Глава 2.6. Легочные автоматы

Вспомним основы физиологии дыхательной системы человека:

вдох и выдох возможны лишь при условии, что давление вдыхаемого и выдыхаемого воздуха равно или почти равно внешнему давлению, действующему на легкие. Назначение легочного автомата именно в том, чтобы обеспечить это условие в течение всего дыхательного ци­кла и в течение всего погружения. Все легочные автоматы имеют мембрану в качестве управляющего элемента. Использование порш­ня принципиально возможно, но не оправдано ни конструктивно, ни технологически.

Корпус легочника поделен дисковидной мембраной на две каме­ры: водную и воздушную (рис. 2.12). Водная сообщается отверстиями с окружающей средой. На суше она содержит воздух, а при погруже­нии заполняется водой. В воздушную камеру посредством клапана вдоха открывается шланг с воздухом среднего давления, воздушная камера имеет выход с загубником и один или два клапана выдоха. Так же как и в редукторах, клапан вдоха в легочнике может быть по­точного или противоточного типа.

Итак, вентиль баллона открыт, загубник находится во рту. Кла­пан вдоха закрыт: если он поточный — его закрывает пружина, ес­ли противоточный (рис. 2.12) — среднее давление воздуха. Клапан выдоха также закрыт за счет собственной силы упругости. Давле­ния в водной и воздушной камерах равны друг другу и давлению окружающей среды. Когда мышцы грудной клетки совместно с диафрагмой развивают усилие вдоха, давление в воздушной камере начинает уменьшаться. Под действием неизменного внешнего дав­ления мембрана прогибается и нажимает на рычаг, соединенный с клапаном. Конструкции клапанов бывают достаточно разными, но во всех случаях движение рычага вызывает открывание клапана вдоха. Воздух из системы среднего давления начинает поступать в воздушную камеру легочника и далее — через загубник и дыхатель­ные пути — в легкие. При этом воздух на выходе из клапана расши­ряется, и его давление несколько падает по сравнению с давлением окружающей среды. Эта разница в современных легочных автома­тах не превышает 5 см водного столба и необходима для поддержа­ния клапана в открытом состоянии. Чем энергичнее вдох — тем сильнее прогибается мембрана и сильнее открывается клапан. Чем слабее усилие вдоха — тем меньше прогибается мембрана и мень­ше воздуха поступает в легочник. При завершении вдоха — точнее, когда наша мускулатура перестает развивать усилие необходимое для поддержания клапана в открытом состоянии и давление в камере легочника выравнивается с давлением окружающей среды — мембрана возвращается в исходное положение и клапан закрыва­ется.

Таким образом, для вдоха из легочного автомата дыхательная му­скулатура должна развить усилие в пределах 5 см водного столба, чтобы открыть клапан вдоха и поддерживать его в открытом состоя­нии. Для каждой модели легочника эта величина известна, обяза­тельно внесена в сопутствующую документацию и называется со­противлением вдоху. Слишком большое сопротивление вдоху раз­вивает усталость дыхательных мышц и вредно по ряду медицинских показателей.

Когда мы начинаем делать выдох, давление в воздушной камере возрастает до величины, необходимой для открытия клапана (кла­панов) выдоха. Эта величина называется сопротивлением выдоху и также не превышает в современных моделях 5 см водного столба. Когда усилие выдоха становится меньше этой величины, клапаны выдоха закрываются.

Величины, сопротивления вдоха и выдоха являются "сухопутны­ми", т.е. характеризуют работу легочного автомата на воздухе. При погружении в воду появляются дополнительные факторы, изменя­ющие усилия дыхания из акваланга. Если легочник находится на одном уровне с вашими легкими (рис. 2.13 А), величины сопротив­ления вдоха и выдоха примерно равны таковым на суше. Если лего­чник выше легких (рис. 2.13 Б), давление воды, действующее на мембрану и клапаны выдоха, несколько меньше, чем на ваши лег­кие, что слегка затрудняет вдох и облегчает выдох. Если же легоч­ный автомат ниже ваших легких (рис. 2.13 В) — вдох становится легче, выдох — тяжелее. Очевидно, что при погружении положе­ние вашего тела постоянно меняется, а вместе с ним меняются ди­намические характеристики работы легочного автомата. Сопроти­вление вдоху и выдоху может изменяться в зависимости от темпе­ратуры окружающей среды и глубины. Сильное течение или волны способны вызывать несанкционированную подачу воздуха увелич
ив внешнее давление на мембрану. Несмотря на все эти обстоя­тельства, "сухопутные" величины сопротивления вдоха и выдоха остаются важной характеристикой его рабочих качеств и непре­менно должны указываться в технической документации легочного автомата.

