Способ распределенной защиты человека-оператора от ударных перегрузок
HUMAN-OPERATOR DISTRIBUTED PROTECTION METHOD FROM SHOCK OVERLOADS

Изобретение относится к методам улучшения защиты операторов транспортных систем от ударных перегрузок. Способ может применяться в авиации, где необходимость защиты летных экипажей от ударных перегрузок возникает при аварийной посадке вертолетов, когда в случае аварийной ситуации происходит падение вертолета и соударение его с землей. Ударные перегрузки возникают также при аварийном покидании летчиком скоростного самолета с помощью катапультного кресла. Для других видов транспорта защита от ударных перегрузок членов экипажа и перевозимого личного состава требуется в случае подрыва на мине. Ударные перегрузки возникают под действием ударного импульса, который за доли секунды замедляет (или ускоряет) рабочее кресло с находящимся в нем человеком-оператором. При этом возникают инерционные силы, которые направлены навстречу ударному импульсу и вызывают смещения отдельных характерных частей тела человека-оператора и мощные деформации в критических зонах скелетно-мышечной системы.
Распределенная защита человека-оператора от ударных перегрузок по заявляемому способу направлена на снижение деформаций, вызванных преимущественно перегрузкой «голова-таз». Для других составляющих ударной перегрузки («спина-грудь», «бок-бок») заявляемый способ может применяться с учетом специфики действия этих составляющих.
Применительно к широко распространенным авиационным креслам летных экипажей вертолетов известен способ приложения ударного импульса, вызывающего перегрузку "голова-таз", когда ударом непосредственно нагружается только нижняя часть тела человека, расположенная на сиденьи (тазобедренная секция). При аварийной посадке вертолета в момент соударения с землей ударный импульс проходит от шасси на фюзеляж, затем по конструкции на пол кабины и далее через узлы крепления кресла на сиденье и здесь прикладывается непосредственно к тазобедренной секции тела и вызывает интенсивное торможение кресла и тазобедренной секции. К вышерасположенным частям тела (торс и голова) ударный импульс через конструкцию кресла не прикладывается и в результате торможение верхних частей тела не происходит, а возникает их смещение вниз к тазобедренной секции. Смещение происходит под действием инерционных сил вертикальной направленности, возникающих на массе верхних частей тела. Смещаясь вниз, верхние части тела (торс и голова) приближаются к неподвижной тазобедренной секции, что вызывает деформации позвоночника. Наиболее интенсивные и опасные деформации возникают в области поясничного и нижнегрудного отделов позвоночника. Эта область позвоночника является критической - в результате воздействия ударных перегрузок «голова-таз» именно здесь возникают трещины и переломы позвонков, смещения и разрушения межпозвоночных дисков и другие травмы. Аналогично происходит нагружение ударным импульсом тела летчика скоростного самолета при катапультировании или человека-оператора других транспортных систем при подрыве на мине, с той лишь разницей, что ударный импульс вызывает не торможение, а ускорение тела человека.
Известный способ приложения ударного импульса, вызывающего ударную перегрузку "голова-таз", реализован в конструкции авиационного амортизационного кресла по патенту РФ [1] для вертолетов, которое содержит сиденье со спинкой, привязную систему, механизм регулировки кресла по росту и амортизатор-энергопоглотитель телескопического типа. При аварийной посадке вертолета ударный импульс, вызывающий ударную перегрузку "голова-таз", по конструкции кресла достигает сиденья и вызывает торможение тазобедренной части тела вместе с конструкцией сиденья. На верхние части тела ударный импульс через конструкцию кресла не передается, поскольку спинка кресла и привязная система ориентированы в направлении перегрузки "голова-таз". В результате верхняя часть тела (торс и голова) ударным импульсом не затормаживается, а возникающие на массе верхней части тела инерционные силы смещают торс летчика относительно спинки кресла вниз и тем самым деформируют критическую зону позвоночника.
