СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОЖАРОЗАЩИЩЕННОСТИ ГЕРМЕТИЧНЫХ ОБИТАЕМЫХ ОБЪЕКТОВ, ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ПОДВОДНЫХ ЛОДОК, В АВТОНОМНОМ РЕЖИМЕ
METHOD OF PROVIDING FIRE SAFE HERMETIC INHABIT OBJECTS, MAINLY SUBMARINES, IN OFF LINE MODE

Изобретение относится к области средств обеспечения пожаробезопасности подводных лодок и других герметичных обитаемых объектов, в том числе защищенных командных пунктов, салонов самолетов, производственных лабораторных и складских помещений и т.п., находящихся в автономном режиме.
Повышение пожаробезопасности подводных лодок (далее - ПЛ) и других герметичных обитаемых объектов является актуальной научно-технической задачей, решение которой может уменьшить риск гибели людей и техники.
В последние годы широко исследуется возможность применения на ПЛ газовоздушных сред, обеспечивающих снижение вероятности возгорания и пожара вследствие низкого содержания в них кислорода, т.е. создание гипоксических газовоздушных сред (далее - ГГВС).
Известен способ создания условий для жизнедеятельности человека в гермообъекте по патенту РФ №2138421, МПК В63С 11/00, В63С 11/36, опубл. 27.09.1999 г. Согласно способу для повышения пожаробезопасности ПЛ предлагается использовать кислородно-азотную среду с содержанием кислорода 14±1 об. % и поддержанием повышенного давления воздушной среды таким образом, чтобы парциальное давление кислорода в среде соответствовало нормоксическому и составляло 20-21 кПа, что необходимо, чтобы предотвратить гипоксическое состояние членов экипажа.
Этот способ не является безопасным для корабля и личного состава в целом. Давление воздушной среды на ПЛ при реализации этого способа будет соответствовать 150 кПа, то есть почти в 1,5 раза выше нормального атмосферного давления. Это приводит к высокой вероятности повышения давления в герметичном помещении ПЛ выше уровня, допустимого для корабельного оборудования, которое составляет от 1,3 до 1,6 нормального для основных технических средств. Например, для турбины предельное рабочее давление составляет 1,4 нормального, а для системы регенерации воздуха - 1,3.
Также необходимым при реализации данного способа является проведение декомпрессии экипажа после периода автономного плавания, которое для современных ПЛ составляет от 60 до 90 суток.
Известна также гипоксическая система подавления огня и предупреждения пожара по патенту Норвегии №ΝΟ 20024955(Α), МПК А62С 2/00; А62С 3/00; А62С 99/00; A62D 1/00; A62D 1/02; B01D 53/02, опубл. 05.12.2002 г., согласно которому предлагается использовать для всех герметичных обитаемых объектов, в том числе и ПЛ, систему предупреждения и ликвидации пожаров при стандартном атмосферном давлении, в которой подается огнетушащий состав смеси азота и кислорода с содержанием кислорода от 12 до 17 об. % с возможным добавлением двуокиси углерода. При реализации этого способа для герметичных ПЛ при подаче смеси азота и кислорода с процентным содержанием кислорода от 12 об. % в ПЛ будет происходить понижение концентрации кислорода до значений, препятствующих горению. Однако одновременно повысится давление выше допустимого для корабельного оборудования, причем для здоровья и работоспособности экипажа повышение давления также может сказаться негативным образом. Так, для достижения в воздушной среде концентрации кислорода в 14 об. %, при которой невозможно самоподдерживающееся горение большинства основных корабельных материалов, являющихся потенциальными источниками возгорания и распространения пожара на ПЛ, придется повысить давление в герметичном помещении в 2,3 раза до 232 кПа. Экипажу после работы в этих условиях в течение автономного плавания потребуется проведение длительной декомпрессии. Кроме того, предложенный способ не устанавливает допустимые временные пределы пребывания экипажа в создаваемых условиях без ущерба для здоровья.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному является способ предупреждения пожаров внутри герметичных обитаемых объектов, преимущественно подводных лодок, по патенту РФ №2549055, МПК А62С 3/00, А62С 2/00, опубл. 20.04.2015 г., выбранный в качестве прототипа. В данном изобретении предлагается способ повышения пожаробезопасности ПЛ, согласно которому внутри каждого закрытого помещения герметичного объекта формируют гипоксическую среду с установленным начальным пониженным содержанием кислорода при нормальном давлении газовоздушной среды (ГВС), причем содержание кислорода устанавливают в зависимости от типа герметичного помещения, обусловленного временем нахождения и интенсивностью работы членов экипажа в нем, а именно:
- для эпизодически посещаемых герметичных помещений - не менее 12 об. %;
- для периодически посещаемых помещений - не менее 14 об. %;
- с постоянной вахтой продолжительностью до 4 часов - не менее 16 об. %;
- с постоянной вахтой продолжительностью 10-14 часов - не менее 18 об. %;
- для помещений постоянного пребывания - не менее 19 об. %.
