郭新梅 袁修干

(北京航空航天大學(xué) 航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191)

引言

夏季高溫環(huán)境下坦克車在野外行駛時(shí)，乘員常常要面臨極端的高溫?zé)岘h(huán)境。由于外界的高溫和熱輻射以及車體隔熱性差、車內(nèi)熱源多、空間狹小、散熱性差等諸多內(nèi)外因素的共同作用，常使坦克艙內(nèi)溫度異常高。例如，63式履帶裝甲輸送車行駛2 h后，車內(nèi)外的溫度有明顯差別:在南京地區(qū)，車內(nèi)外溫差達(dá)8.8～9.5℃;在北京地區(qū)，車內(nèi)外溫差為6.5～8.0℃。在南方，該車置于39℃氣溫下暴曬2 h，車內(nèi)溫度高達(dá) 50℃［1］。文獻(xiàn)［2］也指出，某坦克開(kāi)窗行駛和閉窗行駛2 h后，車內(nèi)外溫差分別為5.8℃和11.8℃。此外，高溫環(huán)境下人體大量出汗散熱，導(dǎo)致車內(nèi)濕度很高，尤其是在濕熱的外環(huán)境下，如某裝甲車在海南地區(qū)試驗(yàn)時(shí)，車內(nèi)溫度最高達(dá)50℃以上，濕度達(dá)98%以上［2］。在這種高熱應(yīng)激下，乘員很快就達(dá)到耐受極限，甚至可能發(fā)生熱病，嚴(yán)重影響工效和戰(zhàn)斗力。因此，坦克車中的降溫問(wèn)題多年來(lái)一直都是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

在上世紀(jì)六七十年代，國(guó)外就開(kāi)始試圖用空調(diào)方法來(lái)解決坦克車的降溫問(wèn)題，但經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的研究發(fā)現(xiàn)對(duì)整車降溫很困難，主要原因是:首先，制冷系統(tǒng)能耗高、尺寸大，影響了坦克車的動(dòng)力和車內(nèi)有限的空間;其次，坦克車體隔熱性較差、車內(nèi)熱源多，使得空調(diào)制冷效果不理想［3］;再次，對(duì)于解決穿著核生化服乘員的熱應(yīng)激來(lái)說(shuō)空調(diào)是無(wú)效的［4］。因此，從上世紀(jì)80年代國(guó)外相繼開(kāi)始用微環(huán)境冷卻方式來(lái)解決坦克乘員的熱應(yīng)激問(wèn)題，并取得了成功［4～6］。

在我國(guó)的坦克車中，基本上未安裝空調(diào)裝置，更沒(méi)有配備個(gè)體冷卻系統(tǒng)，遠(yuǎn)落后于國(guó)際水平。針對(duì)這種狀況，北京航空航天大學(xué)(簡(jiǎn)稱北航)人機(jī)與環(huán)境工程研究所設(shè)計(jì)了一套氣冷式微環(huán)境冷卻系統(tǒng)，用于給坦克乘員降溫。本研究的目的就是通過(guò)高溫環(huán)境艙中的熱生理試驗(yàn)，驗(yàn)證該系統(tǒng)對(duì)解決坦克乘員熱應(yīng)激的有效性。

1 材料和方法

1.1 系統(tǒng)描述

該系統(tǒng)主要由小型空氣制冷裝置和氣冷服組成，試驗(yàn)原理如圖1所示。小型空氣制冷裝置作為冷源，為乘員提供空調(diào)氣體，由空氣換熱器、渦輪及風(fēng)機(jī)三部分構(gòu)成。來(lái)自氣源的壓力氣體進(jìn)入小型空氣制冷裝置降溫降壓后，成為低溫常壓的冷空氣，與旁路氣體混合調(diào)節(jié)成所需溫度和壓力的氣體，供給高溫環(huán)境艙中穿著氣冷服的被試者。

圖1 個(gè)體氣冷系統(tǒng)熱生理試驗(yàn)原理圖Fig.1 Heat physiological experiment principle of personal air cooling system

