坦克乘员热应激解决的试验研究

郭新梅 袁修干

(北京航空航天大学 航空科学与工程学院，北京 100191)

引言

夏季高温环境下坦克车在野外行驶时，乘员常常要面临极端的高温热环境。由于外界的高温和热辐射以及车体隔热性差、车内热源多、空间狭小、散热性差等诸多内外因素的共同作用，常使坦克舱内温度异常高。例如，63式履带装甲输送车行驶2 h后，车内外的温度有明显差别:在南京地区，车内外温差达8.8～9.5℃;在北京地区，车内外温差为6.5～8.0℃。在南方，该车置于39℃气温下暴晒2 h，车内温度高达 50℃［1］。文献［2］也指出，某坦克开窗行驶和闭窗行驶2 h后，车内外温差分别为5.8℃和11.8℃。此外，高温环境下人体大量出汗散热，导致车内湿度很高，尤其是在湿热的外环境下，如某装甲车在海南地区试验时，车内温度最高达50℃以上，湿度达98%以上［2］。在这种高热应激下，乘员很快就达到耐受极限，甚至可能发生热病，严重影响工效和战斗力。因此，坦克车中的降温问题多年来一直都是国内外研究的热点。

在上世纪六七十年代，国外就开始试图用空调方法来解决坦克车的降温问题，但经过一段时间的研究发现对整车降温很困难，主要原因是:首先，制冷系统能耗高、尺寸大，影响了坦克车的动力和车内有限的空间;其次，坦克车体隔热性较差、车内热源多，使得空调制冷效果不理想［3］;再次，对于解决穿着核生化服乘员的热应激来说空调是无效的［4］。因此，从上世纪80年代国外相继开始用微环境冷却方式来解决坦克乘员的热应激问题，并取得了成功［4～6］。

在我国的坦克车中，基本上未安装空调装置，更没有配备个体冷却系统，远落后于国际水平。针对这种状况，北京航空航天大学(简称北航)人机与环境工程研究所设计了一套气冷式微环境冷却系统，用于给坦克乘员降温。本研究的目的就是通过高温环境舱中的热生理试验，验证该系统对解决坦克乘员热应激的有效性。

1 材料和方法

1.1 系统描述

该系统主要由小型空气制冷装置和气冷服组成，试验原理如图1所示。小型空气制冷装置作为冷源，为乘员提供空调气体，由空气换热器、涡轮及风机三部分构成。来自气源的压力气体进入小型空气制冷装置降温降压后，成为低温常压的冷空气，与旁路气体混合调节成所需温度和压力的气体，供给高温环境舱中穿着气冷服的被试者。

图1 个体气冷系统热生理试验原理图Fig.1 Heat physiological experiment principle of personal air cooling system

气冷服主要对空气起分配作用，将气体均匀分配至人体各处;空气流经皮肤表面时，通过对流和蒸发的方式带走人体代谢热，从而致冷身体。本试验所研制的气冷服为非密闭型、管道式开襟背心，由外层、通风管路、内衬3层组成。外层为涤棉迷彩面料;内衬采用质地柔软、富有弹性的涤纶网眼布，既不影响通风管路中气体的流出，同时也增强了吸湿性和穿着舒适性;中层的通风管路由数根PVC软管构成。软管上在贴近皮肤一侧开有许多通风小孔，气流从通风小孔流出吹向皮肤，与人体换热后经面料/纤维间隙、领口、袖口、下摆等开口处散出，如图2所示。

1.2 被试者及着装

被试人员为6名身体健康的男性青年，自愿参加试验，并被提前告知试验目的和程序。被试者的一般情况为(平均值±标准差):年龄(23±2)岁，身高(170±2)cm，体重(63.4±3.7)kg。他们有在热环境中工作过的经历，但未经过热习服训练。被试人员按坦克兵夏季正规训练时的基本服着装，包括坦克通信头盔、涤棉迷彩外衣(上衣、裤子)、纯棉 T恤和短裤、胶鞋、线手套。受试者均知情同意。

图2 气冷背心Fig.2 Cooling vest

1.3 试验设计及步骤

试验分为对照组(NC)和致冷组(AC)。对照组的被试者仅穿着坦克兵基本服，而致冷组在基本服的T恤和上衣之间再穿着气冷背心。给气冷背心的供气流量为250 L/min，温度为15℃，露点温度为10℃。为了避免个体差异影响试验结果，致冷组和对照组均做6人次 (n=6)。

