Acoustic safety of flight and engineering-technical staff of state aviation

Zinkin Valerii Nikolaevich Doctor of Medicine lead research associate Central Scientific Research Institute of Russian Ministry of Defense 127083, Russia, Moscow, Petrovsko-Razumovskaya alleya St., 12-A v.n.zinkin@yandex.ru Other publications by this author     Soldatov Sergei Konstantinovich Doctor of Medicine Leading Scientific Associate at Central Research Center of the Ministry of Defense of Russia 127083, Russia, Moscow, Petrovsko-Razumovskaya Street 12 A gniiivm-d@yandex.ru Other publications by this author     Dragan Sergei Pavlovich Doctor of Technical Science Leading Scientific Associate, State Scientific Center of the Russian Federation named after A. I. Burnazyan 123182, Russia, Moscow, Zhivopisnaya Street 46 s.p.dragan@rambler.ru Other publications by this author     Kukushkin Yurii Aleksandrovich Doctor of Technical Science Leading Scientific Associate Central Scientific Research Institute of Air Force of the Ministry of Defense of Russia 127183, Russia, Moskovskaya oblast', g. Moscow, Petrovsko-Razumovskaya alleya, 12, of. A prof.Kukushkin@yandex.ru Other publications by this author     Somov Mikhail Vladimirovich Head of the Department of the State Flight Test Center V.P. Chkalov   military unit, Akhtubinsk, 416507, Astrakhan region, Russia   mishas09@rambler.ru Other publications by this author     Penchuchenko Viktor Vladimirovich Head of the Department of the State Flight Test Center V.P.Chkalov 416501, Russia, Astrakhan Oblast, Aktyubinsk, Scherbakova Street 22 gniiivm-g@yandex.ru Other publications by this author     Kharitonov Vladimir Vasil'evich PhD in Technical Science Associate professor at the "Vzlet" branch of Moscow Aviation Institute (National Research University), professor at the Academy of Military Sciences; Corresponding Member of the International Academy of Human Problems in Aviation and Astronautics 416501, Russia, Akhtubinsk, Microdistrict 1, building 1   gniiivm-h@yandex.ru Other publications by this author

Sheshegov Pavel Mikhailovich PhD in Medicine senior research associate Central Air Force Scientific Research Institute of Russian Ministry of Defense. 416507, Russia, Akhtubinsk, 1st microdistrict str., 8, sq. 77 gniiivm-z@yandex.ru Other publications by this author

Анализ опыта эксплуатации воздушных судов (ВС) государственной авиации показывает, что большинство авиационных происшествий, инцидентов и предпосылок к ним по-прежнему связаны с «человеческим фактором» – ошибочными действиями, допущенными вследствие низкой функциональной надежности профессиональной деятельности оператора ^[1-5]. Под функциональной надежностью профессиональной деятельности оператора понимается свойство функциональных систем оператора обеспечивать его динамическую устойчивость в выполнении профессиональной задачи в течение определенного времени с заданным качеством ^[6-8]. Низкая функциональная надежность человека в нормальных и экстремальных условиях обусловлена неадекватным учетом характеристик человека при проектировании систем управления ВС, систем обеспечения жизнедеятельности и защитного снаряжения их экипажей ^[9-11].

Обеспечение надежности и работоспособности летного состава (ЛС) в условиях воздействия факторов полета (пилотажные перегрузки, колебания барометрического давления, измененная газовая среда, сложная электромагнитная обстановка, механические колебания и др.) являются актуальной задачей, влияющей на безопасность полетов ^[12-15].

Используемые в настоящее время алгоритмы оценивания воздействия факторов полета на надежность действий и состояние ЛС на этапах проектирования и эксплуатации авиационных технических систем синтезированы в конце прошлого века для предыдущего поколения ВС ^[16-19]. В настоящее время эти алгоритмы требуют коррекции или в ряде случаев неприменимы для интенсивностных и временных характеристик факторов полета, возникающих в процессе эксплуатации ВС нового поколения. Кроме того, за это время произошел прорыв в области информационно-коммуникационных технологий, обеспечивший возможность использования при синтезе алгоритмов прогностического оценивания функциональной надежности ЛС новых математических методов, средств регистрации показателей состояния летчика, вычислительных комплексов ^[20-23].

