Меню сайта
Поиск по сайту
Номера журнала
Рубрики журнала
Фотоальбомы
Разное
Пользователи
Онлайн всего: 2
Гостей: 1
Пользователей: 1
LiRiK3t

Яндекс.Метрика

Индекс цитирования.
Главная » Статьи » Номера журнала » №56 (03.2003)

Спасительный HANS

Спасительный HANS

 

Едва покончив с обедом, профессор вновь вернулся к решению проблемы, хотя казалось, что решения у нее нет вовсе. Он гипнотизировал взглядом первоначальный, оказавшийся неудачным вариант своего изобретения и с досады уже готов был рвать волосы на голове и биться этой головой об стену. Хотя как раз ради сохранения головы и шеи в целости он и затеял эту работу. В сердцах ученый муж рванул столь досаждавшие ему задние «фалды» - самое слабое звено своей конструкции и тут же радостно завопил: «Эврика!!!» Его вдруг осенило: надо вообще отказаться от этих деталей сзади, заменив их на жесткую стойку-воротник, представляющую собой единое целое с грудными опорами. Профессор был так возбужден этой идеей, что тут же с помощью своей 12-летней дочери прямо за обеденным столом соорудил из картона и липкой ленты макет усовершенствованного устройства - устройства, известного ныне как HANS.

HANS - это аббревиатура, которая служит для обозначения устройства под названием Head and Neck Support (буквально: «поддержка шеи и головы»). Американец Джим Даунинг - создатель и пилот серии спортпрототипов Mazda с роторным двигателем, выступавший в гонках IMSA и в «Ле-Мане» - еще в начале 80-х обратил внимание на взаимозависимость между тяжелыми травмами головы и шеи при резких ударах большой силы и тем фактом, что, в то время как тело гонщика надежно зафиксировано ремнями безопасности, его голова, хоть и «огороженная» шлемом, находится в «свободном полете». Он-то и обратился с просьбой помочь найти решение этой серьезнейшей проблемы к своему деверю (то есть брату жены), доктору Роберту Хаббарду - профессору биомеханики инженерного колледжа Мичиганского университета. Тот после раздумий и консультаций с коллегами нарисовал нечто похожее на спасательный жилет, который, прикрепленный к шлему, застегивался бы вокруг шеи и плеч гонщика спереди и сзади. Однако изготовленный прототип на деле оказался отнюдь не так хорош, как на эскизе. Одной из проблем  было то, что при сильном ударе спинные «фалды» этого жилета могли оторваться, да и мешали они гонщику. Тогда то и случилась описанная выше история.

В 1987 году Хаббард запатентовал свое изобретение сначала в США, а затем и за их пределами, изготовил из углепластика и кевлара прототип, а испытывать его в условиях реальных гонок взялся Даунинг. Все было прекрасно, кроме одного: Даунинг был - вот ведь досада! - не из тех гонщиков, которые часто разбиваются. Но после удачных крэш-тестов, проведенных в университете Уэйна при поддержке компании General Motors, стало ясно: изобретение ждет большое будущее.

Одним из первых сторонних пользователей еще даже не запущенной в серию новинки стал легендарный актер и гонщик (ныне совладелец одной из топ-команд CART, Newman-Haas Racing) Пол Ньюмэн. «Кажется, в 1989 году Пол попросил одолжить ему такое устройство, чтобы участвовать в гонках GTP, поскольку из-за травмы шеи и защемления нерва он не мог как следует удерживать голову при перегрузках и из-за этого не мог должным образом управлять машиной, - вспоминает Хаббард. - Я дал ему один из первых экземпляров. Оригинальный HANS имеет такую систему скользящих ремешков-связок, которые помогают удерживать голову в поворотах, и он, подтянув их, сказал, что получилось здорово».

