CC BY
73
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И Том III ' ~ 1972
УДК 629.735.33.015.073 629.7.046
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ЗНАКОПЕРЕМЕННЫХ ПЕРЕГРУЗОК НА ПРОФЕССИОНАЛЬНУЮ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ЛЕТЧИКА И КОМФОРТ ПАССАЖИРОВ
Б. Н. Алексахин, В. Ф. Жернавков, С. Л. Кайгородов,
В. Г. Кузнецов, А. В. Малахов, Ю. И. Сидоров
Приводятся результаты летных и стендовых исследований комфортных условий и профессиональной деятельности летчика при воздействии знакопеременных перегрузок, обусловленных турбулентностью атмосферы. Оценивается влияние перегрузок на психофизиологические реакции летчика. Предлагается методика оценки характеристик самолета с точки зрения условий работы летчика и комфортных условий для пассажиров при полетах в турбулентной атмосфере, основанная на использовании кривых субъективного дискомфорта.
Полеты современных самолетов нередко сопровождаются значительными перегрузками, действующими на самолет. Это и случайные перегрузки, вызванные турбулентностью атмосферы, и перегрузки, обусловленные отклонением органов управления.
Стремление уже на стадии разработки самолета обеспечить летчику приемлемые условия для работы и необходимый уровень комфорта для пассажиров привлекло внимание исследователей к изучению вопросов, связанных с воздействием знакопеременных перегрузок на организм человека.
Знакопеременные перегрузки снижают работоспособность и качество выполнения профессиональных функций летчиком, а также вызывают определенный комплекс неприятных ощущений (дискомфорт). Всестороннее обследование испытуемых, подвергшихся воздействию знакопеременных перегрузок, показывает, что при достаточно продолжительном воздействии даже небольших перегрузок у здоровых людей наблюдаются вестибуло-вегетатив-ные расстройства: побледнение кожных покровов, потливость, зевота, изменение частоты дыхания, пульса; появляются тошнота, рвота, апатия; отчетливо снижается работоспособность. Устойчивость по отношению к вышеперечисленным расстройствам различна и во многом зависит от характера их деятельности. Было отме-
чено, что частота сердечных сокращений у летчиков в течение всего полета в турбулентной атмосфере изменялась в широких пределах — от 48 до 130 ударов в минуту (при исходной частоте 72 удара в минуту). В среднем частота сердечных сокращений и минутный объем крови изменялись в следующих пределах: до полета 78 ударов в минуту и 10 литров в минуту, во время полета 90 и 14, после полета 70 и 9 соответственно.
При полетах в турбулентной атмосфере происходит накопление (кумуляция) остаточных явлений, обусловленных расстройством сердечно-сосудистой системы. Ежедневные полеты в течение 3—4 часов уже на третий день приводят к снижению нижней границы и повышению верхней границы артериального давления на 10—15лш рт. ст. Появляются головные боли, раздражительность, усталость, не проходящая после ночного отдыха; переносимость полетов заметно снижается. Эти функциональные нарушения в некоторых случаях сохраняются на длительное время.
Результаты послеполетного обследования летчиков, представленные в таблице, подтверждают их мнение о том, что такие полеты очень утомительны.
Влияние полетов в турбулентной атмосфере в течение 3—4 часов на организм человека (360 измерений)
Показатели Средние значения
до полета после полета
Критическая частота световых мельканий [гц] 36,5 33,5
Время простой реакции на звук [сек] 0,19 0,23
Максимальные мышечные усилия [кгс] 63 58
Мышечная выносливость [кгс] 50 37
При длительном воздействии знакопеременных перегрузок в полете изменяется характер ощущения перегрузок. В частности, длительность ощущения ступенчатого углового ускорения увеличивается в среднем на 55%; иногда возникают иллюзорные ощущения.
В связи с этим необходима разработка специальных профилактических мероприятий, направленных на сохранение здоровья и эффективность профессиональной деятельности летчиков, совершающих систематические полеты в зонах воздушной турбулентности.