Технический прогресс в двигателестроении, обусловивший существенное повышение энерговооруженности, привел к повышению мощности акустического воздействия ^[24-27]. В тоже время данные по акустической обстановке в кабинах и салонах ВС не систематизированы. Поэтому необходимы теоретико-экспериментальные исследования, результаты которых важны не только для авиации, но и для любых образцов технических средств, являющихся источником высокоинтенсивных акустических колебаний (шум, инфразвук). Основным источником высокоинтенсивного шума в авиации являются основные и вспомогательные силовые установки, которые генерируют широкополосный шум, спектр которого включает частоты звукового (31,5 – 8000 Гц), инфразвукового (2 – 16 Гц) и ультразвукового (свыше 8000 Гц) диапазонов ^[28-35]. Авиационные двигатели широко используются в народном хозяйстве страны (морской и речной флоте, нефте- и газодобывающей промышленности и др.).

Источники шума на рабочих местах летного и инженерно-технического состава

Шум на борту современного ВС обусловлен наличием большого количества разных источников, основными из которых являются ^{[24, 28, 36, 37]}: силовая установка, турбулентный пограничный слой на поверхности летательного аппарата, системы оборудования.

Шумовое воздействие силовой установки обусловлено шумом струи и компрессора (вентилятора) для реактивного самолета и винта для винтового. При этом шум струи имеет в основном равномерный широкополосный спектр, а шум компрессора (вентилятора) характеризуется дискретными составляющими в области высоких частот.

Шум турбулентного пограничного слоя характеризуется сплошным спектром. При увеличении толщины пограничного слоя растет интенсивность низкочастотных составляющих за счет снижения высокочастотных и наоборот. По мере увеличения расстояния от носа самолета вдоль фюзеляжа увеличивается толщина пограничного слоя, при этом в спектре шума возрастает доля низкочастотных составляющих ^[38-40].

Основными источниками шума систем оборудования ВС является система кондиционирования, т.е. она сама по себе является источником шума и передает шум по своим каналам от других источников. К источникам шума системы кондиционирования относятся выпускные клапаны, турбохолодильники, вентиляторы, эжекторы и др.

Шум в кабине ВС изменяется в процессе полета в достаточно широких пределах. При взлете и наборе высоты основной вклад в акустическую обстановку в кабине вносит силовая установка. Резкое снижение шума наблюдается сразу после отрыва вследствие уменьшения отражения от земли и после уборки шасси за счет снижения шума обтекания и звукоизолирующей способности в районе ниш шасси при закрытии створок. При наборе высоты происходит перераспределение вклада в общую шумовую обстановку между шумом, создаваемым силовой установкой, и шумом обтекания в пользу последнего. На режимах крейсерского полета вследствие уменьшения тяги двигателей и увеличения скорости полета, определяющим становится шум пограничного воздушного слоя за счет его турбулентности.

Таким образом, образование шума в кабинах и салонах ВС обусловлено внутренними источниками шума, в первую очередь силовыми установками, и внешними за счет формирования аэродинамических воздушных потоков вокруг планера во время полета.

Оценка условий труда на рабочих местах летного состава

Характеристика акустической обстановки на рабочих местах в кабинах и салонах ВС гражданской авиации (ГА) во время полетов представлена в таблице 1 ^[41].

Таблица 1 - Характеристика акустической обстановки в кабинах и салонах ВС гражданской авиации во время полетов

Из табл.1 следует, что уровни звукового давления (УЗД) в кабинах и салонах ВС ГА во время полетов имеют широкий диапазон колебаний от 59 до 112 дБ. Наименьшие УЗД выявлены в ВС с турбореактивными двигателями (59 – 88 дБ), а наибольшие – у вертолетов (62 – 112 дБ). Шум представлен во всех октавах звукового диапазона, то есть он является широкополосным. В соответствии с рекомендациями санитарных норм (СН 2.2.4/2/1/8/562–96) УЗД на рабочих местах и салонах ВС превышал как предельно допустимые уровни (ПДУ) (69 – 107 дБ) практически во всех октавных полосах, так и оптимальные (54 – 96 дБ).

Максимум частотного спектра шума во время полетов зависит от силовой установки и аэродинамических потоков, формирующихся вокруг планера. У ВС с турбореактивными двигателями он приходится на средне- и высокочастотный диапазоны (500 – 1000 Гц), а у ВС с турбовинтовыми двигателями и поршневыми двигателями – на низко- и среднечастотный диапазоны (125 – 250 Гц). У вертолетов максимум частотного спектра еще больше смещен в область низких частот (31,5 – 250 Гц).

Уровни звука в кабинах и салонах ВС ГА во время полетов находились в диапазоне от 77 до 104 дБА и в большинстве случае превышали ПДУ (80 дБА СанПиН 2.2.4.3359–16).