Легочник обязательно должен обладать системой принудитель­ной подачи воздуха. В подавляющем большинстве случаев, в середи­не передней поверхности легочника (рис. 2.12) имеется кнопка, на­жатие на которую прогибает мембрану и открывает клапан вдоха. После нажатия кнопка возвращается на место пружиной. Принуди­тельная подача воздуха позволяет очищать воздушную камеру лего­чника от попавшей внутрь воды без выдоха, напрямую используя воздух из аппарата.

Так устроены наиболее простые модели легочных автоматов, удобные и надежные в эксплуатации и проверенные более чем 40-летним сроком применения. Однако конструкторская мысль не стояла на месте все это время, и с тех пор, появилось множество тех­нических решений, делающих легочные автоматы более комфорт­ными и безопасными. Основные усилия конструкторов были напра­влены на уменьшение сопротивления вдоху и выдоху, облегчение ре­гулировки этих параметров подводником, создание специальных не­замерзающих моделей. Помимо этого, разработано огромное коли­чество мелких приспособлений и хитростей, облегчающих эксплуа­тацию легочников. Рассмотрим наиболее часто встречающиеся ва­рианты современных легочных автоматов.

Корпус большинства легочников выполнен из пластика, хотя есть и металлические модели. Передняя поверхность некоторых новей­ших образцов резиновая, что позволяет обходится без кнопки при­нудительной подачи воздуха — достаточно нажать в любом месте на мягкую переднюю поверхность легочного автомата.

Мягкие детали — мембрана, загубник, клапаны выдоха, — в сов­ременных моделях, как правило, изготовлены из силикона. Этот ма­териал имеет ряд преимуществ перед резиной: он мягче, эластичнее и — вместе с тем — долговечнее. Но и легочники с резиновыми дета­лями достаточно удобны. Средняя часть мембраны, соприкасающая­ся с рычажком, обязательно укреплена металлической или пластико­вой пластинкой.

Вход для воздуха среднего давления и составные элементы клапа­на вдоха выполняются из нержавеющих металлических сплавов. В некоторых моделях, специально приспособленных к погружению в холодной воде, элементы подвижных узлов изготавливаются из твер­дых и прочных водоотталкивающих пластмасс — во избежание об­разования наледи на трущихся поверхностях.

Остальные составные части легочника (кнопка принудительной подачи воздуха, регулировочные приспособления и т.д.) могут вы­полняться как из металла, так и из пластика. Поточные и противоточные (прямого и обратного действия) клапаны вдоха

Подавляющее большинство современных производителей под­водного снаряжения выпускает легочные автоматы с клапанами вдо­ха поточного типа. Это позволяет использовать редукторы без специальных предохранительных клапанов — повышение среднего давле­ния в системе вызывает открывание клапана вдоха легочного авто­мата, который и выпускает избыточный воздух (см. ниже). Отечест­венная промышленность производит легочные автоматы с клапана­ми вдоха противоточного типа. Их преимущество в уменьшении уси­лия вдоха при падении среднего давления, препятствующем открыванию клапана.

Если редуктор регулятора несбалансированный, среднее давле­ние постепенно уменьшается по мере падения высокого, если сба­лансированный — среднее давление будет постоянно при высоком, превышающем 20 — 30 атм., ниже этой величины — начнет посте­пенно уменьшаться. Когда давление в баллонах опускается ниже установочного давления редуктора, среднее давление, естественно, также начинает падать независимо от конструкции редуктора. Как в поточном, так и в противоточном клапанах величина среднего да­вления воздуха влияет на открывание клапана вдоха: в первом слу­чае — помогая ему, во втором — препятствуя. Понижение среднего давления помешает клапану открыться — а значит увеличит сопро­тивление на вдохе — в первом случае и, наоборот, облегчит откры­вание клапана во втором. Сбалансированные конструкции клапа­нов делают сопротивление вдоха практически независимым от из­менения среднего давления. По очевидным причинам это особенно актуально для поточных легочников. Наиболее распространенное техническое решение балансировки легочного автомата — введе­ние дополнительной поверхности, на которую оказывает действие среднее давление. Как Вы помните, подобное же решение исполь­зуется для балансировки редукторов и подробно обсуждается в гла­ве 2.5.

