СПОСОБ АДАПТИВНОЙ ПРОТИВОПЕРЕГРУЗОЧНОЙ И ВЫСОТНОЙ КОМПЕНСИРУЮЩЕЙ ЗАЩИТЫ ЛЕТЧИКА НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК И УСТРОЙСТВО, РЕАЛИЗУЮЩЕЕ ЕГО В КОСТЮМЕ-КОМБИНЕЗОНЕ
METHOD OF ADAPTIVE ANTIGRAVITY AND HIGH ALTITUDE COMPENSATING PROTECTION OF PILOT BASED ON CARBON NANOTUBES AND DEVICE IMPLEMENTING IT IN COSTUME-JUMPSUIT

Группа изобретений относится к средствам индивидуальной защиты, обеспечивающим нормальное кровообращение человека при возникновении перегрузок, аварийной разгерметизации для спасения и выживания в летательном аппарате (ЛА) или при срочном покидании летчиком ЛА, в частности, к способу адаптивной противоперегрузочной и компенсирующей защиты летчика на основе углеродных нанотрубок и устройству, реализующему его, в виде универсального летного костюма, используемого как на средних, так и на больших высотах полета самолета. Изобретение позволяет принципиально реконструировать противоперегрузочные и высотные компенсирующие костюмы пилотов. Изобретение может быть использовано при летных исследованиях и испытаниях для экипировки летного состава и военно-воздушных сил истребительной авиации с целью обеспечения жизнедеятельности летчика в условиях полета.
Область техники
Область техники связана с областью наноматериалов, а именно с таким материалом как графен. Графен - это лист толщиной в один атом, в котором атомы образуют гексагональную решетку, каждая клетка решетки является шестиугольником.
Углеродная графеновая нанотрубка - это такой же лист, но свернутый в цилиндр толщиной от одного до десятков нанометров. Эти формы углерода обладают большой механической прочностью, эластичностью, очень большой площадью внутренней поверхности, а также высокой тепло- и электропроводностью. Сочетание графена и углеродных нанотрубок позволило получить углеродный аэрогель. Этот новый композитный материал из углерода помимо обычных для всех аэрогелей свойств - чрезвычайно низкой плотности, твердости и низкой теплопроводности обладает высокой степенью эластичности - способности восстанавливать форму после многократных сжатий и растяжений.
(Haiyan Sun, Zhen Xv, Chao Gao Multifunctional, Ultra-Flyweight, Synergisticflly Assembled Carbon Aerogels // Advanced Materials. 2013, v.25, p.2254-2560.)
Одним из интереснейших применений свойств нанотрубок является изготовление на их основе искусственных мышц.
Искусственный мускул представляет собой аэрогель, в основном состоящий из заполненных воздухом каверн и пронизанный вертикально ориентированными углеродными нанотрубками, и имеющий вид вытянутой ленты.
Управление искусственными мышцами осуществляется при помощи электрических сигналов, при этом используется свойство углеродных нанотрубок отталкиваться или притягиваться друг к другу при прохождении слабого электрического тока. Структура искусственных мышц прочнее стали, очень легкая, но эластичнее резины. Искусственная мышца способна расширяться и расслабляться с частотой 1 тысяча раз в секунд без вредных для себя эффектов, при этом нано-мышцы демонстрируют одинаковую эластичность как при -196° по шкале Цельсия, так и при 1538°. Вес одного кубического сантиметра этих мышц составляет всего полтора миллиграмма.
(Внедрение искусственных мышц на основе углеродных нанотрубок в конструкцию летательного аппарата. Шеклеин В.С., Любишкина Ю., Тихонов Н. Ульяновский государственный университет. Институт авиационных технологий и управления. Молодежный инновационный форум Приволжского федерального округа. Конкурс научно-технического творчества молодежи (НТТМ). Ульяновск, 2011 год.)
Исследователи Хьюстонского и Стенфордского университетов открыли пьезоэлектрические свойства графена. Это возможно при проделывании в графене треугольных отверстий с помощью электронного пучка. Причем возникающее в графене электрическое поле пропорционально степени деформации
(http://sciexplorer.com/ua/index.php/novie-razrabotki/nanoelektronika).
Таким образом, прогресс в создании наноматериалов, таких как графен с уникальными свойствами: высокой прочностью, легкостью, гибкостью, возможностью управления его деформацией под действием приложенного напряжения, термоизоляции, надежности, эффекта пассивного охлаждения, а также обладание пьезоэлектрическим эффектом предопределяет задачу создания на базе одного материала (графена) как электронных зон регистрации физиологических параметров пилота, так и механических зон компенсирующего воздействия (искусственных углеродных мышц) в противоперегрузочном и высотном компенсирующем костюмах пилота, а также увеличении степени автономности и адаптационности этих костюмов для разных пилотов в условиях действующей перегрузки или при разгерметизации летательного аппарата.
Известны два современных российских летных костюма: противоперегрузочный ППК-7 и высотный компенсирующий ВКК-17. Первый работает на высотах до 12 тысяч метров, а второй - до 23 тысяч метров.
ППК-7 и ВКК-17 - комбинезоны из термостойкой ткани со вшитыми камерами и трубками. Оба костюма подключены к автомату давления АД-17, который при перегрузках накачивает полости этих костюмов воздухом, а так же подает кислород в дыхательную маску пилота, при этом давление кислорода может достигать 6-7 атмосфер. Надувая легкие пилота изнутри, компенсируется внешнее давление на грудную клетку пилота. Программа бортового компьютера прогнозирует перегрузки летательного аппарата и позволяет избежать запаздывания реакции системы компенсации давления.
