Archiv pro štítek: Anti-G oblek



Autoři simulátoru IL-2 Sturmovik Great Battles nedávno oznámili na svém vývojářském blogu, že chystají zásadní vylepšení enginu simulátoru a sice jeho rozšíření o modelování fyzilogie pilota. Jedná se o velmi významný posun v oblasti letecké simulace, který zatím v nebyl v žádném bojovém simulátoru do takové míry modelován. Tato úprava patrně výrazně ovlivní letovou taktiku a chování pilotů a posune celý projekt směrem k vyšší realističnosti celé simulace. Proto si v dnešním článku dovolím nabídnout český překlad komentáře z dev. blogu č. 228 (viz výše uvedený odkaz):

Všichni jsme si vědomi toho, že jako lidé se vzájemně odlišujeme – každý máme odlišnou vitalitu, fyzickou sílu i schopnost vzdorovat nepříznivým faktorům okolního prostředí. Proto je samozřejmě individuální také odolnost pilota vůči násobkům přetížení a zaleží na řadě faktorů, jak každý pilot reaguje. Svoji roli zde hrají věk, zdravotní stav, tělesná zdatnost, zda je pilot dostatečně odpočatý, kdy a jak dostatečně naposledy jedl a dokonce i to, v jakém emocionálním stavu se aktuálně nachází. My samozřejmě o vás, virtuálních pilotech, tyto informace nemáme k dispozici a nemůžeme je proto individálně simulovat: i když by takový model umožňoval pravděpodobně nejvěrnější zážitek ve virtuální realitě, bylo by jeho vytvoření extrémně komplexní a náročné.

Proto jsme se rozhodli pro nejrozumnější řešení, a sice vytvořit model pilota s průměrnou fyzilogií. Pojem „průměrný pilot“ zde označuje trénovaného jedince v dobré fyzické kondici, který často provozuje akrobacii. Ke stanovení hodnot, na kterých jsme náš model postavili, byla použita řadu různých lékařských studií s daty nashromážděnými v průběhu řady experimentálních měření prováděných na pilotech a dobrovolnících. Na těchto základech jsme stanovili „střední cestu“ pro typickou toleranci člověka na různé hodnoty přetížení.

První věcí, které většina studií věnuje pozornost, je zjištění, že velikost přetížení (G), které může být buď kladné (pilot je tlačen do sedačky) nebo záporné (pilot visí na popruzích), závisí jak na délce působení tak na rychlosti s jakou vzniká. Uveďme příklad: průměrný pilot při přetížení +6 G ztratí vědomí během prvních 5-8 s, avšak ten samý pilot zvládá zůstat při vědomí cca 40 s při +5 G za předpokladu, že rychlost nástupu přetížení není vyšší než 1 G/s. Pokus však dojde ke vzniku +5 G během 1-2 s, následuje ztráta vědomí pilota už za pouhých 5-7 s.

V letecké medicíně se tento jev vysvětluje tzv. „hemodynamikou“ kardiovaskulárního systému. Tělo potřebuje jistý čas k tomu, aby se mobilizovalo a bylo úspěšně schopné zvládnout přetížení. Dobře je to vidět např. na následujícím grafu (zdroj: Anne M. Stoll, “Human tolerance to positive G as determined by the physiological end points” published in The Journal of aviation medicine., 1956)

V našem modelu fyzilogie pilota bereme v úvahu všechny výše uvedené faktory. Pokud je přetížení dosaženo během 1-2 s, neobjeví se jeho negativní dopad (vizuální a sluchové problémy) okamžitě, ale spíše s 2-3 s zpožděním, následuje rychlá „krize“ a po několika dalších sekundách se tělo mobilizuje a jeho schopnost tolerovat přetížení se zlepší. Zmíněné „krizi“ se lze vyhnout či ji redukovat, pokud pilotujete plynuleji a tak generujete přetížení po menších násobcích a pomaleji.

Další graf ukazuje, jak dlouho je průměrný pilot schopen odolat násobkům kladných a záporných přetížení, než ztratí vědomí. Modrá linka ukazuje hodnoty, které jsme extrapolovali z různých lékařských studií a červené tečky jsou výstupem našeho nového modelu:

Jak vidíme, pilotova schopnost snášet kladné přetížení je mnohem vyšší než u přetížení záporného.