试验在航空医学研究所的高温舱中进行，环境舱的温度和相对湿度分别为45℃和50%，以模拟坦克在闭窗作业时乘员舱内的高温环境，舱内风速小于1 m/s，辐射温度等于气温。试验时被试者均采取静坐姿势进行90 min的热暴露。被试者提前1 h到达试验场地进行充分休息，饮用充足的水或软饮料，在试验过程中不许再饮水。试验前先称量被试者的裸体体重及服装质量，然后贴温度传感器、心率电极，并将直肠温度传感器插入直肠内约肌10 cm，穿好服装进入高温环境舱开始试验。

试验中所测量的数据包括:环境舱的干球温度、湿球温度和黑球温度，与制冷系统相关的管路中各测点温度、压力和流量，与人体的生理热反应相关的皮肤温度、直肠温度和心率等。首先，连续监测这些指标，并每5 min记录一次。其次，在试验开始和结束时要分别称量裸体及服装质量，用于计算出汗率和汗液蒸发率。另外，在试验中每隔10 min让被试者分别填写温度舒适感、皮肤潮湿感、服装潮湿感3个主观感觉调查表。温度舒适性的主观评价分为7级:1=冷，2=凉，3=稍凉，4=舒适，5=稍热，6=热，7=很热;皮肤潮湿感评分为5级，1～5级分别为:干燥、略有潮感、轻微出汗、出汗量较大、汗流;服装潮湿感也分为5级，分别为:干燥、略有潮感、潮湿、某些部位湿和全身湿。

评定被试者在高温环境中的热应激程度，用综合热应激指数CIHS(combined index of heat stress)表示［8］，有:

1.4 数据分析

数据的分析用SPSS统计分析软件。对于平均体温、核心温度的升高量、心率增量、皮肤温度增量、总的出汗量以及热应激指标等，均用单因素方差分析。对于随时间重复测量的量，如皮肤温度、直肠温度、心率等，用两因素方差分析(组别、时间)。当某因素的不同水平之间有显著差异时，用Tukey法进行多重比较检验［9］。所有的试验数据均以“平均值±标准差”的形式表示。

2 试验结果

试验结果表明，致冷组和对照组的出汗量和汗液蒸率均有显著差异(P<0.05)，如图3所示。致冷组的出汗量显著低于对照组，而其汗液蒸发率显著高于对照组。在致冷组中，92.5%的出汗量均蒸发掉，试验结束时被试者的服装基本是干燥的;而对照组的出汗量较大、汗液蒸发率又低(45.5%)，在试验结束后被试者的服装基本上全湿了。因此，从出汗量和汗液蒸发率来看，气冷背心使人体出汗量减小，同时促进了人体汗液的蒸发，保证了皮肤的干燥舒适，有利于人体热量的散出。

图3 致冷组和对照组的出汗量及蒸发量Fig.3 Sweat production and evaporation for AC and NC

被试者的平均皮肤温度见图4，致冷组的平均皮肤温度从10min起就显著低于对照组(P<0.05)。在90 min的试验过程中，致冷组的平均皮肤温度为34.4℃，基本处于舒适状态，而对照组的平均皮肤温度为36.8℃，到试验结束已达到38℃，被试者感觉极热。

图4 致冷组和对照组的平均皮肤温度和标准差Fig.4 Mean±SD skin temperature for AC and NC*Significantly greater than air cooling(P<0.05)

对照组和致冷组的平均直肠温度也有显著性差异(P<0.05)。从图5可以看出，在试验开始的1 h内两者的直肠温度无显著差异，而从70 min开始对照组的直肠温度显著升高。从试验开始到结束，致冷组的平均直肠温度仅升高了(0.2±0.2)℃，而对照组的升高了(1.0±0.2)℃，这说明穿着气冷背心对改善皮肤温度和直肠温度均有显著效果。

图5 致冷组和对照组的平均直肠温度和标准差Fig.5 Mean±SD rectal temperature for AC and NC

个体气冷对缓解被试者心率的升高和热积的积聚也有显著效果(P<0.05)。图6表明，对照组的心率从30 min起就显著高于致冷组(P<0.05)，两者的平均心率在试验结束时较基础心率分别升高了70%和22%。图7为试验结束时致冷组和对照组的热积，也是对照组显著高于致冷组。

