Главная Архив номеров N-15 июнь 2007 Концепция спасения с затонувшей подводной лодки:переход на жидкостную вентиляцию лёгких плюс безотлагательное свободное всплытие.
 

Авторизация



Концепция спасения с затонувшей подводной лодки:переход на жидкостную вентиляцию лёгких плюс безотлагательное свободное всплытие. Печать

А. В. Филиппенко, член-корреспондент РАЕН, к.м.н., Директор AVF.

ВВЕДЕНИЕ
В классической английской книге «Спасение с затонувших подводных лодок» У. Шелфорда (1963) отмечалось, что экипажу лодки, лежащей на глубине более 60 м, грозит переохлаждение из-за заполняющей отсеки морской воды и довольно быстрое повышение давления в отсеках до опасного для жизни уровня более 6 бар. Сегодня, спустя полвека, ситуация всё та же, и предотвратить неизбежную опасность пребывания под избыточным давлением, можно только покинув затонувшую подводную лодку в первые десятки минут после аварии, когда давление растет еще не так быстро.
Технологически готовый вариант в ВМФ РФ - это «камера спасательная всплывающая» - (КСВ). Её пытались использовать подводники в 1989 году, находившиеся в АПЛ «Комсомолец», и в аварийных условиях это оказалось сложным. Из-за повреждений при взрыве даже шанса использовать ее не было при аварии АПЛ «Курск», поэтому один спасенный подводник - итог последних аварий, не дает больших надежд на КСВ. Конечно, КСВ отменять преждевременно, немецкие конструкторы на лодках среднего размера проектируют, наряду со спасательным люком, спасательную «сферу», но в подводных аппаратах и малых лодках отделяемой части нет места.

Если аварийный сигнал с затонувшей лодки подан, «на берегу» известно место аварии, то известный с 60-х годов вариант - это самостоятельное всплытие в надежде на помощь уже на поверхности. Учитывая развитие спутниковых средств позиционирования, сейчас главное - это задача авиационной доставки команды спасателей для подбора всплывающих подводников до подхода долго идущих (по нормативам - 72 ч.) корабельных средств.
Спасательный катер ”Гагара” ВМФ РФ был задуман для решения этой задачи в составе авиационно-морского поисково-спасательного комплекса ИЛ - 76 МДПС. На учениях ВМФ катер десантировался с высот 600 - 1500 м (с экипажем на борту при волнении моря до 5 баллов). Экипаж подбирал всплывающих подводников, размещая их в надувных плотах.
В странах НАТО реализуется схожая идея помощи, за образец взята британская команда спасателей (Subsank Parachute Assistance Group - SPAG), десантируемая из самолетов вместе с надувными катерами подбора.
Таким образом, главная проблема - как достичь поверхности и не погибнуть до подбора на плот.
Из диаграммы (рис.1) видно, что спасательные средства, расположенные сверху, спасают в широком диапазоне глубин, но прибывают к месту аварии поздно - через 3-4 суток. Более быстрый путь достижения поверхности, кроме КСВ, это свободное всплытие при дыхании воздухом или, газовыми смесями, как принято в ВМФ РФ при выходе через торпедный аппарат.
Можно спасти моряков свободным всплытием с глубин более 200 м (при дыхании воздухом). Однако в этом случае придется пожертвовать общепринятым в настоящее время уровнем безопасности метода свободного всплытия.
Так, норматив клинических декомпрессионных расстройств ~ 1% на глубинах до 100 м, а для 100 - 180 м < 5% от числа осуществивших в условиях учений свободное всплытие (при дыхании воздухом). В работах G. Loveman et al. теоретически обоснована скорость роста риска декомпрессионных расстройств на больших глубинах. Возможно, если оптимизировать скорость компрессии подводников в спасательном люке, то при всплытии с глубин 180-300 м будет частота от 5 до 10 %, а при всплытии с 300-400 м - от 10 до 15% случаев декомпрессионной болезни (при отсечном давлении 1 - 1, 6 бар). Так видно на диаграмме по кривым «iso-risk» для разных глубин. Немецкие инженеры взяли эти расчеты за основу.
По расчетам. С.Loveman, фирма «QinetiQ»(3).
Консорциум немецких и английских фирм bfa и HDW проводил НИОКР по созданию конструктивных и технических решений, позволяющих индивидуальный выход из спасательного люка аварийной подводной лодки на предельных глубинах. Рассматривали до 550 м.
В задачи НИОКР входило:
- снизить требующийся расход газа (из расчета на каждого человека) при шлюзовании до абсолютного минимума с целью увеличить количество спасающихся при использовании баллона с газом ограниченного объема;
- использовать для шлюзования сжатый воздух (газ) и забортную воду без других дополнительных источников энергии;
- исключить компоненты с электронным и гидравлическим управлением из системы шлюзования;
- сократить время заполнения и компрессии спасательного люка до абсолютного минимума, который может выдержать подводник;
- гарантировать максимальную плавучесть нового спасательного гидрокомбинезона после завершения компрессии, чтобы (при безопасной декомпрессии) свести к минимуму время, необходимое для всплытия на поверхность.
Система HABETaS, созданная в НИОКР, была испытана в гипербарическом центре ВМС Великобритании (г. Альверсток), где на манекенах проводилась имитация спасения с глубин 30-550 м. Система включала: модификацию конструкции спасательной камеры, новый алгоритм и систему управления этапов (заполнение водой, компрессия и осушение спасательного люка), модификацию выхода с новым спасательным снаряжением подводника.
Разработчики считают, что система HABETaS может конструктивно устанавливаться на каждой имеющей спасательный люк подводной лодке или даже встраиваться в такую лодку, находящуюся в эксплуатации. Есть сторонники закупки данной разработки и для ВМФ РФ.
Вероятно, предложенная система закономерное «эхо» катастрофы АПЛ «Курск», давно назревшая модификация английской разработки свободного всплытия 50-60-х годов (при более тонкой, более экономной регулировке расхода воздуха и воды). Но стохастичность поведения декомпрессионных пузырьков в кровеносных сосудах организма (мозга) неизменна. Предсказать успех всплытия конкретного человека «при пузырьках» нельзя.