В ВКК-17 ткань более плотная, есть специальный утеплитель, позволяющий пилоту выжить при разгерметизации или катапультировании на высоте 23 тысячи метров. Для охлаждения тела костюм оборудован вентилирующим жилетом
(; 3/7/8/255731.html;
www.armstade.org/includes/periodics/news/2013/07/08/102019231.shtml).
Однако при решении задач противоперегрузочной и высотной компенсирующей защиты летчика используется неавтономный и недостаточно надежный и безопасный способ физиологического воздействия на тело пилота, основанный на использовании сжатого воздуха в натяжных камерах, подаваемого по специальным воздушным трубкам костюма.
Известен патент на изобретение (RU 2258547 C1 от 20.04.2004 г.) высотного компенсирующего комплекта, силовая оболочка которого состоит из камеры с чехлами для компенсирующего натяжного устройства, расположенной в области груди, живота и ног, и для брюшной и ножной частей камеры противоперегрузочного устройства, расположенной в области живота и ног.
Камера компенсирующего натяжного устройства выполнена из двух частей, соединенных между собой переключателем, при этом первая часть расположена в передней части жилета в области груди, а вторая часть расположена в передней части брюк в области живота и ног. Камера компенсирующего натяжного устройства является также камерой противоперегрузочного устройства.
Высотный компенсирующий комплект эксплуатируется с кислородными приборами КП-120, автоматом давления АД-15 и бортовой системой вентиляции. Протовоперегрузочное снаряжение комплекта служит средством, повышающим переносимость перегрузок голова-таз и снижающим их отрицательное воздействие на организм.
Высотный компенсирующий комплект обеспечивает компенсацию избыточного давления путем противодавления на тело, равного или значительно превышающего давления в легких. Предотвращая чрезмерное растяжение легких, уменьшается депонирование крови на переферии тела, увеличивая возврат венозной крови к сердцу, облегчая дыхание. Является средством защиты легких от повреждающего действия взрывной декомпрессии.
Хотя в данном изобретении применен принцип универсальности при использовании одних и тех же камер как для противоперегрузочной, так и для высотной компенсирующей защиты, однако нагнетаемый по трубкам в камеры сжатый воздух ограничивает автономность, надежность и безопасность предлагаемого комплекта.
Известно изобретение "Противоперегрузочный костюм бескамерного типа" (RU 2254272 C2 от 07.07. 2003 г.). Это изобретение относится к средствам индивидуальной защиты, обеспечивающее нормальное кровообращение человека при воздействии перегрузок, возникающих на этапе спуска и посадки космического аппарата. Костюм выполнен в виде шорт и пары гетр и изготовлен из двухслойного пакета эластичных полотен. При этом наружный слой представляет собой полотно из спандекса, опреденного полиамидом, а внутренний слой - аналогичное полотно, опреденное хлобчатобумажной нитью с полиэфирной добавкой. Костюм снабжен средствами для его подгонки и облегчения одевания. Для создания обжатия 15-30 мм рт.ст. каждому космонавту индивидуально подбирается размер костюма и определяется величина распаха шнуровки.
Это изобретение не содержит пневмокамер и подводящих сжатый воздух пневмотрубок, однако не является универсальным и не может быть использовано как надежное и адаптивное средство для противоперегрузочной и высотной компенсирующей защиты в костюме летчика.
2
Известно изобретение "Способ компенсирующего обжатия нижних конечностей человека в противоперегрузочных устройствах" (RU 828603 C от 09.06.1995 г.). Повышение эффективности компенсирующего обжатия нижних конечностей достигается тем, что обжатие производят давлением, превышающим гидростатическое давление крови при действующей перегрузке, при этом давление обжатия сверху вниз по длине нижних конечностей происходит с заданным градиентом на 1 см их длины на единицу перегрузки. При перегрузках свыше 9 единиц обжатие производят в области верхней трети бедра давлением, превышающим гидростатическое давление крови на величину 0,15 кг/см, т.е. на величину артериального систолического давления человека в положении лежа.
Однако этот способ также не обладает автономностью, высокой технологичностью, адаптивностью и универсальностью.
В статье Абрамова В. "Влияние перегрузки можно компенсировать", опубликованного в журнале «Авиапанорама» №2 за 2013 год, предлагается способ периодического изменения давления в камерах противоперегрузочного костюма летчика, синхронного с фазами его дыхания.
Главное условие эффективного и безопасного применения этого способа заключается в том, что в момент включения переменного режима давления уровень минимального давления должен, в общем, быть выше значений известной зависимости этого давления от значений перегрузки. Предполагается, что в диапазоне от 3 до 9 единиц перегрузки частота дыхания летчика вместо 50 циклов/мин будет находиться в пределах 18-25 циклов/мин.
Однако этот способ также не является автономным, адаптивным и физиологичным, так как режим переменного давления не связан с измеряемыми параметрами пульса крови летчика и не отработан механизм управления переменным давления сжатого воздуха в камерах костюма.
