Профессия пилота и космонавта требует не только увлеченности, но и значительных усилий. Во время управления самолетом и во время космических полетов организм человека подвергается воздействию необычных факторов, что способно негативно сказаться на результатах выполнения поставленных задач. В первую очередь, нарушается нормальная работа вестибулярного аппарата, отвечающего за ориентацию в пространстве. Специалисты помогают авиаторам и исследователям космоса справляться с этими проблемами. Необходимо не только восстанавливать стабильную работу вестибулярного аппарата в экстремальных ситуациях, но и совершенствовать технологии наземных тренажеров, чтобы они максимально точно имитировали реальные условия. Данными вопросами занимается лаборатория математического обеспечения имитационных динамических систем (МОИДС) механико-математического факультета МГУ. Как возникают нарушения установки взгляда у пилотов и космонавтов, и как гальваническая стимуляция – воздействие слабыми электрическими импульсами на вестибулярный аппарат – помогает в их решении? Что представляют собой вестибулярные протезы? Способны ли современные авиасимуляторы полностью заменить реальные тренировки на летательных аппаратах? Объясняет научный сотрудник лаборатории МОИДС МГУ Павел Юрьевич Сухочев.
Павел Юрьевич Сухочев — является научным сотрудником лаборатории МОИДС механико-математического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, специалистом в области тренажеров для имитации полета и активным участником международного фестиваля «НАУКА 0+». Научным руководителем является П.Ю. Сухочева, заведующий кафедрой прикладной механики и управления МГУ, заслуженный профессор МГУ, доктор физико-математических наук Владимир Васильевич Александров.
— Среди технологий, созданных в Московском университете, есть система гальванической коррекции нейронного управления направлением взгляда. Она разработана для повышения безопасности и результативности труда космонавтов. В связи с чем возникает задержка при установке взгляда в условиях невесомости и каким образом новая технология помогает преодолеть эту проблему?
— Как и у других млекопитающих, ориентирование в пространстве у человека обеспечивается вестибулярным аппаратом — органом, отвечающим за восприятие положения тела и поддержание вертикального положения во время движения. Этот орган является частью внутреннего уха. Вестибулярный аппарат включает в себя две функциональные группы чувствительных элементов: полукружные каналы, расположенные симметрично по обе стороны от сагиттальной плоскости головы (по три с каждой стороны). Они ориентированы перпендикулярно друг к другу (расположены под прямым углом друг к другу. — Примеч. корр.) и восприимчивы к изменению угловой скорости, то есть к вращательному движению. Другая часть вестибулярного аппарата — отолитовый орган, чувствительный к изменениям угла ориентации гравито-инерциального вектора (то есть к линейным ускорениям).
Вестибулярный аппарат, наряду с другими рецепторами, включая зрительный канал восприятия, является частью комплексной системы, которая предоставляет человеку сведения о его местоположении в пространстве. В обычных условиях, когда человек находится, скажем, на земле и идет по дороге, эта система функционирует безупречно.
С началом эры продолжительных морских путешествий стало известно, что во время передвижения по воде и раскачивания корабля на волнах вестибулярный аппарат вызывает неприятные ощущения. Находясь в каюте, человек получает зрительные ориентиры относительно неподвижного пространства, но его вестибулярный аппарат фиксирует движение – наклон и вертикальные ускорения. Поскольку значительную часть информации человек получает визуальным путем, возникает сенсорная дисгармония. При этом ощущения человека схожи с симптомами отравления. Согласно одной из гипотез, животные, у которых после употребления опасных продуктов, например, ядовитых ягод, вызывающих сбой в нервной системе, не срабатывал механизм избавления от пищи, не выжили. В результате естественного отбора продолжение рода получили организмы, которые при вестибулосенсорном рассогласовании испытывают тошноту.
Изначально, когда это состояние было впервые зафиксировано во время продолжительных морских экспедиций, оно называлось «морской болезнью». В настоящее время для обозначения этого же явления используется более широкое понятие – «болезнь движения», поскольку подобный эффект наблюдается не только при передвижении по водной поверхности, но и в других видах транспорта, например, в самолетах.