Кроме того, система HABETaS - это модификация стандартного оборудования спасательных люков больших и среднего размеров лодок. Она не дает перспективы спасения подводников из необорудованных спасательными люками подводных лодок и подводных аппаратов.
Малоразмерной подводной техники становится все больше, появились 2х местные экскурсионные аппараты на 800 м, даже лодки «супербогатых». Центральный вопрос для спасения их экипажей - предотвращение декомпрессионной болезни при спасении свободным всплытием. Все более актуальной становится задача воздействия на первопричину декомпрессионной болезни - пресыщение организма азотом на этапах компрессии и всплытия при дыхании воздухом.
Разработав около шестидесяти лет назад акваланг, француз Жак Ив Кусто в его название ввел термин «вода» и «легкие». Однако сама технология полного заполнения легких водой (в виде водно-солевого раствора) стала известна из публикации Kylstra J. «Мышь как рыба» - первой по жидкостному дыханию, в которой сказано о такой идее спасения подводников. Он же первый провел на сухопутных млекопитающих (мышах) спуски на глубину 1000 м и показал, что переход на жидкостное дыхание полностью предотвращает гибель от декомпрессионного газообразования. В СССР это было подтверждено при искусственной вентиляции легких (ИВЛ) жидкостью обездвиженных собак в условиях имитации водолазных спусков на 1000 м.
Более того, позднее работами шведских исследователей Lundgren C. & Ornhagen H. показана устойчивость мышей при жидкостном дыхании и их иммерсии в жидкость при давлениях, имитирующих спуск на 2500 м.
Причина эффекта, а в физике явления - диффузии газа через мембрану по градиенту концентраций.
Когда азот, гелий или другой инертный газ (разбавитель кислорода) заменен жидкостью, то диффузия кислорода в кровь та же: она идет по градиенту концентрации. В итоге, жидкость, обеспечивая диффузию в кровь растворенного в ней кислорода, делает не нужным разбавитель - инертный газ, исключая первопричину пресыщения организма этим газом.
При смене дыхательной среды главное - это выбор прокачиваемой легкими жидкости с высокой растворимостью О2 и СО2. Вода и водно-солевые растворы хорошо растворяют газы только при высоком давлении. При атмосферном давлении в них крайне мало растворяется кислород (0, 004 % по массе при 20 оС.). Кроме того, они повреждают альвеолы легких, вымывая из них поверхностно-активное вещество (сурфактант), препятствующий их слипанию, и этим крайне затрудняют возврат к дыханию воздухом. Для замены воды и у нас и за рубежом стали испытывать аналоги химически инертного фторопласта (тефлона), не имеющие этих недостатков. Все они высоко химически инертны, без вкуса и цвета, прозрачны, растворяют при атмосферном давлении 40-50 объемных % О2 и вчетверо больше СО2.
На мировом рынке мало производителей этих жидкостей, так как их разработка - побочный продукт «атомных проектов». Известны: жидкости медицинского качества всего нескольких мировых фирм: DuPont (США), ICI и F2 (Великобритания), Elf-Atochem (Франция). Перфторуглеродные жидкости, технологически отработанные в Санкт-Петербургском институте прикладной химии, сейчас лидируют в медицине и косметологии.
Промывание легких водно-солевыми растворами много лет изучали в экспериментальном отделе НИИ пульмонологии 1 С.-Пб государственного медицинского университета им. И.П.Павлова (1 СПб ГМУ). С 1983 года автор начал там работать с образцами медицинских перфторуглеродных жидкостей на животных. Сначала, как с.н.с.- представитель заказчика (ПСС ВМФ), затем - как научный руководитель проблемы в заданной решением ВПК НИОКР «Олифа МЗ» 1986-89 гг.
1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ
Уже первые собственные опыты подтвердили известные данные зарубежных ученых о возможности многочасового жидкостного дыхания (самостоятельного, спонтанного, тотального) щенков собак, как и других мелких лабораторных животных - мышей и крыс. Однако у крупных лабораторных животных - взрослых собак, диаметр трахеи и устройство легких которых близки к человеку, жидкостное дыхание без механической помощи аппарата вентиляции легких не возникало. Как и в известных опытах Kylstra J., взрослые собаки сами не были способны к многочасовому жидкостному дыханию. Они выдерживали редко больше 10-20 мин и погибали от легочной не достаточности. Перевод на искусственную вентиляцию жидкостью легких с помощью клинической аппаратуры ИВЛ улучшал показатели, но для выхода с глубины решили создать дыхательное снаряжение, работающее без электричества.
Для продвижения идеи новой технологии спасения подводников требовалось создать методику, снаряжение, дыхательные жидкости. Провести сначала испытания на крупных животных-собаках, затем на добровольцах - волонтерах имитацию вариантов всплытия подводников на основе новой, современной концепции их спасения.