Отмеченное вредное влияние знакопеременных перегрузок на организм человека приводит к ухудшению качества пилотирования самолета летчиком. Например, ошибки при стабилизации заданной высоты в горизонтальном полете при уровне турбулентности, оцениваемом среднеквадратическим значением перегрузок оТ„ = == 0,09 -ь- 0,11, приблизительно в два раза больше, чем в спокойном воздухе. Абсолютные отклонения по высоте достигают при этом 25 м (для тяжелого самолета типа Ил-18), в то время как отклонения по высоте в спокойном воздухе не превышают 8—12 м. Следует подчеркнуть, что указанные ошибки в стабилизации высоты не являются непосредственным следствием возмущающего
действия турбулентных порывов, а обусловлены производимыми летчиком ошибочными движениями органами управления. При непродолжительном действии турбулентных перегрузок ошибки в координации управляющих движений и усилий лишь в небольшой мере являются следствием дискомфорта, а в основном являются следствием нарушений в информационных каналах летчика и, более всего, следствием дезинформирующего влияния высокочастотных случайных возмущений в обратной связи летчика по перегрузке. Но с ростом продолжительности воздействия перегрузок роль дискомфорта может значительно увеличиться и даже стать определяющей, особенно если учесть кумуляцию остаточных психофизиологических нарушений в организме летчика. Существенно возрастает интенсивность вмешательства летчика в управление самолетом. На фиг. 1 показана зависимость среднеквадратических значений ошибок по углу тангажа (оа) и отклонений руля высоты летчиком (а«) от уровня турбулентных перегрузок (а* ) при стабилизации высоты в горизонтальном полете самолета. Заметно снижается также точность ручной стабилизации самолета по крену и курсу. При некоторых условиях точность стабилизации и управления может настолько ухудшиться, что это будет угрожать безопасности полета или, во всяком случае, сделает невозможным полег на ряде режимов.
Таким образом, в рамках рассматриваемой проблемы возникают две тесно связанные задачи: во-первых, обеспечение летчику приемлемых условий для работы и комфорта для пассажиров и, во-вторых, обеспечение требуемой точности при ручном управлении самолетом. Решение указанных задач невозможно без определения некоторых критериев, характеризующих влияние знакопеременных перегрузок на организм человека и качество выполняемых летчиком операций.
Результаты исследования позволяют в настоящее время считать наиболее приемлемым критерий, основанный на субъективной оценке человеком переносимости знакопеременных перегрузок различного уровня и спектрального состава. Эта оценка является интегральным показателем степени расстройства психофизиологических функций организма и интенсивности неприятных ощущений. В тех случаях, когда общая оценка включает в себя оценку летчиком условий работы, напряженности, трудностей в управлении самолетом и т. д., а также отношение летчика к качеству выполняемой им работы, такой подход позволяет сделать вывод о приемлемости характеристик самолета для полетов в конкретных условиях, в данном случае для полетов в турбулентной атмосфере.
*
А
/
4
к А к У
о
.
! , 1
•> а^
Фиг. 1
ка
о,в
02
/ \
/ / \ л V /
1 / I \
-
По даяным [2'
л
-.1. , ,1
12 2
3 4 5
Фиг. 2
В 7 ш[гц]
Характеристики самолета должны, разумеется, удовлетворять еще и критериям, в которых самолет рассматривается как объект регулирования и по которым оценивается качество переходных процессов.
Критерий, о котором идет речь, основан на зависимости от частоты амплитуды перегрузок, соответствующей либо определенной оценке летчика (пассажира), либо некоторым объективным показателям (точность стабилизации и управления самолетом), которые характеризуют качество работы летчика. Ранее уже гово- **п рилось о том, что это качество, как и субъективная оценка летчика, непосредственно связано с уровнем дискомфорта.
Подобная зависимость, полученная в результате летных и стендовых экспериментов, показана дд на фиг. 2. В летных экспериментах получен участок кривой в диапазоне частот 0,1—0,4 гц, причем ОЛ этому участку соответствует оценка летчика „неприятно, но приемлемо" по шестибальной шкале оценок (6— „незаметно", 5—
„удовлетворительно11, 4—„слегка неприятно14, 3—„неприятно, но приемлемо", 2—„неприемлемо для работы", 1—„непереносимо").
