Actual composition of gas mixture in curcuit of diving respiratory apparatus with closed breathing curcuit and electronic control: experimental study

Full Text

Введение. Водолазные дыхательные аппараты (ВДА) с замкнутой схемой дыхания (ЗСД) и электронным управлением (ЭУ) стали активно применяться в начале XXI в. в спортивных и военных целях по всему миру. Возможность поддерживать постоянное значение парциального давления кислорода в дыхательном контуре ВДА в совокупности с экономией дыхательной газовой смеси (ДГС) и ее естественным подогревом дает неоспоримые преимущества, выражающиеся в увеличении длительности пребывания водолаза под водой, снижении на него операционной нагрузки и сокращении времени декомпрессионных обязательств [1]. Учитывая эти преимущества, сообщество водолазов России не могло не обратить внимание на эти дыхательные аппараты для решения ряда подводно-технических задач на глубинах до 120 м.

Для принятия в эксплуатацию глубоководного снаряжения необходимо доказать его безопасность и подтвердить заявленные характеристики. Фактический состав ДГС в дыхательном контуре является основополагающим элементом при оценке декомпрессионных обязательств водолаза, которые рассчитываются на основе показаний кислородных датчиков с учетом глубины и экспозиции под повышенным давлением. Поступающая на вдох водолазу ДГС должна быть максимально приближена к расчетным значениям процентного содержания ее составляющих, так как отклонения от них могут повысить вероятность развития острой декомпрессионной болезни, отравления кислородом и наркотического действия азота. Особое внимание следует уделить содержанию диоксида углерода в дыхательном контуре, поскольку оно отражает работу адсорбента в поглотительной коробке, являющейся неотъемлемой частью ВДА с ЗСД [2, 3].

Цель. На основании экспериментальных исследований проведена оценка адекватности ДГС, формируемой в дыхательном контуре ВДА с ЗСД и ЭУ во время водолазных спусков в условиях барокамеры на основе сравнения ее состава с расчетными и допустимыми значениями по кислороду, гелию и диоксиду углерода, которая позволит обосновать внедрение в отечественную практику водолазного дела ВДА с ЗСД с ЭУ.

Материалы и методы. Экспериментальные исследования проведены в Санкт-Петербурге на базе Центра подводных исследований Русского географического общества в многоместной барокамере Southern Oceans 1800 Offshore в рамках научно-исследовательской опытно-конструкторской работы. Использовали ВДА с ЗСД и ЭУ (eCCR – Electronic Closed Circuit Rebreather), разработанные датской компанией JJ-CCR. В дыхательном контуре ДГС формировалась на основе газовых смесей баллонов аппарата, в роли которых выступали воздух или кислородно-азотно-гелиевые смеси (КАГС) 18/36, 13/50, 10/50. Первая цифра показывает процентное содержание кислорода, а вторая – гелия. Выбор газовых смесей в баллонах ВДА был обоснован созданием оптимальной ДГС в дыхательном контуре ВДА с ЗСД и ЭУ для проводимых экспериментальных водолазных спусков: парциальное давление кислорода не более 130 кПа (1,3 кгс/см²), парциальное давление азота не более 385 кПа (3,85 кгс/см²). Для расчетов режимов декомпрессии использован алгоритм Бульмана ZHL-16C, градиент-факторная модель, 16 тканей в модификации Эрика Бейкера (градиент-факторная модель) [4]. Проведено 11 исследований фактического состава ДГС с использованием прибора Analox ATA Pro Trimix Analyzer, который определял процентное содержание двух газов – кислорода и гелия. Определение процентного содержания диоксида углерода проводили с помощью прибора Dragger X-am 5600. Отбор ДГС осуществлялся на максимально запланированной глубине водолазного спуска и на декомпрессионных остановках 12 м и 6 м. Специальный патрубок, интегрированный в трубку вдоха ВДА с ЗСД, был соединен гибким шлангом с приборами газового анализа, расположенными за пределами барокамеры. Количество ДГС, отбираемой на анализ, не приводило к значительному снижению объема дыхательного контура. Замеры производили через минуту после прибытия на глубину декомпрессионной остановки, что связано с особенностями работы ВДА с ЗСД и ЭУ – компенсацией потери поддерживаемого в автоматическом режиме парциального давления кислорода, связанной с вытравливанием ДГС их дыхательного контура при общем снижении давления окружающей среды.

