G-костюм , или антиперегрузочный костюм , — это летный костюм , который носят авиаторы и астронавты , подвергающиеся воздействию высоких уровней ускорения ( g ). Он предназначен для предотвращения потери сознания и g-LOC (потеря сознания, вызванная перегрузкой), вызванных скоплением крови в нижней части тела при ускорении, что лишает мозг крови. [1] Отключение электроэнергии и g-LOC стали причиной ряда авиакатастроф со смертельным исходом. [2]
Если позволить крови скапливаться в нижних частях тела, мозг будет лишен крови. Это отсутствие притока крови к мозгу сначала вызывает затемнение зрения (затуманивание зрения, также называемое затемнением), за которым следует туннельное зрение и, в конечном итоге, полная потеря зрения, «затемнение», за которым следует g-индуцированная потеря сознания или «g-LOC». . Опасность g-LOC для пилотов самолетов возрастает, поскольку при расслаблении силы перегрузки наступает период дезориентации, прежде чем полная чувствительность будет восстановлена. Перегрузочный костюм не столько увеличивает перегрузочный порог, сколько позволяет дольше выдерживать высокие перегрузки без чрезмерного физического утомления. Толерантность к перегрузке в состоянии покоя у обычного человека составляет от 3 до 5 г в зависимости от человека. Костюм обычно добавляет 1 г к этому пределу. Пилотам по-прежнему необходимо практиковать «маневр перегрузки», который заключается в напряжении мышц живота, чтобы сжать кровеносные сосуды и уменьшить скопление крови в нижней части тела. Высокая перегрузка неудобна даже в комбинезоне. В старых истребителях 6 g считалось высоким уровнем, но на современных истребителях 9 g и более могут быть выдержаны конструктивно [ нужна цитация ] , что делает пилота решающим фактором в поддержании высокой маневренности в ближнем воздушном бою . [ нужна цитата ]
G-костюм представляет собой специальную одежду и обычно представляет собой плотно облегающие брюки , которые надеваются либо под, либо поверх (в зависимости от конструкции) летного костюма летчика или космонавта. Брюки оснащены надувными камерами, которые при повышении давления через чувствительный к перегрузке клапан в самолете или космическом корабле плотно прижимаются к животу и ногам, тем самым ограничивая отток крови от мозга в периоды сильного ускорения. Кроме того, в некоторых современных самолетах с очень высокой перегрузкой эффект антиперегрузочного костюма усиливается за счет небольшого давления, оказываемого на легкие ( дыхание с положительным давлением ), что также повышает устойчивость к высоким перегрузкам. костюмы и дыхание с положительным давлением легко воспроизвести на симуляторе, хотя в таких устройствах, как центрифуги, искусственно можно создать только непрерывную перегрузку . [3]
Были разработаны различные конструкции костюмов. Сначала они использовали наполненные водой пузыри вокруг нижней части тела и ног. В более поздних конструкциях для надувания пузырей использовался воздух под давлением. Эти комбинезоны были легче, чем версии, наполненные жидкостью, и до сих пор широко используются. Однако швейцарская компания Life Support Systems AG и немецкая Autoflug совместно разработали новый костюм Libelle для использования с самолетами Eurofighter Typhoon , который возвращается к жидкой среде в качестве среды и улучшает характеристики. Иск Libelle находится на рассмотрении для принятия на вооружение ВВС США . [4]
Еще в 1917 году были документально подтверждены случаи потери сознания летчиками из-за g (G-LOC), которые назывались «обмороками в воздухе». [5] [6]
Признание того, что крутые повороты, необходимые пилотам высокоскоростных полетов Королевских ВВС, участвовавшим в гонках Schneider Trophy 1920-х годов , приводили к отключению электроэнергии, означало ограничение на 4G, чтобы ограничить их «серость» с лишь частичной потерей зрения. [7]
В 1931 году профессор физиологии Фрэнк Коттон из Сиднейского университета описал новый способ определения центра тяжести человеческого тела. Это позволило описать перемещение массы внутри тела при ускорении. [8] Коттон осознал необходимость антигравитационного костюма во время битвы за Британию в 1940 году . Было подсчитано, что 30% смертей пилотов произошли из-за несчастных случаев, в том числе из-за отключения электроэнергии. В частности, Supermarine Spitfires были способны совершать быстрые повороты, которые создавали высокие перегрузки, приводящие к потере сознания при пикировании для ведения огня или уклонения от огня противника. [9]
С развитием в конце 1930-х годов более скоростных истребителей-монопланов силы ускорения во время боя стали более серьезными. [6] [10] Еще в 1940 году некоторые самолеты имели подставки для ног над педалями руля направления, чтобы ступни и ноги пилота могли подниматься во время боя, пытаясь свести к минимуму негативные последствия поворотов на высокой скорости. Во время таких маневров часто не было необходимости в больших отклонениях руля направления, но была возможность врезаться в радиус поворота противника. [ нужна цитата ]