Следующим логическим шагом было бы предложить новый продукт крупным производителям гоночной амуниции. Но, к сожалению, производители шлемов Bell и Simpson не проявили интереса к необычному устройству, и для продвижения своего детища на рынок профессору и гонщику пришлось учредить собственную фирму Hubbard Downing Inc., которая в 1991 году и начала производство и торговлю устройством HANS. Хаббард при этом предпочитал не приписывать этому устройству неких волшебных защитных свойств, а предпочитал говорить, что HANS не «защищает» гонщика, а «помогает» ему.

То в лоб, то по шее

В определенном смысле HANS стал логичным завершением процесса по обеспечению максимально возможной безопасности гонщика с ног до головы. Ведь долгое время было так: с одной стороны интенсивно развивались средства безопасности, защищающие голову гонщика - различного типа защитные шлемы; с другой стороны - появлялись и столь же интенсивно развивались новые устройства как в конструкции монокока, так и в амуниции гонщика, призванные защитить его тело - в частности, ремни безопасности. Так, в 60-х организаторами гонок Формулы-1 было введено правило об использовании «сбруи» с креплением в пяти точках, аналогичной той, которую применяют летчики. А затем, примерно в то же время, как появились интегральные шлемы на композитной основе, крепление ремней безопасности стало уже шеститочечным - дабы предотвратить «сползание» пилота при фронтальном ударе. (Именно так погиб Йохен Риндт в квалификации перед Гран При Италии в Монце. Его Lotus 72 вонзился носовой частью под перекладину металлического ограждения Armco, и гонщик по инерции влетел под приборную доску, угодив словно в мясорубку.) Проблема же была в том, что средства защиты головы и тела гонщика развивались, в общем-то, без всякой взаимосвязи, хотя связь между головой и телом желательна постоянно, а особенно в случае аварии.

И в середине 90-х после серии аварий с ударами «со спипы», которые влекли травмы шеи, был сделан первый косвенный шаг в этом направлении: машины стали оснащаться ударопоглощающими прокладками позади головы гонщика. Затем, в начале сезона-96 группа экспертов во главе с профессором Сидом Уоткинсом, впечатленным аварией Мики Хаккинена, и в тесном контакте с конструкторами машин Формулы-1 разрабатывает окончательный вариант демпфирующей вставки из пенистого материала фирмы Confor толщиной 50-75 мм по верхней кромке кокпита. Аналогичным средством защиты оснащаются также автомобили CART и затем вообще все одноместные машины. «Открытый» дизайн кокпита, из которого «торчала» не одна лишь макушка шлема, как ныне, а целиком голова и даже плечи гонщика, уходит в прошлое. Но установка подобного «амортизатора» впереди, перед лицом пилота для смягчения последствий лобовых и скошенных ударов невозможна: он просто закроет обзор, да и руль.

Арифметика, потребовавшая появления специального устройства, подобного HANS, проста. Голова человека весит примерно 5 кг, плюс шлем в диапазоне 1,2-1,4 кг, что в сумме составляет в среднем 6,3 кг. При лобовом ударе автомобиля о какое-либо препятствие голова гонщика продолжает движение вперед и, если в свою очередь обо что-нибудь ударяется, испытывает сильнейшее отрицательное ускорение. Предельное значение отрицательного ускорения, которое может выдержать голова, составляет 80g. Большая перегрузка может повлечь за собой травмы, несовместимые с жизнью. На практике факторы, влияющие на вероятность получения такой травмы, гораздо более сложны, чем просто значение g. Многое, в частности, зависит от временного фактора, от того, насколько длительно воздействие на голову линейного и вращательного ускорения. Росс Браун, в то время технический директор чемпионской «конюшни» Benetton, пояснил сложности, с которыми столкнулись инженеры при решении этой проблемы, очень наглядно: «Требуется погасить сильное инерционное движение головы, но трудно определить пороговое значение отрицательного ускорения для среднего человека, обеспечивающее сохранность его черепной коробки. Если остановить голову слишком быстро и резко, то у гонщика мозги попросту брызнут из глаз и ушей, а мы этого не хотим. Поэтому мы работаем над тем, чтобы гасить движение головы в прогрессивном режиме. В то же время, если слишком замешкаться с этим, появляется риск повредить шею. Необходимо найти компромисс между степенью замедления, жесткостью и продолжительностью удара. Например, если ударное воздействие относительно слабое, но продолжительное по времени, последствия тоже могут быть очень серьезными. Равно как и более сильное воздействие за короткий промежуток времени».