Сбалансированный легочник при уменьшении запаса воздуха в баллонах исключает рост сопротивления вдоху, но не влияет на эту величину саму по себе. Сопротивление вдоха состоит из начального усилия, необходимого для открывания клапана, и поддерживающе­го усилия, необходимого для сохранения клапана в открытом поло­жении. Для простых легочников, подобных изображенному на рис. 2.12, эти величины практически равны, а график изменения ды­хательного усилия от времени показан на рис. 2.14 А.

Наиболее распространенный вариант уменьшения поддержива­ющего усилия — использование эффекта инжектирования воздуха. Из закона Эйлера — Бернулли следует, что чем выше скорость потока газа, тем ниже его давление. В часы пик в метро самая большая дав­ка ожидает нас при входе на эскалатор, в самом начале сужения, а на самом эскалаторе, где развивается максимальная скорость потока — давление со стороны окружающих становится минимальным. Самое начало сужения в строгом понимании — это и есть самое широкое место, где давление максимально. Последнее утверждение спорно в применении к метрополитену, но ведь человеческий поток и не дол­жен строго подчиняться законом газовой динамики. Итак, если воз­дух выходит из клапана вдоха через узкое сопло с большой скоро­стью, давление в нем тем ниже, чем выше скорость потока. Обратим­ся к рис. 2.15 (общая схема эффекта). В результате усилия вдоха в воздушной камере легочника развивается пониженное давление, нео
бходимое для открывания клапана. Получивший свободу воздух следует по трубке и через небольшое отверстие — сопло — вырыва­ется в воздушную камеру. Сопло направлено прямо на выход из ле­гочника и воздух "вдувается" в рот. Давление воздуха на выходе из сопла падает ниже давления в камере легочника за счет скорости по­тока. Образовавшееся разрежение в потоке вызывает уменьшение давления во всей камере легочника и поддерживает мембрану в во­гнутом состоянии, даже если усилие вдоха значительно уменьшится. Таким образом, клапан будет поддерживаться в открытом состоянии за счет самого воздушного потока.

В некоторых современных конструкциях легочников эффект инжектирования настолько силен, что усилие необходимо лишь для на­чальной фазы вдоха, а дальше воздух как будто сам "закачивается" в ваши легкие. Как только вы заканчиваете движение вдоха, скорость потока уменьшается, давление в воздушной камере возрастает и мембрана возвращается на свое место — клапан закрывается. Возмо­жные варианты зависимости усилия вдоха от времени для легочни­ков с инжекцией воздуха приведены на графике (рис. 2.14 Б). Как ви­дите, общая нагрузка по сравнению с диаграммой на рис. 2.14 А сни­жается в несколько раз, а значит — в несколько раз уменьшается ус­талость мышц, участвующих в дыхании подводника.


Применение байпасных (обводных) трубок

С
трого говоря, это еще одно конструкторское решение использо­вания эффекта направленного воздушного потока. Подвижная пла­стинка (рис 2.16) меняет свое положение при каждом вдохе и выдо­хе. Во время вдоха за ней — в воздушной камере редуктора — созда­ется разрежение, поддерживающее мембрану в вогнутом состоянии.

Для уменьшения общего сопротивления вдоху используется кон­струкция с дополнительным клапаном, который называется регули­рующим (пилотажным). Рассмотрим ее принципиальную схему (рис. 2.17). Устройство обычного клапана вдоха усложняется введе­нием дополнительного изолированного объема (вокруг основного клапана) который соединен с камерой вдоха дополнительным клапа­ном меньшего размера — он и есть регулирующий. Основной клапан имеет не совсем обычную конструкцию: он "дырявый", т.е. в нем просверлено узенькое отверстие —дюза, через нее дополнительный объем сообщается с системой среднего давления. Регулирующий клапан открывается посредством рычага от мембраны, как обычный клапан в обычном легочнике. Основной клапан подчиняется исклю­чительно разнице давлений.