Таким образом, по патенту [1] ударный импульс, вызывающий ударную перегрузку «голова-таз» и затормаживающий кресло вместе с расположенным в нем летчиком вертолета, по телу летчика не распределяется, а прикладывается только к одной, нижней части тела. При этом вышерасположенные части тела, не имея тормозящего действия ударного импульса, под действием инерционных сил смещаются вниз, сжимая критический отдел позвоночника, что приводит к серьезным травмам позвонков в поясничном и нижнегрудном отделах позвоночника.
Известен вариант приложения ударного импульса к средней части тела человека-оператора - к торсу (патент США US 8414026 В1, B60R 22/06 [2]). Технология защиты от ударных перегрузок по патенту [2] предназначена для членов экипажа самолета или вертолета, которые в процессе полета выполняют свою задачу в грузовой кабине летательного аппарата преимущественно в положении «стоя» - специалист по обслуживанию груза, спасатель и др. Для защиты применяется закрепленная на торсе человека привязная система - обвязка в виде жилета из прочной ткани с системой ремней (грудной, поясной, плечевые и набедренные). Со стороны спины на обвязке закреплены 2 кольца - вверху на уровне лопаток и внизу - на поясе. К кольцам крепятся два фала - верхний и нижний. Противоположным концом фалы стыкуются с выходными стропами инерционных катушек, одна из которых крепится вверху под потолком, а другая - на полу. Инерционные катушки установлены на каретках, которые смонтированы в направляющих с возможностью продольного перемещения. В нормальных условиях полета специалист имеет возможность перемещаться по грузовой кабине благодаря подвижности потолочной и напольной кареток, а также наклонятся, приседать и т.п. благодаря подвижности выходного стропа инерционной катушки, к которой прикреплен фал. В случае удара о землю и возникновения ударной перегрузки вертикальной направленности («голова-таз») верхняя инерционная катушка блокирует движение выходного стропа. При этом ударный импульс через верхний фал приходит на обвязку, прикладывается к торсу и затормаживает его перемещение вниз. Однако к другим частям тела ударный импульс не прикладывается и они не получают тормозящего действия ударного импульса. Поэтому голова человека-оператора под действием возникающих инерционных сил продолжает двигаться вниз и деформирует шейный отдел позвоночника, сжимая и изгибая его, а тазобедренная часть тела также сохраняет свое движение вниз и растягивает поясничный отдел позвоночника.
Таким образом, анализ описания изобретения по патенту [2] показывает, что здесь ударный импульс также не распределяется между частями тела, а прикладывается только к одной, средней части тела человека-оператора - к торсу через защитную систему. А другие части тела не получают тормозящего действия ударного импульса и продолжают движение под действием инерционных сил, создавая опасные сжимающие и изгибающие усилия в шейном отделе позвоночника и растягивающие усилия - в поясничном отделе позвоночника.
Наиболее близким к заявляемому способу нагружения тела человека ударным импульсом является способ, который реализуется устройством по патенту США US 4923147 A B64D 25/02, B64D 25/10, А42В3 [3]. Устройство предназначено для защиты летчика скоростного самолета от воздействия интенсивных перегрузок, возникающих при маневрировании самолета или при катапультировании, крепится на сиденьи со стороны спины летчика и содержит вертикальную пространственную опору для торса с привязной системой в виде совокупности ремней. Пространственная опора состоит из двух панелей: нижняя панель крепится шарнирно к каркасу сиденья с возможностью наклона вперед-назад, а на ней шарнирно установлена центральная панель с возможностью поворота относительно вертикальной продольной оси. На верхней панели установлена вертикальная стойка, доходящая до уровня верхней поверхности шлема.
К верхней точке вертикальной стойки крепятся два ремня, которые свободными концами крепятся к шлему летчика в верхней и нижней точках, лежащих в плоскости симметрии шлема. Для блокировки перемещения вперед вертикального кронштейна в верхней его части с тыльной стороны крепится корд, который другим концом связан с каркасом кресла или с выходным стропом инерционной катушки, закрепленной на каркасе кресла.