Все приведенные варианты способов и устройств функционирования противоперегрузочного и высотного компенсирующего костюма пилотов основаны на использовании вшитых перегрузочных и компенсирующих камер при нагнетании в них под давлением в них воздушной смеси по специально встроенным магистралям (трубкам) костюма, а также на сжатии разных областей тела и конечностей летчика с силой, превышающей действие перегрузки.
Наиболее близким прототипом данного изобретения являются летные костюмы - комбинезоны: противоперегрузочный ППК-7 и высотно-компенсирующий ВКК-17, и высотный компенсирующий комплект, содержащие противоперегрузочные и высотно-компенсирующие натяжные камеры в костюме-комбинезоне летчика, расположенные в области голеней, бедер, живота и груди, и противоперегрузочные камеры, расположенные в области живота, голеней, бедер, датчик перегрузки, связанный с его выходом бортовой компьютер, прогнозирующий перегрузки летательного аппарата для предотвращения запаздывания реакции системы в камерах.
Также близким прототипом данного изобретения является способ, предлагаемый в статье Абрамова В. "Влияние перегрузки можно компенсировать", опубликованный в журнале «Авиапанорама» №2 за 2013 год, содержащий воздействие в области живота и нижних конечностей соответственно переменного и постоянного избыточного давления в камерах, максимальное значение которого в области живота должно быть больше на 0,1-0,2 атм известной функциональной зависимости избыточного давления (особенно при начальных перегрузках в 2-3 единицы), изменяющегося от 0 до 0,7 атм при изменении перегрузок от 1,5 до 9 единиц, подбор перепада давления в камерах под летчика, имеющего свой объем крови и мускулатуру, а для высотной компенсирующей защиты способ, включающий воздействие постоянного давления в камерах на тело летчика в области груди, живота и нижних конечностей при компенсации избыточного давления кислорода в легких, нагнетаемого автоматом давления и возможного отрицательного воздействия резкой разгерметизации кабины пилота на больших высотах полета.
Если необходимость обжатия тела летчика при компенсации влияния перегрузок наряду с режимом постоянного избыточного давления в линии дыхания и подачей в маску пилота чистого кислорода не подвергается сомнению, то использование других механизмов компенсирующего давления, в частности введение режима переменного обжатия и использование другого принципа обжатия с полным исключением воздушных магистралей и пневмокамер, представляется актуальной задачей.
Технический результат, на достижение которого направлены заявляемые изобретения, состоит в повышении технологичности, степени универсальности и автономности при перегрузках и компенсационных воздействиях, повышении надежности, безопасности, эргономических характеристик костюма и использовании адаптационных физиологических воздействий на летчика путем использования наноматериала - графена в качестве датчика физиологических параметров и узлов механического воздействия (искусственных мышц), эффективности способа быстрой стабилизации частоты пульса и циклов дыхания летчика в оптимальных диапазонах, а также использование графенового аэрогеля в качестве надежного утеплителя костюма при полете на больших высотах.
Существенные признаки
Для достижения указанного технического результата в предлагаемом способе адаптивной противоперегрузочной и высотной компенсирующей защиты летчика на основе углеродных нанотрубок в костюме-комбинезоне, изготовленном из термостойкой ткани, включающей использование измеренных бортовым датчиком перегрузок (БДП) и прогнозируемых в бортовом компьютере (БК) перегрузок для исключения запаздывания в камерах, воздействие в области живота, бедер и голеней постоянного избыточного давления в камерах костюма, при использовании известной функциональной зависимости (ИФЗ) избыточного давления в камерах, изменяющегося от 0 до 0,7 атм при изменении перегрузок от 1,5 до 9 единиц, подбор перепада давления в камерах под летчика, имеющего свой объем крови и мускулатуру, а для высотной компенсирующей защиты, включающей воздействие постоянного давления в камерах на тело летчика в области груди, живота, бедер, голеней при компенсации избыточного давления кислорода в легких, нагнетаемого автоматом давления, и возможные отрицательные воздействия резкой разгерметизации кабины пилота на больших высотах полета, противоперегрузочную защиту в области: поясницы, живота, бедер и голеней осуществляют с помощью обхватывающих искусственных мышц, работающих в режиме переменного и постоянного давления и выполненных на основе углеродных нанотрубок, при этом величина переменного давления находится в диапазоне от 0,2 до 0,3 атм, например, при начальных перегрузках в 2,5-3 единицы, т.е. выше известной зависимости на 0,1-0,2 атм (для предотвращения быстрого депонирования крови из нижней части туловища летчика в верхнюю) и, имея линейный характер изменения, при перегрузках в 9 единиц границы переменного давления будут ограничены диапазоном от 0,5 до 0,7 атм, а высотную компенсирующую защиту в области: груди, спины, поясницы, живота, бедер, голеней и области: плечевого пояса, спины, бедер, нижних конечностей и рук, соответственно, осуществляют в режиме постоянного компенсирующего давления, с помощью обхватывающих и локальных искусственных мышц, выполненных на основе углеродных нанотрубок, при этом режим постоянного или переменного воздействия искусственных мышц (ИМ) через ткань костюма на тело пилота вычисляют по измеренным и прогнозируемым перегрузкам и измеренным параметрам пульса и дыхания углеродными (графеновыми) датчиками, основанными на пьезоэлектрическом эффекте.