Далее, при обнаружении предаварийного предпожарного состояния или возгорания производят кратковременное регулирование содержания кислорода в газовоздушной среде на заданное время путем разбавления ее подачей азота или инертного газа с последующим возвратом к исходному содержанию кислорода, а именно:
- для эпизодически посещаемых герметичных помещений - до 10 об. %;
- в периодически посещаемых помещениях и помещениях с постоянной вахтой продолжительностью до 4 часов - до 12 об. %;
- в помещениях с постоянной вахтой продолжительностью 10-14 часов и в помещениях постоянного пребывания - до 14 об. %.
При этом заданное время, с одной стороны, должно быть достаточным для выявления и ликвидации возгорания или предаварийного предпожарного состояния оборудования, но не должно превышать допустимого времени пребывания личного состава в ГГВС с данным содержанием кислорода. Сам процесс регулирования не должен приводить к угрозе безопасности личного состава и функционированию оборудования.
Этот способ безусловно повышает пожаробезопасность ПЛ, но имеет ограничения по эффективности, а также безопасности для личного состава. Указанные противоречия не позволяют считать предложенный способ оптимальным с точки зрения здоровья личного состава и пожаробезопасности ПЛ.
Заявленное изобретение решает следующие задачи: не допустить пожар или возгорание на борту ПЛ, в подводном положении; обеспечить длительную работу экипажа в течение 60-90 суток в условиях нормобарической ГГВС без значимого снижения работоспособности и ущерба здоровью; обеспечить сохранение основных режимов функционирования ПЛ и сохранение работоспособности оборудования ПЛ.
Техническим результатом от реализации заявленного изобретения является повышение пожарозащищенности подводных лодок на время автономного похода и других герметичных обитаемых объектов на время герметизации путем создания в них гипоксических газовоздушных сред с повышенным содержанием аргона, обеспечивающих уменьшение вероятности возгорания и пожара вследствие уменьшения содержания в них кислорода и при этом сохранение условий для нормальной жизнедеятельности экипажа ПЛ в условиях длительной герметизации. Оценка вероятности возникновения и развития пожара в условиях предлагаемой ГГВС дает величину уменьшения вероятности пожара в 10 и более раз.
Для достижения этого технического результата в способе обеспечения пожарозащищенности герметичных обитаемых объектов, находящихся в автономном режиме, включающем формирование внутри каждого закрытого помещения герметичного объекта гипоксической газовоздушной среды с установленным начальным пониженным содержанием кислорода при нормальном давлении газовоздушной среды, причем содержание кислорода устанавливают в зависимости от типа герметичного помещения, обусловленного временем нахождения и интенсивностью работы членов экипажа в нем, согласно изобретению в гипоксической газовоздушной среде концентрацию кислорода устанавливают на уровне, обеспечивающем предотвращение возникновения и развития пожара, а концентрацию аргона повышают до уровня 27-35 об. %, причем концентрацию аргона повышают единовременно на все время автономного плавания.
По времени пребывания экипажа герметичные помещения объекта разделяют на эпизодически посещаемые, периодически посещаемые, с постоянной вахтой до 4 часов, с постоянной вахтой до 10-14 часов и постоянного пребывания, причем в зависимости от типа герметичного помещения содержание кислорода устанавливают:
- для эпизодически посещаемых герметичных помещений - не менее 10 об. %;
- для периодически посещаемых, с постоянной вахтой продолжительностью до 4 часов, с постоянной вахтой продолжительностью 10-14 часов и для помещений постоянного пребывания - до уровня 13-14 об. %, и эти установленные начальные значения концентрации кислорода поддерживают в течение всего времени герметизации (автономного плавания).