В защитной системе по патенту [3] реализована специальная защита головы и шейного отдела позвоночника от перегрузок путем ограничения перемещений и фиксации шлема. Однако эта защита передает на голову и шейный отдел позвоночника преимущественно горизонтальный ударный импульс без учета последовательности нагружения остальных частей тела вертикальным ударным импульсом, что может приводить к возникновению несогласованных и недопустимых деформаций и усилий в шейном отделе позвоночника.
При возникновении ударных перегрузок вертикальной направленности ударный импульс будет прикладываться в основном к нижней части тела летчика через сиденье и вызывать ее ускорение, а средняя часть тела летчика (торс) не получит ускоряющего действия ударного импульсы и будет оседать вниз под действием инерционных сил и сжимать позвоночник в критической зоне, создавая деформации и риск повреждения позвонков в поясничном и нижнегрудном отделах позвоночника. Одновременно опускающийся торс в ряде случаев может провоцировать опасные растяжения шейного отдела позвоночника, так как привязные ремни шлема могут создавать составляющую, ограничивающую перемещение головы летчика вниз.
В целом из анализа материалов патента [3] следует, что техническое решение реализует произвольную, неупорядоченную последовательность приложения ударного импульса к отдельным частям тела летчика, что может приводить к несинхронным и разнонаправленным относительным перемещениям частей тела и к дополнительным нежелательным нагрузкам на отдельные участки позвоночника. В патенте [3] не предусмотрены специальные решения, касающиеся обеспечения упорядоченного, синхронного приложения ударного импульса к характерным (выделенным) частям тела летчика.
Целью предлагаемого технического решения является разработка способа распределенной защиты человека-оператора от ударных перегрузок для минимизации деформаций и усилий в критических зонах скелетно-мышечной системы в процессе действия ударных перегрузок.
Поставленная цель достигается тем, что способ распределенной защиты человека-оператора от ударных перегрузок реализуется путем распределения между отдельными характерными (выделенными) частями тела человека-оператора, расположенного в рабочем кресле и зафиксированного защитно-привязной системой исходного ударного импульса, вызывающего ударную перегрузку и приложенного к конструкции кресла таким образом, чтобы нагружение характерных выделенных частей тела ударным импульсом происходило одновременно или в заданной последовательности с дозированной задержкой по времени.
В качестве выделенных характерных частей тела человека-оператора рассматривают верхнюю часть тела в составе: голова с защитным шлемом и нашлемной аппаратурой; среднюю часть тела в составе: торс с экипировкой, снаряжением и компонентами привязной системы рабочего кресла, нижнюю часть тела в составе: тазобедренная секция с экипировкой, снаряжением и компонентами защитно-привязной системы рабочего кресла. В среднюю часть может быть включена голова с защитным шлемом и нашлемной аппаратурой. Руки человека-оператора, а также его ноги с экипировкой, снаряжением и компонентами привязной системы также могут рассматриваться как выделенные характерные части тела. В качестве критических зон скелетно-мышечной системы рассматривают участки, расположенные между выделенными характерными частями тела (для перегрузки «голова-таз» - это зона поясничного и нижнегрудного отделов позвоночника).
В соответствии с заявляемым способом во время действия перегрузки для минимизации деформаций и усилий в критических зонах скелетно-мышечной системы человека-оператора исходный ударный импульс распределяют между характерными частями тела и прикладывают его ко всем выделенным частям одновременно или последовательно с дозированной задержкой по времени. Тем самым обеспечивается одновременное (или с небольшой задержкой по времени) торможение/ускорение отдельных характерных частей тела. За счет этого исключаются или минимизируются относительные перемещения частей тела и деформации в критических зонах скелетно-мышечной системы между этими частями.
Для ограничения деформаций и усилий в критических зонах скелетно-мышечной системы на уровне, близком к нулю, ударный импульс прикладывают к характерным частям тела одновременно. Это достигается тем, что дозированную задержку по времени выбирают на уровне, близком к нулю.