Электрические сигналы от графеновых датчиков параметров пульса (ГДП) и дыхания (ГДЦ), поступающие в регистрирующий блок (РБ) управляющего блока искусственными мышцами (УБИМ) костюма, преобразуются в цифровой вид, а затем в вычислительном блоке расчета усилий (ВБРУ) УБИМ рассчитывают усилия искусственных мышц, значения этих параметров сравнивают с заданными оптимальными их диапазонами, соответствующие диапазонам при полете самолета на прямолинейном участке: пульса 90-120 ударов/мин и дыхания 18-25 циклов/мин, при этом при увеличении значений действующей перегрузки на виражах и разворотах, прогнозируемых в бортовом компьютере, вычисляют усилия на секции искусственных мышц, функционально связанные с измеренной частотой и наполнением пульса крови летчика, при этом в управляющем блоке электрических сигналов (УБЭС) УБИМ происходит преобразование цифровой информации в электрические сигналы (или с постоянным напряжением, но с разным уровнем на разные секции искусственных мышц или с переменным напряжением, представляющим собой аддитивную смесь постоянного и переменного напряжения), которые обеспечивают интенсивность воздействия искусственных мышц для высотной компенсирующей и противоперегрузочной и стабилизации измеряемых параметров пульса и дыхания в указанных оптимальных диапазонах, тем самым адаптационно устанавливая паритет противодействующих векторов перегрузки для каждого летчика.
Кроме того, вводят разные режимы работы ИМ, которые выбирает летчик на сенсорной панели (СП) УБИМ, при этом первый режим работы включает формирование управляющих электрических сигналов в виде аддитивной смеси постоянного и переменного электрического напряжения на обхватывающие искусственные мышцы в области живота и поясницы (ОИМЖП), на обхватывающие искусственные мышцы бедер (ОИМБ) и на обхватывающие искусственные мышцы голеней (ОИМГ) с целью переменного обжатия тела пилота для противоперегрузочной защиты, второй режим работы включает формирование электрических сигналов с постоянным напряжением в ОИМБ и ОИМГ для постоянного обжатия и запирания крови в нижних конечностях и аддитивной смеси постоянного и переменного электрического напряжения с целью переменного обжатия тела пилота в ОИМЖП для противоперегрузочной защиты; а третий режим работы включает формирование электрических сигналов с постоянным напряжением для обхватывающих искусственных мышц в области груди и спины (ОИМГС), ОИМЖП, ОИМБ, ОИМГ, а также локальных искусственных мышц в области: рук (ЛИМР), плечевого пояса и спины (ЛИМПС), бедер и нижних конечностей (ЛИМБНК), создавая компенсирующие воздействия на тело летчика в ККЛ на больших высотах.
Для достижения названного технического результата в предлагаемое устройство для адаптивной противоперегрузочной и высотной компенсирующей защиты летчика на основе углеродных нанотрубок в костюме-комбинезоне, выполненном из термостойкой ткани, содержащее высотные компенсирующие натяжные камеры костюма-комбинезона летчика, расположенные в области голеней, бедер, живота и груди, и противоперегрузочные камеры, расположенные в области живота, бедер и голеней, БДП, связанный с его выходом БК, прогнозирующий перегрузки ЛА для предотвращения запаздывания реакции системы в камерах, в ККЛ в специальных чехлах секциями вшивают ИМ на эластичной подложке (ЭП), состоящие из аэрогеля с графеновыми нанотрубками, выполненные в виде ленты с возможностью под воздействием небольшого приложенного электрического напряжения поперек или вдоль мышцы растягиваться или сжиматься по направляющей ленте или шнуру (НШ), вшитых в нижнюю часть чехла, воздействуя на ткань ККЛ, тем самым сжимая и разжимая тело пилота, токопроводящую коммутацию, состоящую из гибких и прочных изолированных графеновых проводов (ГП), соединяющих секции ИМ в указанных зонах ККЛ, ГДП и ГДД, вшитые в костюм соответственно в области шеи, сердца, паха и в межреберной и подложечковой области, УБИМ, расположенный над верхней правой частью груди ККЛ, который содержит последовательно связанные между собой РБ, ВБРУ на ИМ и УБЭС, входы РБ УБИМ связаны с выходами ГДП, и с выходами ГДД, входы ВБРУ подключены к выходам БДП через БК, а также к выходам СП выбора режима работы ИМ ККЛ, выходы УБЭС УБИМ соединены через графеновую коммутацию с входами секций обхватывающих искусственных мышц, вшитых в ККЛ: ОИМГС, ОИМЖП, ОИМБ, ОИМГ, а также с входами локальных искусственных мышц костюма, вшитых в ККЛ: ЛИМР, ЛИМПС и ЛИМБНК для обеспечения высотной компенсирующей защиты, а для противоперегрузочной защиты выходы УБЭС УБИМ соединены с входами секций обхватывающих ИМ: ОИМЖП, ОИМБ, ОИМГ.
Для противоперегрузочного варианта на СП выбора режима работы ИМ пилот включает кнопки двух режимов работы, а для высотного компенсирующего варианта включает кнопку третьего режима.
Для защиты летчика при возможной разгерметизации при полете на больших высотах в ККЛ используется специальный утеплитель - легкий графеновый аэрогель.
Устройство позволяет осуществлять адаптивную противоперегрузочную и высотную компенсирующую защиту летчика на основе углеродных нанотрубок, вшитых секциями в костюм-комбинезон, и быструю стабилизацию частоты пульса крови и циклов дыхания летчика в указанных оптимальных зонах.