Dalším faktorem, který bereme do úvahy na základě výše prezentovaných dat, je únava pilota. Znamená to, že každý manévr vedoucí k vyšším G se započítává a tedy, že čím razantněji pilot manévruje, tím více on sám i jeho posádka trpí důsledky přetížení. Pokud je pilot unaven z předcházejícícho manévrového boje, bude mít nový protivník, se kterým vstoupí do boje, výraznou výhodu a možná budete nuceni takový boj opustit a nabrat nejprve trochu dech. A to může pár minut trvat.

Nedílnou součástí celého projektu je přepracování vizuálních efektů, které simulují zhoršení zraku pilota. Naše úprava bude plně odpovídat posloupnosti popsané v odborné literatuře. Vlivem kladných násobků přetížení začne pilot nejprve ztrácet schopnost rozlišovat barvy (grey-out). Následuje zúžení periferního vidění (tunnel-vision) až do úplného zatmění zraku (black-out). Ztráta zrakových schopností je navíc doprovázena ztrátou sluchu.

Při záporných přetíženích není ovlivněna schopnost vnímat barvy ani nedochází k tunelovému vidění, protože optický nemá nemá přerušen přísun kyslíku. Pilot naopak pociťuje nával krve do hlavy, které se projevuje červeným zabarvením zrakového vnímání (red-out). Také dochází ke snížení ostrosti vidění.

Několikrát jsem v předchozích odstavcích zmínil ztrátu vědomí (G-lock). Ano i tu nyní budeme simulovat. Pokud vysoké hodnoty kladného nebo záporného přetížení překorčí práh fyziologické tolerance, dojde ke ztrátě vědomí pilota. V úvahu se bude brát jak trvání, tak rychlost nástupu přetížení a také stav únavy pilota. Při kladných přetíženích je předzvěstí ztráty vědomí black-out, i když ještě i po úplné ztrátě zraku je pilot nějakou dobu schopen letoun ovládat. V případě záporných přetížení dochází k nástupu ztráty vědomí mnohem překvapivěji a jediným varovným vodítkem je ztráta ostrosti vidění.

Studie z různých zdrojů se shodují na tom, že v závislosti na mnoha faktorech trvá G-lock přibližně 10-15 s a během této doby je letoun neovladatelný pilotem. Mějte také na paměti, že vždy každá následující ztráta vědomí vás bude stát delší čas a více energie. Stíhací piloti 2. sv. v. byli pouze lidé, žádní Supermani, a víme, že dokonce i v letounech s pístovými motory je možné zakoušet značně vysoké hodnoty přetížení.

Dalším rysem námi navrženého modelu je možnost simulace anti-g obleku (více viz článek ZDE). Podle různých studií, zvyšuje ani-g oblek práh tolerance pilota na pozitivní přetížení o cca 1,5 – 2 G. Piloti s anti-g oblekem tedy mají jednoznačně v manévrovém boji výhodu. Pozor, anti-g oblek neovlivňuje toleranci na záporná přetížení.

Na závěr bych rád zmínil, že v novém modelu také omezujeme schopnost pilota opustit letoun při rychlostech vyšších než 400 km/h a při kladných přetíženích přesahujících 3G. To jsou fyziologické limity pro schopnost člověka opustit sedadlo. Uvedené hodnoty se samozřejmě týkají zdravého pilota. Pokud je pilot zraněn, je pro něj mnohem obtížnější letoun opustit.

Svoji roli v novém modelu hraje samozřejmě i hypoxie (nedostatku kyslíku) a proto bude nyní tlak vzduchu v dané výšce započítáván do celkového stavu pilota mnohem přesněji.

Vzhledem k uvedení nového modelu fyziologie do simulátoru chápeme, že pro některé virtuální piloty budou výše uvedené úpravy pokládány za omezení, která nebudou ochotni akceptovat. Proto jsme se rozhodli ponechat v simulátoru možnost volby, kdy si hráč bude moci v „reality settings“ sám zvolit, zda bude vše fungovat tak, jako tomu bylo dosud, a nebo zda budou aktivovány uvedené vlivy jako únava pilota, hemodynamika kardiovaskulárního systému a omezení vytrvalosti pilota v závislosti na době trvání a intenzitě přetížení. Ve zmíněném zjednodušeném modelu nebude také docházet ke ztrátě vědomí virtuálního pilota. Zároveň však budou i ve zjednodušeném modelu použity nové efekty simulující zhoršení zraku a sluchu a stupně přetížení při kterých tato omezení vznikají.

