Военное обозрение

Дыхательные аппараты. Физиология дыхания

46

Фото: mil.ru


Поскольку не нашел на сайте публикаций, посвященных системам автономного дыхания, решил немного восполнить этот пробел.

Я постараюсь уйти от описаний конструкций конкретных аппаратов и приведения неких цифр. Цель статьи – сделать обзор общих принципов работы аппаратов и предпосылок для их создания.

Вместе с тем без приведения некоторых цифр не обойтись при описании процессов, происходящих в человеческом организме во время использования этих аппаратов. И именно по той же причине придётся немного коснуться именно физиологии дыхания человека.

В основном, конечно, это будет статья об аппаратах, используемых для дыхания под водой. Т. е. при повышенном внешнем давлении. Просто потому, что аппараты для дыхания при атмосферном или пониженном давлении являются упрощённой версией подводных аппаратов.

По этой же причине в основном будут рассмотрены аппараты, используемые любителями подводных погружений. Именно любителей, поскольку профессиональные водолазы используют простые аппараты открытого цикла, а достижение ими больших глубин и длительностей погружений обеспечивается вспомогательной аппаратурой. Такой, как спускаемые аппараты, барокамеры, врачи-спецфизиологи, команды обеспечения и т. д. и т. п.

И здесь же я немного коснусь вопросов влияния повышенного давления на человеческий организм, поскольку без этого будет сложно объяснить некоторые конструктивные особенности аппаратов для дыхания, а так же состав газовых смесей, в них использующихся.

Некоторые сокращения для уменьшения количества символов в тексте.

Инертный газ – газ, не принимающий участие в химических процессах, происходящих в организме.

Парциальное давление – абсолютное значение давления газа, входящего в состав смеси газов. Зачастую указывается вместе со значением давления смеси газов. Единица измерения – ата. 1 ата = 1 атмосфере на уровне моря.

Физиология


Итак, немного физиологии.

Целью дыхания является насыщение крови кислородом, необходимым для обеспечения физиологических процессов в организме и удаления из неё углекислого газа, образующегося в результате этих самых процессов.

Для осуществления этого газообмена в человеческом организме предусмотрен специальный орган – лёгкие.

Внутренняя поверхность лёгких выстлана клетками-альвеолами. Посредством мембран этих клеток и происходит переход из крови, которая представляет собой жидкость, растворённого в ней углекислого газа, в воздух, содержащийся в лёгких, и переход кислорода из воздуха в кровь.

Здесь необходимо отметить, что альвеолярный газообмен происходит при условии РАЗНИЦЫ парциальных давлений газов в крови и дыхательной смеси в лёгких.

Т. е. имея в качестве дыхательной смеси воздух: 0,79 ата азота и 0,21 ата кислорода (для упрощения изложения), и венозную кровь с другой стороны альвеол с 0,06 ата кислорода, 0,059 ата углекислого газа и 0,78 ата азота, в результате газообмена получаем артериальную кровь с 0,125 ата кислорода, 0,052 углекислого газа и теми же 0,78 ата азота.

Соответственно, меняется и состав выдыхаемого из лёгких газа 0,79 ата азота, 0,17 ата кислорода и 0,04 ата углекислого газа.

Отсюда следует, что в данном газообмене азот является инертным газом, поскольку его количество во вдыхаемой и выдыхаемой смеси одинаково. А так же то, что человеческий организм усваивает всего лишь 4 % кислорода из воздуха. Это важно для понимания предпосылок создания аппаратов для дыхания замкнутого цикла.

Поскольку лёгкие представляют собой некую ёмкость, расположенную внутри тела, то для обеспечения непрерывного газообмена необходимо обеспечивать циркуляцию газа. Т. е. лёгкие должны менять свой объём. Увеличение – вдох – уменьшение – выдох. За это в организме отвечают 2 основные группы мышц: мембрана и наружные межрёберные.

И здесь же хотелось отметить одну физиологическую особенность.

Рецепторы, ответственные за дыхание, т. е. те, что побуждают человека сделать вдох, реагируют не на недостаток кислорода в крови, а на избыток углекислого газа. И это очень важный момент.