Предлагаемые изобретения иллюстрируются на фиг.1-7.
На фиг.1 - схема расположения искусственных мышц и графеновых датчиков в ККЛ,
На фиг.2 - блок-схема функционирования ИМ в ККЛ,
На фиг.3 - функциональная зависимость изменения компенсирующего давления искусственных мышц от значений перегрузки при аддитивной смеси постоянного и переменного воздействия мышц на тело летчика,
На фиг.4 - схема расположения секции ИМ в специальном чехле (вид сбоку),
На фиг.5 - схема расположения секции ИМ в специальном чехле (вид сверху),
На фиг.6 - вид локальной ИМ в режиме обжатия тела летчика в ККЛ,
На фиг.7 - вид обхватывающих ИМ в режиме обжатия тела летчика в ККЛ.
Для пояснения сущности изобретений на фиг.1, 2 приведены: схема расположения искусственных мышц и графеновых датчиков в ККЛ и блок-схема функционирования ККЛ, где изображены:
1 - костюм-комбинезон летчика (ККЛ),
2 - обхватывающая искусственная мышца голени (ОИМГ),
3 - обхватывающая искусственная мышца бедра (ОИМБ),
4 - обхватывающая искусственная мышца в области живота и поясницы (ОИМЖП),
5 - обхватывающая искусственная мышца в области груди и спины (ОИМГС),
6 - локальная искусственная мышца рук (ЛИМР),
7 - локальная искусственная мышца плечевого пояса и спины (ЛИМПС),
8 - локальная искусственная мышца бедра и нижних конечностей (ЛИМБНК),
9 - управляющий блок искусственными мышцами (УБИМ),
10 - графеновый датчик пульса (ГДП),
11 - графеновый датчик частоты дыхания (ГДД),
12 - графеновый провод (ГЦ),
13 - регистрирующий блок (РБ),
14 - вычислительный блок расчета усилий (ВБРУ) в выбранном режиме,
15 - управляющий блок электрических сигналов, преобразователь цифровой информации в электрические сигналы (УБЭС), обеспечивающие интенсивность воздействия на секции искусственных мышц,
16 - бортовой датчик перегрузки (БДП),
17 - бортовой компьютер (БК),
18 - сенсорная панель (СП).
Фиг.3 - функциональная зависимость изменения компенсирующего давления искусственных мышц от значений перегрузки при аддитивной смеси постоянного и переменного воздействия мышц на тело летчика;
19 - известная функциональная зависимость (ИФЗ),
20 - верхняя граница давления искусственной мышцы (ВГД),
21 - нижняя граница давления искусственной мышцы (НГД),
22 - эффективная зона обжатия - (ЭЗО).
Фиг.4 и 5 - схема расположения секции ИМ в специальном чехле, соответственно вид сбоку и вид сверху,
Фиг.6 - вид локальной ИМ в режиме обжатия тела летчика в ККЛ.
Фиг.7 - вид обхватывающих ИМ в режиме обжатия тела летчика в ККЛ.
23 - специальный чехол для искусственных мышц (СЧИМ),
24 - искусственные мышцы (ИМ),
25 - эластичная подложка (ЭП),
26 - направляющий шнур (НШ),
27 - исходная граница ИМ (ИГИМ),
28 - границы растяжения искусственной мышцы (ГРИМ),
29 - граница сжатия ИМ (ГСИМ),
30 - вектор растяжения ИМ (ВРИМ),
31 - вектор сжатия ИМ (ВСИМ),
32 - вектор растяжения ИМ от новой границы (ВРИМНГ),
33 - вектор сжатия ИМ от новой границы (ВСИМНГ),
34 - тело летчика (ТЛ),
35 - вектор удельного давления ККЛ на ТЛ при сжатии ИМ (ВУДСИМ),
36 - вектор удельного давления ККЛ на ТЛ при растяжении ИМ
(ВУДРИМ).
Предлагаемый способ осуществляют в следующей последовательности.
Адаптационную противоперегрузочную защиту летчика в ККЛ-1 в области: поясницы, живота, бедер и голеней осуществляют с помощью обхватывающих искусственных мышц: ОИМЖП-4, ОИМБ-3, ОИМГ-2, работающих в режиме переменного и постоянного давления и выполненных на основе углеродных нанотрубок, при этом величина переменного давления находится в диапазоне от 0,2 до 0,3 атм, например, при начальных перегрузках в 2,5-3 единицы, т.е. выше известной зависимости на 0,1-0,2 атм (для предотвращения быстрого депонирования крови из верхней части туловища летчика в нижнюю) и, имея линейный характер изменения, при перегрузках в 9 единиц границы переменного давления будут ограничены диапазоном от 0,5 до 0,7 атм, см. фиг.1, 3.
Адаптивную высотную компенсирующую защиту в ККЛ-1 в области: груди, спины, поясницы, живота, бедер, голеней и области: плечевого пояса, спины, бедер, нижних конечностей и рук, соответственно осуществляют в режиме постоянного компенсирующего давления, с помощью обхватывающих искусственных мышц: ОИМГС-5, ОИМЖП-4, ОИМБ-3, ОИМГ-2 и локальных искусственных мышц: ЛИМР-6, ЛИМПС-7 и ЛИМБНК-8 (см. фиг.1), выполненных на основе углеродных нанотрубок. При этом режим постоянного или переменного воздействия искусственных мышц через ткань ККЛ-1 на тело пилота вычисляют по измеренным и прогнозируемым перегрузкам и измеренным параметрам пульса и дыхания, измеряемых ГДП-10 и ГДД-11.
