О критериях обоснованного использования материалов для производства костюма военнослужащим Арктики Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 685.54:519.68

Н.Г. Селина, Н. В. Тихонова, А. Б. Михайлов, В. Т. Прохоров, Т. М. Осина

О КРИТЕРИЯХ ОБОСНОВАННОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ

ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА КОСТЮМА ВОЕННОСЛУЖАЩИМ АРКТИКИ

Ключевые слова: костюм, военнослужащий, Арктика, куртка теплозащитная, пакет материалов, физико-механические и теплофизические характеристики материалов, критерии обоснованного выбора материалов.

В статье проведены исследования по созданию куртки для защиты от холода военнослужащего, находящегося в условиях Арктики. В основу создания теплозащитной одежды для эксплуатации должен быть положен научный принцип, учитывающий физиологию теплообмена человека с окружающей средой. При разработке теплозащитной одежды следует выполнять требования к теплоизоляции всех областей тела. Пакеты материалов были выбраны в соответствии с требованиями к теплозащитной одежде и применяемых материалов для её изготовления.

Keywords: costume, soldier, Arctic, jacket thermal insulation, package materials, physico-mechanical and thermophysical characteristics of materials, the criteria for a reasonable choice of materials.

The article conducted research on the creation of jackets for protection against the cold soldier who is in the Arctic. Based on the creation of heat-protective clothing for use should be based on scientific principles taking into account the physiology of heat exchange of man with the environment. In the development of thermal protective clothing should meet the requirements for insulation of all areas of the body. Packages of materials were selected in accordance with the requirements for heat-protective clothing and materials used for its production.

Введение

В качестве объекта исследования были выбраны критерии обоснованного выбора пакета материалов при производстве костюма для военнослужащих Арктики. При этом, будут уточнены предпочтения, которые бы гарантировали им комфортные условия при исполнении ими своих служебных обязанностей.

Основная часть

При выборе пакетов материалов для исследования учитывались физико-механические, теплофизические характеристики материалов, сведения о специфике эксплуатации данной одежды, которые были получены нами из открытых литературных источников.

Особенностью обоснованного выбора пакетов материалов к костюму для военнослужащих Арктики является тот факт, что они должны обеспечивать ему не только комфортное состояние за счет гарантированного температурного режима пододежного пространства не ниже 340С, но и соответствовать всем требованиям, предъявляемым к изготовлению теплозащитной одежды.

Для исследования были рассмотрены пакеты как импортных полимерных материалов для производства куртки, так и пакеты отечественных полимерных материалов, которые оценивались на предмет их удовлетворения требованиям к теплозащитной одежде при нахождении военнослужащих в климатических зонах с температурой от -200С до -400С [14]. Результаты проведенных ранее исследований с использованием разработанного авторами программного продукта для обоснованного выбора пакета материалов при изготовлении костюма военнослужащим Арктики показали, что при начальной средневзвешенной температуре поверхности военнослужащего +360С для всех пакетов материалов с использованием и отечественных полимерных материалов и импортных полимерных материалов наблюдается резкое падение температуры тела при

температуре воздуха от -200С до -400С, провоцируя ощущение дискомфорта в течение уже первого часа их нахождения в этих условиях, что предполагает поиск новых материалов, которые бы гарантировали им комфортное состояние в течение не менее двух часов. В таблице 1 приведена характеристика пакета импортных полимерных материалов для производства куртки, а в таблице 2 приведена характеристика пакета отечественных полимерных материалов. Пакеты материалов были выбраны в соответствии с требованиями к теплозащитной одежде и применяемых материалов для её изготовления. При составлении пакетов учитывалось назначение каждого слоя и теплофизических характеристик материалов.

Наибольшее применение найдут при изготовлении костюма военнослужащим Арктики отечественные термоклеевые прокладочные материалы (ТКПМ), характеристики которых приведены в таблицах 1 и 2 [5].

Каждый материал из составленных пакетов соответствует требованиям, предъявляемые к изготовлению теплозащитной одежды.

