Создание средств активной защиты объектов, расположенных вблизи акваторий. Физиологический аспект

Приведен краткий анализ и обобщение результатов ранее проведенных экспериментальных исследований электрофизиологического воздействия электрического поля тока (ЭПТ) в воде на биообъекты. Предложен способ оценки влияния ЭПТ на выполнение действий нарушителем.

В связи с активизацией деятельности мирового терроризма в последние годы все больше внимания уделяется прикрытию, охране и обороне различных объектов. Многие из них расположены вблизи морских и речных акваторий. Например, авто- и железнодорожные мосты, гидротехнические сооружения, атомные и гидроэлектростанции, химические комбинаты и т.п.

В недалекой перспективе значительные успехи отечественных и зарубежных разработчиков и производителей технических средств охраны в развитии периметровых систем защиты значительно затруднят, если не сделают совсем невозможным проникновение нарушителей по суше. В отдельном ряде ситуаций это конечно может привести к отказу нарушителя от своих намерений, наиболее опасных и “настойчивых” это подтолкнет к поиску альтернативных способов (путей) проникновения. Из оставшихся двух вариантов: по воде и по воздуху наиболее доступным, скрытным, предпочтительным для несанкцианированного проникновения является первый.

Проведенный анализ показал крайнюю скудность арсенала технических средств обнаружения в воде и практически полное отсутствие средств активного воздействия на нарушителя в воде. Одним из способов активного воздействия является обеспечение таких параметров ЭПТ на определенном участке водной среды, которые затрудняют преодоление водного рубежа нарушителем или делают это совсем невозможным. Создание и применение таких средств затрудняется отсутствием нормативной базы, регламентирующей применение ЭПТ в воде для воздействия на нарушителя. Основу этой базы должны составлять научно-обоснованные и утвержденные в установленном порядке электрофизиологические требования к параметрам электрического поля тока, создаваемого средствами активной защиты в воде.

Несмотря на большой объем научной литературы, посвященной биологическому действию электрического тока на животного или человека при их нахождении на суше или в воздушной среде, целенаправленных глубоких исследований по вопросу действия электрического поля тока на биообъекты, находящиеся в водной среде, проводилось крайне мало. Кроме того, нет систематизирующих трудов, позволяющих полноценно использовать накопленной объем знаний в целях создания средств активной защиты акваторий (САЗА).

Наиболее полно изучено действие ЭПТ на рыб, которые считаются самыми чувствительными к нему биообъектами [17]. Это нашло широкое практическое использование в виде технических средств для электролова рыбы [1, 2, 3, 4].

Выбор значения параметров воздействия определяется видом, размерами рыб, условиями лова (температура, соленость воды). Например, при лове быстроплавающих хищных рыб применяются меньшие напряжения между электродами, меньшая длительность импульсов, но большая их частота, чем при лове малоподвижных рыб [5].

Существенное влияние на поражение оказывает соотношение электропроводности воды и самого биообъекта. Отмечается [6], что в тех случаях, когда электропроводность воды меньше электропроводности рыбы, ЭПТ вблизи нее распределяется так, что разность потенциалов между наиболее удаленными точками тела рыбы в направлении ориентации силовых линий ЭПТ оказывается меньше разности потенциалов в невозмущенном поле на расстоянии соответствующем, длине рыбы. Плотность тока в теле рыбы при этом выше, чем в окружающей среде. Если электропроводность воды больше электропроводности рыбы, наблюдается обратная закономерность [7].