Проблема шеи, упомянутая Брауном, вскоре стала ключевой. Действительно, в то время как торс пилота зафиксирован по отношению к кокпиту плечевыми ремнями безопасности, единственное, что держит его голову - это его же собственная шея. Таким образом, если лобовое столкновение с ускорением в 80g чревато при последующем ударе головы пусть даже небольшой вероятностью ее травмы, то мышцы шеи должны генерировать усилие в 4,94 кН (то есть почти полтонны!), чтобы противостоять отрицательному ускорению такой величины. Между тем установлено, что предельное значение комбинированной силы растяжения и сжатия, которое может выдержать человеческая шея, составляет всего 3,3 кН - это та сила, которая создается при каком-либо воздействии всего лишь в 50g. Стало быть, для восполнения дефицита размером в 30g требуется альтернативный механизм, искусственный «дублер» шеи.

Что происходит при лобовом столкновении на большой скорости? Голова в шлеме ударяется о рулевое колесо, при этом рулевая колонка деформируется таким образом, чтобы при скорости 7 м/с голова не испытывала перегрузку более 80g. Проблема возникает в том случае, если голова попадает не прямиком в рулевое колесо, а ударяется о край кокпита (ныне защищенный накладкой). Сама-то голова, вероятно, останется цела, но вот шея...

Ситуацию хорошо можно выразить поговоркой - куда ни кинь, всюду клин: убери что-то, обо что может «затормозить» голова, и это может повлечь травму шеи. Расположи что-нибудь на пути устремившейся вперед головы прежде, чем травмируется шея, и можно попрощаться с самой головой - под действием столь сильного отрицательного ускорения она лопнет как кокос.

Подушка или подпорка?

В дорожных машинах эта проблема давно решается при помощи подушек безопасности, и FIA изначально пошла именно этим путем.

Трехмерное компьютерное моделирование и лабораторные испытания на действие ударных нагрузок, проведенные независимым британским исследовательским агентством MIRA, показали, что подушка может защитить голову и шею при условии своевременного разворачивания и может выполнить задачу, опираясь на рулевое колесо столь небольшого диаметра, как в Ф-1. А вот упрятать подушку в такой руль, напичканный к тому же кнопками управления, очень проблематично, как и обеспечить сверхбыстрое оперативное срабатывание пускового механизма. У дорожных машин это время составляет 30-40 миллисекунд, а для одноместной гоночной машины срабатывание должно быть раза в два быстрее. FIA обратилась за решением проблемы к Mercedes-Benz. Эта компания первой оборудовала свои дорожные машины подушками безопасности и также имела опыт оборудования ими спортивных машин класса Touring.

Хайнц Кнолл, трудившийся в Mercedes-Benz с самого начала работ, связанных с подушками безопасности, предложил новый тип подушки - валик, протянутый по переднему краю кокпита и выстреливающийся поверх руля, активируемый датчиком от натяжителя ремнябезопасности. Срабатывая, эта «колбаса» прикрывает руль и полностью надувается в момент удара головы, а затем калиброванные отверстия в ней позволяют сдуться за то время, которое требуется для поглощения энергии удара. Система была испытана на устройстве для проведения крэш-тестов и подготовленном по регламентуФ-1 монококе Ф-3000 с «участием» манекена Hybrid III, модифицированного для лежачей позиции. Механизм обеспечил ускорение для имитации лобового удара силой 44g c мгновенным перепадом скорости примерно на 55 км/час. Без подушки (но с шеститочечными ремнями и полнозащитным шлемом) значение «порога травмирования» головы было превышено более чем на 50%, шеи - на 40%. С подушкой эти значения не были превышены. Казалось бы, все прекрасно, решение найдено. Но, как всегда, возник ряд «но».