Уилбур Р. Фрэнкс предложил систему, наполненную водой, в 1938 году, и в отсутствие государственного финансирования он построил прототип размером с себя - на частное финансирование, но его работа была ограничена наличием подходящего самолета. В 1940 году Великобритания предоставила ему в исследованиях Supermarine Spitfire. [7] Первые комбинезоны [11] были разработаны командой под руководством Фрэнкса из Медицинского института Бантинга и Беста при Университете Торонто в 1941 году. [12] Костюмы были изготовлены компанией Dunlop и впервые использовались в эксплуатации в В 1942 году пилоты 807-й эскадрильи авиации флота (FAA) летали на самолетах Supermarine Seafire во время вторжения в Северную Африку в рамках операции «Факел» [13] . В этих устройствах вокруг ног использовались наполненные водой пузыри; были разработаны две Марки (версии):
Принятие костюма на вооружение Королевских ВВС было ограниченным, поскольку существовали опасения по поводу того, что пилоты превысят пределы нагрузки своих самолетов и могут раскрыть его существование противнику. [7]
Профессор Фрэнк Коттон из Сиднейского университета, Австралия , разработал первый в мире успешный противоперегрузочный костюм с газовым приводом. [14] Исследования начались в конце 1940 года, и был разработан костюм с резиновыми мешочками, покрытыми снаружи нерастяжимым материалом. Мешочки автоматически надуваются, когда во время полета увеличивается сила перегрузки. Костюм был разработан в Сиднейской медицинской школе. Коттон построил первую центрифугу для людей в здании Андерсона Стюарта Сиднейского университета под строгими мерами безопасности во время войны. Добровольцев, молодых летчиков, привязали за ноги к центрифуге, подвергли воздействию высокой перегрузки и наблюдали до тех пор, пока не наступило затемнение. Все потеряли сознание. 19 февраля 1942 года, в день крупной японской бомбардировки Дарвина , иск Коттона был одобрен военачальниками союзников. Вскоре американцы разместили заказы на изготовление костюма по эскизам Коттона. [15] Костюм Cotton позже прошел летные испытания на Hurricane, Kittyhawks и Spitfires и обеспечил защиту примерно 2G. Он был исследован Физиологической лабораторией Королевских ВВС, а Королевские ВВС провели конкурентные испытания костюма Cotton Anti-G с костюмом Frank G, который уже был принят на вооружение в 1944 году. Костюм Franks был автономным, были подготовлены производственные контракты, но его было недостаточно. возможность развивать оба направления одновременно, поэтому RAF не смог взять на себя эту задачу, но рекомендовал RAAF это сделать. [7] Королевские ВВС пришли к выводу, что: «Нет сомнений в том, что хлопковый костюм обеспечивает лучшую защиту». Газонадувные баллоны, используемые в хлопковом костюме, до сих пор используются в современных костюмах против перегрузки. [14]
В Соединенных Штатах физиологи доктора . Эрл Х. Вуд , Эдвард Балдес, Чарльз Код и Эдвард Х. Ламберт , работая в сверхсекретной исследовательской лаборатории клиники Мэйо , помогли определить специфические физиологические эффекты, вызывающие потерю сознания и потерю сознания во время высоких перегрузок. Основываясь на своем новом понимании физиологических эффектов высоких перегрузок, они разработали более практичный перегрузочный костюм, основанный на работе Коттона и Фрэнкса. В этом костюме использовалась инфляция, как и в костюме Хлопка. Хотя конструкция профессора Коттона была интригующей, он больше сосредоточился на центре тяжести, чем на кровотоке. Этот последний момент стал ключом к созданию практичного противоперегрузочного костюма, который можно было бы носить в бою. [12] Этот костюм носили американские пилоты в конце Второй мировой войны. [11] [16] [17] [18] [19]
Исследователи входили в группу, собранную в клинике Майо, которая изучала влияние высокопроизводительных полетов на военных пилотов, изучая физиологические последствия полета и способы их смягчения. Они использовали большую центрифугу , чтобы кружить наездников, и наблюдали за их кровяным давлением на уровне головы и сердца с помощью специальных инструментов. Чтобы предотвратить падение артериального давления, команда разработала костюм с воздушным пузырем, который надувал икры, бедра и живот пилота. [20] Основной вклад, позволивший перейти от пульсирующего мочевого пузыря, наполненного водой, к непульсирующему мочевому пузырю, наполненному воздухом, был сделан исследователями Мэйо, заключаясь в том, что он показал, что для поддержания перфузии мочевого пузыря требуется поддержание артериального давления, а не венозного возврата. глаза и мозг. [21] Прототипы костюмов GPS были известны как «костюм артериальной окклюзии» (AOS) или костюм Кларка-Вуда, названный в честь Вуда и Дэйва Кларков (главы компании Дэйва Кларка, которая изготовила первые костюмы для команды в Мейо). ) [22]
Их усилия наконец увенчались выпуском в конце 1943 года первой военной разработки США: противоперегрузочного костюма пилота-истребителя G-1 типа GPS (костюм с градиентным давлением). [23] Впоследствии команда работала над разработкой дальнейших, более совершенных моделей в 1944 году и позже. [23]
Хотя их использование неудобно и отвлекает, более поздние исследования показали, что военные летчики-истребители, носившие гидрокостюмы, выживали и побеждали своих противников в большем количестве, чем те, кто этого не делал. [19]
Современные g-костюмы соответствуют стандарту ВВС США CSU-13B/P и стандарту ВМС США CSU 15 A/P.