Итак, оба клапана закрыты, в дополнительном объеме — воздух под средним давлением. Когда за счет усилия вдоха понижается дав­ление в воздушной камере легочника, прогиб мембраны открывает пилотируемый клапан. Воздух из дополнительного объема выходит быстрее, чем поступает туда через дюзу основного клапана, и давле­ние в дополнительном объеме падает. Это приводит к открыванию основного клапана, сечение которого в несколько раз превосходит сечение регулирующего. Когда мембрана возвращается на место, ре­гулирующий клапан закрывается, через дюзу давление в дополнительном объеме выравнивается со средним давлением и основной клапан возвращается в исходное положение.

Каков смысл этого механизма? Чем меньше размер клапана, тем меньшее усилие, чтобы его открыть, и тем меньшее количество воз­духа может через него пройти. Пилотируемый клапан весьма мал и открывается минимальным усилием, количество же проходящего че­рез него воздуха недостаточно для дыхания, но достаточно, чтобы от­крыть основной клапан, который и обеспечивает нас необходимым количеством воздуха. Подобный механизм весьма сложен и имеет некоторую инерцию, но значительно уменьшает как начальное, так и поддерживающее усилие вдоха.

Дают возможность изменять сопротивление вдоха, не разбирая легочный автомат. Современные конструкции легочников могут быть снабжены двумя различными системами внешней регулировки подачи воздуха.

Позволяет плавно изменять его как на суше, так и под водой. Ес­ли легочник, оказавшийся у Вас в руках, имеет вращающуюся голов­ку со стороны, противоположной входу шланга среднего давления — это означает, что Вы можете отрегулировать величину начально­го усилия вдоха так, как пожелаете (естественно, в пределах некое­го диапазона). Механизм регулировочного устройства весьма прост:

закручивая вращающуюся головку (как правило, по часовой стрел­ке) сжимаете закрывающую пружину клапана вдоха, тем самым увеличивая сопротивление вдоха; откручивая головку, ослабляете пружину, облегчая открывание клапана и уменьшая сопротивление вдоха.

Регулировка поддерживающего усилия

Как правило, имеется в легочных автоматах, использующих эф­фект инжектирования. В воздушной камере, на пути воздушного по­тока, размещается заслонка, приводимая в движение переключате­лем на внешней поверхности легочника. Переключатель и заслонка имеют два положения: в одном заслонка параллельна потоку возду­ха, в другом — перпендикулярна (фото 2.9 В). Первое положение — для пребывания под водой (dive), эффект инжектирования при этом действует в полной мере, облегчая вдох подводника. Второе положе­ние — для нахождения на поверхности (pre — dive); эффект инжекти­рования в этом случае "выключен", так как заслонка тормозит поток воздуха.

Зачем нужен такой переключатель? Находясь на поверхности, ча­сто бывает необходимым вынуть легочник изо рта — для переключе­ния на дыхательную трубку, снятия аппарата, разговора с партнерами или страхующими. Любой легочник, упав в воду в положении загубником вверх, за счет увеличения давления в водной камере нач­нет самопроизвольно стравливать воздух. При наличии инжекторного механизма к такому стравливанию больше подойдет слово "фонтанирование". Чтобы избежать этой неприятности, Вы переводите переключатель в поверхностное положение (pre—dive). Перед по­гружением, окончательно взяв загубник в рот, Вы ставите рычажок в подводное (dive) положение и начинаете спуск, наслаждаясь свобод­ной работой легочного автомата.

Для комфортности погружений в холодной воде немаловажную роль играет форма внешних регулировочных приспособлений: дале­ко не всегда они удобны для переключения рукой одетой в толстую перчатку. Если Вы не уверены, что будете пользоваться легочным ав­томатом исключительно в теплой воде, то выбирая для себя регуля­тор, наденьте перчатки толщиной около 5 мм и попробуйте в них пе­реключить режим и регулировать сопротивление вдоху.