В случае невозможности обеспечить нулевое значение временной задержки применяют последовательное (несинхронное) приложение ударного импульса. При этом получают деформации и усилия в критических зонах скелетно-мышечной системы на минимальном уровне, пропорциональном величине дозированной задержке по времени. Величину минимально допустимой лимитированной задержки по времени выбирают на таком минимально допустимом уровне, при котором последовательное приложение ударного импульса к характерным частям тела не приводит к возникновению в критических зонах скелетно-мышечной системы усилий и болевых ощущений, превышающих уровень, заведомо меньший порога физиологической переносимости человека-оператора транспортной системы данного класса. Конкретное значение дозированной минимально допустимой лимитированной задержки по времени формируют с учетом величины и динамики нормированной ударной перегрузки для транспортной системы данного класса, а также биомеханики тела человека-оператора и обеспечивают путем выбора соответствующих конструктивно-компоновочных характеристик кресла и защитно-привязной системы, а также их жесткостных и вязкоупругих параметров.
Для обеспечения рациональной ориентации компонентов защитно-привязной системы по отношению к направлению ударного импульса и равномерной передачи ударного импульса на выделенные части тела увеличивают площадь опорных поверхностей и оптимизируют их форму с применением пространственных панелей, повторяющих обводы контактных поверхностей тела за счет индивидуального изготовления или имеющих дополнительно функцию адаптивного формообразования.
Для различных пользователей, отличающихся по ростовым и весовым параметрам, обеспечивают корректировку жесткостных и вязкоупругих характеристик элементов конструкции кресла и защитно-привязной системы, а также форм контактных поверхностей. Корректировку в целях обеспечения соответствия указанных характеристик конкретным значениям антропометрических параметров данного человека-оператора проводят автоматически путем применения в конструкции кресла систем адаптивного формообразования и силового корректирования, формируемых по аналогии с устройствами по патентам [4], [5], [6], либо в ручном режиме путем регулировки и настройки необходимых параметров кресла на вес и габариты конкретного пользователя.
Способ распределенной защиты человека-оператора от ударных перегрузок позволяет снизить деформации и усилия в критических зонах скелетно-мышечной системы до минимального уровня. Распределенное нагружение частей тела ударным импульсом ограничивает или исключает взаимные относительные перемещения частей тела под действием инерционных сил. Это позволяет значительно снизить травмирующее действие ударной перегрузки и повысить степень травмобезопасности и выживаемости экипажей транспортных систем в аварийных ситуациях, связанных с возникновением ударных перегрузок.
Технический результат, который может быть получен при реализации заявленного способа, заключается в значительном снижении усилий и деформаций в критических зонах скелетно-мышечной системы между выделенными характерными частями тела, вызванных ударной перегрузкой, и в минимизации рисков нанесения вреда здоровью человека-оператора транспортной системы.
Заявляемый способ поясняется чертежами на примере защиты от ударной перегрузки «голова-таз»:
- на фиг. 1 показана схема размещения человека-оператора в рабочем кресле транспортной системы;
- на фиг. 2 показана приведенная схема нагружения выделенных частей тела для известного способа - на начальной стадии удара (вид сбоку);
- на фиг. 3 показана приведенная схема нагружения выделенных частей тела для известного способа для конечной стадии удара;
- на фиг. 4 показана приведенная схема нагружения выделенных частей тела для заявляемого способа для конечной стадии удара.
На фиг. 1 показана общая схема размещения человека-оператора в рабочем кресле транспортной системы: 1 - рабочее кресло, 2 - критическая зона позвоночника, 3 - торс, 4 - привязная система рабочего кресла, 5 - тазобедренная секция, 6 - ударный импульс (продольная составляющая).
