Сопротивление дыханию

Сопротивление вдоху – разность давлений снаружи и в лёгких при вдохе.

В наземных условиях - не должно превышать 300…400 Па. С увеличением высоты сопротивление вдоху уменьшается.

Сопротивление выдоху – обратный перепад давлений при выдохе.

Сопротивление дыханию – сумма сопротивлений вдоху и выдоху. Не должно превышать 1 кПа.

1.10. Максимальный мгновенный расход вдыхаемого газа

Расход дыхательной смеси при вдохе изменяется примерно по синусоидальному закону, поэтому, если продолжительность вдоха t_в считать равной продолжительности выдоха, а потребный мгновенный максимальный

расход дополнительного кислорода обозначить через Q_max, то объём кислорода, поступающего на дыхание за один дыхательный цикл, должен быть равен

где t_в − время вдоха.

Отсюда

Q_max= Q_R. (1.13)

111. Потребное процентное содержание дополнительного кислорода во вдыхаемом газе

Средний расход дополнительного кислорода Q_О2доп зависит от лёгочной вентиляции Q_R (расхода дыхательной смеси): Q_О2доп = FQ_R – Q_О2в, где

Q_О2в = 0,21(Q_R − Q_О2доп) – расход кислорода, содержащегося во вдыхаемом воздухе. Отсюда, обозначив отношение Q_О2доп /Q_R через F^/, найдём объёмную концентрацию дополнительного кислорода

F^/= (F − 0,21)/0,79. (1.14)

Процентное содержание дополнительного кислорода во вдыхаемом газе _О2 = 100F^/ %.

1.12. Потребная подача дополнительного кислорода

Средний расход дополнительного кислорода Q_RF^/, приведенный к стандартным нормальным условиям NTPD (normal temperature pressure dry): сухой газ при температуре 273 К под давлением 101,33 кПа,

определяется по формуле

Q_О2дн = Q_RF^/Т(p_H – р^т_Н2О)/Т^тp₀, (1.15)

где Т – температура вдыхаемой газовой смеси, T^т– температура тела человека. Отсюда с учётом (1.15), (1.14) и (1.9) определяется выражение для среднего расхода дополнительного кислорода в зависимости от давления в окружающей среде p_H, потребного парциального давления кислорода в трахее р^т_О2 и лёгочной вентиляции Q_R (при Н < 10 км):

Подставим сюда p₀ = 101,3 кПа; Т = 293 К; Т^т = 310 К; р^т_Н2О = 6,3 кПа получим:

Q_О2дн=0.01181Q_R(р^т_О2/кПа– 0,21p_H/кПа+1,32). (1.16)

Условия, в которых давление равно 101,3 кПа, газ сухой, а его температура равна 20 С называются условиями NTPD (normal temperature pressure dry).

Условия, в которых давление равно давлению в легких человека, газ насыщен водяными парами, а его температура равна 37 С называются условиями BTPS (body temperature pressure saturated).

Максимальный расход дополнительного кислорода Q_О2max, приведенный к нормальным условиям NTPD, определится согласно (1.10) по формуле

Q_О2max = Q_О2дн. (1.17)

Пример: Т = 293 К, T^т = 310 К, Н=6 км, Q_R = 30 л/мин.

По формуле (1) найдём p₆ = 47,2 кПа, по (1.12) Q_О2дн = 4 л/мин, по (1.13) Q_О2max=12 л/мин.

1.13. Потребная подача кислорода на вентиляцию подшлемного пространства

Уравнение газового состояния углекислоты в подшлемном пространстве имеет вид:

p^ГШ_СО2V^ГШ= m^ГШ_СО2 R_СО2 T^ГШ,

где p^ГШ_СО2,V^ГШ, m^ГШ_СО2, T^ГШ – соответственно парциальное давление, объём, масса и температура углекислого газа в гермошлеме, R_СО2 – удельная газовая постоянная углекислого газа. Отсюда, принимая во внимание, что отношение (Q^ГШ/ M_СО2) расхода вентилирующего газа к массе углекислоты, выдыхаемой в единицу времени, равно отношению V^ГШ/ m^ГШ_СО2, получим

Q^ГШ = M_СО2R_СО2 T^ГШ/ p^ГШ_СО2, (1.18)

Причем

M_СО2 = M^л_СО2 – M^D_СО2, (1.19)

где M^л_СО2, M^D_СО2 – соответственно масса углекислоты, выделяемой и остающейся в анатомическом мёртвом пространстве в единицу времени. По аналогии с (1.18) для этих масс можно записать:

Q_R0= M^л_СО2R_СО2T^т/ p^а_СО2, V^Df_R = M^D_СО2R_СО2 T^т/p^a_СО2,

где V^D – объём анатомического мёртвого пространства, f_R – частота дыхания.

Из этих формул

M^л_СО2= Q_R0 p^а_СО2/(R_СО2T^т), M^D_СО2 = V^Df_Rp^a_СО2/( R_СО2T^т),

где Q_R0 − расход дыхательного газа, не содержащего СО₂ (см. рис. 1.3), p^a_СО2 = 5,3 кПа − парциальное давление СО₂ в альвеолах перед выдохом.