В процессе эволюционного развития у млекопитающих возникла трехнейронная цепь, которая обеспечивает непосредственную связь между полукружными каналами вестибулярного аппарата и мышцами, отвечающими за движения глаз, минуя мозг. Данную взаимосвязь впервые выявил в 1892 году немецкий ученый Эрнст Юлиус Рихард Эвальд. В ходе исследований на голубях он установил, что при повороте головы птицы ее глазные яблоки смещаются на угол, равный, но противоположный. Кроме того, Эвальд обнаружил, что изменение давления на входы полукружных каналов также приводит к отклонению направления взгляда. Позднее, в ходе других экспериментов на кошках, Янош Сентаготаи подтвердил, что сокращения глазодвигательных мышц зависят от углового ускорения, воспринимаемого отдельными полукружными каналами. В связи с этим, в современной практике мы используем окулографию для мониторинга реакций вестибулярного аппарата (отслеживания движений глаз — прим. корр.) .
При управлении самолетом, во время маневров, пилот подвергается воздействию перегрузок и вращений в трех плоскостях, что создает значительную нагрузку на вестибулярный аппарат, особенно если одновременно происходит поворот головы. В спокойном режиме полета вестибулярный аппарат обеспечивает стабилизацию взгляда в кабине. Однако, во время маневрирования, зрение пилота смещается по отношению к приборной панели, что негативно влияет на ориентацию в пространстве и может вызвать тошноту.
Современные методы гальванической стимуляции вестибулярного аппарата способны повысить точность настройки взгляда. Они имитируют гравитацию, что обеспечивает получение информации от вестибулярного аппарата, либо подавляют (устраняют) его неверные сигналы.
— На какой стадии испытаний она находится в настоящий момент система гальванической коррекции нейронного управления установкой взора?
— В 2018 году наша лаборатория совместно с Заслуженным автономным университетом Пуэблы ( BUAP, Эксперимент, проведенный в Мексике, был направлен на изучение влияния гальванического стимулятора на вестибулярный аппарат при имитации полета на самолете. Руководителями исследования выступили мой научный руководитель, профессор Владимир Васильевич Александров, и доктор Энрике Сото Эгибар.
Для проведения симуляции была применена динамическая платформа, способная наклоняться под углом 18,4°. Она воспроизводила, основываясь на предварительно зафиксированных данных о полетах, переход летательного аппарата от горизонтального движения к скоординированному виражу и последующую стабилизацию. В ходе этого процесса фиксировались движения глазных яблок испытуемых, и было установлено, что в среднем при нескольких поворотах без электрической стимуляции зрение людей в среднем отклонялось приблизительно на 10°. Однако, если на вестибулярный аппарат в начале виража подавался восьмисекундный электрический импульс силой 2 мА, то отклонение глазного яблока у испытуемых составляло в среднем около 1°, а максимальное значение достигало 3°. Это указывает на потенциальную возможность коррекции реакции установки взгляда посредством электрического воздействия.
В ходе данного эксперимента использовались как стимулятор, разработанный в университете Пуэблы, так и российские устройства — «ОПОРА», созданный Научно-исследовательским отделом биотехнических проблем Государственного университета аэрокосмического приборостроения (Санкт-Петербург), и NVX-36T, разработанное компанией «Медицинские компьютерные системы» (Зеленоград). Результаты исследований легли в основу кандидатских диссертаций Хорхе Луиса Гордильо Домингеса и Катерины Владимировны Тихоновой.
Анализ полученных данных показал, что гальваническая стимуляция не оказывает негативного влияния на состояние организма. Наиболее сложным моментом полета оказалось чередование перегрузок в две единицы с кратковременной потерей веса. Ощущения от невесомости были достаточно легкими. Однако во время перегрузок, особенно при выполнении самолетом маневров, таких как развороты и корректировка траектории, возникала сильная тошнота. В некоторых случаях участники полета испытывали тошноту и рвоту.
Одновременно я обратил внимание на то, что ощущение сухости во рту исчезало, а общее самочувствие улучшалось при подаче гальванического стимула. Ранее, в ходе предварительных тестов, определялся индивидуальный порог чувствительности к импульсам стимулятора, который для меня составил примерно 0,8 мА, однако в условиях полета это значение оказалось неощутимым. Для подтверждения работоспособности устройства я увеличил силу тока до 1,1 мА, и только тогда почувствовал положительное воздействие. После этого, с выбранной интенсивностью, удалось успешно выполнить все предусмотренные режимы.
— Среди разработок ученых МГУ присутствуют и такие инновационные решения, как вестибулярные протезы. В каких ситуациях они применяются и какие технологии в этой сфере были созданы вашей группой?