Трудность составления пакета заключалась в недостаточной информации по ряду материалов. Поэтому, пакеты материалов для моделей №1-№3 составлены из наиболее известных материалов импортного производства, а пакеты № 1* - №3 * составлены из материалов отечественного производства.

Трудность выбора пакета материалов заключается еще и в том, что при выборе материалов, применяемых на конкретное изделие, необходимо учитывать регион, в котором будут эксплуатироваться данные изделия, так как конкретные изделия будут подвергаться иным условиям эксплуатации применительно к климатическим зонам. Особенно это касается теплозащитной одежды, эксплуатируемой в условиях Арктики.

Таблица 1 - Характеристика пакета импортных полимерных материалов для производства куртки

Модель Материалы пакета Толщина, мм Коэффициент теплопроводности А, Вт/м- °С

Ткань синтетическая (100% ПЭ) 1,6 0,042

Модель 1 Утеплитель Ртота1ой (основной) Прокладочные материалы: 1. ТКПМ «Пикардии» 1242\17 2. ТКПМ «Кийет» R171G57 3. ТКПМ «Kufner» В141N77 4. ТКПМ АКР-622\АКР218 12,0 1,2 1,3 2,1 3,5 0,034 0,041 0,031 0,021 0,009

Ткань подкладочная 0,76 0,039

Ткань синтетическая (100% ПЭ) 1,6 0,042

Модель 2 Утеплитель «Холлофан» 2 слоя основной Прокладочные материалы: 1. ТКПМ «Пикардии» 1242\17 2. ТКПМ «Kufner» R171G57 3. ТКПМ «Kufner» В141N77 3. ТКПМ АКР-622\АКР218 12,0 1,2 1,3 2,1 3,5 0,036 0,041 0,031 0,021 0,009

Ткань подкладочная 0,76 0,039

Ткань синтетическая (100% ПЭ) 1,6 0,042

Модель 3 Утеплитель «Комбишерсть» «250+150» основной Прокладочные материалы: 1. ТКПМ «Пикардии» 1242\17 2. ТКПМ «Ки&ет» R171G57 3. ТКПМ «Ки&ет» В141N77 3. ТКПМ АКР-622\АКР218 12,0 1,2 1,3 2,1 3,5 0,33 0,041 0,031 0,021 0,009

Ткань подкладочная 0,76 0,039

Таблица 2 - Характеристика пакета отечественных полимерных материалов для производства куртки

Коэффици-

ь ле Тол- ент тепло-

едо Материалы пакета щина, проводно-

М мм сти А,

Вт/м-°С

Мембранная ткань 3,5 0,06

Синтепон (100% ПЭ) основной 15 0,035

1 Прокладочные материалы:

ь л 1. ТКПМ «Пикардии» 1242\17 1,2 0,041

ле д 2. ТКПМ «Kufner» R171G57 1,3 0,031

о М 3. ТКПМ «Kufner» B141N77 2,1 0,021

4. ТКПМ АКР-622\АКР218 3,5 0,009

Флис 1,2 0,039

Ткань ПЭ (арт. 06617-кв) 2,1 0,040

Утеплитель Termofinn Micro основ- 15 0,036

ной

2 Прокладочные материалы:

ьл е 1. ТКПМ «Пикардии» 1242\17 1,2 0,041

до 2. ТКПМ «Kufner» R171G57 1,3 0,031

М 3. ТКПМ «Kufner» B141N77 2,1 0,021

4. ТКПМ АКР-622\АКР218 3,5 0,009

Ткань подкладочная вискозо- 0,6 0,044

комплексная

Ткань смесовая (67% ПЭ + 33% 1,8 0,041

ХЛ)

Полотно прошивное «шерстон» 2

слоя (80% ПЭ + 20% шерсти) ос-

3ь новной 20 0,038

ле д Прокладочные материалы:

о 1. ТКПМ «Пикардии» 1242\17 1,2 0,041

М 2. ТКПМ «Kufner» R171G57 1,3 0,031

3. ТКПМ «Kufner» B141N77 2,1 0,021

4. ТКПМ АКР-622\АКР218 3,5 0,009

Ткань подкладочная арт. 32013 0,69 0,049

Повторимся и назовем основные критерии комфортности одежды: температура кожи, которая не должна быть ниже 33,3°С, а температура пододёж-ного пространства должна быть не ниже 34°С [6] то есть, микроклимат пододёжного пространства является показателем её комфортности, в том числе при воздействии на неё низких температур. Для человека не безразлично, какая часть тела охлаждается больше при сохранении суммарной теплоотдачи, например, сильное охлаждение ног не может быть полностью компенсировано нагреванием другой части тела без нарушения чувства комфортности человека [7]. Поэтому, так важно было разработать математическую модель для обоснования выбора пакета материалов с целью создания комфортности военнослужащему с учётом продолжительности воздействия на него низких температур.

В основу концепции математической модели положено представление одежды, как совокупности многослойных пакетов материалов различной формы и состава [8-10].

Для расчётов распределения температуры авторы использовали математические пакеты Maple.

Решение задачи сводилось к нахождению такого сочетания материалов для пакета, которая реализовала бы минимум потока тепла с её поверхности при ограничении объёма пакета. Таким образом, можно сделать вывод, что с помощью предложенной математической модели можно оптимизировать выбор материалов для изготовления теплозащитного костюма.

Рассмотрим задачу о распределении температуры Tj i - го слоя в деталях костюма, представляющих собой цилиндрическую многослойную поверхность. Температура окружающей среды поддерживается постоянной, равной 7 . От тела на внутреннюю поверхность одежды поступает тепловой поток плотности q. На внешней поверхности одежды происходит теплообмен с окружающей средой по закону Ньютона с коэффициентом теплообмена а.

Введем следующие обозначения базовых критериев:

t- время; Tj(r,t)- температура i -го слоя; Xi -коэффициент теплопроводности i -го слоя; aj -коэффициент температуропроводности i -го слоя; Rj-\,Rj - внутренний и внешний радиусы i -го слоя; i = 1,2 ...n.

Теперь рассмотрим n - слойный полый цилиндр и краевую задачу

7 = а. I±{гЩ Ri-1 < r < Ri i = 1,2...n. (1)

8t ' r 8r\ dr )

C краевыми условиями:

8T

X (Re, t)+q = 0;

8r 8 T

Xn -r {Rn,t) + a7Tn{Rn,t)-Te)= 0 ; or

(2)

Между слоями предполагается идеальный контакт: T-1(Ri-1,t) = Ti(Ri-1,t);

X

8T-1

8T

- 8 (R.--1,t) = X, -i (Ri-1,t), i = 2,..n. (3)

8r 8r

Начальные условия

Т/(г,0)=р/(г) , / = 1,..,п. (4)

Решая поставленную задачу можно найти распределение температуры в слоях костюма и, в частности, изменение температуры пододёжного пространства в зависимости от времени.

Прохождение тепла через многослойную шаровую стенку описывается системой уравнений теплопроводности:

дГ, (г,, 0 ^ 1 82(Г1Т1 (г, 0)

ы

= а.

дг2

(5)

Я/_1 < Г/ < Я/, где Я/_1,Я/ - внутренний и внешний радиусы / - го слоя, t - время, а/ - коэффициент температуропроводности / - го слоя, (/ = 1.....п) .

На внутреннюю поверхность шарового сегмента от стопы поступает тепловой поток плотности q:

8 Т

Л1 {Я§^)+д = 0.

(6)

На внешней поверхности тела теплообмен с окружающей средой происходит по закону Ньютона с коэффициентом теплоотдачи а :

8Т,

Лп^ {Яп^ + аТТп{Яп,1)-Тс)= 0.

дг

(7)

Будем предполагать, что между слоями существует идеальный контакт, который выражается следующими соотношениями:

Т/-1(Я/-1,0=Т/(Я/-1,/)

(8)

Л/-1Т1 (Я/-ъ^) = Л/~~ (Я/-l,t),

8Т/

дг/-1^^ дг/

/ = 2,...,п. В начальный момент времени задается температура

Т/ (г/,0) = Ф/(г/) , (9)

/ = 1.....п .