Подставив полученные выражения в (1.19), а результат этой подстановки – в (1.18), после несложных преобразований получим:

. (1.20)

Парциальное давление углекислого газа в ГШ p^ГШ_СО2 принимают равным 1,…,1,5 кПа.

Объём анатомического мёртвого пространства зависит от лёгочной вентиляции. Судя по графику [2, с. 19, рис. 1.7], эту зависимость можно аппроксимировать линейно:

V^D = [0,0037Q_R/(л/мин) + 0,18]л, (1.21)

Расход Q^ГШ, приведенный к условиям NTPD, обозначим через Q^ГШн. По аналогии с (1.12)

. (1.22)

Парциальное давление водяных паров в гермошлеме найдем из уравнения их газового состояния:

= е_пR_пТ^ГШ, (1.23)

где е_п − абсолютная влажность газа в гермошлеме; R_п − удельная газовая постоянная водяного пара. Если  % - относительная влажность газа в гермошлеме; е_нп − абсолютная влажность (плотность пара) в насыщенном водяными парами газе при температуре в гермошлеме, то е_п = (/100)е_нп.

Абсолютную влажность е_нп при температуре в гермошлеме можно найти в табл. П2 Приложения № 1 или по формуле (П2.1) Приложения № 2.

Максимальный расход дыхательного газа при вдохе, приведенный к нормальным условиям

, (1.24)

где расход Q_max согласно (1.17) равен Q_R. Значит либо постоянная подача дыхательного газа должна быть не менее Q_R, либо при вдохе должна подаваться дополнительная порция дыхательного газа, наибольший расход которого должен быть не менее

Q_ппmaxн = Q_maxн − Q^ГШн. (1.25)

Эту функцию выполняет легочный автомат когда расход газа при вдохе превысит расход непрерывной подачи. Объем дополнительного газа, который при этом поступит в легкие, приведенный к условиям NTPD определяется формулой

, (1.26)

в которой Q_н(t) = аsin(t/t_вд), а = , t₁, t₂ − корни уравнения Q_н(t) = Q^ГШн в области t < t_вд = 0,5/f_R.

Сочетание ГШ с эластичной дыхательной камерой, объем которой не менее V_дн позволяет по формуле (1.16) установить нижний предел расхода непрерывной подачи вентилирующего газа. При этом расход вентилирующего газа должен быть не меньше легочной вентиляции.

Пример: Высотное снаряжение − скафандр. «Высота» в герметичной кабине 6 км. В полете средней сложности при энерготратах летчика 200 Вт (см. раздел 1.9) легочная вентиляция при дыхании негипоксической газовой смесью = 17 л/мин (см. рис. 1.3).

Давление в ГШ р_гш = р₆ = 47,2 кПа.

Парциальное давление углекислого газа в ГШ = 1,5 кПа.

По формуле (1.8) или рис. 1.4 коэффициент увеличения легочной вентиляции _R = 1,3.

Легочная вентиляция (1.7) Q_R = _R  = 22,5 л/мин.

По формуле (1.17) объем анатомического мертвого пространства V^D = 0,3 л.

Частота дыхания f_R = 16 1/мин (см. раздел 1.9).

Парциальное давление углекислого газа в легких = 5,3 кПа (см. раздел 1.3).

Температура в ГШ Т^гш = 293 К.

Температура тела Т^т = 310 К.

По формуле (1.16) вентиляция подшлемного пространства

Q^гш = (17 − 0,316)(5,3293)/(1,5310) = 42,7 л/мин.

Абсолютная влажность газа, насыщенного парами воды при температуре в ГШ 20 С е_нп =17,9 г/м³ (см. табл. 4 в Приложении). Относительную влажность газа в ГШ примем равной 60 %, тогда абсолютная влажность газа в ГШ е_п = 0,617,9 = 10,7 г/м³.

Удельная газовая постоянная водяного пара R_п = 461 Дж/(кгК) (см. табл. 1 в Приложении).

По формуле (1.23) парциальное давление водяных паров в ГШ = 10,7 (г/м³)461( Дж/(кгК))293К = 1,45 кПа.

Расход дыхательной смеси, приведенный к условиям NTPD, вычислим по формуле (1.22):

= 19,3 л/мин.

По формуле (1.24) наибольший мгновенный расход дыхательной смеси при вдохе, приведенный к условиям NTPD,

= 27 л/мин.

По формуле (1.25) наибольший расход дополнительной подачи

Q_ппmaxн = 27 − 19,3 = 7,7 л/мин.

Корни уравнения Q_н(t) = Q^гшн: t₁ = 0,5 c, t₂ = 1,4 c.

Интеграл (1.26) V_дн = 0,08 л.

В сложном полете, когда легочная вентиляция равна 40 л/мин,

Интеграл (1.26) V_дн = 0,5 л. При этом объем полного вдоха, приведенный к условиям NTPD, равен 1 л, а при давлении в ГШ − 2,5 л.

Значит объем присоединенной к ГШ дыхательной камеры, приведенный к условиям NTPD, должен быть не менее 0,5 л, а запасом равным объему полного вдоха − 1 л.