Электрические сигналы от ГДП-10 и ГДД-11 поступают по ГП-12 в РБ-13 УБИМ-9, где они преобразуются в цифровой вид, а затем в ВБРУ-14 УБИМ-9 значения этих параметров сравнивают с заданными оптимальными их диапазонами, соответствующими диапазонам при полете самолета на прямолинейном участке: пульса 90-120 ударов/мин и дыхания 18-25 циклов/мин, при этом при увеличении значений действующей перегрузки на виражах и разворотах, измеряемых перегрузок БДП-16 и прогнозируемых в бортовом компьютере БК-17, вычисляют усилия на секции искусственных мышц, функционально связанные с измеренной частотой и наполнением пульса, при этом в УБЭС-15 УБИМ-9 происходит преобразование цифровой информации в электрические сигналы (или с постоянным напряжением, но с разным уровнем на разные секции искусственных мышц или с переменным напряжением, представляющим собой аддитивную смесь постоянного и переменного напряжения), которые обеспечивают интенсивность воздействия искусственных мышц для противоперегрузочной и высотной компенсирующей защиты и стабилизации измеряемых параметров пульса и дыхания в указанных оптимальных диапазонах, адаптационно устанавливая паритет противодействующих векторов перегрузки для каждого летчика.
С помощью сенсорной панели СП-19 летчик (фиг.2) выбирает соответствующие режимы работы УБИМ-9: в первом режиме работы УБИМ-9 формирует управляющие электрические сигналы в виде аддитивной смеси постоянного и переменного электрического напряжения на искусственные мышцы: ОИМЖП-4, ОИМБ-3 и ОИМГ-2 для формирования соответствующих аддитивной смеси постоянного и периодического обжатий с целью генерирования стоячей волны крови в области печени и селезенки пилота для противоперегрузочной защиты; во втором режиме СП-18 УБИМ-9 формирует управляющие электрические сигналы с постоянным напряжением в ОИМБ-3 и ОИМГ-2 для постоянного обжатия и запирания крови в нижних конечностях и аддитивной смеси постоянного и переменного напряжения в ОИМЖП -4 с целью переменного обжатия тела пилота для генерирования стоячей волны крови в области печени и селезенки пилота также для противоперегрузочной защиты; а на третьем режиме - включает вырабатывание электрических сигналов для формирования постоянного обжатия и, если необходимо, с разной силой воздействия для секций ОИМГС-5, ОИМЖП-4, ОИМБ-3, ОИМГ-2, а также ЛИМР-6, ЛИМПС-7, ЛИМБНК-8, создавая компенсирующие воздействия на тело летчика в ККЛ-1 на больших высотах.
Пример
При реализации аддитивной смеси постоянного и переменного обжатия тела пилота искусственными мышцами для противоперегрузочной защиты (фиг.3) давление последних, выраженное в единицах атмосферы, должно быть больше ИФ3-19 на 0,1-0,2 атм, особенно при начальных перегрузках в диапазоне 2-3 единиц, чтобы исключить быстрое депонирование крови из верхней части туловища пилота в нижнюю часть. При этом ломанная линия, отображающая верхнюю границу давления ВГД-20 искусственных мышц при перегрузки в 9 единиц, может совпадать с ИФ3-19. Нижняя граница давления искусственных мышц НГД-21 при перегрузки в 9 единиц может располагаться даже ниже ИФ3-19 на 0,1-0,2 атм. Эффективная зона обжатия ЭЗО-22 тела пилота искусственными мышцами, располагающаяся между ВГД-20 и НГД-21. Длительность и сила адаптационного отклика искусственных мышц ККЛ-1 в ЭЗО-22 зависит от объема крови пилота, величины и направления действия перегрузок при виражах и развороте летательного аппарата. Основным критерием эффективности этого способа является скорость стабилизации частоты пульса и циклов дыхания летчика в указанных оптимальных диапазонах.
Предлагаемое устройство для адаптивной противоперегрузочной и высотной компенсирующей защиты летчика содержит (фиг.1) костюм-комбинезон летчика ККЛ-1, противоперегрузочные, высотные компенсирующие натяжные камеры, расположенные в области голеней, бедер, живота, груди, рук и противоперегрузочные камеры, расположенные в области живота, бедер и голеней, датчик перегрузки, бортовой компьютер, прогнозирующий перегрузки летательного аппарата для предотвращения запаздывания реакции системы в камерах, в специальных чехлах для ИМ-24 СЧИМ-23, вшитых в ККЛ-1, размещают на эластичной подложке ЭП-25 секциями искусственные мышцы ИМ-24, состоящие из аэрогеля с графеновыми нанотрубками, выполненные в виде ленты с возможностью под воздействием приложенного напряжения поперек или вдоль ИМ-24 растягиваться или сжиматься по направляющей ленте или направляющему шнуру НШ-26, вшитых в нижнюю часть чехла, тем самым обжимая или разжимая тело пилота, токопроводящую коммутацию, состоящую из гибких и прочных изолированных графеновых проводов ГП-12, соединяющих секции искусственных мышц в указанных зонах костюма, фиг.4, 5. Секции ИМ-24, расположенные в СЧИМ-23, могут вшиваться параллельно друг другу, разделяясь простроченной границей и своими СЧИМ-23. Длина, ширина и объем ИМ-24 рассчитываются заранее и определяются шириной и длиной обхвата и возможным максимальным обжимающим воздействием на тело пилота. При этом может быть реализовано два варианта функционирования ИМ-24 в ККЛ-1. Первый вариант (фиг.6) предполагает расположение секций ИМ-24 в локальных местах ККЛ-1, где сжатие ИМ-24 с рассчитанной силой вызовет натяжение ткани ККЛ-1 и соответствующее воздействие на тело пилота. Второй вариант (фиг.7) предполагает расположение ИМ-24, вшитых по всему периметру участка тела пилота, где расширение обхватывающих ИМ-24 с заданной силой также вызовет натяжение ткани ККЛ-1 и соответствующее воздействие на тело летчика.