Таким образом, процесс прохождения тепла через шаровой сегмент от тела к внешней поверхности описывается краевой задачей с начальными условиями, которые приведены выше.

При расчёте нами учитывались следующие критерии:

- толщина слоёв материалов в пакете;

- коэффициент теплопроводности и температуропроводности материалов пакета;

- плотность теплового потока, поступающего от тела;

- температура окружающей среды;

- начальная температура пакета материалов;

- коэффициент теплоотдачи с внешней поверхности пакета в окружающую среду;

- наличие дополнительной прослойки в виде теплозащитного белья и шерстяного свитера.

При расчёте учитывалось так же то, что человек имеет гарантированную теплозащиту ног, рук и головы, то есть, одет в соответствии с климатическими условиями.

Результаты расчётов представлены на рисунке 1 -для материалов импортного производства и на рисунке 2 - для материалов отечественного производства. На данных рисунках приведена зависимость

средневзвешенной температуры кожи тела человека о т в р е м е н и нахождения его при низких температурах (от -20°С до -40°С). Из приведённых рисунков видно, что при начальной средневзвешенной температуры кожи 36°С для всех пакетов материалов наблюдается резкое падение температуры тела при температуре воздуха от -20°С до -40°С.

Модель 1 без дополнительной прокладки

Модель 1 с дополнительной прокладкой ТКПМ АКР-622\АКР218

Время, ч

Модель 2 без дополнительной прокладки

Модель 2 сдополнительной прокладкой

Время, ч

Модель 3 без дополнительной прокладки

Модель 3 сдополнительной прокладкой

Время, ч

Рис. 1 - Результаты расчётов средневзвешенной температуры кожи для пакетов, состоящих из материалов импортного производства при температурах окружающей среды: кривая 1 -20°С, кривая 2 - 30°С, кривая 3 - 40°С

Анализ результатов исследований подтвердили оправданность использования ТКПМ в качестве прокладочных материалов при изготовлении костюма военнослужащим Арктики, так как со всеми ТКПМ обеспечивается комфорт военнослужащему в течение 2 часов его нахождения в климатических зонах с температурой окружающей среды -20°С и -30°С, а вот комфортные условия при его нахождении в климатической зоне при -40°С обеспечивается лишь с использованием ТКПМ АКР-622/АКР218, коэффициент теплопроводности у которого, наименьший, а именно, ^=0,009Вт/м-°С.

г

Модель 1* без дополнительной прокладки

Модель 1 с дополнительной прокладкой

Модель 2* без дополнительной прокладки

Время, ч

Модель 2 сдополнительной прокладкой

Модель 3* без

дополнительной прокладки прокладкой

Время, ч

Модель 3 сдополнительной

различных климатических зонах. Достигнуто высокое совпадение расчётных значений потери тепла с поверхности испытуемых курток с экспериментальными данными, что подтверждает правомочность использования разработанного авторами программного продукта для обоснованного выбора пакетов материалов для костюма военнослужащих Арктики, находящихся в различных климатических зонах.

Литература

1. Афанасьева, Р.Ф. Полимерные материалы в производстве костюма для военнослужащих Арктики (сообщение 1) / Р.Ф. Афанасьева, Н.В. Тихонова, А.Б. Михайлов, Т.М. Осина, И.Д. Михайлова, В.Т. Прохоров// Вестник КГТУ. -2015.-Т. 18. -№ 15. -С. 155-158.

2. Афанасьева, Р.Ф. Полимерные материалы в производстве костюма для военнослужащих Арктики (сообщение 2) / Р.Ф. Афанасьева, Н.В. Тихонова, А.Б. Михайлов, Т.М. Осина, И.Д. Михайлова, В.Т. Прохоров, С.Ю. Полухина // Вестник КГТУ. -2015. -Т. 18. -№ 15. -С. 167-172.

3. Афанасьева, Р.Ф. Полимерные материалы в производстве костюма для военнослужащих Арктики (сообщение 3) / Р.Ф. Афанасьева, Н.В. Тихонова, А.Б. Михайлов, Т.М. Осина, И.Д. Михайлова, В.Т. Прохоров // Вестник КГТУ. -2015. -Т. 18.- № 22.- С. 89-94.

