Протиперевантажувальний костюм

Протиперенавантажувальний костюм (англ. g-suit або anti-g suit), — це льотний костюм, який використовують пілоти та космонавти, що піддаються впливу високого рівня сили прискорення (g). Він призначений для запобігання втраті свідомості через відтік крові до нижньої частині тіла під час прискорення, що позбавляє мозок кровопостачання (так званий g-LOC, англ. g-induced loss of consciousness – втрата свідомості, спричинена перевантаженням)^[1]. Втрата свідомості пілотами становить значну небезпеку і стала причиною низки смертельних авіаційних аварій^[2].

Штани та камербанд MSF830 для захисту від перевантажень , одягнені поверх льотного костюма

Перевантаження

Якщо дозволити крові накопичуватися в нижніх частинах тіла, мозок буде позбавлений крові. Ця відсутність кровотоку до мозку спочатку викликає характерну помутніння зору (грейаут), потім тунельний зір і, зрештою, повну втрату зору («блекаут»), а потім втрату свідомості («g-LOC»). Це найбільш небезпечно для пілотів літаків, оскільки після позслаблення перевантаження настає період дезорієнтації, перш ніж зір відновлюється повністю.

g-suit не стільки підвищує поріг переносимості перевантаження, скільки дозволяє довше витримувати високе перевантаження без надмірної фізичної втоми.

Толерантність до перевантаження у стані спокою для типової людини становить від 3 до 5 g. Протиперевантажувальний костюм зазвичай додає до цієї межі лише 1 g допуску. Пілотам все ще потрібно практикувати прийом для витримування перевантаження (англ. g-straining maneuver, який полягає в напрузі м'язів живота, щоб стиснути кровоносні судини та зменшити скупчення крові в нижній частині тіла. Високе перевантаження переноситься все ще некомфортно навіть у протиперевантажувальному костюмі. На старих винищувачах 6 g вважалося високим рівнем перевантаження, але сучасні винищувачі можуть конструктивно підтримувати перевантаження до 9 g і навіть більше, особливо при маневруванні під час близького бою^[3].

Дизайн

Протиперевантажувальний костюм (g-suit) – це спеціальний одяг, який зазвичай має форму щільно прилягаючих штанів, що, залежно від конструкції, одягаються під льотний костюм або поверх нього. Ці штани оснащені надувними камерами, а в літаку чи космічному кораблі розташований клапан, що при значному прискоренні починає подавати до цих камер повітря або рідину. Наповнюючись, штани щільно тиснуть на живіт і ноги, обмежуючи відтік крові від мозку. Крім того, у деяких сучасних літаках, здатних до дуже високого прискорення, ефект костюма посилюється невеликим тиском, що прикладається до легень (сталий додатковий тиск повітря), що також підвищує стійкість пілота до перевантаження. Ефекти костюмів проти перевантаження та дихання з додатковим тиском легко відтворити в симуляторі, хоча штучно можна створити лише безперервну перевантаженість – у таких пристроях, як центрифуги^[4].

Було розроблено різні конструкції протиперевантажувальних костюмів. Спочатку використовувалося наповнення камер навколо нижньої частини тіла та ніг водою. У пізніших конструкціях для надування камер застосовується повітря під тиском – такі костюми легші за рідинні версії та досі широко використовуються. Однак швейцарська компанія Life Support Systems AG та німецька Autoflug^[de] разом розробили рідинний костюм «Libelle» для використання пілотами літаків [[Eurofighter Typhoon]. Костюм Libelle розглядають для прийняття на використання Повітряні сили США.

Історія

Випадки втрати свідомості пілотами через перевантаження були задокументовані ще у 1917 році^[5][6].

У1920-х роках, під час швидкісних перегонів за Кубок Шнейдера, High Speed Flight RAF^[en] визнала, що круті повороти, необхідні у цих перегонах, призводять до втрати свідомості пілотів. З огляду на це перевантаження обмежили до 4 g, внаслідок чого пілоти відчували лиш короткочасний грейаут з частковою втратою зору^[7].

У 1931 році професор фізіології Френк Коттон^[en] з Сіднейського університету описав новий спосіб визначення центру ваги людського тіла. Це дозволило описати зміщення маси всередині тіла під час прискорення^[8].