Upřímně dofáme, že nový model fyziologie pilota povede k zlepšení zážitku z létání a také, že výrazně ovlivní taktiku použitou v boji. Piloti nyní budou nuceni začít vnímat svoji virtuální fyzickou kondici a budou muset být mnohem opatrnější, co se týká bojových obratů, a to nás povede zase o krok blíže k vyšší realitě vzdušného boje.

Andrey “Petrovich” Solomykin – Lead Engineer

PC Simulátory - news



S black-outem a dokonce i se ztrátou vědomí v důsledku vysokých pozitivních g se poprvé setkali už piloti stíhacích letadel za 1. sv. v. a v meziválečném období se proto tato problematika stala předmětem výzkumu. Za všechny jmenujme např. australského profesora fyziologie Franka Cottona (ještě o něm bude řeč později), který nalezl nový způsob, jak určit těžiště lidského těla, a tím se otevřela cesta k poznání, jak se v těle přemísťuje hmota (tělní tekutiny) při vysokých g. Na prahu 2. sv. v. tak díky rozšiřujícím se znalostem o fyziologi lidského těla bylo už všem jasné, že ten, kdo nalezne způsob, jak u pilotů zvýšit toleranci na vysoká g, bude mít ve vzdušném boji nezanedbatelnou výhodu.

Kdo si při dogfightu může dovolit vyšší g, má vždy jednu výhodu navíc.

Co se vlastně při vyšších g v lidském těle děje? Díky přetížení se krev přesouvá do dolních částí těla a tím dochází k odkrvení mozku a k hypoxii. Ta se nejprve začne projevovat tzv. grey-outem neboli zakaleným zrakem, následuje tunelové vidění, kdy se zužuje vnímaný prostor, až nakonec dochází k black-outu, tj. kompletní ztrátě zraku. Pokud přetížení pokračuje dále, dostaví se ztráta vědomí, tzv. g-LOC (Loss Of Consciousness). I když poté dojde ke snížení g, nebezpečná situace pro pilota ještě nekončí, protože návrat vědomí bývá doprovázen dočasnou krátkou dezorientací. Tolerance průměrého člověka se v závislosti na jeho fyzické zdatnosti pohybuje mezi 3-5 g.

Pozn. uvedený popis se týká pouze tzv. pozitivních g, kdy je pilot tlačen směrem do sedačky. U negativních g, kdy pilot tlačen ze sedačky ven, dochází k opačnému jevu, tedy k přílivu krve do horní části těla a důsledkem je tzv. red-out. Tento problém však z podstaty své konstrukce anti-g obleky nemohou řešit.

Pedály Focke-wulfu jsou téměř na úrovni sedačky a v dostatečné vzdálenosti od ní, takže pilot má nohy jen velmi mírně pokrčené v kolenou.

Už při konstrukci letadel na počátku 2. sv. v. přišli němci i britové na způsob, jak tolarenci na vysoká g mírně zvýšit, a sice tím, že umožní takovou pozici pilota, kdy jeho nohy budu v co nejvíce vodorovné poloze. Proto v letounech Bf 109 a Fw 190 všech variant jsou pedály zkonstruované tak, že nohy pilota, který je usazen v kokpitu, jsou v kolenech jen velmi mírně pokrčené. Britové to ve Spifirech vyřešili tak, že pedály mají dvě stupačky, dolní pro běžný let a horní, umístěné cca 15 cm výše, pro manévrový boj. Taková řešení umožnila pilotům zvýšit toleranci přibližně o 1,5 g.

Pedály Spitfiru mají dvě polohy pro nohy -horní pozice je tzv. bojový pedál.