Судорожное действие ЭПТ низких частот оценивалось в экспериментах на собаках [8]. При этом, по аналогии с сухопутными средствами электрозащиты (ЭЗ), расчетным путем определялся ток, протекающий через тело человека. Авторы этой работы пришли к выводу, что даже при силе тока 15 – 20 мА, не представляющей непосредственной опасности для жизни в обычных условиях (на суше), при нахождении объекта на поверхности воды действие ЭПТ может привести к гибели животного вследствие судорог конечностей. Подобная опасность утопления существует и для человека. В этом случае, после оглушения электрическим током, восстановление спонтанного дыхания наблюдается раньше, чем первые попытки к всплытию. Анализ крайне малочисленных источников доступной научной литературы позволяет лишь ориентировочно определить значения параметров ЭПТ в водной среде, которые могут оказать на человека поражающее действие. В этом плане представляют интерес данные некоторых авторов о безопасных величинах напряженности электрического поля тока и проходящего через человека тока в воде. Так, в работе [9], посвященной электробезопасности при ловле рыбы с использованием импульсных токов низкой частоты указывается, что при напряженности ЭПТ 9,9 В/м появляется ощущение толчков в паховой области. При этом фронтальная плоскость тела человека была ориентирована вдоль силовых линий поля, а морская вода имела удельную проводимость 1 – 2 См/м. В то же время,как отмечают другие авторы [10, 11], у пловца в морской воде может возникнуть потеря мышечного контроля в ногах, приводящая к невозможности плавания, уже при напряженности ЭПТ 6,6 В/м. Приведенные наблюдения согласуются и с данными, представленными в [12 – 15].

Все эти исследования не дали ответов на вопросы:

Какое влияние на выполнение нарушителем своих действий оказывает ЭПТ, по своим характеристикам недостаточное для создания поражающего (летального) эффекта? Учитывая, что в большинстве ситуаций при охране объектов поражение пловца крайне нежелательно, то без однозначного ответа на этот вопрос задачу создания САЗА решить невозможно.

Каким образом по имеющимся данным о параметрах ЭПТ, безопасных для жизни человека, без проведения дополнительных исследований, сопряженных с повышенной опасностью, определить характеристики поля, соответствующие летальному эффекту, при данных условиях?Знание опасных параметров ЭПТ необходимо для обоснования требований по безопасной эксплуатации САЗА.

Ниже приведены краткие результаты попытки систематизации результатов ранее проведенных экспериментальных исследований электрофизиологического воздействия ЭПТ на биообъекты с целью применения их для решению задачи создания средств активной защиты акваторий.

Из известных видов воздействия электрического тока на человека: теплового, химического, биологическиго и механического [16] определяющим в нашем случае является последнее. Основной причиной гибели людей в воде является вынужденное судорожное сокращение скелетных мышц. Также было отмечено, что ЭПТ в воде кроме физиологического воздействия на мышечный аппарат создает эффект подавленности в области головы. Наблюдается ощущение, аналогичное сильному шумовому воздействию.

Физиологическому воздействию ЭПТ на организм человека в воде присущи следующие особенности, отличающие его от воздействия электрического тока на суше:

1. Для поражения человека в воде не требуется достижения фибрилляции сердца и поражения центральной нервной системы. Достаточно обеспечить судорожный эффект в одном из двигательных поясов (верхнем и нижнем).

2. Заданная степень воздействия (поражение или отталкивание) достигается не сразу, как при прикосновении к токоведущим частям сухопутных ЭЗ, а по мере продвижения человека к источнику ЭПТ (в нашем случае – к линейной части САЗА) увеличивается постепенно.

3. Оптимум воздействия ЭПТ в воде по частоте смещен примерно на порядок относительно оптимума воздействия электрического тока на суше и находится в пределах 200 – 800 Гц (рис.1) в зависимости от формы напряжения подаваемого на линейную часть (гармоническое или импульсное), длительности импульсов при импульсном питании, параметров внешней среды в которой находится человек и его физиологического состояния.

Существуют следующие пороги восприятия ЭПТ биообъектом, находящимся под его воздействием:

1. Порог ощущений – такое значение характеристики ЭПТ, при котором биообъект начинает ощущать воздействие на него ЭПТ;

2. Порог непреодолимости (непереносимости) болевых ощущений (боли) – такое значение характеристики ЭПТ, при котором волевое преодоление боли становится практически невозможным;

3. Поражение биообъекта – полная потеря способности передвижения в воде и, как следствие этого, потопление.

К факторам, влияющим на степень воздействия ЭПТ в воде на биообъекты относятся:

- максимальная разность потенциалов на части тела человека, находящейся в воде;
- частотные и модуляционно-временные характеристики ЭПТ;
- электрические, магнитные и иные свойства облучаемых объектов и среды;
- структура ЭПТ (в случае неоднородного);
- условия воздействия, в том числе ориентация тела нарушителя при перемещении в воде.