Коттон усвідомив необхідність створення протиперевантажувального костюма під час Битви за Британію 1940 року. За оцінками, 30% смертей пілотів сталися внаслідок нещасних випадків, включаючи втрату свідомості. Зокрема, літаки Supermarine Spitfire були здатні до швидких поворотів, які викликали високі перевантаження, що призводило до втрати свідомості під час пікірування для атаки або уникнення ворожого вогню. З розвитком високошвидкісних монопланних винищувачів наприкінці 1930-х років сили прискорення під час бою ставали все більшими^[6][9].

Ще в 1940 році деякі літаки мали підставки для ніг над педалями керма напрямку, щоб пілот міг підняти ноги під час бою, намагаючись зменшити негативний вплив на свій організм поворотів на високій швидкості.

Костюм Френкса

У 1938 році Вілбур Френкс^[en] запропонував систему з камерами, що заповнювалися водою. За відсутності державного фінансування він за власний рахунок побудував прототип для себе. Спочатку його робота була обмежена наявністю відповідного літака, але у 1940 році Велика Британія надала досліднику літак Supermarine Spitfire^[7]

Перші протиперевантажувальні костюми^[10] розробила команда під керівництвом Френкса в Медичному інституті Бантінг та Бест Університету Торонто в 1941 році^[11]. Виготовила костюми компанія Dunlop^[en]. Перше їх використання в оперативній діяльності здійснили у 1942 році пілоти 807-ї ескадрильї Флотської авіації, які літали на Supermarine Seafire під час вторгнення в Північну Африку в рамках операції «Смолоскип»^[12].

Ці пристрої використовували наповнені водою камери навколо ніг; було розроблено дві версії:

• Костюми Franks Mark I використовували пілоти літаків Hawker Hurricane та Supermarine Spitfire Королівських ПС;
• Костюми Franks Mark II використовували пілоти Повітряних сил армії США та Королівських ПС Канади.

Королівські ПС доволі обмежено використовували ці пристрої, оскільки мали побоювання, по-перше, щодо перевищення пілотами граничних значень навантаження на своїх літаках, а по-друге – щодо можливості потрапляння винаходу в руки ворога^[7].

Cotton Aerodynamic Anti-G Flying Suit

Професор Френк Коттон із Сіднейського університету, Австралія, розробив перший успішний протиперевантажувальний костюм, що використовував газ^[13]. Коттон розпочав розробку наприкінці 1940 року в Сіднейській медичній школі. Він побудував центрифугу в будівлі Anderson Stuart Building в Сіднейському університеті в умовах суворої воєнної секретності. Добровольців, молодих льотчиків, прив'язували за ноги до центрифуги та під наглядом медика піддавали впливу сильного перевантаження до втрати свідомості.

19 лютого 1942 року, в день масштабного бомбардування Дарвіна японцями, костюм Коттона був схвалений військовими керівництвами Союзників. Також невдовзі замовлення на виготовлення костюма на основі розробки Коттона подали США. Костюм Коттона пройшов льотні випробування на винищувачах Hurricane, Kittyhawk та Spitfire і продемонстрував захист від перевантаження близько 2 g. Костюм дослідила Фізіологічна лабораторія Королівських ВПС, провівши також конкурентні випробування костюмів Коттона Cotton Anti-G і костюмів Frank, які вже прийняли на озброєння у 1944 році. Костюм Френка цілком задовольняв потреби, і контракти на його виробництво були вже підготовлені, а потужностей для одночасного виготовлення обох моделей було недостатньо. Тому ПС Британії не взяли у виробництва костюми Коттона, але порекомендували їх Королівським ПС Австралії^[7]. Британські ПС дійшли висновку, що: «Немає сумнівів, що костюм Коттона забезпечує найкращий захист». Винайдені Коттоном газонадувні камери використовуються у протиперевантажувальних костюмах і по сьогодні^[13].

'Berger' gradient pressure suit

У Сполучених Штатах фізіологи Ерл Вуд^[en], Едвард Балдес, Чарльз Код та Едвард Ламберт^[en], працюючи в надсекретній дослідницькій лабораторії клініки Мейо^[en], визначили специфічні фізіологічні ефекти, що викликають блекаут і втрату свідомості під час впливу високих перевантажень. Ґрунтуючись на своєму новому розумінні фізіологічних ефектів високих перевантажень, вони розробили більш практичний костюм, заснований на розробках Коттона та Френкса. Цей костюм використовував надування, подібно до костюму Коттона. Хоча дизайн Коттона був цікавим, він більше зосереджувався на центрі тяжіння, ніж на кровотоці. Цей останній момент став ключем до створення практичного костюма проти перевантаження, який можна було носити під час бою^[11]. Такі костюми американські пілоти почали використовувати ближче до кінця Другої світової війни^{[10][14][15][16][17]}.