Сами по себе подушки хороши и эффективны, но одно дело - установка их в дорожном автомобиле, и совсем другое - в гоночном, в условиях ограниченного пространства. Датчики и пусковые механизмы требуют слишком много места, очень сложны по своему устройству, и к тому же возрастает риск нештатного срабатывания, что на максимальной скорости не менее опасно для пилота, чем авария. Кроме того, подушка - это одноразовое устройство, срабатывающее при первичном ударе, но в гонках за ним часто следует другой. Например, сначала об машину, потом о барьер, или наоборот.

Профессор Уоткинс был сторонником внедрения в Формулу-1 подушек безопасности, но отмечал: «Мы хотим, чтобы они срабатывали как можно быстрее, не мешали эвакуации гонщика из кокпита, чтобы были достаточно маленькими и, опять же, не слишком помешали в случае случайного срабатывания». Шеф McLaren Рон Деннис был более скептичен: «Скорости, на которых происходят подобные аварии, куда более высоки, нежели любые, испытанные на дорожных автомобилях, и наши инженеры считают, что просто нет системы, способной наполнить подушки воздухом достаточно быстро для таких скоростей».

Между тем после аварии Мики Хаккинена в Аделаиде FIA была буквально завалена самыми разными идеями относительно того, как предотвратить подобные травмы. Как и всегда бывает, идеи эти по большей части были весьма далеки от совершенства, а то и здравого смысла, но специалисты FIA обратили внимание на одно устройство, которое уже с успехом использовалось в США, - на устройство Хаббарда и Даунинга. И когда в октябре 1996 года FIA, Mercedes-Benz и McLaren International приступили к совместным исследованиям в области защиты пилота от фронтальных ударов, эти исследования касались не только подушек безопасности, но и устройства HANS.

HANS гасит рывок головы вперед и при этом работает на предотвращение травмы шеи иначе, нежели подушка безопасности. Устройство представляет собой своего рода «ярмо на шее». Оно состоит из углепластикового коромысла, которое надевается вокруг шеи гонщика и опирается на его плечи, проходя под ремнями безопасности. Позади шеи оно образует ворот, от которого отходят два прочных ремешка, которые пристегиваются по бокам его шлема. Когда пилот сидит в машине, HANS прижат на месте ремнями, а ремешки достаточно свободны, чтобы гонщик мог совершать необходимые движения головой.

При фронтальном ударе туловище гонщика и его голова устремляются вперед вместе, пока позволяют плечевые ремни. Форма HANS обеспечивает плотное прижимание его натянутыми ремнями и смыкание с плечами и верхней частью туловища гонщика. Избыточное продвижение шлема вперед предотвращают ремешки, пропущенные через ворот устройства, теперь уже «вцепившегося» в туловище. Демпфирующая прокладка внутри шлема надежно фиксирует в нем голову и передает нагрузку отрицательного ускорения непосредственно его туловищу, а через него на плечевые ремни безопасности, почти полностью обходя шею, словно по специально проложенной тропинке. Таким образом, в то время как в подушку гонщик попадает подбородком (более того, поскольку в современных машинах Ф-1 посадка гонщика почти горизонтальная, подушка не может защитить одновременно и голову, и грудную клетку пилота, как в дорожных машинах), в случае с HANS голова самой прочной и большой своей частью (лоб и макушка) равномерно упирается в верхний свод шлема, и энергия ее движения гасится. А поскольку сочленение головы с телом усилено, шея гонщика не растягивается и не прилагает никаких сверхусилий, чтобы удержать голову, как это имеет место без HANS (да и подушка этого гарантировать не может). Движение головы и тела ограничено расстоянием, на котором вряд ли произойдет удар головой об руль или иную часть края кокпита, разве что в наиболее тяжелой аварии.