С точки зрения пожарозащищенности указанные концентрации кислорода находятся на уровне или ниже тех, которые создаются в помещениях ПЛ в результате применения азотной системы пожаротушения (например, по OCT В5Р.5616 - 2008 «Система азотного пожаротушения»). Это позволяет обеспечить высокую пожарозащищенность ПЛ, не допустить возгораний пожароопасного оборудования. В то же время повышенное содержание аргона в указанных пределах дает возможность обеспечить экипажу ПЛ сохранение условий для нормальной жизнедеятельности в режиме автономного плавания.
Способ осуществляют следующим образом.
В каждом из герметичных помещений герметизированного объекта (в частности, подводной лодки) в надводном положении создают газовоздушную среду (ГВС) с пониженным содержанием кислорода (гипоксическую среду) путем разбавления ее азотом и аргоном и герметизируют ПЛ. Причем содержание кислорода в разных герметичных помещениях ПЛ поддерживают на разном уровне в зависимости от назначенного времени нахождения и интенсивности работы членов экипажа в данном помещении, а концентрацию аргона в ГГВС во всех помещениях доводят до уровня 27-35 об. %, в отличие от обычного содержания аргона в атмосфере порядка 1 об. %.
Так как во время автономного плавания при нормальной обстановке на ПЛ экипаж несет установленные вахты, все работы выполняются по расписанию и время нахождения в том или другом герметичном помещении ПЛ строго регламентировано. При этом в одних герметичных помещениях ПЛ это время может быть от нескольких минут до десятков минут, в других оно установлено не более 4 часов, в третьих экипаж может пребывать постоянно. По времени пребывания герметичные помещения ПЛ можно разделить на эпизодически посещаемые, периодически посещаемые, с постоянной вахтой до 4 часов, с постоянной вахтой до 10-14 часов и постоянного пребывания.
При этом согласно заявленному способу содержание кислорода в помещениях ПЛ, где личный состав отсутствует или может находиться эпизодически, устанавливают на заданном уровне 10 об. %, а в остальных помещениях, где личный состав проводит основное время - на уровне 13-14 об. %.
Содержание аргона поддерживают на заданном уровне в течение всего времени герметизации, при необходимости добавляя его из баллонов высокого давления, установленных на борту ПЛ. Содержание кислорода на заданном уровне в течение всего времени герметизации поддерживается корабельной системой регенерации. Содержание остальной части ГВС составляют азот и углекислый газ.
В зависимости от конструкции герметичного объекта, узел регенерации газовоздушной среды может быть как расположен в каждом контролируемом помещении герметичного объекта, так и быть единым для всего герметичного объекта, а узлы баллонов с аргоном, азотом и воздухом высокого давления могут быть выполнены едиными для всего герметичного объекта.
Что касается содержания углекислого газа в ГГВС, то его контролируют на обычном для атмосферы нормальном уровне - не более 1 об. %.
Как уже упоминалось, концентрацию аргона во всех герметичных помещениях повышают до уровня не менее 27 об. %, но и не более 35 об. %, что позволяет обеспечить безопасные условия для жизнедеятельности экипажа в режиме автономного плавания в течение длительного времени. При этом проведенные исследования показали, что оптимальным для нормального самочувствия людей уровнем содержания аргона в ГВС является среднее его количество, примерно 30 об. %.
После погружения ПЛ в случае нормального состояния и функционирования корабельных технических средств и оборудования параметры ГГВС в герметичных помещениях ПЛ не меняют в течение всего автономного плавания.
Эффективность заявленного изобретения заключается в том, что только предложенным способом возможно безопасно для здоровья и без существенного снижения работоспособности установить на весь срок автономного плавания (герметизации объекта) такое содержание кислорода при нормальном давлении, которое предотвратит возникновение и развитие пожара в подавляющем большинстве случаев, за исключением горения специальных кислородосодержащих веществ (топлив), повысив пожаробезопасность в десять и более раз.
