|
ЛЁГОЧНЫЙ АВТОМАТ
Легочный автомат - необходимая составная часть регулятора для обеспечения подачи воздуха (дыхательной смеси) по требованию и под давлением окружающей среды во время дайвинга.
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. 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 - 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, величины сопротивления вдоха и выдоха примерно равны таковым на суше. Если легочник выше легких, 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 - 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 увели чив 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 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.
МАТЕРИАЛЫ
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. Отечественная промышленность производит легочные автоматы с клапанами вдоха противоточного типа. Их преимущество в уменьшении усилия вдоха при падении среднего давления, препятствующем открыванию клапана.
СБАЛАНСИРОВАННЫЕ И НЕСБАЛАНСИРОВАННЫЕ ЛЁГОЧНЫЕ АВТОМАТЫ
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.
УМЕНЬШЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ВДОХУ
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.
Множество технических решений, снижающих сопротивление вдоху, можно разделить на две группы: уменьшающие поддерживающее усилие и уменьшающие усилие вдоха в целом. Поддерживающее усилие по времени в несколько раз продолжительнее начального, поэтому поиск технических решений, уменьшающих первое, более перспективен и актуален.
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, не обходимое 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.
ПРИМЕНЕНИЕ БАЙПАСНЫХ (ОБВОДНЫХ) ТРУБОК
Строго говоря, это еще одно конструкторское решение использования эффекта направленного воздушного потока. Подвижная пластинка меняет свое положение при каждом вдохе и выдохе. Во время вдоха за ней - в воздушной камере редуктора - создается разрежение, поддерживающее мембрану в вогнутом состоянии.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПИЛОТАЖНОГО КЛАПАНА
Для уменьшения общего сопротивления вдоху используется конструкция с дополнительным клапаном, который называется регулирующим (пилотажным). Рассмотрим ее принципиальную схему. 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.
ВНЕШНИЕ РЕГУЛИРОВКИ ПОДАЧИ ВОЗДУХА
Дают возможность изменять сопротивление вдоха, не разбирая легочный автомат. Современные конструкции легочников могут быть снабжены двумя различными системами внешней регулировки подачи воздуха.
РЕГУЛИРОВКА НАЧАЛЬНОГО УСИЛИЯ
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. 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.
КЛАПАНЫ ВЫДОХА
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.
|