Установлены графеновые датчики пульса ГДП-10 и графеновые датчики частоты дыхания ГДД-11, вшитые в ККЛ-1 соответственно в области шеи, сердца, паха и в межреберной и подложечковой области. Блок управления искусственными мышцами УБИМ- 9, расположенный над верхней правой частью груди ККЛ-1 (фиг.2), который содержит последовательно связанные между собой регистрирующий блок РБ-13, вычислительный блок расчета усилий на искусственные мышцы ВБРУ-14 и управляющий блок электрических сигналов УБЭС-15, входы РБ-13 связаны с выходами ГДП-10 и ГДЦ-11, входы ВБРУ-13 подключены к выходам датчика перегрузки ДП-16 через бортовой компьютер БК-17, а также к выходам сенсорной панели выбора режима работы ККЛ-1 СП-18, выходы УБЭС-15 соединены через ГП-12 с входами секций ИМ-24: ОИМГС-5 ОИМЖП-4, ОИМБ-3, ОИМГ-2, а также ЛИМР-6, ЛИМПС-7, ЛИМБНК-8 для обеспечения высотного компенсирующего натяжения ККЛ-1, а для противоперегрузочной защиты выходы УБЭС-15 соединены с входами секций искусственных мышц живота и поясницы, бедер и голеней: ОИМЖП-4, ОИМБ-3 и ОИМГ-2.
Сенсорная панель СП-18 выбора режима работы ККЛ-1 включает две сенсорные кнопки для двух режимов работы противоперегрузочного варианта, а для высотной компенсирующей работы ККЛ-1 предназначена кнопка третьего режима.
Специальный утеплитель в ККЛ-1 при полете на больших высотах состоит из легкого графенового аэрогеля.
Устройство работает следующим образом.
При реализации переменного обжатия ТЛ-32 через натяжение ККЛ-1, например, для противоперегрузочной защиты при использовании: ОИМЖП-4, ОИМБ-3 и ОИМГ-2 по ГП-12 от УБЭС-15 УБИМ-9 одновременно подается электрическое напряжение как вдоль, так и поперек ИМ-24 (см. фиг.4, 5 и 7). Увеличение значений действующей на летчика перегрузки в направлении голова-таз, например, от 1,5 до 9 единиц влечет за собой увеличение подаваемого по ГП-12 от УБЭС-15 электрического напряжения поперек ИМ-24, что создает одноименный заряд на углеродных нанотрубках, вызывая их взаимное отталкивание и появление векторов растяжения ВРИМ-30 от ее исходной границы ИГИМ-27. Секции ИМ-24 на ЭЛ-25, закрепленные в СЧИМ-23 на концах и середине и вшитые в ККЛ-1, растягиваясь по НШ-26 натягивает СЧИМ-23, а через него и ткань ККЛ-1 с давлением на ТЛ-34, соответствующим ВГД-20 (фиг.3), с появлением векторов удельного давления ВУДРИМ-35.
Подавая одновременно переменное электрическое напряжение по ГП-12 от УБЭС-15 УБИМ-9 вдоль ИМ-24, структура углеродных нанотрубок будет сжиматься и разжиматься с амплитудой и частотой, функционально связанными с параметрами пульса крови летчика, и таким образом будет реализовано воздействие ИМ-24 на ТЛ-34, состоящее из аддитивной смеси переменного обжатия ТЛ-34 с перепадами давления между НГД-21 и ВГД-20, т.е. в эффективной зоне обжатия ЭЗО-22 (см. фиг.3). При этом на растянутые секции ИМ-24 с ГРИМ-28 будут приложены векторы сжатия ВСИМ- 31, под действием которых ИМ-24 станет более плотной и войдет в границы ГСИМ-29, ослабляя удельное давление ткани ККЛ-1 на ТЛ-34 и уменьшая модуль ВУДСИМ-36. Периодически расширяясь до ГРИМ-28 и сжимаясь до ГСИМ-29 под действием векторов, ВСИМ-31 и ВРИМНГ-32 ИМ-24 реализует через ткань ККЛ-1 режим постоянного и переменного обжатия ТЛ-34. Разность модулей векторов ВУДСИМ-35 и ВУДРИМ-36 для действующей перегрузки соответствует ЭЗО-22.