Безопасность таких концентраций кислорода при условии указанного содержания аргона для личного состава при длительном автономном плавании ПЛ и противопожарная эффективность установлена в результате проведенных авторами исследований.
Был проведен научный эксперимент, заключавшийся в непрерывном пребывании 6 испытателей в герметизированном объекте с гипоксической кислородно-аргоно-азотной газовой средой (например, содержащей кислорода 14 об. %, аргона - 30 об. %, азот и двуокись углерода - остальное) продолжительностью 60 суток. В течение последующего года проведены исследования по оценке возможных отдаленных последствий этого эксперимента на организм испытателей. Кроме того, была проведена оценка влияния на функциональное состояние и работоспособность обследованных лиц повторной герметизации в заданной аргоносодержащей газовоздушной среде в течение 15 суток. Испытания проведены на Стенде-модели судовых помещений и оборудования «МОРЖ» (далее Стенд), разработанном в ОАО «АСМ», г. Санкт-Петербург (см. описание стенда по ссылке в сети Интернет http://www.oaoasm.com/stendovoe-oborudovanie/stend-model-sudovykh-pomeshchenij-i-oboradovaniya-morzh).
В ходе работы был использован комплекс стандартизированных и валидных клинико-физиологических, психофизиологических, лабораторных и иных методик исследований, позволяющих получить исчерпывающую информацию о состоянии соматического и психического здоровья испытателей, их функциональных резервов, внутренней среды организма, физической и интеллектуальной (в том числе операторской) работоспособности.
В процессе герметизации кроме запланированных контрольных обследований все участники испытаний выполняли рабочую программу, заключавшуюся в ежедневном моделировании профессиональной деятельности интеллектуального или операторского содержания (в частности, работа на тренажерах), а также интенсивных разномодальных физических нагрузок, выполняемых под руководством командира испытателей (силовая подготовка, велотренажер, отработка элементов рукопашного боя, индивидуальные специальные программы физических упражнений). Общая продолжительность ежедневных работ составляла около 3-4 часов в сутки. Как правило, еще около 3-4 часов занимали контрольные функциональные обследования. Кроме этого были организованы посменные круглосуточные дежурства. Таким образом, повседневная деятельность участников испытаний была приближена к реальной деятельности специалистов, работающих в условиях гермообъектов.
В итоге все обследованные лица смогли выполнить основную задачу по непрерывному пребыванию в условиях «герметизации» в помещении Стенда. Случаев соматических заболеваний (в том числе - простудных, гнойничковых кожных, стоматологических, которые наиболее часто встречаются в условиях длительной герметизации), отказов от проведения запланированных исследований, снижения мотивации к их продолжению не отмечено. За период герметизации участники испытаний либо не предъявляли жалоб на самочувствие, связанных с пребыванием в ГГВС, либо отмечали лишь слабо выраженные и транзиторные признаки легкого головокружения, ощущений «субъективного дискомфорта», легкой общей слабости или недостатка воздуха на фоне высокоинтенсивных физических нагрузок.
Ежедневный анализ динамики контрольных физиологических параметров выявил, что при нахождении в условиях заданной ГГВС у всех обследованных происходила умеренная компенсаторная активация механизмов, направленных на поддержание кислородного гомеостаза. Характерно, что выраженность гомеостатических реакций характеризовалась значительной индивидуальной вариабельностью, имея тенденцию к снижению по мере продолжения герметизации. В частности, реакция системной гемодинамики при пребывании в ГГВС либо отсутствовала, либо проявлялась в незначительных гиперкинетических тенденциях.