Ведь, даже имея в крови достаточное для жизнедеятельности количество кислорода, человек будет задыхаться, имея повышенную концентрацию углекислого газа. И имея в качестве дыхательной смеси, например, 100 % азот, человек погибнет, даже не поняв почему.

А всё просто.

Азот, циркулируя через лёгкие, будет удалять углекислый газ из крови. А вот кислород в кровь поступать не будет, и человек банально умрёт, предварительно потеряв сознание от гипоксии.

Соответственно, задача дыхательного аппарата – доставить к лёгким пригодную для дыхания смесь и удалить отработавший в лёгких газ.

При этом газ на входе в дыхательную систему должен быть под давлением, примерно соответствующим давлению окружающей среды. Ведь если давление будет очень высоким, то возникает риск повреждения органов дыхания примерно так же, как взрывается воздушный шарик, если в него подать газ под давлением, превышающим прочность на разрыв.

А если давление будет слишком низким, то мышцы, отвечающие за дыхание, просто не смогут создать разрежение, необходимое для наполнение лёгких газом. Именно поэтому никто не делает длинные дыхательные трубки.

Ведь, если человек, находящийся на глубине, например, 1 метр по водой, пытается сделать вдох через такую трубку, то его лёгким придётся преодолеть давление в 1/10 ата. И этот же момент привёл к появлению двухступенчатых дыхательных аппаратов.

А так же именно из-за ограниченности наших лёгких, как некоего насоса, практически невозможно жидкостное дыхание, что бы там ни демонстрировал наш знаток батутов и по совместительству глава Роскосмоса.

На этом про физиологию закончим и переходим непосредственно к аппаратам.

Аппараты


На данный момент времени наиболее массово используемые дыхательные аппараты можно разделить на две основных группы.

1. Аппараты открытого цикла, которые в свою очередь делятся на:

а) одноступенчатые;

б) двухступенчатые.

2. Аппараты закрытого типа.

В процессе обсуждения с редакторами я решил вообще не классифицировать замкнутые аппараты, поскольку практически каждый аппарат имеет свои особенности. Поэтому я просто приведу основные или наиболее используемые типы аппаратов второй группы.

а) полузамкнутые аппараты с активной подачей газа (Active Semi Сlosed Rebreather – ASCR);

б) полузамкнутые аппараты с пассивной подачей газа (Passive Semi Сlosed Rebreather –PSCR);

в) замкнутые аппараты с электронным управлением подачей газа (Electronic Closed Circle Rebreather – ECCR).

Здесь будет уместно упомянуть, что есть ещё один тип аппаратов – Manual Closed Circle Rebreather (MCCR), но я не хочу выделять его в отдельный тип. Я объясню почему, когда буду писать об электронном аппарате.

Итак, это первая часть.

Если кому-то будет интересна тема, то будет продолжение…
Автор:
Использованы фотографии:
https://xfile.ru/
46 комментариев
Объявление

Подписывайтесь на наш Телеграм-канал, ежедневно дополнительные материалы, то что не попадает на сайт: https://t.me/topwar_ru

Информация
Уважаемый читатель, чтобы оставлять комментарии к публикации, необходимо авторизоваться.
  1. kristofer
    kristofer 22 ноября 2021 18:30
    +12
    таки познавательно
    1. aleks neym_2
      aleks neym_2 22 ноября 2021 18:41
      +12
      Подразнил и съехал...а так интересно, спасибо!
      1. Кроу
        Кроу 22 ноября 2021 20:25
        +16
        И не говорите,на самом интересном месте!
        Если кому-то будет интересна тема, то будет продолжение…
        Автор!"Я требую продолжения банкета!"©
        1. dauria
          dauria 23 ноября 2021 05:35
          +4
          Автор!"Я требую продолжения банкета!"©