— Дисфункция вестибулярного аппарата, обусловленная различными заболеваниями, такими как болезнь Меньера, травмами или патологическими состояниями, проявляется не только нарушениями равновесия и повышенным риском падений, но и негативно сказывается на самочувствии, вызывая головокружение и ухудшение четкости зрения. Для облегчения этих симптомов пациентам по всему миру создаются вестибулярные протезы. Хотя достигнуты определенные успехи в создании опытных образцов, для их широкого использования предстоит решить ряд существенных вопросов.
В перспективе эти устройства могут оказать поддержку людям, страдающим как от врожденных дефектов и травм вестибулярного аппарата, так и от заболеваний, таких как болезнь Меньера.
— Ведутся ли в настоящее время исследования технологий, направленных на воздействие на вестибулярный аппарат, вами и вашими коллегами?
— В настоящее время ведется работа над улучшением технологий динамического моделирования полетов, как в атмосфере, так и в космическом пространстве. Еще в 1989 году группа ученых механико-математического факультета МГУ совместно со специалистами Центра подготовки космонавтов им. Ю.А. Гагарина (ЦПК) выполнила значительный объем работы по разработке алгоритмов динамической имитации для комплексного моделирования космического полета на центрифуге ЦФ-18. В эту модель были включены этапы взлета, пребывания в невесомости и возвращения на Землю. За данное исследование коллектив был удостоен государственной премии.
Все тренажеры, расположенные на поверхности планеты, в том числе ЦФ-18 и другие центрифуги, способны длительное время создавать лишь гравито-инерциальный вектор с величиной, превышающей единицу (то есть равной или большей земной силе тяжести). Для преодоления этого ограничения специалисты кафедры прикладной механики и управления МГУ создали алгоритмы динамической имитации, которые позволяют воздействовать на полукружные каналы и отолитовый орган вестибулярного аппарата таким образом, что у добровольцев, участвующих в наземных испытаниях, со временем проявляются симптомы, аналогичные тем, что испытывают космонавты на орбите. Следовательно, предложенный нами метод дает возможность частично воспроизводить физиологические ощущения, связанные с сенсорным конфликтом, возникающим в условиях невесомости. Отличительной особенностью ЦФ-18 является то, что, помимо значительного радиуса (18 м), она оснащена управляемым кардановым подвесом, благодаря чему кабина этой центрифуги может поворачиваться в трех плоскостях при помощи электрических сервоприводов. Это обеспечило возможность установки необходимой ориентации вектора перегрузки.
На сегодняшний день в авиационной отрасли, включая учебные заведения и авиационные тренировочные центры, преобладают тренажеры опорного типа. Данные тренажеры состоят из платформы с кабиной, размещенной на шести подвижных опорах, способных изменять свое положение. Конструкция обеспечивает подвижность с шестью степенями свободы, позволяя имитировать повороты и наклоны вокруг трех осей, а также поступательные движения в трех направлениях, ограниченные габаритами тренажера.
Когда самолет набирает скорость во время разгона по взлетно-посадочной полосе или движется прямолинейно в воздухе, пассажиры ощущают давление на кресло. Как это воспроизводится на тренажёрном стенде? Сначала он совершает короткий рывок вперед, воспроизводя вектор ускорения, а затем наклоняется, что приводит к тому, что сила тяжести прижимает испытуемого к креслу. На экранах человек видит, как самолет летит по прямой. Для отолитового органа эта имитация оказывается убедительной, поскольку вектор гравито-инерциального ускорения меняется корректно. Хотя практически не меняется его величина, чувствительность организма к этому параметру пока изучается. Однако для полукружных каналов такая имитация всё ещё не вполне точна. В рамках наших исследований мы пытаемся определить, насколько это критично для обучения пилотированию (особенно при отработке вывода самолета из сложных пространственных ситуаций), и разрабатываем алгоритмы динамической имитации, которые учитывают эти особенности.
Затем мы повторяли записи реальных полетов в условиях имитационного стенда, вновь регистрируя данные о движениях глаз испытуемых и их восприятии вертикальной оси. После этого мы сопоставляли воздействие симуляции на человека с воздействием реального пилотирования. Полученные данные продемонстрировали наличие различий между настоящим полетом и наземной подготовкой: в частности, при выполнении скоординированного разворота на настоящем самолете испытуемые отмечали изменения в восприятии вертикали, чего не наблюдалось при использовании тренажера.