Переменное обжатие ТЛ-34 через натяжение ККЛ-1 также может быть реализовано при использовании ЛИМБНК-8.При этом, при адаптации ККЛ-1 под летчика перед полетом по ГП-12 от УБЭС-15 УБИМ-9 подается поперек ЛИМБНК-8 электрическое напряжение, расширяя ИМ-24 до границы ГРИМ-28 с нулевым модулем ВУДРИМ-36. Затем в полете при действии перегрузки по ГП-12 от УБЭС-15 УБИМ-9 подается электрическое напряжение вдоль ИМ-24, генерируя появления векторов ВСИМ-31 и (см. фиг.6) ВУДСИМ-35 ККЛ-1 на ТЛ-34, соответствующий давлению ВГД-20 (см. фиг.3). Сжимаясь в СЧИМ-23, ИМ-24, закрепленная с двух концов и посередине, сжимает ККЛ-1, воздействуя на ТЛ-34. Подавая одновременно переменное электрическое напряжение по ГП-12 от УБЭС-15 УБИМ-9 поперек ИМ-24 с амплитудой и частотой, функционально связанными с параметрами пульса крови летчика, будет реализовано воздействие ИМ-24 на ТЛ-34, состоящее из аддитивной смеси постоянного и переменного обжатия ТЛ-34 с перепадами давления между НГД-21 и ВГД-20 в ЭЗО-22 (см. фиг.3). При этом на сжатые секции ИМ-24 с ГСИМ-27 будут действовать вектора растяжения ВРИМ-30, под воздействием которых ИМ-24 войдет в новые границы ГРИМ-28, ослабляя удельное давление ткани ККЛ-1 на ТЛ-34 и уменьшая модуль ВУДРИМ-36. Периодически расширяясь до ГРИМ-28 и сжимаясь до ГСИМ-27, ИМ-24 реализует через ККЛ-1 режим постоянного и переменного обжатия ТЛ-34.
Модуль вектора удельного давления, например, ВУДРИМ(t)-36 на ТЛ-27 при переменном воздействии ИМ-24, в общем виде выражается следующей функцией:
ВУДРИМ(t)=kf(ВГД-20(Ед.пер.(t)), НГД-21 (Ед.пер.(t),
{ψим(t),Аим(t),vим(t)}, Lим, Sим, hим);
{ψим(t), Аим(t),vим(t)}=f(Aизм.п.(t), vизм.п.(t),Vкр.л.);
где
Eд.пер.(t) - значение действующей перегрузки;
ВГД-20 (Ед.пер.(t)) - значение верхней границы избыточного давления на тело летчика при действующей перегрузке;
НГД-21(Ед.пер.(t)) - значение нижней границы избыточного давления на тело летчика при действующей перегрузке;
ψим(t), Аим(t), vим(t) - соответственно фаза, амплитуда и частота работы ИМ-24;
Lим, Sим, Lим - соответственно длина, ширина и высота ИМ-24;
Аизм.п.(t), vизм.п.(t), - соответственно измеренные значения наполнения и частоты пульса крови летчика;
Vкр.л - объем крови летчика;
k - коэффициент пропорциональности, зависящий от зоны расположения и варианта работы ИМ.
Минимальный интервал времени работы  ИМ-24 для стабилизации параметров пульса и дыхания, измеряемых соответственно ГДП-10 и ГДД-11 в обозначенных выше оптимальных интервалах, может быть выражен следующей функцией:
minΔtраб.им=f(Δ(ВУД), |vизм.п.-vср.п.|, |vизм.д.-vср.д|);
где
vср.п., vср.д. - соответственно среднее значение оптимальных интервалов частоты пульса и циклов дыхания летчика;
vизм.д. - измеренные значения частоты дыхания летчика;
Δ(ВУД) - разность модулей векторов удельного давления при периодическом обжатии тела летчика.
При реализации постоянного обжатия ТЛ-34, например, при высотной компенсирующей защите летчика и использовании одновременно: ОИМГС-5 ОИМЖП-4, ОИМБ-3, ОИМГ-2, а также ЛИМР-6, ЛИМПС-7, ЛИМБНК-8 по ГП-12 от УБЭС-15 УБИМ- 9 подается постоянное электрическое напряжение как поперек секций ИМ-24 (для ОИМГС-5 ОИМЖП-4, ОИМБ-3, ОИМГ-2), так и вдоль уже заранее расширенных секций ИМ-24 (для ЛИМР-6, ЛИМПС-7, ЛИМБНК-8). В первом случае (см. фиг.7) подаваемое напряжение создает одноименный заряд на нанотрубках, вызывая их взаимное отталкивание и появление векторов растяжения ВРИМ-30 ИМ-24, при этом мышца расширится (удлинится) до необходимой границы растяжения искусственной мышцы (ГРИМ)-24, при плавном увеличении напряжения плавно, вызывая эффект натяжения ККЛ-1 в секции ИМ- 24 и обжимая тело летчика с соответствующей силой, причем, если необходимо, с разными модулями векторов ВУДРИМ-36 для разных ИМ-24.
Во втором случае (см. фиг.6) подаваемое напряжение вызовет взаимное притягивание нанотрубок растянутой ленты ИМ-24, возникнут вектора сжатия ВСИМ-31, структура из нанотрубок будет сжиматься, делая мышцу более плотной, тем самым увеличивая эффект натяжения ККЛ-1 в этой секции и увеличивая модуль векторов ВУДСИМ-35 и давление на ТЛ-34 для эффективной высотной компенсирующей защиты.