Оценки ниже трех баллов были зафиксированы лишь в отдельных случаях и поэтому имеют малую достоверность. Участок кривой в диапазоне частот 1—1,5 гц получен в исследованиях на подвижном стенде с малыми частотами воспроизводимых перегрузок и ограниченным ходом. Ему соответствует уровень перегрузок, при которых наступает резкое ухудшение точности управления. И, наконец, участок кривой в диапазоне частот 3—8 гц получен в результате экспериментов на стенде с частотой колебаний кресла до 10 гц. Этому участку соответствуют перегрузки, при которых также резко возрастают ошибки при стабилизации самолета по высоте по приборам. Все указанные участки проведены на кривой сплошной линией. Пунктиром показаны участки, для которых из-за ограниченных технических возможностей в экспериментах результаты не были получены. Однако эти участки были исследованы при меньших амплитудах, что было учтено при построении указанной кривой.
'Характер зависимости Ап (<») (кривой дискомфорта) свидетельствует о том, что амплитуда знакопеременных перегрузок, соответствующая определённой оценке их воздействия, зависит от частоты: На кривой дискомфорта отчетливо выделяются три минимума, соответствующие резкому ухудшению переносимости знакопеременных перегрузок.
Наименьший из минимумов в диапазоне частот 0,5—1,0 гц (первый минимум) свидетельствует о преобладающей роли низкочастотной части спектра знакопеременных перегрузок в развитии комплекса психофизиологических расстройств и неприятных ощ-у-
щений. Быстро наступают укачивание, бледность, потливость, тошнота и даже рвота. Появляются устойчивые нарушения в функциях вестибулярного аппарата. Увеличивается длительность протекания реакций. Этот факт позволяет утверждать, что при полетах в турбулентной атмосфере весьма реальна опасность возникновения иллюзорных ощущений в результате возбуждения вестибулярного аппарата. У большинства обследуемых лиц появляется склонность к длительным иллюзиям вращения, что следует считать крайне неблагоприятным симптомом. Заметно искажается восприятие усилий и временных интервалов.
На фиг. 3 показаны зависимости вероятности появления основных симптомов укачивания от амплитуды и частоты перегрузок (12 летчиков, 24 опыта). Все прочие данные медицинского обследования (электрокардиограмма, измерение кровяного давления, частоты пульса, частоты дыхания и т. д.) также подтверждают закономерность появления первого минимума для кривой дискомфорта. Абсолютную величину перегрузки, соответствующую этому минимуму, можно предположительно оценить значением Ди ~ г— --------------------про действии знако-
.0,15-5-0,2. переменных перегрузил
' (со = 5гц~)
----0е,з бездействия
5 10 15 го 25 & И[м]
Фиг. 3 1 Фиг. 4’]
Характер кривой дискомфорта при частотах ш>1 свидетельствует о значительном повышении переносимости перегрузок в этой части спектра. Так, частоте <и = 3 гц уже соответствует перегрузка с амплитудой Апу = 0,85-*-0,9.
Следующее существенное снижение переносимости знакопеременных перегрузок (второй минимум) наблюдается в диапазоне частот 4—6 гц. Оно связано с.явлением „резонанса" внутренних органов, при котором испытуемые ощущают боли в области грудной клетки и живота. Значительным напряжением мышц на непродолжительное время боль несколько снимается, но остается неприятное ощущение, снижающее комфорт и точность управления. Наблюдается наибольшая разность амплитуд перемещений нижней части тела и головы, что также вызывает крайне неприятные ощущения. Для этого диапазона частот характерны те же психофизиологические расстройства, что и для частот, соответствующих первому минимуму, но наиболее неприятные симптомы — симптомы укачивания — отсутствуют. Из показанных на фиг. 4
гистограмм, характеризующих точность стабилизации высоты без воздействия и при воздействии перегрузок с частотой 5 гц, видно существенное ухудшение точности стабилизации при воздействии перегрузок.