氣冷服主要對(duì)空氣起分配作用，將氣體均勻分配至人體各處;空氣流經(jīng)皮膚表面時(shí)，通過(guò)對(duì)流和蒸發(fā)的方式帶走人體代謝熱，從而致冷身體。本試驗(yàn)所研制的氣冷服為非密閉型、管道式開(kāi)襟背心，由外層、通風(fēng)管路、內(nèi)襯3層組成。外層為滌棉迷彩面料;內(nèi)襯采用質(zhì)地柔軟、富有彈性的滌綸網(wǎng)眼布，既不影響通風(fēng)管路中氣體的流出，同時(shí)也增強(qiáng)了吸濕性和穿著舒適性;中層的通風(fēng)管路由數(shù)根PVC軟管構(gòu)成。軟管上在貼近皮膚一側(cè)開(kāi)有許多通風(fēng)小孔，氣流從通風(fēng)小孔流出吹向皮膚，與人體換熱后經(jīng)面料/纖維間隙、領(lǐng)口、袖口、下擺等開(kāi)口處散出，如圖2所示。

1.2 被試者及著裝

被試人員為6名身體健康的男性青年，自愿參加試驗(yàn)，并被提前告知試驗(yàn)?zāi)康暮统绦?。被試者的一般情況為(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差):年齡(23±2)歲，身高(170±2)cm，體重(63.4±3.7)kg。他們有在熱環(huán)境中工作過(guò)的經(jīng)歷，但未經(jīng)過(guò)熱習(xí)服訓(xùn)練。被試人員按坦克兵夏季正規(guī)訓(xùn)練時(shí)的基本服著裝，包括坦克通信頭盔、滌棉迷彩外衣(上衣、褲子)、純棉 T恤和短褲、膠鞋、線手套。受試者均知情同意。

圖2 氣冷背心Fig.2 Cooling vest

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及步驟

試驗(yàn)分為對(duì)照組(NC)和致冷組(AC)。對(duì)照組的被試者僅穿著坦克兵基本服，而致冷組在基本服的T恤和上衣之間再穿著氣冷背心。給氣冷背心的供氣流量為250 L/min，溫度為15℃，露點(diǎn)溫度為10℃。為了避免個(gè)體差異影響試驗(yàn)結(jié)果，致冷組和對(duì)照組均做6人次 (n=6)。

試驗(yàn)在航空醫(yī)學(xué)研究所的高溫艙中進(jìn)行，環(huán)境艙的溫度和相對(duì)濕度分別為45℃和50%，以模擬坦克在閉窗作業(yè)時(shí)乘員艙內(nèi)的高溫環(huán)境，艙內(nèi)風(fēng)速小于1 m/s，輻射溫度等于氣溫。試驗(yàn)時(shí)被試者均采取靜坐姿勢(shì)進(jìn)行90 min的熱暴露。被試者提前1 h到達(dá)試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行充分休息，飲用充足的水或軟飲料，在試驗(yàn)過(guò)程中不許再飲水。試驗(yàn)前先稱量被試者的裸體體重及服裝質(zhì)量，然后貼溫度傳感器、心率電極，并將直腸溫度傳感器插入直腸內(nèi)約肌10 cm，穿好服裝進(jìn)入高溫環(huán)境艙開(kāi)始試驗(yàn)。

試驗(yàn)中所測(cè)量的數(shù)據(jù)包括:環(huán)境艙的干球溫度、濕球溫度和黑球溫度，與制冷系統(tǒng)相關(guān)的管路中各測(cè)點(diǎn)溫度、壓力和流量，與人體的生理熱反應(yīng)相關(guān)的皮膚溫度、直腸溫度和心率等。首先，連續(xù)監(jiān)測(cè)這些指標(biāo)，并每5 min記錄一次。其次，在試驗(yàn)開(kāi)始和結(jié)束時(shí)要分別稱量裸體及服裝質(zhì)量，用于計(jì)算出汗率和汗液蒸發(fā)率。另外，在試驗(yàn)中每隔10 min讓被試者分別填寫溫度舒適感、皮膚潮濕感、服裝潮濕感3個(gè)主觀感覺(jué)調(diào)查表。溫度舒適性的主觀評(píng)價(jià)分為7級(jí):1=冷，2=涼，3=稍涼，4=舒適，5=稍熱，6=熱，7=很熱;皮膚潮濕感評(píng)分為5級(jí)，1～5級(jí)分別為:干燥、略有潮感、輕微出汗、出汗量較大、汗流;服裝潮濕感也分為5級(jí)，分別為:干燥、略有潮感、潮濕、某些部位濕和全身濕。

評(píng)定被試者在高溫環(huán)境中的熱應(yīng)激程度，用綜合熱應(yīng)激指數(shù)CIHS(combined index of heat stress)表示［8］，有:

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)的分析用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件。對(duì)于平均體溫、核心溫度的升高量、心率增量、皮膚溫度增量、總的出汗量以及熱應(yīng)激指標(biāo)等，均用單因素方差分析。對(duì)于隨時(shí)間重復(fù)測(cè)量的量，如皮膚溫度、直腸溫度、心率等，用兩因素方差分析(組別、時(shí)間)。當(dāng)某因素的不同水平之間有顯著差異時(shí)，用Tukey法進(jìn)行多重比較檢驗(yàn)［9］。所有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)均以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”的形式表示。

2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，致冷組和對(duì)照組的出汗量和汗液蒸率均有顯著差異(P<0.05)，如圖3所示。致冷組的出汗量顯著低于對(duì)照組，而其汗液蒸發(fā)率顯著高于對(duì)照組。在致冷組中，92.5%的出汗量均蒸發(fā)掉，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)被試者的服裝基本是干燥的;而對(duì)照組的出汗量較大、汗液蒸發(fā)率又低(45.5%)，在試驗(yàn)結(jié)束后被試者的服裝基本上全濕了。因此，從出汗量和汗液蒸發(fā)率來(lái)看，氣冷背心使人體出汗量減小，同時(shí)促進(jìn)了人體汗液的蒸發(fā)，保證了皮膚的干燥舒適，有利于人體熱量的散出。

圖3 致冷組和對(duì)照組的出汗量及蒸發(fā)量Fig.3 Sweat production and evaporation for AC and NC

被試者的平均皮膚溫度見(jiàn)圖4，致冷組的平均皮膚溫度從10min起就顯著低于對(duì)照組(P<0.05)。在90 min的試驗(yàn)過(guò)程中，致冷組的平均皮膚溫度為34.4℃，基本處于舒適狀態(tài)，而對(duì)照組的平均皮膚溫度為36.8℃，到試驗(yàn)結(jié)束已達(dá)到38℃，被試者感覺(jué)極熱。

圖4 致冷組和對(duì)照組的平均皮膚溫度和標(biāo)準(zhǔn)差Fig.4 Mean±SD skin temperature for AC and NC*Significantly greater than air cooling(P<0.05)

對(duì)照組和致冷組的平均直腸溫度也有顯著性差異(P<0.05)。從圖5可以看出，在試驗(yàn)開(kāi)始的1 h內(nèi)兩者的直腸溫度無(wú)顯著差異，而從70 min開(kāi)始對(duì)照組的直腸溫度顯著升高。從試驗(yàn)開(kāi)始到結(jié)束，致冷組的平均直腸溫度僅升高了(0.2±0.2)℃，而對(duì)照組的升高了(1.0±0.2)℃，這說(shuō)明穿著氣冷背心對(duì)改善皮膚溫度和直腸溫度均有顯著效果。

圖5 致冷組和對(duì)照組的平均直腸溫度和標(biāo)準(zhǔn)差Fig.5 Mean±SD rectal temperature for AC and NC

個(gè)體氣冷對(duì)緩解被試者心率的升高和熱積的積聚也有顯著效果(P<0.05)。圖6表明，對(duì)照組的心率從30 min起就顯著高于致冷組(P<0.05)，兩者的平均心率在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)較基礎(chǔ)心率分別升高了70%和22%。圖7為試驗(yàn)結(jié)束時(shí)致冷組和對(duì)照組的熱積，也是對(duì)照組顯著高于致冷組。

在45℃、50%相對(duì)濕度的環(huán)境艙停留90 min后，根據(jù)熱積量、出汗量、心率和體溫的增量，計(jì)算出致冷組和對(duì)照組的綜合熱應(yīng)激指數(shù)CIHS分別為4.7±0.7和11.8±0.9。致冷組的 CIHS還未達(dá)到生理安全限值，為生理安全限的73%，屬于中度熱應(yīng)激;而對(duì)照組的 CHIS已遠(yuǎn)超過(guò)生理安全限(179%)，屬于重度熱應(yīng)激。

被試者在90 min內(nèi)的主觀感覺(jué)見(jiàn)圖8～圖10。致冷組的熱舒適感覺(jué)和皮膚潮濕感在整個(gè)90 min內(nèi)均顯著低于對(duì)照組(P<0.05)，服裝潮濕感從20 min起致冷組就顯著低于對(duì)照組，說(shuō)明氣冷背心對(duì)于提高熱環(huán)境中人體的主觀熱濕舒適性也有顯著效果。