          Подписываюсь ! Тоже требую ...Тем более большинство технарей даже комментировать не смогут. Максимум, что в башку приходит - уравнение Менделеева-Клайперона. И что-то смутное из школьной анатомии , на уроках которой больше на ляжки девчонок пялились. soldier
          Так присобачить жабры акулы и сделать "Ихтиандра" нельзя в принципе , или просто сложно ?
    2. Moreno
      Moreno 22 ноября 2021 20:45
      +7
      Использовал аппарат Р-30 и Р-34. Разработка ещё довоенная, Дрёгер делал. Потом наши опыт переняли, и начали делать. Я с этим аппаратом отработал 7 лет в ВГСЧ, командиром взвода. Правильное дыхание, при хотьбе, подъём или спуск. Аппарат закрытого цикла действия. Эту разработку применяют " боевые пловцы". Даже была фишка, что у спеназа, Украинского отменили учения, химпоглатитель не доставили
  2. AlexGa
    AlexGa 22 ноября 2021 18:51
    +5
    ИП-5 все танкисты использовали на легководолазной тренировке, гидротренажерах и на подводном вождении. Это прибор замкнутого типа.
  3. Harry.km
    Harry.km 22 ноября 2021 19:08
    +6
    А так же именно из-за ограниченности наших лёгких, как некоего насоса, практически невозможно жидкостное дыхание (с)

    А если не жидкостное (где и в чем оно выгоднее нежели обычный газообмен?), а оксигенация крови посредством аппаратов типа ЭКМО? Дышать даже не надо... По сложности однозначно проще, чем жидкостное. Топить водолаза, как таксу не надо. Подключили к портам на вене и артерии и вперед, на любые глубины... Или есть какие то не стыковки с физиологией человека?
    1. Вежливый Лось
      Вежливый Лось 22 ноября 2021 21:35
      +5
      Цитата: Harry.km
      Или есть какие то не стыковки с физиологией человека?

      1. Легкие все равно придется чем-то наддувать. И это что-то (например, инертный газ) должно быть под давлением, соизмеримым с наружным. Иначе раздавит. А этот наддув приведет к растворению этого самого газа в крови и необходимости декомпрессии. Почему вот про жидкость в качестве легочного наполнителя и вспомнили, ибо она несжимаема.
      2. Насколько велика вероятность создания надежного "порта" для подключения упомянутого Вами аппарата к вене и артерии, который позволил бы водолазу на значительной глубине безопасно совершать активные движения и тем более вести боевые или сходные с ними действия без риска нарушения целостности соединения?
      3. Стерильность системы должна быть абсолютной. Полевые условия для подключения-отключения аппарата к телу не подходят однозначно.

      Мож когда-нибудь и решат эти и др. технические проблемы, но не сегодня. hi
      1. Harry.km
        Harry.km 23 ноября 2021 00:57
        +3
        Цитата: Вежливый Лось
        эти и др. технические проблемы

        То, что технические проблемы серьезные это понятно. До сих пор в медицине такие аппараты имеют ограниченное применение именно изза проблем с подключением, стерильностью и прочими сопутствующими, не смотря на очень высокую эффективность. Но мне думается, что эффективность, таких аппаратов намного выше, нежели "жижа" в легких. Представьте, что например, получилось вывести "порты" не как в медицине, а например в районе спины... Ну или еще в каком нибудь месте, где они будут защищены. Стерильность, то же вещь не абсолютная, используют же сейчас всевозможные катетеры, например для диализа.

        А вот физиология этого интересна...
        Цитата: Вежливый Лось
        Легкие все равно придется чем-то наддувать.


        А зачем? Аппарат ЭКМО заменяет легкие человека. Какая нибудь маска с небольшим запасом инертного газа под давлением, что бы если вдруг рефлекторно захотелось "дыхнуть". Да и то как я понимаю, если рецепторы, чем то будут раздражены. А если содержание СО2 и О2 в крови оптимальны, то и дышать не хочется))

        Это конечно мысли вслух, но интересно если исследования в этом направлении ведутся или велись, то что не так? Невозможность технически или физиологическая не проходимость?
        1. Вежливый Лось
          Вежливый Лось 23 ноября 2021 07:06
          +1
          Цитата: Harry.km
          А зачем? Аппарат ЭКМО заменяет легкие человека.