Из вышеизложенного следует, что акустическая обстановка в кабинах и салонах ВС ГА обусловлена преимущественно типом силовой установки. Шум на рабочих местах и в салонах ВС ГА является широкополосным и интенсивным (менее 100 дБ) и по своим характеристикам (УЗД и уровни звука) превышает предельно допустимый и оптимальный уровни.

Характеристика акустической обстановки в кабинах и салонах ВС Военно- воздушных сил (ВВС) во время полетов представлена в таблице 2 ^{[9, 12, 24, 28, 31, 42]}.

Таблица 2 - Характеристика акустической обстановки в кабинах и салонах ВС Военно-воздушных сил во время полетов

Из табл.2 следует, что УЗД в кабинах и салонах ВС ВВС во время полетов изменяются в широком диапазоне от 59 до 123 дБ, то есть несколько превышают УЗД в ВС ГА (табл. 1). Наименьшие УЗД выявлены в ВС фронтовой бомбардировочной авиация (79–97 дБ), а наибольшие – у ВС армейской авиации (вертолеты) (62–123 дБ). Величины УЗД на рабочих местах экипажей ВС дальней (70–110 дБ) и истребительной авиации (86–110 дБ) были несколько ниже, чем у ВС армейской авиации. Шум представлен во всех октавах звукового диапазона, то есть широкополосный. В соответствии с требованиями ОТТ ВВС–2015 УЗД на рабочих местах ЛС в большинстве случаев превышал ПДУ (74 – 113 дБ).

Максимум частотного спектра шума во время полетов у ВС истребительной авиации приходится на высокочастотный диапазон (1000 – 8000 Гц), ВС фронтовой бомбардировочной авиации – на средне- и высокочастотный диапазоны (500 – 1000 Гц), ВС военно-транспортной и дальней авиации на низко- и среднечастотный диапазоны (125 – Гц и 63 – 500 Гц соответственно). У ВС армейской авиации (вертолеты) максимум частотного спектра еще больше смещен в область низких частот (31,5 – 250 Гц).

Уровень звука в кабинах и салонах ВС ВВС во время полетов находится в диапазоне от 89 до 104 дБА, для ВС АА (вертолеты) – 89–129 дБА, то есть превышал ПДУ для самолетов 85 дБА и для вертолетов 90 дБА (ОТТ ВВС–2015).

Из вышеизложенного следует, что акустическая обстановка в кабинах и салонах ВС ВВС обусловлена типом силовой установки. Шум внутри ВС ВВС является широкополосным, интенсивным (до 100 дБА) или высокоинтенсивным (свыше 100 дБА). Сравнительный анализ показывает, что на рабочих местах ЛС ВВС УЗД и уровни звука более высокие, чем в ГА.

Из выше представленных данных следует, что акустическая обстановка на рабочих местах ЛС во время полетов зависит от типа силовой установки. Кроме того, надо учитывать, что мощность работы двигателей меняется от минимальных до максимальных оборотов. Это, в свою очередь, приводит к изменению акустической обстановки на рабочих местах внутри ВС. Для примера в табл. 3 показана динамика акустических параметров на рабочем месте летчика при различных режимах работы силовой установки истребителя.

Таблица 3 – Динамика акустической обстановки в кабине истребителя при различных режимах работы двигателя (наземные испытания)

Из табл. 3 следует, что при работе авиационного двигателя в режиме «малый газ» (65% оборотов) УЗД находятся в диапазоне от 67 до 82 дБ, а уровень звука (89 дБА) незначительно превышает ПДУ (85 дБА). Максимум частотного спектра находится в высокочастотной полосе (1000 – 8000 Гц). Режим «малый газ» используется при прогреве двигателей и рулежке. Переход работы двигателя в режим «номинальный» (85% оборотов) приводит к существенному повышению УЗД (88 – 98 дБ), то есть приблизительно до 20 дБ. Соответственно увеличивается и уровень звука до 98 дБА. Максимум частотного спектра не меняется и соответствует высокочастотному шуму. Преимущественно режим «номинальный» используется при равномерном горизонтальном перемещении ВС после набора заданной высоты и скорости, то есть полет на эшелоне.