在45℃、50%相对湿度的环境舱停留90 min后，根据热积量、出汗量、心率和体温的增量，计算出致冷组和对照组的综合热应激指数CIHS分别为4.7±0.7和11.8±0.9。致冷组的 CIHS还未达到生理安全限值，为生理安全限的73%，属于中度热应激;而对照组的 CHIS已远超过生理安全限(179%)，属于重度热应激。

被试者在90 min内的主观感觉见图8～图10。致冷组的热舒适感觉和皮肤潮湿感在整个90 min内均显著低于对照组(P<0.05)，服装潮湿感从20 min起致冷组就显著低于对照组，说明气冷背心对于提高热环境中人体的主观热湿舒适性也有显著效果。

图6 致冷组和对照组的平均心率和标准差Fig.6 Mean±SD heat rate for AC and NC

图7 致冷组和对照组试验结束时的热积Fig.7 Mean±SD heat storage for AC and NC at the end of test

图8 致冷组和对照组的热舒适感觉Fig.8 Thermal comfort sensation for AC and NC

3 讨论

图9 致冷组和对照组的皮肤潮湿主观感觉Fig.9 Skin wettedness sensation for AC and NC

图10 致冷组和对照组的服装潮湿主观感觉Fig.10 Clothing wettedness sensation for AC and NC

在温度为45℃、相对湿度为50%的高温舱中，进行的致冷组和对照组的人体热生理试验结果表明:采用气冷式微环境冷却的致冷组在出汗率、汗液蒸发率、平均皮肤温度、热积、核心温度和心率的升高量等方面的生理指标都显著优于对照组;而且致冷组的主观舒适性评分等级也明显优于对照组，被试者在致冷组中感觉稍热、在对照组中非常热，热应激指数前者在生理安全限内、后者远超过生理安全限。试验数据表明，气冷式微环境冷却系统能够显著改善坦克乘员的散热能力，缓解严峻热环境的影响，减轻乘员的热应激程度，从而增强了坦克乘员在高温环境下的耐受能力。同时，也证明了北航研制的气冷式微环境冷却系统的有效性。

用气冷式微环境冷却系统来解决坦克乘员的热应激问题，在高温环境舱内取得初步试验成功后，下一步研究的重点是在坦克车上进行实际的装车试验，以进一步验证其有效性和可行性。由于实际跑车中外界环境因素非常复杂，可以先进行静态下装车有效性和可行性的验证，取得成功后再进行实际跑车实验。在装车实验中，重点要解决两方面的问题，其一是小型制冷系统的气源问题，其二是乘员生理指标的测量问题。

4 结论

本课题针对我国多年来一直未得到圆满解决的坦克舱高温进行了研究，在总结国内外研究经验的基础上，提出采取气冷式微环境冷却的方案，以解决坦克乘员的热应激问题。分别研制了小型空气制冷系统和气冷服，并在温度为45℃、相对湿度为50%的高温环境舱中进行了致冷组和对照组的人体热生理试验，以验证整套系统的有效性。试验结果表明，采用气冷式微环境冷却系统能够显著减轻坦克乘员的热应激，说明微环境冷却方案是解决坦克舱高温问题的有效途径。在此基础之上，下一步研究的重点是将此系统安装在坦克车上进行实际跑车试验，以发现在工程应用中可能存在的潜在问题。

(致谢:忠心感谢航空医学研究所四室的肖华军研究员、任兆生研究员、臧斌高工等对该试验的大力协助和支持。)

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［2］龙升照.人-机-环境系统工程研究进展(第一卷)［M］.北京:北京科学技术出版社，1993，387－389.

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［4］Toner MM，Drolet LL，Levell CA，et al.Comparison of air showerand vestauxiliary cooling during simulated tank operations in the heat［R］.No.T2/83.USARIEM，Natick，MA 01760，1983.

［5］Cadarette BS，Latzka WA，Levine L，et al.A physiological evaluation of a prototype air-vest microclimate cooling system［R］.No.T14/91.USARIEM，Natick，MA 01760，1991.

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［7］欧阳骅，服装卫生学［M］.北京:人民军医出版社，1985:253－257.

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