          Легкие - это воздушная полость, которая при погружении на глубину будет подвержена сжатию внешним давлением. 1атм. на каждые 10 м. глубины. Если их не наполнить газом с давлением приближенным по величине к внешнему, их просто раздавит. А если наполнить - будет происходить растворение газа в крови (не берусь утверждать, как будет происходить растворение газа через несокращающиеся легкие, но полагаю, что все-таки оно будет). И если мы ведем речь о погружении на большие глубины (а иначе и нет смысла огород городить), то все равно упираемся в необходимость длительной декомпрессии при всплытии. Так что основная проблема глубоководных погружений - не купирование потребности дышать, а возможность безопасного всплытия. hi
          1. Авиатор_
            Авиатор_ 24 ноября 2021 08:14
            +1
            Если их не наполнить газом с давлением приближенным по величине к внешнему, их просто раздавит.

            Проблема, конечно, есть, но рекорд погружения фридайверов более 100 м, лёгкие довольно эластичный орган.
            1. Вежливый Лось
              Вежливый Лось 24 ноября 2021 08:28
              +1
              Отчасти согласен с Вами. На короткое время и до определенного предела глубины можно с легкими не особо заморачиваться. Но для больших глубин и длительных погружений все равно придется какое-то решение искать. hi
  4. Knell Wardenheart
    Knell Wardenheart 22 ноября 2021 19:36
    +7
    Весьма интригующее начало и масса интересной информации ! Автор вам "+" , буду ждать продолжения)
    P/s про электрические жабры напишете ?
  5. Leha667
    Leha667 22 ноября 2021 19:40
    +7
    Отличная статья!
    Ждём продолжения, применительно к аппаратам, состоящим на вооружении в нашей армии и флоте.
  6. CheeRock
    CheeRock 22 ноября 2021 19:50
    +7
    Продолжайте, уважаемый Дон! hi
  7. 75Сергей
    75Сергей 22 ноября 2021 19:57
    +6
    Опять, на самом интересном месте!
  8. Lepsik
    Lepsik 22 ноября 2021 19:57
    +5
    ----как некоего насоса, практически невозможно жидкостное дыхание

    Я так понимаю что великий знаток Роскосмоса логику в школе пропускал.
  9. КСВК
    22 ноября 2021 20:05
    +11
    Цитата: aleks neym_2
    Подразнил и съехал...а так интересно, спасибо!

    Ну чего ж сразу съехал. ОЦ почти готов. Получилось, правда неожиданно многабукв. Буду консультироваться с модераторами, может поделим.
    1. НДР-791
      НДР-791 23 ноября 2021 06:25
      +3
      Цитата: КСВК
      Получилось, правда неожиданно многабукв.

      Лучше поделить. Даже большого слона надо кушать маленькими кусочками. Да и наверняка придётся лазить в литературу или в сеть что-нибудь уточнять.
  10. archi.sailor
    archi.sailor 22 ноября 2021 20:07
    +7
    А когда будет продолжение? Очень познавательная тема
  11. Nikolaevich I
    Nikolaevich I 22 ноября 2021 20:11
    +10
    Автор молодец ! Забрёл на целину и решил остаться там ...и правильно сделает,коли так ! Эту тему ещё никто толком не "пахал" ! Только представил "масштаб" , как дыхание "в зобу спёрло" !Эту тему можно копать и вглубь,и вширь ! Как шумерские спецназовцы в "водной среде" применяли бурдюки ,надутые воздухом...как дышали водолазы ХVI-XVIII веков...почему акваланги появились лишь в сороковые годы,а до них пользовались кислородными приборами... и так далее !
  12. КСВК
    22 ноября 2021 20:12
    +9
    Цитата: Harry.km

    А если не жидкостное (где и в чем оно выгоднее нежели обычный газообмен?)


    Про ДКБ слыхали? При жидкостном дыхании ДКБ уйдёт в прошлое. Осталось только придумать как осуществить. what Я потом всё постараюсь объяснить.

    Цитата: Harry.km

    , а оксигенация крови посредством аппаратов типа ЭКМО? Дышать даже не надо... По сложности однозначно проще, чем жидкостное. Топить водолаза, как таксу не надо. Подключили к портам на вене и артерии и вперед, на любые глубины... Или есть какие то не стыковки с физиологией человека?