1.1. Задачи
1. Биологическое тестирование фторуглеродных жидкостей производства Института прикладной химии и выдача рекомендаций их разработчикам для совершенствования продукции.
2. Разработка жидкостного дыхания собак (самостоятельного, спонтанного) для имитации свободного всплытия подводника. Методика и снаряжение должны работать:
· при нахождении до 5 мин. в нормальном и немного повышенном давлении отсека;
· при компрессии и декомпрессии.
3. Разработка жидкостной вентиляции легких (искусственной). Методика и снаряжение (индивидуальный дыхательный аппарат для собак с источником энергии в виде сжатого газа) должны работать при имитации свободного выхода затоплением отсека с 5-30 мин пребыванием на глубине.
4. Разработка концепции жидкостного дыхания и жидкостной вентиляции для спасения подводников свободным всплытием.
· Подготовка волонтерских испытаний в клинике и в условиях гипербарии.
2. МАТЕРИАЛ И МЕТОД
Опыты при нормальном давлении (задача 1 и 2) проводились в лабораториях НИИ пульмонологии 1 СПб ГМУ. И.П. Павлова. Гипербарические эксперименты на собаках с имитацией свободного всплытия (задача 2 и 3) - на базах 40 ГНИИ аварийно-спасательного дела водолазных и глубоководных работ МО РФ в рамках и за счет средств НИОКР «Олифа МЗ».
С момента образования РФ разработка метода жидкостного дыхания для спасения подводников, как и подготовка волонтерских испытаний 2007 года, (задача 4) выполнялась и выполняется без грантов, за счет средств «AVF» в работе с 1 СПб ГМУ им. И.П. Павлова и другими организациями.
Качество дыхательных жидкостей проверялось в десятках серий опытов на мелких лабораторных животных - крысах и мышах. После того как выяснилось, что обычно находящиеся в них микропримеси к основному продукту способны существенно изменить фармакокинетику анестетиков и других лекарств в организме, то по нашему предложению химики повысили качество перфторуглеродных жидкостей. За счет новых технологий они, превысив лучшие на этот период мировые показатели, добились разделения изомеров и выхода 95-99% основного продукта (например, перфтордекалина), что уменьшило взаимное потенцирование анестетиков и снизило побочные явления при жидкостном дыхании.
Более сотни собак весом 6 - 25 кг, участвовали в опытах отработки методики жидкостного дыхания (спонтанного, самостоятельного) на операционном столе в положении лежа на спине и в естественном для собак положении - лежа на животе в прозрачной капсуле (рис. 3).
Носоглотка и верхние дыхательные пути собак анестезировались для предотвращения кашлевых движений, мешающих заполнению легких. При использовании проходящей через гортань интубационной трубки уровень анестезии был выше. Без такой трубки они дышали, если плавали в вентилируемой кислородом перфторуглеродной жидкости (состояние иммерсии и жидкостного дыхания одновременно). Показатели газообмена и другие жизненно-важные функции организма регистрировались до, во время и после жидкостного дыхания в разные сроки (до 3 лет). Методика жидкостного дыхания собак была дополнена созданными для принудительной жидкостной вентиляции легких вариантами индивидуальных дыхательных аппаратов (на сжатом кислороде).
Для их тестирования «сухая» прозрачная капсула с собакой или заполненная водой помещалась в барокамеру. Дыхательные пути заполнялись перфторуглеродом и собаки переводились на принудительное жидкостное дыхание с разными модификациями указанного аппарата (рис. 4), иногда в условиях гипербарии.