Сейчас ведется работа над расширением функциональности системы динамической имитации полета, основанной на гальванической вестибулярной стимуляции, и улучшением методов объективной оценки эффективности симуляции с учетом воздействия на вестибулярный аппарат пилота.
— В сфере использования виртуальной реальности для обучения космонавтов и пилотов можно выделить три основные области: применение тренажёров, 3D-визуальная имитация и воздействие на вестибулярный аппарат. Каковы преимущества и недостатки этих подходов?
— Визуальное моделирование представляется наиболее действенным и целесообразным решением. Как отмечалось ранее, зрение – основной канал, посредством которого наш мозг получает информацию. Современные устройства визуализации, такие как жидкокристаллические и органические дисплеи, характеризуются небольшим весом, компактными размерами, высокой детализацией изображения и постепенно снижающейся стоимостью. Благодаря разнообразию конфигураций, их можно интегрировать в различные авиационные тренажеры – от упрощенных, частично воспроизводящих обстановку в кабине, до полноценных, передовых симуляторов, в которых на экранах также отображается вид из-за кабины. В сфере визуальной имитации также возможно создание коллимационных систем (системы, использующие экран обратной проекции, установленный на сферическое зеркало. — Примечание редактора.) , дисплеи с трехмерным изображением, и шлемы виртуальной реальности.
Сочетание инструментов визуализации с устройствами, отслеживающими движения, позволяет разрабатывать системы дополненной (смешанной) реальности, которые объединяют визуальное и тактильное восприятие. В настоящее время мы реализуем подобные разработки в нашей лаборатории. Такой подход, например, обеспечивает более точную генерацию виртуального изображения для каждого глаза наблюдателя на панорамном экране или в шлеме при поворотах головы. Кроме того, с помощью специальных датчиков, расположенных на теле, можно регистрировать движения человека и накладывать их на виртуальные объекты, что даёт возможность взаимодействовать с реальными предметами в цифровой среде.
Вспоминаю свой первый вылет на спортивном самолете с выполнением фигур простого пилотажа и хочу подчеркнуть разницу между настоящим полетом и его наземными имитациями. Прежде всего, я столкнулся с тем, что симуляции не позволяют полностью воспроизвести некоторые аспекты – например, оказалось, что для достижения требуемого угла крена и тангажа требуется более интенсивное движение ручки управления. Кроме того, я оказался не подготовлен к ощутимым перепадам высоты: после выполнения «бочки» мне потребовалось несколько секунд, чтобы сориентироваться, так как было сложно соотнести свое восприятие пространства с тем, что я видел из кабины. Пришлось полагаться на показания приборов. К счастью, инструктор помог мне вывести самолет из сложной фигуры. Со временем выполнение «бочки» давалось мне все легче, поскольку я начал понимать, какие действия необходимо предпринять: какую педаль нажать и в какую сторону отклонить ручку.
Перед тем, как совершить настоящий полет, я тренировал выполнение маневра «бочка» в авиасимуляторах и на авиатренажерах, включая тренажеры с опорной конструкцией и установки, способные вращаться на 360° по всем осям. Я осознавал, что в этих моделях есть существенный недостаток: они воспроизводили лишь положение кабины, не учитывая при этом воздействие перегрузок и других факторов, характерных для полета. Именно поэтому реальный полет произвел на меня сильное психоэмоциональное впечатление. Многие летчики, в частности, при анализе авиационных инцидентов, отмечают, что во время управления самолетом сталкиваются с эффектами, которые не были представлены в тренажерах.
Существуют различные методы для решения подобных задач. В частности, можно рассмотреть возможность разработки масштабной обучающей системы — Vertical Motion Simulator (США) с высотой подъема кабины 18 метров. Он предназначен для подготовки пилотов к ручному управлению при спуске космического корабля многоразового использования Space Shuttle. Первоначально на устройстве провели исследование с участием пилотов гражданских авиалиний. В ходе эксперимента имитировалось попадание воздушного судна в воздушную яму с потерей высоты. Было установлено, что непроинструктированные участники испытывали повышенный стресс, что сопровождалось учащением пульса. Это негативно сказывалось на их способности оценивать обстановку и приводило к ошибкам при выполнении оперативных действий. Опытные пилоты демонстрировали значительно более эффективное выполнение поставленной задачи.