Анализ результатов динамики успешности умственной (операторской) деятельности испытателей, моделируемой с использованием валидных методик психофизиологического обследования (см., например: Данилова Н.Н. Психофизиологическая диагностика функциональных состояний. - М.: Изд-во Московского ун-та, 1992. - 193 с.; Методы исследования в физиологии военного труда / Под ред. B.C. Новикова. – М.: Воениздат, 1993. - 240 с.), на этапах наблюдения выявил в целом характерную картину фаз динамики работоспособности. На начальном этапе герметизации («фаза врабатывания») отмечалось умеренное снижение интеллектуальной работоспособности по сравнению с исходным нормоксическим уровнем. Однако по мере продолжения испытаний наблюдался постепенный прирост показателей эффективности и надежности умственной (в том числе операторской) деятельности, так что примерно к 15-20 суткам герметизации успешность данной деятельности уже превышала исходный (нормоксический) уровень («фаза оптимальной работоспособности»). В дальнейшем, вплоть до окончания периода испытаний, наблюдались колебания показателей операторской работоспособности около достигнутого уровня, что можно расценить как состояние, соответствующее «фазе полной компенсации» в динамике работоспособности. В целом даже на этапе «врабатывания» степень снижения сенсорных, сенсомоторных качеств, успешности интеллектуальной деятельности при герметизации испытателей не превышала 8-10% от нормоксического уровня.
При анализе динамики максимальной физической работоспособности испытателей, оцениваемой с использованием проб со ступенчато возрастающей (до достижения порога анаэробного обмена) велоэргометрической нагрузкой, в условиях герметизации выявлено снижение аэробной производительности, составлявшее около 12-15% от нормоксического уровня. Это свидетельствовало о снижении общего функционального потенциала организма при нахождении в данных условиях в связи с естественной невозможностью достижения «нормоксического» уровня энергообеспечения субмаксимальной и максимальной работы. Как известно, подобное снижение максимальной работоспособности при пребывании человека в условиях дефицита кислорода во внешней среде является признаком развития в организме гипоксического состояния легкой степени, при котором относительно невысокая степень гомеостатических отклонений в целом позволяет специалистам выполнять основные задачи деятельности физического характера с сохранением необходимого уровня ее эффективности и надежности. Характерно, что признаков снижения физической выносливости испытателей при выполнении локальной работы, общих нагрузок анаэробного уровня энергообеспечения, низко- и среднеинтенсивных аэробных нагрузок не выявлено на всем протяжении этапа герметизации.
Проведенные исследования отдаленных (в течение 10 месяцев наблюдения) последствий пребывания участников испытаний в условиях ГГВС позволили выявить следующие факты:
- непосредственно после окончания этапа герметизации (на 3-4-е сутки) на фоне нормального психоэмоционального состояния и отсутствия соматических жалоб у всех обследованных показатели умственной, операторской, физической работоспособности находились на уровне, близком к исходному (перед началом испытаний). Это свидетельствовало, на наш взгляд, о полной сохранности функциональных возможностей организма обследованных лиц, несмотря на предшествовавший 2-месячный этап герметизации в условиях ГГВС;
- дальнейшее наблюдение показало отсутствие существенных отклонений со стороны соматического здоровья у всех испытателей, в том числе не наблюдалось повышения простудной заболеваемости в холодные сезоны периода наблюдения по сравнению с 2-3 предыдущими годами. Отсутствовала также направленная динамика умственной, операторской, физической работоспособности; индивидуальные колебания исследуемых показателей в целом составляли примерно 10-15% от обычного их уровня, что зависело от особенностей личного функционального состояния обследуемого;
- у всех испытателей значения измененных на этапе герметизации клеточных и биохимических показателей циркулирующей крови «вернулись» к исходному уровню примерно через 2 месяца после окончания испытаний. При этом колебания рассматриваемых параметров в течение дальнейшего периода наблюдения ни у одного из обследованных лиц направленной динамики не имели, что, на наш взгляд, явилось свидетельством сохранности («неповрежденности») основных регуляторных, обменных, пластических, защитных и других процессов в организме участников испытаний.
Анализ полученных результатов исследований позволил сделать вывод о принципиальной возможности и безопасности непрерывного пребывания человека в заданных нормобарических аргоносодержащих гипоксических средах в течение 60 суток. При таких условиях внешней среды не было выявлено недопустимых отклонений здоровья и функционального состояния ни у одного из испытателей. При этом выполнение задач профессиональной деятельности (интеллектуального и физического характера) происходило без существенного ущерба ее эффективности и надежности.
Таким образом, подтверждена возможность реализации безопасного способа повышения пожарозащищеннности ПЛ на время автономного похода путем применения гипоксических сред с повышенным содержанием аргона.