圖6 致冷組和對(duì)照組的平均心率和標(biāo)準(zhǔn)差Fig.6 Mean±SD heat rate for AC and NC

圖7 致冷組和對(duì)照組試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的熱積Fig.7 Mean±SD heat storage for AC and NC at the end of test

圖8 致冷組和對(duì)照組的熱舒適感覺(jué)Fig.8 Thermal comfort sensation for AC and NC

3 討論

圖9 致冷組和對(duì)照組的皮膚潮濕主觀感覺(jué)Fig.9 Skin wettedness sensation for AC and NC

圖10 致冷組和對(duì)照組的服裝潮濕主觀感覺(jué)Fig.10 Clothing wettedness sensation for AC and NC

在溫度為45℃、相對(duì)濕度為50%的高溫艙中，進(jìn)行的致冷組和對(duì)照組的人體熱生理試驗(yàn)結(jié)果表明:采用氣冷式微環(huán)境冷卻的致冷組在出汗率、汗液蒸發(fā)率、平均皮膚溫度、熱積、核心溫度和心率的升高量等方面的生理指標(biāo)都顯著優(yōu)于對(duì)照組;而且致冷組的主觀舒適性評(píng)分等級(jí)也明顯優(yōu)于對(duì)照組，被試者在致冷組中感覺(jué)稍熱、在對(duì)照組中非常熱，熱應(yīng)激指數(shù)前者在生理安全限內(nèi)、后者遠(yuǎn)超過(guò)生理安全限。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，氣冷式微環(huán)境冷卻系統(tǒng)能夠顯著改善坦克乘員的散熱能力，緩解嚴(yán)峻熱環(huán)境的影響，減輕乘員的熱應(yīng)激程度，從而增強(qiáng)了坦克乘員在高溫環(huán)境下的耐受能力。同時(shí)，也證明了北航研制的氣冷式微環(huán)境冷卻系統(tǒng)的有效性。

用氣冷式微環(huán)境冷卻系統(tǒng)來(lái)解決坦克乘員的熱應(yīng)激問(wèn)題，在高溫環(huán)境艙內(nèi)取得初步試驗(yàn)成功后，下一步研究的重點(diǎn)是在坦克車上進(jìn)行實(shí)際的裝車試驗(yàn)，以進(jìn)一步驗(yàn)證其有效性和可行性。由于實(shí)際跑車中外界環(huán)境因素非常復(fù)雜，可以先進(jìn)行靜態(tài)下裝車有效性和可行性的驗(yàn)證，取得成功后再進(jìn)行實(shí)際跑車實(shí)驗(yàn)。在裝車實(shí)驗(yàn)中，重點(diǎn)要解決兩方面的問(wèn)題，其一是小型制冷系統(tǒng)的氣源問(wèn)題，其二是乘員生理指標(biāo)的測(cè)量問(wèn)題。

4 結(jié)論

本課題針對(duì)我國(guó)多年來(lái)一直未得到圓滿解決的坦克艙高溫進(jìn)行了研究，在總結(jié)國(guó)內(nèi)外研究經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出采取氣冷式微環(huán)境冷卻的方案，以解決坦克乘員的熱應(yīng)激問(wèn)題。分別研制了小型空氣制冷系統(tǒng)和氣冷服，并在溫度為45℃、相對(duì)濕度為50%的高溫環(huán)境艙中進(jìn)行了致冷組和對(duì)照組的人體熱生理試驗(yàn)，以驗(yàn)證整套系統(tǒng)的有效性。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用氣冷式微環(huán)境冷卻系統(tǒng)能夠顯著減輕坦克乘員的熱應(yīng)激，說(shuō)明微環(huán)境冷卻方案是解決坦克艙高溫問(wèn)題的有效途徑。在此基礎(chǔ)之上，下一步研究的重點(diǎn)是將此系統(tǒng)安裝在坦克車上進(jìn)行實(shí)際跑車試驗(yàn)，以發(fā)現(xiàn)在工程應(yīng)用中可能存在的潛在問(wèn)題。

(致謝:忠心感謝航空醫(yī)學(xué)研究所四室的肖華軍研究員、任兆生研究員、臧斌高工等對(duì)該試驗(yàn)的大力協(xié)助和支持。)

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