Силами специалистов из FIA, Mercedes-Benz и McLaren International в сотрудничестве с авторами изобретения устройство HANS адаптировали к полулежачей позиции гонщика в «формуле», и его характеристики путем испытаний в столкновениях под самыми разными углами были доведены до того же уровня, какой демонстрировала подушка, и при этом не было выявлено каких-либо негативных побочных явлений. Кроме того, для применения в Формуле-1 его модернизировали по размеру, конфигурации и таким образом, чтобы главной его задачей было предотвращение резкого рывка головы вперед при лобовом ударе, в то время как кокпит Ф-1 уже ограничивает рывки вбок и назад.

Джим Даунинг, уже тогда знавший, как действует устройство HANS, прокомментировал это очень образно: «Как только вашей голове, которая со шлемом весит 6-7 кг, сообщается неожиданное ускорение, она делает резкое движение вперед и тянет за собой шею. Если растяжение слишком велико, вы получаете перелом шеи или черепа у его основания. Любая из этих гравм может быть смертельна. Если же на гонщике устройство HANS, то шея совершает движение вперед, но затем плавно возвращается на свое место без особых повреждений. На той же скорости манекен, пристегнутый всеми ремнями безопасности, но без HANS, ударяется в рулевую колонку лицом с огромной силой. Зрелище, скажу я вам, отталкивающее».

Но устройство HANS полезно не только в аварийных, но и в штатных ситуациях. Например, при прохождении связок поворотов, подобных той, что следует за первым поворотом трассы «Сузука». Комбинацию «влево-вираво-влево» гонщики Ф-1 проходят на скорости 220 км/час, испытывая перегрузки в 3,5g - то есть в 3,5 раза больше собственного веса. Голова и шея при этом испытывают большее напряжение, именно поэтому гонщики в своей физподготовке уделяют особое внимание тренировке шейной группы мышц. HANS практически снимает и эту проблему.

Неудивительно, что в конце концов в 1998 году компания Mercedes-Benz объявила о прекращении работы над «подушечной» программой - хоть и обошедшейся в миллионы долларов, хоть и очень многообещающей, но все же уступающей устройству HANS: оно проще, оно работает и оно производится.

В свою очередь, опираясь на результаты проведенных исследований, президент FIA Макс Мосли заявил: «Эффективность этих двух систем безопасности оказалось равной, но устройство HANS по совокупности качеств все же предпочтительнее. Однако оно непривычно и создает определенное неудобство, поэтому,  как считают сами гонщики, для того, чтобы ими пользовались, надо сделать их применение обязательным».

Ярмо на шее: «за» и «против»

Первыми, кто испытал в «боевых» условиях уже серийные образцы HANS, стали выступавшие в чемпионате CART гонщики команды Newman-Haas Racing (не иначе как по рекомендации все того же Пола Ньюмэна) Майкл Андретти и Кристиан Фиттипальди, а в Формуле-1 первые испытания нового устройства провел Дэвид Култхард за рулем McLaren МР4/14 в ходе предсезонных тестов 2000 года. Он же сразу отметил и основные его недостатки: требовалось кое-что изменить как в конструкции самого HANS, так и в кокпите и сиденье в зоне плеч гонщика.

Многие из тех, кто вслед за Култхардом пробовал ездить с HANS, согласились, что устройство и впрямь способно сохранить голову в целости, но с теми же оговорками: «Оно довольно неудобно, и его обязательное применение без предварительного усовершенствования может изрядно усложнить управление машиной, поскольку его ворот определенно ограничивает движения головы».