4.Афанасьева, Р.Ф. Полимерные материалы в производстве костюма для военнослужащих Арктики (сообщение 4) // Р.Ф. Афанасьева, Н.В. Тихонова, А.Б. Михайлов, Т.М. Осина, И.Д. Михайлова, В.Т. Прохоров, Д.В. Рева // Вестник КГТУ. -2016. -Т. 19. -№ 11. -С. 114-118.

5. Мухаметгалиева, Н.М. Термоклеевые прокладочные материалы для фронтального дублирования в процессах изготовления мужского костюма / Н.М. Мухаметгалиева, А.А. Азанова // Вестник КГТУ. -2013. -№ 4. -С. 168-169.

6. Афанасьева Р.Ф., Бурмистрова О.В., Прокопенко Л.В. Холодовой стресс: медико-биологические аспекты профилактики: Монография. -.М: ООО фирма «Реифор», 2012. -214 с.

7. Делль Р.А., Афанасьева Р.Ф., Чубарова З.С. Гигиена одежды: Учеб. пособие для вузов. - М.: Легпромбытиздат, 1991. - 160 с.

8. Осина Т.М и др. Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ № 2014617468 Программа оценки распределения температур и влаги в системе «стопа-обувь окружающая среда». Выдано Российским агентством по патентам и товарным знакам (РОСПАТЕНТ 23.07.2014 г.).

9. Прохоров, В.Т. О влиянии наноматериалов и технологий на литьевые свойства полимерных композиций на основе этилена с винилацетатом/ В.Т. Прохоров и др.// Вестник КГТУ. -2014. -Т. 17. -№ 19.- С. 130-135.

10. Афанасьева, Р.Ф. Возможность программного обеспечения по выбору пакета материалов для костюма военнослужащего Арктики /Р.Ф. Афанасьева, А.Б. Михайлов, Т.М. Осина, И.Д. Михайлова, В.Т. Прохоров // Научный Альманах.-2015.-№7(9).-С.581-595.

Время, ч

Рис. 2 - Результаты расчётов средневзвешенной температуры кожи для пакетов, состоящих из материалов отечественногно производства при температурах окружающей среды: кривая 1 -20°С, кривая 2 - 30°С, кривая 3 - 40°С

Заключение

Авторами доказано, что основным критерием комфортности костюма военнослужащих Арктики при нахождении их в различных климатических зонах является коэффициент теплопроводности. Подтверждена возможность использования программного продукта для обоснования выбора пакетов материалов для костюма военнослужащих Арктики в

© Н. Г. Селина - асп. кафедры «Конструирование, технологии и дизайн», Институт сферы обслуживания и предпринимательства (филиал) ДГТУ, г. Шахты; Н. В. Тихонова - д.т.н., проф. каф. «Конструирование одежды и обуви», КНИТУ, nata.tikhonova.81@mail.ru; А. Б. Михайлов - к.ф-м.н., доц. каф. «Математика и прикладная информатика» ДГТУ; Т. М. Осина - к.т.н., доцент кафедры «Конструирование, технологии и дизайн», ДГТУ; В. Т. Прохоров - д.т.н., проф. той же кафедры, prohorov@sssu.ru.

© N. G. Selina - postgraduate student of the department «Design, technology and design», the Institute of Entrepreneurship and Service sector (branch) DSTU; N. V. Tihonova - Doctor of Technical Sciences, professor «Designing of clothes and footwear», KNRTU, nata.tikhonova.81@mail.ru; A. B. Mihailov - candidate of physical and mathematical sciences, associate professor, head of department «Mathematics and applied informatics», Institute of Entrepreneurship and Service sector (branch) DSTU; T. M. Osina - Ph.D., Associate Professor of Department «Design, technology and design», the Institute of the service sector and business (branch) DSTU; V. T. Prokhorov - Doctor of Technical Sciences, professor the same Department, prohorov@sssu.ru.