической замены газовой смеси в аппарате или нарушения в ее поступлении в дыхательный мешок из баллонов могут предопределить развитие, как кислородного голодания, так и баротравмы легких. Дополнительное сопротивление при дыхании в регенеративных аппаратах так же как и в аквалангах, является многокомпонентным и в зависимости от складывающихся условий может составить 2,5 - 4,0 кПа (250 - 400 мм вод. ст.). В некоторых регенеративных аппаратах в качестве дыхательной газовой смеси (ДГС) используется кислород. Опасность развития отравления кислородом вынуждает строго ограничивать как максимальную глубину погружения в таких аппаратах (20 м), так и время пребывания под давлением. В настоящее время это снаряжение вследствие сложной методики использования, меньшей безопасности по сравнению с аквалангами редко применяется для выполнения работ под водой и используется главным образом при проведении кислородной декомпрессии и сеансов оксигенобаротерапии.

Аппараты, используемые для спусков на средние и большие глубины, более сложны по устройству, у некоторых из них предусматривается определенная автоматизация в поддержании парциального давления кислорода дыхательной смеси в заданных пределах. Пользование снаряжением упрощается, однако это достигается за счет усложнения конструкции, снижения надежности снаряжения. Нарушения в работе отдельных узлов, отсутствие приборов контроля за их исправностью и составом газовой смеси в аппарате не исключают возможности развития кислородного голодания, декомпрессионной болезни, отравления кислородом и углекислым газом.

Работа под водой, особенно на больших глубинах, проходит при относительно низкой температуре и высокой теплопроводности, с использованием в дыхательных смесях гелия. Поэтому для обогрева водолаза используются различные схемы и методы. В целом же проблема обогрева человека под водой является сложной в техническом отношении и не до конца решенной в настоящее время.

К регенеративному снаряжению для выхода из аварийных подводных объектов предъявляются специфические требования. На реализацию этого предназначения направлены особенности конструкции и принцип действия снаряжения, а также методика его использования. Кольцевая форма дыхательного мешка, размещаемого на верхней части тела, надежно обеспечивает положительную плавучесть и вертикальное положение гидронавта при всплытии, а на поверхности удерживает голову над водой. Возможность автоматической коррекции состава дыхательной смеси в соответствии с величиной внешнего давления и длительностью пребывания в этих условиях позволяет использовать снаряжение, как при замедленном, так и быстром безостановочном подъеме на поверхность из аварийного подводного объекта. Аппарат отличается простотой устройства, несложной методикой использования, высокой надежностью и безопасностью.

Инжекторно-регенеративное снаряжение предназначено для спусков на большие глубины, а в техническом и физиолого-гигиеническом отношении представляет собой комбинацию вентилируемого скафандра и регенеративного аппарата. Принятая схема снабжения водолаза газовой смесью отличается достаточно экономным расходом газа, а применение инжектора обеспечивает эффективную регенерацию, не увеличивает сопротивления дыханию, поддерживает довольно низкое содержание СО₂ в скафандре.

Снаряжение просто по устройству и отличается надежностью в работе. Вместе с тем, оно, как и вентилируемые скафандры, громоздко, имеет большую массу, что значительно утомляет водолаза. Для спусков под воду требуется специальное судно, сама методика погружения весьма громоздка и сложна, необходим многочисленный обслуживающий персонал. В последние годы при спусках на большие глубины это тяжелое снаряжение уступает место легким и компактным регенеративным аппаратам.