Дальнейшее увеличение оборотов авиационного двигателя до режима «максимальный» (95 – 100% оборотов) сопровождается повышением УЗД до 80 – 110 дБ и уровня звука до 105 дБА. Режим «максимальный» применяется при взлете ВС и наборе высоты. На этих этапах полета образующийся шум описывается в литературе как «рев двигателя» и сопровождается повышенной вибрацией планера. Это обусловлено резким смещением максимума частотного спектра в область низких частот (31,5 – 125 Гц) и их высокой интенсивности, превышающей 100 дБ.

В табл. 4 представлена динамика акустической обстановки на рабочем месте летчика истребителя в зависимости этапа выполнения полетного задания.

Таблица 4 – Динамика акустической обстановки в кабине истребителя на различных этапах выполнения полетного задания

Из табл. 4 следует, что при рулежке на рабочих местах ЛС УЗД (73 – 91 дБ) и уровень звука (84 – 90 дБА) минимальные и практически не превышают ПДУ. При взлете и во время полета на эшелоне УЗД и уровни звука существенно повышаются до 104 дБ и 106 дБА соответственно. Максимальных значений эти параметры достигают при выполнении пикирования (до 106 дБ и 109 дБА соответственно) и работе двигателя на режиме форсаж (до 110 дБ и 110 дБА соответственно).

Таким образом, из представленных данных в табл.3 и табл.4 следует, что уровень звука на рабочих местах ЛС колеблется в широких пределах и зависит от режима работы силовой установки. Минимальные уровни звука наблюдаются при рулежке, а на всех последующих этапах они существенно увеличиваются. Из этого следует, что большую часть полетного задания ЛС подвергается воздействию шума, превышающего ПДУ на 15 – 25 дБА.

Проведенные нами исследования по изучению акустической обстановки на рабочих местах инженерно-технического состава ВВС при обслуживании ВС с работающими силовыми установками показали, что в спектре шума на долю частот низкочастотного и инфразвукового диапазонов приходится до 20 – 30% спектральной мощности ^{[12, 24, 31]}. Это хорошо согласуется с данными других авторов, которые показали, что в спектре производственных шумов интенсивностью свыше 100 дБА присутствуют низкие частоты (31,5 – 250 Гц) и инфразвук (2 – 16 Гц) ^{[23, 24]}. В доступной нам литературе отсутствуют результаты измерения инфразвука на рабочих местах ЛС, что можно объяснить включением этого фактора в федеральный перечень вредных производственных факторов только в 2004 г. В нормативных документах по обитаемости объектов вооружения и военной техники ВВС (ОТТ ВВС–2015) инфразвук, как вредный фактор, отсутствует.

Нами было установлено, что на рабочих местах ЛС ВС истребительной авиации УЗД в диапазоне 2-16 Гц колебались от 64 до 90 дБ, то есть не превышали ПДУ (95 – 110 дБ в соответствии с СанПиН 2.2.4.3359–16). Общий УЗД составлял 101 – 103 дБ Лин и также не превышал ПДУ(110 дБ Лин в соответствии с СанПиН 2.2.4.3359–16). Измерения на рабочих местах экипажа ВС дальней авиации показали, что УЗД в диапазоне 2-16 Гц колебались от 100 до 110 дБ и соответствовали ПДУ (95 – 110 дБ). Общий УЗД находился в диапазоне 105 – 113 дБ Лин, то есть превышал ПДУ(110 дБ Лин).

Таким образом, ЛС на своих рабочих местах на всех этапах выполнения полетного задания подвергается воздействию шума, уровни которого превышают ПДУ. По своей длительности шум многочасовой и в большинстве случаев он начинает действовать с момента включения силовых установок и до их остановки. Шум по своей структуре газодинамический, поэтому он широкополосный, имеет максимум спектра, который может изменяться в зависимости от типа двигателя, мощности его работы и режима полета. У турбореактивных ВС в спектре шума в большинстве случаев преобладают высокие частоты (высокочастотный шум). При эксплуатации вертолетов в спектре шума доминируют низкие частоты (низкочастотный шум). Шум непостоянный, так как на разных этапах выполнения полетного задания меняется его интенсивность более чем на 5 – 20 дБА. Кроме того, ВС некоторых видов авиации (истребители, бомбардировщики, вертолеты и др.) за летную смену совершают от 1-2 до 5-6 вылетов, то есть периоды активной акустической нагрузки чередуются с периодами отдыха или подготовки к следующему вылету. В большинстве случаев шум является высокоинтенсивным, потому что на большинстве этапах выполнения полетного задания уровень звука внутри ВС выше 100 дБА. Сочетание в акустическом спектре частот звукового и инфразвукового диапазонов является специфической особенностью авиационного шума, что надо учитывать при оценке условий труда и прогнозировании последствий неблагоприятного действия на организм ЛС ^{[10, 13, 18, 27, 29, 43-46]}.