Ці дослідники були частиною команди клініки Майо, яка досліджувала вплив високошвидкісних польотів на військових пілотів, вивчаючи фізіологічні наслідки таких польотів та способи їх пом'якшення. Вони використовували велику центрифугу для обертання пілотів та спостерігали за їхнім кров'яним тиском на рівні голови та серця за допомогою спеціальних приладів. Щоб запобігти падінню кров'яного тиску, команда розробила костюм з повітряною камерою, яка надувалася, стискаючи литки, стегна та живіт пілота^[18].

Головним внеском дослідників Майо, який дозволив перейти від пульсуючих водяних камер до непульсуючих повітряних камер, було показати, що для підтримки перфузії очей та мозку необхідне підтримання артеріального тиску, а не венозного повернення^[en][19]. Прототипи цих костюмів, були відомі як «костюм артеріальної оклюзії» (arterial occlusion suit) або костюм Кларка-Вуда, названий на честь Вуда та Дейва Кларка (керівника компанії Dave Clark, який виготовив ранні костюми для команди в Майо)^[20].

Їхні зусилля нарешті завершилися наприкінці 1943 року випуском протиперевантажульного костюма G-1 типу GPS (gradient pressure suit) для пілотів винищувачів. У 1944 ця ж команда працювала над розробкою подальших, більш досконалих моделей^[21].

Хоча використання костюмів було некомфортним та відволікаючим, дослідження показали, що пілоти-винищувачі, які їх носили, частіше виживали та перемагали своїх супротивників у більшій кількості, ніж ті, хто їх не носив^[17].

Сучасні американські протиперевантажувальні костюми відповідають стандарту ПС США CSU-13B/P та стандарту ВМС США CSU-15 A/P.

Альтернатива: лежаче розміщення пілота

Розроблені під час Другої світової війни німецький Henschel Hs 132^[en] (так і не літав) та американський Northrop XP-79^[en] (розбився під час першого ж польоту з двигуном), в яких пілот розташовувався лежачи на спині, щоб мінімізувати скупчення крові в ногах^[22]. Після 1945 року британці також експериментували з положенням польоту лежачи на сильно модифікованому^[en] реактивному винищувачі Gloster Meteor F8 та навчально-тренувальному літаку Reid and Sigrist RS3 «Bobsleigh»^[en] з поршневим двигуном. Однак врешті ці експерименти припинили через незручності, пов'язані з пілотуванням лежачи та розробка практичних захисних костюмів для звичайних положень сидячи.

Red Bull Air Race

Пілоти-гонщики чемпіонату Red Bull Air Race^[en] з сезону 2009 року використовують протиперевантажувальні костюми під назвою «g-race suit». Це водяна, автономна та незалежна від літака система захисту всього тіла від перевантажень. Костюм виготовляється індивідуально для кожного пілота та може бути точно підігнаний за допомогою шнурівок.

Костюм g-race містить чотири так звані «рідинні м’язи» (англ. fluid muscles) - герметичні трубки, заповнені рідиною. Кожен рідинний м’яз простягається від плеча до щиколотки, кожен заповнений приблизно 1 літром рідини, що загалом становить близько 4 літрів на один костюм. Два рідинні м’язи прокладені вертикально на передній стороні костюма, а два – вертикально на задній стороні. Костюм важить в середньому 6,5 кілограмів, а його тканина виготовлена зі спеціальної суміші тварона^[en] та номекса.

Ефект проти-тиску виникає миттєво без будь-якої затримки в часі порівняно із затримкою до двох секунд перед досягненням повного захисту системи у стандартних пневматичних надувних костюмах g-race. Гонщик використовує костюм g-race інтерактивно, напружуючи м’язи та використовуючи дихальні техніки, щоб досягти поліпшеного серцевого викиду та, таким чином, покращеного захисту від перевантаження^[23].