Альтернативным решением является создание тренажера, основанного на реальном крупногабаритном самолете. Подобная реализация уже применялась при разработке платформы Total In-Flight Simulator в виде небольшой кабины с креслом с шестью степенями свободы, которую установили в носовой части Convair NC-131H. Использование данного тренажера предполагало одновременное обучение пилотов с применением моделирования и реального управления. Однако испытания выявили, что подобная методика не обеспечивает безопасное, исключающее риски для экипажа и воздушного судна, воспроизведение всех сложных ситуаций, с которыми пилот может столкнуться в реальных условиях.
Гальваническая имитация движения также способна расширить возможности динамической и визуальной симуляции полета. Так, наши зарубежные коллеги создали технологию гальванической стимуляции для воспроизведения вестибулярных ощущений наклона во время тренировок в авиасимуляторах. Было установлено, что размещение нескольких электродов в заушной области и на лбу, с последующей подачей различных комбинаций электрических импульсов на вестибулярный аппарат, позволяет создать у испытуемого иллюзию изменения положения в пространстве, несмотря на отсутствие реального движения. Схожие ощущения возникают при нахождении в самолете, выполняющем скоординированный разворот. В этом случае результирующий вектор ускорения направлен от головы к тазу, и возникает ощущение, будто человек сидит прямо. Однако попытка повернуть голову в этот момент вызывает ощущение движения, которое не будет ощущаться при сидении на стуле на поверхности Земли.
— Как вам кажется, какой из методов обучения космонавтов с использованием симуляторов наиболее результативен? Или сравнение таких методов нецелесообразно, поскольку они разработаны для решения различных задач?
— Оценить результативность тренировок космонавтов затруднительно, так как космические полеты происходят гораздо реже, чем авиационные. К тому же, условия, с которыми сталкиваются космонавты в космосе, значительно отличаются от тех, что можно смоделировать на Земле. Следовательно, полноценно оценить эффективность подготовки космонавтов можно лишь по итогам реального космического полета.
В текущее время ведется разработка технологий для объективной оценки качества подготовки космонавтов к полетам. Однако, уже сейчас опыт демонстрирует высокую результативность тренировок, проводимых в условиях, имитирующих космический полет (используя центрифуги ЦФ-7 и ЦФ-18), выполнение работ в открытом космосе (в гидролаборатории, на тренажере «Выход» и других подобных устройствах), а также на тренажерах, предназначенных для ручного управления стыковкой, спуска пилотируемого космического корабля и других систем. Так, во время полета на МКС в рамках экспедиции МКС 65/66 российский космонавт Антон Николаевич Шкаплеров 5 октября 2021 года успешно осуществил ручное пристыковывание корабля «Союз МС-19» к станции, что стало подтверждением безупречной отработки этого навыка в процессе наземной подготовки.
Прогнозирование потенциальных проблем, которые могут возникнуть в ходе будущих космических полетов к Луне, Марсу и другим планетам, затруднено из-за ограниченного объема имеющихся экспериментальных данных. Оценке соответствия тренажеров телеуправления и симуляции передвижения на транспортных средствах по лунной и марсианской поверхностям, создаваемых совместно с Центром подготовки космонавтов, будут служить разрабатываемые методики оценки эффективности работы операторов и непосредственно сами предстоящие космические миссии.
— Какие современные технологии в сфере моделирования условий космического полета вы бы отметили?
На мой взгляд, наиболее перспективным подходом является интеграция технологий, воспроизводящих визуальные, вестибулярные и механические аспекты космического полета. Такой комплексный метод позволит добиться максимальной реалистичности подготовки и избежать развития ошибочных навыков. Помимо этого, требуется дальнейшее развитие методов объективной оценки эффективности подобных тренировок. Это обусловлено тем, что субъективная оценка имитируемых ситуаций, с которыми столкнется космонавт в длительных космических миссиях, пока невозможна по шкале Купера — Харпера, поскольку не имеется данных, полученных от пилотов, непосредственно проходивших через подобные условия в реальных полетах.
Изображения на странице взяты из источников: Ольга Мерзлякова / «Научная Россия», javi_indy / фотобанк Freepik, Олег Кононенко / госкорпорация «Роскосмос», freepik / фотобанк Freepik, viarprodesign / фотобанк Freepik, госкорпорация «Роскосмос».