Общая схема на фиг. 2 сведена к двухмассовой иллюстративной модели с двумя выделенными характерными частями тела: 3 - верхняя часть тела (торс и голова), 5 - тазобедренная секция. На фиг. 2 изображен начальный момент приложения ударного импульса 6 к креслу с расположенным в нем человеком-оператором, когда уже деформированы нижние элементы конструкции кресла 7, но критическая зона позвоночника 2 еще не деформирована.
На фиг. 3 показано, как для известного способа ударный импульс 6 передается только на одну, нижнюю характерную часть тела 5, а на другую часть тела 3 не распределяется. При этом происходит смещение вниз верхней характерной части тела 3 и критическая зона позвоночника 2 в значительной степени деформируется под действием оседающей вниз верхней части тела 3, на которую ударный импульс и его тормозящее действие по известному способу не передается. Таким образом, для известного способа приложения ударного импульса имеет место гарантированное деформирование критической зоны позвоночника - на фиг. 3 это схематично показано в виде эллипса В (деформированное состояние критической зоны позвоночника) и пунктирной окружности (исходное недеформированное состояние). Исходное положение частей тела на фиг. 3 показано пунктиром.
Способ распределенной защиты человека-оператора от ударных перегрузок «голова-таз» схематично иллюстрируется фиг. 4. Для способа распределенной защиты человека-оператора от ударных перегрузок аварийной посадки на фиг. 4 показано распределение ударного импульса 6 аварийной посадки на две компоненты. Одна компонента ударного импульса 9 приложена к нижней характерной части тела 5 через сиденье кресла, а вторая компонента 10 - приложена к верхней характерной части тела 3 через опорный элемент 11 защитно-привязной системы. Опорный элемент 11 связан с конструкцией кресла через узлы крепления 12, обладающие необходимыми жесткостными и вязкоупругими характеристиками и передает на верхнюю часть тела соответствующую компоненту ударного импульса синхронно с первой компонентой ударного импульса 9, передаваемой сиденьем на нижнюю часть тела 5. В результате обе характерные части тела человека-оператора тормозятся ударным импульсом одновременно и не сближаются, что обеспечивает минимизацию деформаций в критической зоне позвоночника 2. В зависимости от конструктивно-компоновочных характеристик кресла и защитно-привязной системы, а также их жесткостных и вязкоупругих параметров распределение ударного импульса может иметь ограниченную асинхронность, которая пропорциональна величине минимально допустимой лимитированной задержки по времени.
Таким образом, по заявляемому способу распределенной защиты от ударных перегрузок человека-оператора транспортной системы, находящегося в рабочем кресле и зафиксированного защитно-привязной системой, ударный импульс, вызывающий торможение (или ускорение) кресла и создающий ударную перегрузку, передают по конструкции кресла и распределяют между характерными частями тела человека-оператора. При этом ударный импульс направляют по конструкции кресла и по элементам защитно-привязной системы таким образом, что выделенные характерные части тела человека-оператора нагружаются ударным импульсом одновременно (синхронно) или последовательно (несинхронного), но с минимально допустимой лимитированной и дозированной задержкой по времени между моментами приложения ударного импульса к отдельным частя тела. Распределенное приложение ударного импульса обеспечивает значительное снижение деформаций и усилий в критических зонах скелетно-мышечной системы между выделенными характерными частями тела человека-оператора транспортной системы.
Список использованных источников
1. Патент РФ №2198827, B64D 25/04. Амортизационное кресло, 29.12.2000.
2. Патент США US 8414026 B1, B60R 22/06. Mobile crew restraint and seating system, 09.04.2013.
3. Патент США US 4923147 A B64D 25/02, B64D 25/10, A42B 3/04 B8. Head support/spine offloading ejection seat insert, 08.05.1990.
4. Патент РФ №2308863, A47C 23/4. Регулируемый механический ложемент, 28.12.2005.
5. Патент РФ №2349242, A47C 27/10. Ложемент пневматический регулируемый, 28.12.2006.
6. Патент РФ №2150874, A42B 3/12. Подшлемник защитного шлема, 05.04.1999.