Bylo však zřejmé, že takové řešení nestačí. Bylo třeba nalézt lepší způsob, jak účinně zabránit, aby se při vysokých přetíženích zabránilo odkrvení mozku. Řešením byl tzv. anti-g oblek. Jako první s ním přišli britové, konkrétně kanadský tým vedený Willburem R. Franksem, už v r. 1941. Oblek měl kolem nohou vaky, které se plnily vodou, a způsobovaly tak stlačení krevního řečiště natolik, že krev zůstávala v horní polovině těla i při vyšších g. Byly vyvinuty dvě verze: Franks Mk. I pro piloty Hurricanů a Spitfirů a Franks Mk. II pro piloty USAAF a RCAF. Obleky vyráběla f. Dunlop.

Použítí Franksových anti-g obleků je doloženo zejména u pilotů FAA (Fleet Air Arm = Britského námořního letectva) např. při operaci Torch, tj. invazi spojenců do severní Afriky. Obecně ale britští piloti anti-g obleky příliš nepoužívali, jednak z obavy, že by to vedlo k příliš velkým silám na draky Spitfirů, které na tak vysoké g nebyly konstruovány a jednak údajně i proto, že se obávali vyzrazení vynálezu v případě sestřelení pilota nad nepřátelským územím (předpokládali, že němci anti-g oblek neznají, protože ho na žádném ze setřelených a zajatých pilotů neviděli).

Dr. Franks asistuje při oblékání testovacího pilota do svého anti-g obleku (1944).

Pozn. Jako zajímavost lze uvést, že dr. Franks při vývoji úzce spolupracoval s dr. F. Bantigem, objevitelem inzulínu, který se mj. také velmi zajímal o medicínu aplikovanou v letetcví.

První anti-G oblek, kde byla kapalina nahrazena stlačeným vzduchem, vymyslel již dříve zmíněný prof. Frank Cotton z univerzity v Sydney. Konstrukce toho obleku byla tvořena gumovými vaky, které byly umístěny pod neroztažitelnou horní vrstvou obleku. Tyto vaky byly automaticky plněné stlačeným vzduchem vždy, když přetížení přesáhlo určitou hodnotu. To zajišťoval speciální tlakový ventil reagující na změnu g. Oblek byl testován na Spitfirech, Hurricanech a P-40 Kittyhawk a poskytoval ochranu o velikosti caa 2 g (které se přičetly navíc k běžně tolerované hodnotě přetížení). RAF později provedla porovnávací testy obou výše zmíněných obleků a závěr byl jednoznačný ve prospěch Cottonova řešení.

Prof. Cotton a jeho tým při testování anti-g obleku.

Cottonovo řešení anti-g obleku bylo dále zdokonaleno týmem vědců z kliniky Mayo v USA. Tým se namísto snahy o zabránění odtoku krve do dolní části těla, soustředil na udržení tlaku v tepnách. Aby předešli poklesu tlaku, umístili ve své verzi obleku vaky plněné stlačeným vzduchem na lýtka, stehna a břicho. Tak vznikl první prakticky použitelný americký design označovaný jako GPS (Gradient Pressure Suit) G-1 „Berger“. Zaveden do operační služby byl v r. 1943.

„Berger“ GPS anti-g oblek

Další zdokonalený anti-g oblek byl „Berger“ G-3 a G-3A z r. 1944. Tento oblek byl asi nejlepším, který byl za 2. sv. v. používán – byl lehký, realivně pohodlný, snadno se oblékal a zvrchu byl prodyšný. Můžeme ho často vidět na fotografiích pilotů P-51 a P-47 z posledního roku války. Oblek měl na levé straně hadičku, která se připojovala k tlakovému zařízení umístěnému v letounu. Přístroj v kokpitu, který měřil hodnotu g, pak opět reguloval tlakový ventil, který plnil vaky v obleku podle potřeby stlačeným vzduchem. Princip na kterém je tento anti-g oblek založen je platný dodnes a jeho moderní verze používají i současní stíhací piloti.

Anti-g obleky za 2. s.v .v využívali nejvíce právě američtí piloti na evropském bojišti a pomáhal jim nezanedbatelnou měrou v boji s letouny Luftwaffe.

Na závěr si dovolím citát Buda Andersona z 357. FG:

S anti-g obleky jsme mohli v létání o něco přitvrdit a točit agresivněji. Mohli jsme si dovolit tak o 1 g navíc a to nám dávalo výhodu. Proti jejich používání jsme nic nenamítali, protože jsme tyto obleky vnímali jako určitou úpravu či vylepšení našich letadel.

Konstrukční řešení