Оценка условий труда по шуму и инфразвуку на рабочих местах ЛС проведена согласно требованиям «Руководства по гигиенической оценке факторов рабочей среды и трудового процесса. Критерии и классификация условий труда. Руководство Р 2.2.2006–05». Для установления класса условий труда по шуму использовали ПДУ эквивалентного уровня звука (дБА). Для ГА он соответствует 80 дБА (СанПиН 2.2.4.3359–16), для самолетов ВВС – 85 дБА и вертолетов ВВС - 90 дБА (ОТТ ВВС–15). Класс условий труда на рабочих местах ЛС ГА и ВВС по инфразвуку определяли по ПДУ общего УЗД (дБ Лин), величина которого согласно СанПиН 2.2.4.3359–16 равна 110 дБ Лин.

Для определения класса условий труда были использованы значения эквивалентного уровня звука во время выполнения полетов для ЛС ГА (табл. 1) и для ЛС ВВС (табл. 2). Это обусловлено тем, что на весь цикл выполнения полетного задания на продолжительность полета приходится от 75% до 90% общего времени от запуска до остановки двигателя. Теоретико-экспериментальные исследования по особенностям формирования акустических колебаний и полученные данные по инфразвуку внутри некоторых типах ВС ВВС были использованы для экстраполяции и на другие типы самолетов ГА и ВВС.

В таблице 5 представлены классы условий труда по шуму и инфразвуку на рабочих местах ЛС ГА и ВВС.

Таблица 5 – Класс условий труда на рабочих местах ЛС ГА и ВВС

Из табл. 5 следует, что на рабочих местах ЛС ГА класс условий труда по шуму практически на всех типах ВС соответствует вредному классу 3.1 – 3.3, а у ЛС ВВС – вредному классу 3.1 – 3.3 и опасному классу (класс 4). У ЛС ВВС диапазон колебаний более узкий, что обусловлено более высоким уровням звука. Класс условий труда по инфразвуку на рабочих местах ЛС ГА соответствует допустимому классу (класс 2), за исключением вертолетов (вредный класс 3.1). У ЛС ВВС класс условий труда ВС истребительной и фронтовой бомбардировочной авиации относится к допустимому (класс 2), а ВС дальней и армейской авиации (вертолеты) – вредному (классу 3.1 и классу 3.2 соответственно).

Таким образом, оценка условий труда на рабочих местах ЛС соответствуют вредному и опасному классу. Наличие инфразвука в спектре авиационного шума ухудшает гигиеническую обстановку. В ВС ВВС класс условий труда по инфразвуку соответствует допустимому (класс 2) и вредному (класс 3.2), а у ЛС ГА в основном допустимому (класс 2). Работа во вредных шумовых условиях труда создает риск развития у ЛС стойких функциональных изменений и нарушений, приводящих к повышению уровня общей заболеваемости и развитию профессиональной патологии. Наличие выраженной низкочастотной и инфразвуковой составляющих в авиационном шуме усугубляет шумовую патологию и расширяет перечень профессиональных (ПЗ) и профессионально обусловленных заболеваний (ПОЗ). Оценка условий труда на рабочих местах ЛС позволяет сделать предварительный прогноз, что работа в условиях высокоинтенсивного шума создает риск снижения профессиональной работоспособности, надежности действия и профессионального долголетия ЛС.

Заключение

В XXI веке авиация продолжается оставаться одной из ключевых и динамично развивающихся отраслей: воздушный транспорт стал доступен широким слоям населения и широко используется при перевозке грузов, а Военно-воздушные силы занимают важное место в обеспечении обороноспособности страны.

Профессиональная деятельность летного и инженерно-технического состава государственной авиации осуществляется в условиях воздействия аэродинамического авиационного шума, особенностью которого является наличие в спектре интенсивных низких и инфразвуковых частот.

Оценка условий труда летного и инженерно-технического состава государственной авиации показала, что класс условий их труда по шуму в большинстве случаев соответствует вредному и опасному. Поэтому авиационный шум должен рассматриваться как источник потенциальной опасности ошибочных действий, риска работоспособности и здоровью.

Результаты исследования показывают необходимость разработки и реализации специальных средств и методов обеспечения акустической безопасности профессиональной деятельности летного и инженерно-технического состава государственной авиации как неотъемлемой части системы обеспечения безопасной эксплуатации воздушного транспорта.