И наконец, третий минимум на кривой дискомфорта вызван снижением остроты зрения при воздействии перегрузок с частотами 7—8 гц. При этом резко возрастают ошибки считывания показаний с приборов и связанные с этим ошибки управления и стабилизации самолета. Особых болезненных ощущений не наблюдается.
Приведенные данные позволяют сделать вывод о том, что наиболее неприятным и раздражающим является воздействие на человека низкочастотных перегрузок с частотой ш = 0,14-0,5 гц. Перегрузки с другими частотами (при равных амплитудах перегрузок) переносятся значительно легче.
Приведенная на фиг. 2 кривая дискомфорта должна обязательно учитываться при оценке воздействия случайных перегрузок широкого спектра, что может быть сделано, например, путем использования ее в виде весовой функции 1 /АПу (<в). Можно привести соответствующий такому случаю пример. На фиг. 5 пунктиром показана спектральная плотность перегрузок, действующих на самолет в реальном полете [1]. Если не учитывать характера кривой дискомфорта, то, следуя по пути уменьшения среднеквадратического значения действующих перегрузок (как это и делалось ранее), нужно было бы основные усилия направить на уменьшение перегрузок в диапазоне сравнительно больших частот («>;=; 3,5 гц). Однако если взять произведение спектральной плотности 5ДЛу (ш), показанной на фиг. 5, на квадрат величины 1 /А, (а>)
и принять его аргументом интегральной оценки результатов воздействия перегрузок данного спектра на человека, то полученная кривая (фиг. 5) свидетельствует о том, что в приводимом примере как раз наиболее существенна низкочастотная часть действующих перегрузок, несмотря на сравнительно малую амплитуду перегрузок в этой части спектра.
На фиг. 2 показана также аналогичная кривая субъективного дискомфорта, полученная в зарубежных исследованиях для частот
<«>1,0 гц. Эта кривая построена без учета объективных показателей и основана лишь на оценках физической переносимости перегрузок [2].
Имея кривую субъективного дискомфорта для экипажа, путем соответствующего пересчета, основанного на рекомендациях Международного комитета по стандартизации ИСО/1 Т-108 [3], можно получить аналогичную кривую для пассажиров.
Если бы на самолет в условиях атмосферной турбулентности действовало возмущение какой-то одной частоты (как это было в эксперименте при определении кривой субъективного дискомфорта), то в качестве критерия при оценке степени его вредного влияния можно было бы использовать, например, вероятность достижения предельного значения перегрузки, соответствующей этой частоте. В реальных условиях на самолет действуют случайные перегрузки довольно широкого спектра частот. Поэтому в качестве критерия оценки желательно использовать какой-то интегральный вероятностный критерий, например дисперсию дискомфорта. Дисперсия дискомфорта представляет собой дисперсию на выходе системы, состоящей из самолета и звена, которое обращает кривую субъективного дискомфорта [4]. Входом этой системы является реально действующее возмущение.
Проведенные расчеты показали, что для современного магистрального пассажирского самолета в крейсерском полете в 5—10 случаях из 100 возможно достижение дискомфортных условий для пассажиров, тогда как при полете на малых высотах (при заходе на посадку) этот процент увеличивается до 15—20 для пассажиров и составляет 1—2% для экипажа. Естественно, что в специальных полетах на малой высоте и большой скорости приведенные цифры будут значительно выше.
ЛИТЕРАТУРА
1. Исследование возмущенного движения упругих летательных аппаратов с автоматической системой стабилизации. Обзоры БНТИ ЦАГИ, 1970, № 320.
2. Grand D. L. Some effect of random turbulence on weapon system performance. Aerospace Engineering, vol. 21, No 10, 1962.
3. Потемкин Г. А. Вибрационная защита и проблемы стандартизации. М., Издательство комитета стандартов, мер и измерительных приборов при Совете Министров СССР, 1969.
4. Малахов А. В. О критерии качества систем управления пассажирского самолета при полете в турбулентной атмосфере. Труды ГОСНИИГА, вып. 66, 1970.
Рукопись поступила ISjlV 1971 г.