Во время Второй мировой войны немецкий Henschel Hs 132 (никогда не летал) и американский Northrop XP-79 (разбился при первом полете с двигателем) оба находились в положении лежа, чтобы минимизировать скопление крови в ногах. [24] После 1945 года британцы экспериментировали с положением лежа на сильно модифицированном реактивном истребителе Gloster Meteor F8 и тренажере Reid and Sigrist RS3 «Bobsleigh» с поршневым двигателем. Однако другие трудности, связанные с пилотированием лежа и разработкой практичных гидрокостюмов для обычных сидячих мест, положили конец этим экспериментам.
Гидрокостюмы воздушного базирования были очень распространены в самолетах НАТО всех стран, начиная с 1950-х годов, и до сих пор широко используются. [ нужна цитата ]
Более поздние реактивные самолеты, такие как McDonnell Douglas F-15 Eagle , General Dynamics F-16 Fighting Falcon , Boeing F/A-18 Super Hornet , Eurofighter Typhoon и Dassault Rafale, могут выдерживать высокие перегрузки в течение более длительных периодов времени и, следовательно, более требовательны к физическим нагрузкам. . Ожидается, что благодаря использованию современного перегрузочного костюма в сочетании с методами борьбы с перегрузками обученный пилот сможет выдерживать ускорения до девяти g, не теряя при этом сознания. [ нужна цитата ]
Астронавты носят гидрокостюмы, похожие на авиаторы, но сталкиваются с другими проблемами из-за воздействия микрогравитации . Костюмы авиаторов оказывают равномерное давление на голени, чтобы минимизировать эффекты высокого ускорения, но исследования Канадского космического агентства [25] показывают, что может быть полезно иметь костюм для астронавтов , который использует «доильное действие» для увеличения кровообращения. поток к верхней части тела. [ нужна цитата ]
Пилоты чемпионата мира Red Bull Air Race с сезона 2009 года носят костюм под названием g-Race Suit. Костюм g-race представляет собой заполненную жидкостью (водой) автономную и независимую от самолета рабочую систему g-защиты всего тела. Он изготавливается индивидуально для каждого пилота и может точно регулироваться с помощью шнуровки. [ нужна цитата ]
Костюм g-race содержит четыре так называемых «жидких мускулатуры», которые представляют собой герметичные трубки, заполненные жидкостью. Каждая жидкостная мышца простирается от плеча до лодыжки. Две жидкостные мышцы, каждая из которых заполнена примерно 1 литром жидкости, что в общей сложности составляет около 4 литров (1,1 галлона США) на костюм g-race, расположены вертикально на передней стороне костюма g-race, а две расположены вертикально на задняя сторона костюма g-race. Общий вес костюма составляет в среднем 6,5 кг (14 фунтов), а его ткань изготовлена из специальной смеси тварона и номекса . Эффект противодавления возникает мгновенно, без какой-либо задержки по сравнению с задержкой до двух секунд, прежде чем достигается полная защита системы в стандартных пневматических надувных костюмах. Пилот-гонщик интерактивно использует костюм g-race, используя технику напряжения мышц и дыхания, чтобы добиться улучшения сердечного выброса и, таким образом, улучшения G-защиты. [26]