Основная его задача — стравливание воздуха из легочного авто­мата при увеличении давления в воздушной камере. Чем меньше сопротивления выдоха — усилие необходимое для открывание кла­пана — тем легче выдыхать. В подавляющем большинстве легочных автоматов клапан выдоха выполнен в виде резиновой тарелочки, прикрепленной своей серединой к наружной поверхности корпуса легочника. Корпус под тарелкой пронизан расположенными по кругу отверстиями, ведущими в воздушную камеру легочного авто­мата, края тарелки прилегают к поверхности корпуса, играющей роль седла клапана. При равенстве давлений внутри и снаружи воз­душной камеры собственная упругость тарелки прижимает ее к седлообразующей поверхности корпуса. Создаваемое силой выдоха избыточное давление внутри воздушной камеры приподнимает клапан, выпуская воздух. С одной стороны, чем больше площадь по­верхности тарелки клапана и чем мягче ее материал, тем меньше будет сопротивление выдоху. С другой стороны, материал должен обладать упругостью, достаточной для закрывания клапана, а раз­мер последнего ограничен размером и конструкцией легочника. Системы выдоха легочных автоматов различаются по следующим признакам.

1. Количество и размер клапанов. Большинство легочных автома­тов имеет один клапан выдоха диаметром около 30 мм, некото­рые — два, но меньшего размера.

2. Материалом тарелки клапана может быть резина или силикон. Последний преобладает у современных моделей.

3. Традиционное расположение системы выдоха — в нижней час­ти задней поверхности легочного автомата. Легочник D—400 фирмы Scubapro имеет клапан выдоха, расположенный в цент­ре мембраны. Седлом клапана в этом случае служит силиконовая поверхность мембраны. При наиболее распространенных положениях тела подводника клапан выдоха подобной конст­рукции располагается в самой нижней части легочника, что способствует полному удалению воды из воздушной камеры при выдохе.

Приспособления, уменьшающие вероятность замерзания легочного автомата

Замерзание легочников происходит по тем же причинам, что и за­мерзание редуктора. Какой из узлов в большей степени ему подвер­жен? С одной стороны, воздушная камера легочника все время увла­жняется за счет выдоха, что, очевидно, повышает вероятность замер­зания. Вода также попадает в легочный автомат при подключениях и отключения от аппарата, выполняемых в воде. С другой стороны, легочник все время подогревается теплом выдыхаемого воздуха и имеет управляющий элемент в виде мембраны, а мембранный меха­низм, как Вы помните, менее подвержен замерзанию, чем поршне­вой. Таким образом, борьба с обледенением легочных автоматов — актуальная техническая задача, для решения которой используются различные способы. Рассмотрим некоторые из них на примере лего­чного автомата "ARCTIC" — одной из новейших моделей француз­ской фирмы "La Spirotechnique" — специально приспособленного для работы в холодной воде (фото 2.9 Г). Его конструкция отличается следующими особенностями:

1. Рычаг расположен с противоположной от воздушного входа стороны. Наибольшему охлаждению потоком расширяющего­ся воздуха (вспомним замерзание редукторов) подвергаются седло и подушка клапана вдоха. В большинстве легочников именно в этом месте находится подвижное соединение рычага. Перенесение его на противоположную сторону корпуса значи­тельно уменьшает вероятность заклинивания рычага в резуль­тате образования наледи.

2. Пластиковая муфта ограничивает теплообмен между поршнем клапана и рычагом, уменьшая охлаждение последнего.

3. Все подвижные металлические детали имеют водоотталкиваю­щее покрытие, препятствующее образованию наледи.

4. Специальная система обеспечивает теплообмен между охла­ждаемыми расширяющимся воздухом деталями легочного ав­томата и окружающей водой, температура которой, разуме­ется, выше точки замерзания. Эта система представлена на­ружными радиаторами, соединенными с клапаном вдоха вставками из материала, обладающего высокой теплопровод­ностью.