В 10 экспериментах была изучена имитация затопления отсека с пребыванием под максимальным давлением от 5 до 30 минут с последующим свободным всплытием. Исследовались глубины 300, 500, 700 и 1000 м.
Из-за высокой интенсивности шума воздуха при компрессии и декомпрессии барокамеры собаки начинали делать самостоятельные дыхательные движения и пытались освободиться от фиксации в станке капсулы, что не позволяло сделать их пребывание на грунте дольше 30 мин.
Во время быстрой компрессии воздух внутри камеры кратковременно нагревался до +100 оС, а затем во время декомпрессии температура падала до
100 оС. Такие температуры существенно искажали работу находящегося в воздушной среде экспериментального редуктора давления портативного аппарата. Во время технических испытаний аппарата несколько раз возникало «залипание» клапана подачи кислорода, что ограничило глубину свободного всплытия цифрой 700 м. Кроме того, если расход О2 на потребности организма одинаков на любой глубине, то поддерживать принудительную вентиляцию на большой глубине проблематично из-за всегда небольшого запаса сжатого газа в индивидуальном дыхательном аппарате.
Состояние и уровень анестезии собак в заполненной жидкостью капсуле (игравшей еще роль теплового буфера) оценивалось по электрокардиограмме, электроэнцефалограмме и показателям давления в дыхательных путях. В одном случае уровень анестезии был минимальный, так как собака имела некоторую свободу движений в станке и дышала окружающей её жидкостью без интубационной трубки (жидкостного дыхания и иммерсия).
В остальных случаях уровень анестезии собак подбирался таким, чтобы они начинали дышать самостоятельно (произвольно) только после выхода из барокамеры.
Однако именно произвольное дыхание при полном сознании закладывалось автором в концепцию спасения подводников и проведения волонтерских испытаний. В публикации будут опущены многие химико-технологические, биомедицинские, инженерные решения по данному проекту. Не они, как оказалось, решают судьбу новых разработок отечественных средств спасения, а политико-экономическая ситуация в стране. Да и сейчас для продвижения к реальному применению вряд ли стоит рассматривать, например, варианты анестезии гортани или конструкции дозатора кислорода в аппарате, а, как минимум, нужно пробовать вписать новую технологию в существующие приемы спасения подводников.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ
3.1. Судьба перфторуглеродов в организме
В опытах на собаках до 60-75% жидкости после жидкостного дыхания выливалось из легких при малом отрицательном давлении, создаваемом либо насосом, либо даже наклоном тела. Оставшаяся часть жидкости из альвеол большей частью испарялась за 3-5 дней.
Хроматографические исследования показывали, что альвеолярные макрофаги захватывали следовые количества перфторуглерода, вместе с кровью они попадали в печень и селезенку, затем опять большей частью выходили через легкие (как при внутривенном введении фторуглеродных кровезаменителей). Случаев патологии не было.
Созданные в процессе работы высокочистые перфторуглеродные жидкости существенно уменьшили подавление спонтанной активности дыхательного центра - побочный эффект усиления примесями действия анестетиков. Внешне это проявилось полноценными спонтанными дыхательными движениями - собаки «переходили на жидкость», что открыло возможности в создании нового типа дыхания.
3.2. Жидкостное дыхание. Новая методика.
Методика спонтанного самостоятельного жидкостного дыхания включала три компонента:

 
Разработка сайтов