Результаты. При водолазных спусках на глубину 40 м с экспозицией 15 мин (газовая смесь в баллонах – воздух) фактические значения содержания кислорода в ДГС (FiO₂) на максимальной глубине зафиксированы меньше расчетных на 8,1 %, а на глубине 6 м – на 3,6 % (табл. 1). Для диоксида углерода (FiCO₂) на этих глубинах значения не превышали 0,105 % (норма для глубины 40 м составляет 0,2 %) [5].

 

Таблица 1. Состав ДГС в контуре ВДА с ЗСД и ЭУ при глубине спуска 40 м, газовая смесь – воздух

Table 1. Сomposition of the in RGM the breathing circuit of the eCCR at a depth of descent of 40 meters, diluent – air

Состав газовой смеси, %	Глубина спуска, м
	40		12		6
	расчетное значение	фактически	расчетное значение	фактически	расчетное значение	фактически
Кислород	26,0	23,9 ± 1,2	---	---	81,3	78,4 ± 1,8
Диоксид углерода	< 0,2	0,06 ± 0,03	---	---	< 0,63	0,1 ± 0,05

Примечание. Декомпрессионная остановка на глубине 12 м режимом декомпрессии не предусмотрена

Note. A decompression stop at a depth of 12 m was not included in the decompression mode

 

Результаты измерений при спуске на глубину 60 м с экспозицией 15 мин (газовая смесь в баллонах ВДА– КАГС 18/36) представлены в табл. 2. Содержание FiO₂ оказалось выше расчетного: на грунте на 3,2 %, на глубине 12 м – на 2,7 %, а на глубине 6 м – на 7,6 %. Содержание гелия в ДГС (FiHe) зафиксировано ниже расчетного: на глубине 60 м – на 6,2 %, на 12 м – на 7,4 %, на 6 м – на 8,6 %. Значение FiCO₂ на 60 м составило 0,07 ± 0,03 % (при допустимом значении – 0,14 %), на 12 м – 0,08 ± 0,03%, а на 6 м – 0,08 ± 0,03 % [6].

 

Таблица 2. Состав ДГС в контуре ВДА с ЗСД и ЭУ при глубине спуска 60 м, газовая смесь – КАГС 18/36

Table 2. The composition of the RGM in the contour of the eCCR at a descent depth of 60 m, diluent – trimix 18/36

Состав газовой смеси, %	Глубина спуска, м
	60		12		6
	расчетное значение	фактически	расчетное значение	фактически	расчетное значение	фактически
Кислород	18,6	19,2 ± 1,3	59,1	60,7 ± 1,8	81,3	87,5 ± 1,7
Гелий	35,6	33,4 ± 1,2	17,5	16,2 ± 1,5	8,2	7,5 ± 1,1
Диоксид углерода	< 0,14	0,07 ± 0,03	< 0,46	0,08 ± 0,03	< 0,63	0,08 ± 0,03

 

Результаты измерений при водолазном спуске на глубину 80 м с экспозицией на грунте 15 мин (газовая смесь в баллонах ВДА – КАГС 13/50) представлены в табл. 3. На грунте FiO₂ оказалось выше на 4,9 %, на 12 м – ниже на 1,0 % и на 6 м – выше на 5,0 %; FiHe на 80 м были ниже на 3,1 %, на 12 м – ниже на 4,3 %, на 6 м – выше на 5,6 %. Значение FiCO₂ на 80 м составило 0,09 ± 0,05 %, что меньше допустимого значения для этой глубины – 0,11 % [6], на 12 м – 0,08 ± 0,03 %, на 6 м – 0,08 ± 0,03 %.