Существует и ряд других приспособлений для увеличения надеж­ности работы легочных автоматов в холодной воде:

• 
  наличие двух мембран с заполнением пространства между ни­ми жидкой силиконовой смазкой;
  
• 
  наличие двойного кожуха с заполнением промежуточного про­странства жидкой смазкой;
  
• 
  увеличение эффективности обогрева внутреннего механизма легочного автомата теплом выдыхаемого воздуха путем созда­ния подвижных перегородок внутри воздушной камеры.
  

1. После каждого погружения регулятор необходимо высуши­вать и хранить до следующего погружения в сухом теплом по­мещении.

2. Старайтесь проводить сборку аппарата (присоединение регуля­тора к баллонному блоку) и его рабочую проверку в сухом теп­лом помещении.

3. Не допускайте попадания воды на регулятор до вхождения в воду.

4. Во время погружения не допускайте попадания воды в легоч­ник, по возможности не вынимайте загубник изо рта —как у поверхности, так и на глубине.

5. Старайтесь не пользоваться без крайней необходимости кноп­кой принудительной подачи воздуха.

6. Избегайте активных движений и большой физической нагруз­ки во время погружения.

7. Если температура воздуха ниже или чуть выше нуля старайтесь как можно меньше дышать из регулятора на воздухе.

Общая цель всех приведенных советов — исключить попадание воды в воздушные полости регулятора и уменьшить расход воздуха (а значит — охлаждение) через него, особенно — на морозе.

Идеально организованное погружение в холодную воду выглядит следующим образом: Вы полностью готовитесь к нему в сухом теп­лом помещении (в каюте судна, в отапливаемой палатке на льду водо­ема), там же подключаетесь к аппарату и после этого без промедле­ния погружаетесь в воду.

Для работы в холодной воде можно использовать аппарат с двумя выходами и двумя регуляторами: в случае замерзания одного из них Вы переключаетесь на другой. Регулятор, переставший охлаждаться за счет расширяющегося воздуха, как правило, оттаивает достаточно быстро.

Альтернативный источник воздуха

Альтернативный источник воздуха рассчитан на случай отказа подачи воздуха из аппарата вашего партнера или из вашего основно­го источника. Чаще всего используются следующие варианты аль­тернативных источников воздуха:

2. Запасной регулятор, прикрепленный к независимому выходу из баллона, обычно используется при погружениях в холодной во­де, когда есть вероятность замерзания редуктора. Легочный ав­томат запасного регулятора крепится подобно октопусу.

3. Дополнительный баллон емкостью 1—2 литра со своим регуля­тором — так называемый "пони—баллон" — представляет со­бой полностью независимый от основного альтернативный ис­точник воздуха. "Пони" обычно крепится с помощью ремня на основной баллон акваланга.

4. Инфлятор компенсатора плавучести, снабженный механиз­мом, подобным механизму легочного автомата (подробнее см. главу 2.8). Такой инфлятор позволяет дышать через систему по­дачи воздуха в компенсатор. Не забывайте, что перед каждым погружением необходимо про­водить рабочую проверку как основного, так и альтернативного ис­точников воздуха.

Никакой механизм не застрахован от повреждений. Неисправ­ность клапана редуктора может помешать ему закрыться полностью, что вызовет нерегулируемый рост промежуточного давления. Лю­бой регулятор обязательно должен иметь предохранительный кла­пан для стравливания избыточного воздуха из системы промежуточ­ного давления. В современных регуляторах используются два прин­ципиально разных технических решения:

• 
  Поточный клапан вдоха легочного автомата одновременно слу­жит предохранительным клапаном системы промежуточного давления регулятора. Избыточный воздух в этом случае страв­ливается в воздушную камеру легочного автомата и далее — че­рез клапаны выдоха в окружающую среду. Именно так устрое­но большинство регуляторов иностранного производства.
  
• 
  Специальный предохранительный клапан расположен на кор­пусе редуктора. Так устроены отечественные регуляторы, лего­чники которых имеют противоточные клапаны вдоха, закрыва­ющиеся тем сильнее, чем выше промежуточное давление. Если Вы располагаете необходимыми переходниками для сборки "гибридных" регуляторов из компонентов разных производителей, не забывайте, что наличие предохранительного механизма обяза­тельно для регулятора и ни в коем случае нельзя присоединять отече­ственный противоточный легочный автомат к иностранному редук­тору, лишенному предохранительного клапана.