Рис.1. Зависимость максимальной разности потенциалов на теле не защищенного человека от частоты для наступления пороговых режимов при воздействии синусоидальным ЭПТ. (Доверительная вероятность для порога ощущения – 0,8, для режима поражения – 0,5; доверительный интервал показан на рисунке)

Установлено, что наибольшей глубины регулирования степени воздействия можно добиться изменением максимальной разности потенциалов на части тела человека, находящейся в воде. Изменения других факторов либо приводят к не столь существенному эффекту, либо затруднены технически.

Цель создания средств активной защиты акваторий – обеспечение таких физиологических условий в определенном участке водной среды, которые затрудняют преодоление водного рубежа нарушителем или делают это совсем невозможным. При этом возможны следующие варианты действий биообъекта:

1. Несмотря на неприятные физиологические ощущения, нарушитель преодолевает водный рубеж, но при этом скорость его продвижения непроизвольно уменьшается;

2. Нарушитель по физиологическим или психологическим соображениям отказывается от преодоления водного рубежа;

3. Нарушитель неподвижен из-за поражения его ЭПТ.

Остальные возможные варианты действий нарушителя не отвечают цели создания САЗА.

Критерием воздействия ЭПТ на биообъекты являются изменения поведенческих реакций экспериментальных животных. Объективной характеристикой физиологического и психического воздействия поля САЗА на нарушителя является время преодоления им водного рубежа или время выполнения иной операции. Операция в данном случае – это некоторое назначенное действие в воде, например, установка мины. В вариантах 2 и 3 это время стремится к бесконечно большой величине.

Такая характеристика как время выполнения операции хотя и определяет степень воздействия на нарушителя, но не удобна в использовании, так как зависит от вида конкретной операции (установка мин, транспортировка заряда взрывчатого вещества и т.п.). Поэтому, в качестве основной величины характеризующей степень воздействия ЭПТ на биообъект целесообразно использовать более универсальную величину, назваемую коэффициентом изменения времени выполнения операции К_И, и описываемую выражением:
К_И = , (1)

где – время выполнения операции без воздействия ЭПТ на нарушителя; – время выполнения той же операции в тех же условиях, но при воздействии ЭПТ на нарушителя.

Коэффициент изменения времени выполнения операции и максимальная разность потенциалов на теле нарушителя связаны следующими эмпирическими зависимостями:

К_И = 1; (2)

К_И = ; (3)

где – действующее значение максимальной разности потенциалов по продольной оси части тела находящейся в воде; – действующее значение максимальной разности потенциалов по продольной оси части тела находящейся в воде соответствующее порогу ощущений (рис.1);

(4)

где Dj^П_max – действующее значение максимальной разности потенциалов по продольной оси части тела находящейся в воде соответствующее режиму поражения (рис.1).

(5)

Значения коэффициента изменения времени выполнения операции, достаточные для наступления порога ощущений, -1; порога непереносимости боли -1,9 – 2,1; для обеспечения срыва выполнения нарушителем своей задачи – более 4.

В качестве примера на рис. 2 приведены результаты расчета зависимости коэффициента изменения времени выполнения операции от максимальной разности потенциалов на части тела человека, находящейся в воде, с удельной проводимостью =0,01 См/м и частоте однородного ЭПТ f = 100 Гц.

В заключение необходимо отметить, что уравнения (2 – 5) позволяют:

- при известных значениях максимальных разностей потенциалов, соответствующих порогу ощущений и режиму поражения при данном ЭПТ, для текущего значения максимальной разности потенциалов определить соответствующее ему значение коэффициента изменения времени выполнения операции;

- при известных значениях максимальной разности потенциалов соответствующей порогу ощущений, текущей максимальной разности потенциалов и соответствующему ей значению коэффициента изменения времени выполнения операции определить значения максимальной разности потенциалов соответствующей режиму поражения.

Рис. 2. Результаты расчета зависимости коэффициента изменения времени выполнения операции от максимальной разности потенциалов на части тела человека находящейся в воде с удельной проводимостью =0,01 См/м и частоте однородного ЭПТ f = 100Гц