Особенно рьяным противником нововведения оказался, как ни странно, бывший «картовец» - Жак Вильнев: «Я неодобрительно отношусь к этому устройству. В нем много плюсов, но оно еще не протестировано полностью, должным образом. Достаточно неправильно его надеть, оно может оказаться весьма болезненным и даже стать причиной травм и к тому же чрезвычайно осложняет управление машиной. В высокоскоростных поворотах мы подвергаемся перегрузкам в 4,5g, но из-за HANS плечевые ремни безопасности оказываются в полутора сантиметрах от тела, и из-за этого ты не можешь как следует удержаться в сиденье и не можешь как следует крутить руль. Просто не хватает пространства. Одно дело - овалы, и совсем другое - «дорожные» трассы. Это устройство очень неудобно. Оно не должно стать обязательным. Я весьма и весьма против этого. Если оно плохо отформовано и подогнано, то может касаться задней стороны шеи и при ударе задней частью машины может сломать тебе шею. Так что я не думаю, что оно идеально, и не представляю, как я смогу гоняться с ним. У меня короткая шея, и шлем уже и без того фактически упирается мне в тело, и я боюсь, что при боковом ударе с HANS мне просто снесет челюсть. В общем, сомнений слишком много».

Но так настроены отнюдь не все. Например, Ральф Шумахер придерживается иной позиции: «В целом, я думаю, что все системы и средства, которые повышают безопасность гонщика, это хорошая идея. HANS - одно из них, и я надеюсь, что те гонщики, которые испытывают с ним те или иные проблемы, преодолеют их относительно быстро».

Так или иначе, но в апреле 2000 года на Гран При Сан-Марино были обнародованы последние отчеты о проведенных исследованиях, и с одобрения комитета по безопасности FIA устройство HANS было рекомендовано к применению. Однако Макс Мосли отметил, что хотя и есть намерение ввести обязательное применение HANS с 2001 года, возможно, оно будет отложено именно по той причине, что некоторые гонщики слишком активно этому противостояли, ссылаясь на неудобство и даже потенциальную опасность устройства. Так оно и случилось: устройство должным образом еще раз модифицировали, но новый прототип был готов слишком поздно, чтобы ввести обязательное применение HANS уже с сезона-2001.

Так что испытания устройства в Формуле-1 были продолжены (в частности, несколькими командами в ходе тренировок перед ГП Италии-02), в то время как в чемпионатах CART,  IRL, DTM и ряде других оно уже получило самую высокую оценку гонщиков и «постоянную прописку». Но в решении Всемирного совета по автоспорту FIA от 26 июня 2002 года (то есть в том же, в котором был объявлен «приговор» пилотам и команде Ferrari за неспортивное поведение на ГП Австрии) было, наконец, определено: «С учетом дальнейшего обсуждения с компанией DaimlerChrysler AG вопросов распространения HANS, Всемирный совет по автоспорту решил, что применение названного устройства становится обязательным с 1 января 2003 года».

Остается добавить, что стоимость устройства HANS составляет около 2 тыс. долларов, и в зависимости от модели оно может быть использовано в любом классе гонок. Однако, поскольку оно должно крепиться к шлему, то, как и шлем, изготавливается индивидуально для каждого гонщика. А уже с учетом HANS, учитывая разницу в размерах пилотов, надо подгонять и посадочные размеры кокпита. В общем, понятно, что с введением обязательного применения HANS трудностей и у инженеров, и у гонщиков прибавилось. И, конечно, гонщики к новому устройству будут долго привыкать - но ведь и шлемы, и ремни безопасности не сразу были всеми приняты. Просто пилоты хотят быть уверены, что HANS не только спасет их от страшных увечий, а то и смерти, но в то же время не станет причиной ослабления контроля над машиной или снижения скорости. Что ж, грядущий сезон все покажет.

Борис Мурадов

Категория: №56 (03.2003) | Добавил: LiRiK3t (27.02.2014)
Просмотров: 547 | Теги: №56(03.2003), тема
^Наверх
вход выход Created by LiRiK3t