    Я не спецфизиолог, не могу сказать как это функционировать не дыша.... Сдается мне, что пациенты под вышеуказанными аппаратами находятся без сознания как минимум. Ну и вряд ли подобный аппарат влезет в носимый «рюкзак». Я уже молчу про батарейки.... wassat
    1. Harry.km
      Harry.km 23 ноября 2021 01:13
      +1
      Цитата: КСВК
      При жидкостном дыхании ДКБ уйдёт в прошлое.


      А какая разница, как в кровь попадет газ? Я вот даже думаю, что если газом насыщать кровь не через альвеолы легких, а в каком то аппарате (ЭКМО) то появится вариант точо также и удалять газ из крови при закипании. Пусть не мгновенно, но быстрее чем это сделает организм.
    2. Harry.km
      Harry.km 23 ноября 2021 01:17
      +2
      Цитата: КСВК
      Сдается мне, что пациенты под вышеуказанными аппаратами находятся без сознания как минимум.


      Не-е... Сейчас уже ЭКМО аппараты используют и на людях в сознании... Они дороги и весьма громоздки, но это же технологии. Если нет принципиального физиологического ограничения, то может и к такому способу придут?
    3. ja-ja-vw
      ja-ja-vw 23 ноября 2021 11:28
      +2
      1.Жидкость для дыхания вязка и плохо выводит углекислый газ, поэтому понадобится принудительная "вентиляция" ( не знаю как назвать
  13. КСВК
    22 ноября 2021 20:18
    +9
    Цитата: Knell Wardenheart
    Весьма интригующее начало и масса интересной информации ! Автор вам "+" , буду ждать продолжения)


    Спасибо! Видимо модераторы не ошиблись в том, что тема будет интересна.

    Цитата: Knell Wardenheart

    P/s про электрические жабры напишете ?


    Я постараюсь ответить на все вопросы. В меру компетенции, конечно. Но сначала я всё таки планирую закончить то, что анонсировал. Думаю, что многие вопросы отпадут сами собой. bully
  14. ТермиНахТер
    ТермиНахТер 22 ноября 2021 20:23
    +8
    Статья интересная, хотя и несколько затянутая. Нам мичмана в школе водолазов ЧФ объясняли быстрее и не менее доступно.
  15. КСВК
    22 ноября 2021 20:33
    +10
    Цитата: ТермиНахТер
    Статья интересная, хотя и несколько затянутая. Нам мичмана в школе водолазов ЧФ объясняли быстрее и не менее доступно.

    А вам мичманА не объясняли, почему в советском ВМФ PPO2 допускался 3 ата? belay
    А если серьёзно, то статья всё-таки предназначена для широкой аудитории. И, сдаёЦЦа мне, далеко не у всех есть водолазная подготовка. hi
    1. Legionista
      Legionista 22 ноября 2021 23:15
      +3
      МичманА объясняли. Но пользовались терминологией, принятой в ПВС ВМФ. А там другие обозначения парциального давления и другие единицы измерения давления). Действительно, чистым О2 можно было дышать в ИДА до 20 метров. Но риск кислородного отравления очень велик.
  16. archi.sailor
    archi.sailor 22 ноября 2021 20:42
    +1
    Уважаемый автор,не могли бы Вы прокоментировать следующее: "А вам мичманА не объясняли, почему в советском ВМФ PPO2 допускался 3 ата? ". Что за величина РРО2?
  17. Алекс2048
    Алекс2048 22 ноября 2021 21:00
    +5
    Очень любопытно. Продолжение необходимо.
  18. hohol95
    hohol95 22 ноября 2021 21:37
    +2
    Прочтение статьи заставило воспоминить о романе Роберта Хайнлайна "Имею скафандр - готов путешествовать".
    В нём главный герой учавствует в викторине и получает в качестве приза - Б/У скафандр!
    И решается его восстановить до состояния пригодного для использования в космосе!
    Там так же описывалось, как он подбирал оптимальную воздушную смесь для балонов своего скафандра!
  19. КСВК
    22 ноября 2021 22:57
    +1
    Цитата: archi.sailor
    Уважаемый автор,не могли бы Вы прокоментировать следующее: "А вам мичманА не объясняли, почему в советском ВМФ PPO2 допускался 3 ата? ". Что за величина РРО2?