 

Таблица 3. Состав ДГС в контуре ВДА с ЗСД и ЭУ при глубине спуска 80 м, газовая смесь – КАГС 13/50

Table 3. The composition of the RGM in the contour of the eCCR at a descent depth of 80 m, diluent – trimix 13/50

Состав газовой смеси, %	Глубина спуска, м
	80		12		6
	расчетное значение	фактически	расчетное значение	фактически	расчетное значение	фактически
Кислород	14,4	15,1 ± 1,4	59,1	58,5 ± 1,4	81,3	85,4 ± 1,3
Гелий	49,0	47,5 ± 1,3	23,1	24,1 ± 1,5	10,7	11,3 ± 1,2
Диоксид углерода	< 0,11	0,09 ± 0,05	< 0,46	0,08 ± 0,05	< 0,63	0,08 ± 0,04

 

Результаты измерений при спуске на 100 м с экспозицией 15 мин (газовая смесь в баллонах ВДА– КАГС 10/50) представлены в табл. 4. На грунте FiO₂ оказалось выше на 0,8 %, на глубине 12 м – ниже на 3,9 % и на 6 м – выше на 2,6 %; FiHе на 100 м были ниже на 1,8 %, на 12 м – ниже на 10,4 %, на 6 метрах выше на 7,6 %. Значение FiCO₂ на 100 м составило 0,04 ± 0,03 %, что меньше допустимых значений для этой глубины – 0,09 % [6], на 12 м – 0,08 ± 0,03 %, на 6 м – 0,08 ± 0,03 %.

 

Таблица 4. Состав ДГС в контуре ВДА с ЗСД и ЭУ при глубине спуска 100 м, газовая смесь – КАГС 10/50

Table 4. The composition of the RGM in the contour of the eCCR at a depth of descent of 100 m, diluent – trimix 10/50

Состав газовой смеси, %	Глубина спуска, м
	100 м		12 м		6 м
	расчетное значение	фактически	расчетное значение	фактически	расчетное значение	фактически
Кислород	11,8	11,9 ± 1,2	59,1	56,8 ± 1,7	81,3	83,4 ± 1,1
Гелий	49,0	48,1 ± 1,1	22,1	24,4 ± 1,5	10,5	9,7 ± 1,2
Диоксид углерода	< 0,91	0,04 ± 0,03	< 0,46	0,09 ± 0,04	< 0,63	0,16 ± 0,05

 

Обсуждение. Различия фактических значений FiO₂ от расчетных, зафиксированные в результате измерений, не превысили 8,1 % и при пересчете парциального давления кислорода [кПа (кгс/см²)] в дыхательном контуре не выходят за рамки допустимых значений [минимальное 40 кПа (0,4 кгс/см²), максимальное 160 кПа (1,6 кгс/см²)] [7, 8]. При глубоководных водолазных спусках (60, 80 и 100 м) различие составило не более 4,9 %. Полученные результаты говорят об отсутствии предпосылок развития судорожной формы отравления кислородом.

Вариативность результатов можно объяснить особенностями конструктивного устройства современных ВДА с ЗСД и ЭУ, реализующими динамический процесс формирования ДГС в дыхательном контуре. Подача кислорода в дыхательный контур осуществляется в поглотительную коробку ВДА. Перемешавшись с газовой смесью дыхательного контура обогащенная смесь попадает на кислородные датчики, где постоянно фиксируются значения парциального давления кислорода, и поступает в дыхательный мешок вдоха, а далее в трубку вдоха, на конце которой перед клапаном вдоха клапанной коробки и был установлен патрубок отбора ДГС на анализ.

Различия фактических значений FiHe от расчетных не превысили 10,4 %. Разброс измеряемых значений FiHe можно также объяснить динамичностью процесса формирования ДГС в дыхательном контуре, поскольку FiHe увеличивается при поступлении газовой смеси в дыхательный контур и уменьшается при автоматической подаче кислорода.

