МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТЕПЛО- И МАССОПЕРЕНОСА В ИНДИВИДУАЛЬНОМ ДЫХАТЕЛЬНОМ АППАРАТЕ И ЕЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ИДЕНТИФИКАЦИЯ

Abstract

В статье обоснована актуальность разработки индикатора остаточного ресурса для индивидуального дыхательного аппарата, на примере ИПК-1М, используемого для защиты экипажей космических аппаратов. Показано, что время защитного действия дыхательного аппарата не является фиксированным, а критически зависит от интенсивности дыхания пользователя, что создаёт неопределённость в аварийной ситуации. Проведён обзор существующих систем индикации окончания срока службы (пассивных и активных), на основе которого тепловые методы признаны наиболее перспективными для аппаратов с выраженным экзотермическим эффектом хемосорбции. Представлены результаты исследования температурных полей, тепловых потоков на поверхности патрона дыхательного аппарата и концентрации диоксида углерода в дыхательном мешке. Анализ результатов подтвердил, что температура на поверхности регенеративного патрона является информативным параметром, коррелирующим с исчерпанием защитных свойств. В качестве перспективного направления предложено создание системы мониторинга остаточного ресурса на основе измерения тепловых откликов и применения нейросетевого алгоритма, реализованного в ПЛИС. Для обучения нейронной сети рекомендуется использовать расчётные данные, генерируемые предложенной математической моделью в биотехнической системе «человек-индивидуальный дыхательный аппарат». Проведена параметрическая и структурная идентификация математической модели. This article substantiates the relevance of developing a residual life indicator for individual breathing apparatus, using the IPK-1M, used to protect spacecraft crews, as an example. It is shown that the protective duration of the breathing apparatus is not fixed but critically depends on the user's breathing rate, which creates uncertainty in an emergency. A review of existing end-of-life indication systems (passive and active) is conducted, revealing that thermal methods are the most promising for devices with a pronounced exothermic chemisorption effect. The results of a study of temperature fields, heat fluxes on the surface of the breathing apparatus cartridge, and carbon dioxide concentration in the breathing bag are presented. Analysis of the results confirmed that the surface temperature of the regenerative cartridge is an informative parameter correlating with the exhaustion of its protective properties. A promising approach is the development of a residual life monitoring system based on thermal response measurements and the use of a neural network algorithm implemented in an FPGA. To train the neural network, it is recommended to use the calculated data generated by the proposed mathematical model in the biotechnical system "human-self-contained breathing apparatus." Parametric and structural identification of the mathematical model was performed.