    Предельно допустимое парциальное давление кислорода. Простите. Дайверское прошлое, мать его.... feel
    1. НДР-791
      НДР-791 23 ноября 2021 06:30
      +1
      Цитата: КСВК
      Простите. Дайверское прошлое, мать его....

      Вот-вот. И я про тоже. Мне пока понятно ибо тоже "с прошлым", но подозреваю что если будут "дебри", то всё же придётся уточняться
  20. Reklastik
    Reklastik 22 ноября 2021 22:59
    +2
    Эй, эй, эй, автор, ты что как оборвал-то резко! Конечно, интересно!
  21. zwlad
    zwlad 22 ноября 2021 23:16
    +1
    Интересно однако.
  22. КСВК
    23 ноября 2021 00:21
    +2
    Цитата: Legionista
    МичманА объясняли. Но пользовались терминологией, принятой в ПВС ВМФ.


    Я честно скажу, не изучал сей документ. И тем более не применял пределы, в нём указанные, на практике. Хочу стать старым дайвером. Смелым не хочу.

    Цитата: Legionista

    А там другие обозначения парциального давления и другие единицы измерения давления).


    Неужели в мм рт.ст.? belay
    1. A.A.G.
      A.A.G. 23 ноября 2021 03:54
      +4
      "...Хочу стать старым дайвером. Смелым не хочу...."
      Наверное,для широкой публики, стоило пояснить,что существует сленговая поговорка,возведенная чуть-ли не в девиз: "Старых смелых дайверов не бывает!".
      Впрочем, статью читают люди как минимум заинтересованные)))...
      hi
  23. КСВК
    23 ноября 2021 00:25
    +4
    Цитата: AlexGa
    ИП-5 все танкисты использовали на легководолазной тренировке, гидротренажерах и на подводном вождении. Это прибор замкнутого типа.

    Взглянул что за аппарат. Ух-х. Лютый агрегат. И О3 тебе и стартовый патрон с серной кислотой. Жесть. belay
  24. Ниттен
    Ниттен 23 ноября 2021 02:11
    +1
    Пиши проду,Бро! Чем больше букав,тем лучше-е!
  25. КСВК
    23 ноября 2021 02:19
    +2
    Цитата: Harry.km
    Если нет принципиального физиологического ограничения, то может и к такому способу придут?

    Вполне возможно. Но это дело ОЧЕНЬ отдалённого будущего.
    Цитата: Harry.km

    удалять газ из крови при закипании

    Не будет никакого закипания. Я всё расскажу в третьей части.
    Надеюсь сегодня вы уже увидите вторую. Только там нудняк. От теории к практике, так сказать. yes
  26. Vale2000
    Vale2000 23 ноября 2021 13:30
    0
    Пишите, тема интересная.
  27. О. Бендер
    О. Бендер 23 ноября 2021 19:46
    0
    Лично я далек от темы, имею ввиду знания в этой сфере,но было интересно,очень интересно!Жду продолжение.Автору большой плюс.Когда же мы сможем оценивать излагаемое на форуме?Вопрос к модераторам.
  28. Vale2000
    Vale2000 24 ноября 2021 08:04
    0
    Интересно было бы и про эти штуки узнать.
    1. КСВК
      24 ноября 2021 18:10
      +1
      Цитата: Vale2000
      Интересно было бы и про эти штуки узнать.

      На фото КИП-8 Кислородный изолирующий противогаз. Время работы 2 часа, вес 10кг. Используется с противогазной маской. Предназначен для работы на воздухе. Теоретически можно и под воду, но я бы не полез. В любом случае до 6 метров глубины.
      Кислородный баллон 1лх200 ата. Есть манометр. Работает по полузамкнутому циклу с постоянной подачей. Поглотитель ХП-И.
      Давно снят с производства и практически нигде не используется. Можно найти аппараты в хорошем состоянии с хранения.
      1. Vale2000
        Vale2000 24 ноября 2021 19:53
        0
        Спасибо )))