Приведенная к глубине погружения концентрация СО₂ в ДГС на вдохе в период измерений не превысила 1 %, что находится в диапазоне допустимых значений. При водолазном спуске на глубину 100 м она составила 0,04 ± 0 ,03 %, при допустимом значении для этой глубины 0,09 %, что свидетельствует об эффективной работе адсорбента в поглотительной коробке ВДА с ЗСД и ЭУ в этих условиях [6].

Заключение. Анализ данных, полученных в ходе измерений процентного содержания компонентов ДГС в контуре ВДА с ЗСД и ЭУ при проведении экспериментальных водолазных спусков в условиях барокамеры, показал отсутствие существенных расхождений между фактическими и расчетными значениями. Параметры ДГС находятся в допустимом диапазоне и безопасны для водолаза. Конструктивное устройство ВДА с ЗСД и ЭУ обеспечивает адекватное формирование ДГС в дыхательном контуре при допустимых значениях концентрации диоксида углерода.

Полученные результаты свидетельствуют об отсутствии предпосылок развития специфических водолазных заболеваний, возникающих вследствие формирования неадекватной ДГС в дыхательном контуре аппарата.

Тенденция развития ВДА с ЗСД и ЭУ свидетельствует о внедрении в конструкцию ВДА датчиков парциального давления гелия и диоксида углерода, что позволит рассчитывать оптимальный режим декомпрессии с учетом фактического соотношения индифферентных газов азота и гелия.

Вклад авторов. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства, согласно международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

Наибольший вклад распределен следующим образом: Вклад в концепцию и план исследования – С. А. Бычков, С. Г. Фокин, А. М. Ярков. Вклад в сбор и математический анализ данных – А. М. Ярков, С. А. Бычков, М. В. Краморенко. Вклад в подготовку рукописи– М. В. Краморенко, С. А. Бычков.

Author contribution. All authors confirm the conformity of their authorship, according to the international criteria of the ICMJE (all authors made a significant contribution to the development of the concept, conduct of the study and preparation of the article, read and approved the final version before publication).

Special contribution: SAB, CGF, AMYa contribution to the concept and plan of the study. SAB, AMYa, MVK contribution to data collection and data analysis. MVK, SAB contribution to the preparation of the manuscript.

Потенциальный конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Disclosure. The authors declare that they have no competing interests.

Финансирование: исследование проведено без дополнительного финансирования.

Funding: the study was carried out without additional funding.

About the authors

Sergei A. Bychkov

Underwater Research Center of the Russian Geographical Society

Author for correspondence.
Email: markis86@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8506-7815
SPIN-code: 3103-2280

Doctor of diving medicine of the autonomous non-profit organization “Center for Underwater Research of the Russian Geographical Society”

Russian Federation, St. Petersburg

Sergey G. Fokin

Underwater Research Center of the Russian Geographical Society

Email: s.fokin@urc-rgs.ru
ORCID iD: 0000-0002-4351-1703

Executive director of the autonomous non-profit organization “Center for Underwater Research of the Russian Geographical Society”

Russian Federation, St. Petersburg

Andrey M. Yarkov

Underwater Research Center of the Russian Geographical Society

Email: a.yarkov@urc-rgs.ru
ORCID iD: 0000-0001-9349-0085
SPIN-code: 1618-3133

Cand. of Sci. (Med.), Doctor of diving medicine of the autonomous non-profit organization “Center for Underwater Research of the Russian Geographical Society”

Russian Federation, St. Petersburg

Mikhail V. Kramorenko

Underwater Research Center of the Russian Geographical Society

Email: kramorenko21@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7260-256X

Cand. of Sci. (Tech.), Diving specialist of the autonomous non-profit organization “Center for Underwater Research of the Russian Geographical Society”

Russian Federation, St. Petersburg

References

Supplementary files