Воскресенье, 18.11.2018, 21:34
Приветствую Вас Гость | RSS
Главное меню

Категории раздела
Авиакомпании [1]
Аэропорты [14]
Полёты [8]
Самолеты [3]
Техника [5]
Фотосъемка [2]

Текущий опрос
Your favorite manufacturer?
Всего ответов: 30

Статистика

Онлайн всего: 1
Гостей: 1
Пользователей: 0

Главная » Статьи » Авиация » Техника

Как мы дышим в самолёте или свежее дыхание

На этот раз я решил поговорить на тему о том как и чем мы дышим в самолёте до и во время полёта.

Известно, чем, воздухом, скажет немного разочарованный читатель и будет абсолютно прав. Однако давайте погрузимся в тему чуть-чуть глубже и обнаружим немало для себя интересного.

Начну я с самых общих сведений о том, что представляет из себя земная атмосфера, каким образом её физические параметры, включая высоту, влияют на жизнедеятельность человека и какие требования предъявляется к бортовому воздуху летательных аппаратов.

Считается, что совокупная атмосфера Земли распространяется до 28 000 тысяч километров над полюсами и до 42 000 километров над экватором. Эти границы

обусловлены гравитационными возможностями земного шара, то есть его предельной силой притяжения воздушных частиц. Что касается воздушной оболочки нашей планеты, то она занимает пространство примерно до трёх тысяч километров над земной поверхностью.  Основная масса воздуха, размещается до высоты 20 километров, то есть в сравнительно нижнем слое атмосферы. До высоты 100 километров состав воздушной массы более или менее однороден за что этот участок и получил наименование гомосферы. Если не учитывать водяные пары, то примерный состав воздуха таков – азот (78%), кислород (21%), аргон (0,93%), углекислый газ (0,03%). К этому составу следует добавить озон. Озон это некое химическое видоизменение кислорода, состоящее из трёх молекул кислорода вместо двух и образующееся в атмосфере под воздействием ультрафиолетовой части спектра солнечного излучения на высотах 20-60 километров. Вместе с тем стоит отметить, что концентрация озона распределяется весьма неравномерно, зависти от широты, времени года и периода суток. Озон – вещество очень токсичное для живых организмов.  Достаточно сказать, что его предельно допустимая концентрация (ПДК) сравнима с минимально допустимой концентрацией такого боевого отравляющего вещества как фосген, а на высоте 20 километров его уровень в составе воздуха превышает безопасные нормы в 10 и более раз. На этих высотах, человек, не имеющий специальных средств дыхания и защиты, погибнет достаточно быстро.

Что касается водяных паров, то их объем в составе воздушной смеси может быть довольно большим. В тропических странах водяной пар может занимать до 10% воздушной массы, захватывая место остальных компонентов. Объем воды в воздухе напрямую зависит от температуры окружающей среды и значительно увеличивается при её росте. Поскольку с увеличением высоты температура воздуха быстро снижается, то это объясняет большое количество облаков на низких высотах и резкое уменьшение их числа с набором высоты.

С увеличением высоты атмосферное давление понижается, а это означает, что человеческий организм начинает получать меньшее количество кислорода чем ему требуется для обеспечения жизнедеятельности. Почему, ведь казалось бы состав воздушной смеси не меняется практически до высоты ста километров? На самом же деле кроме самих объёмны компонентов воздуха именно давление имеет решающее значение. Дело здесь вот в чём.

Кислород поступает в кровь посредством лёгочных альвеол, которые оплетены множеством капиллярных сосудов.  Поскольку стенки сосудов представляют собой полупроницаемые мембраны, то кислород поступает в кровь, а углекислый газ из той же крови удаляется. Используя язык физики обмен газами между кровью и внешней средой подчиняется законам диффузии, происходя под воздействием разности, так называемых, парциальных давлений. Как известно, парциальное давление - это давление одного из компонентов газовой смеси. Если сложить парциальные давления всех компонентов, входящих в газовую смесь, то получится полное давление этой смеси. У кислорода, который входит в состав воздуха есть свой уровень парциального давления, которое, соответственно, зависит от высоты.

С увеличением высоты даже при неизменности процентного соотношения компонентов воздуха парциальное давление кислорода уменьшается, что приводит к снижению интенсивности передачи кислорода в организм живого существа. Из-за особенностей газового обмена в альвеолах, а именно наличия в них водяных паров и углекислого газа парциальное давление в лёгких становится ниже чем в атмосфере, что приводит к общему снижению уровня кислорода в крови.

Если высота, на которой находится человек, не превышает двух километров, то ухудшения самочувствия не происходит и потому диапазон высот до 2 км называется индифферентной зоной. Запомним этот факт, он пригодится нам впоследствии для полного понимания работы системы воздушного обеспечения самолёта.

На высотах 2-4 километра концентрация кислорода в крови продложит снижаться, но при этом организм подключит компенсационные механизмы работа которых проявится в усиленном дыхании и учащенном сердцебиении, что позволит почти полностью парировать недостаток кислорорда в тканях. Этот высотный интервал называется компенсаторным или зоной полной компенсации.

Выше 3,5 километров начинают интенсивно развиваться эффекты кислородного голодания от полной потери работоспособности до потери сознания по достижении высот 6-7 километров. На высоте свыше восьми километров уровень кислорода настолько низок, что летальный исход практически неизбежен. На этих высотах возникает высотная декомпрессионная болезнь, которая способна привести к гибели человека.

Снижение атмосферного давления кроме кислородного голодания вызывает в организме ряд весьма неприятных и опасных эффектов.

Поскольку с набором высоты газы расположенные в желудочно-кишечном тракте расширяются, то у человека могут появиться боли в области живота, уменьшится объем лёгких за счёт подъёма диафрагмы и даже изменится положение печени и сердца. Большинству пассажиров хорошо знакомые неприятные ощущения, боль в ушах, пазухах носа, которые связаны как раз с изменением давления при увеличении или уменьшении высоты полёта. Эти дискомфортные явления обусловлены выравниванием внешнего и внутреннего давления через узкие соединительные соустья носовых пазух, решётчатых лабиринтов и евстахиевых труб среднего уха.

Из всего вышесказанного проистекает очевидный вывод о том, что нормальная жизнедеятельность экипажа и пассажиров может быть обеспечена применением герметичных кабин воздушных судов. Здесь следует заметить, что неожиданная разгерметизация кабины несёт в себе немалую опасность суть которой заключается в том, что при резком и значительном падении давления возникает такое явление как взрывная декомпрессия. В случае декомпрессии все ранее описанные эффекты возникают одновременно и скачкообразно. Кроме того взрывная декомпрессия зачастую влечёт за собой обширную баротравму лёгких, которая обуславливается том, что ткани лёгких не могут быстро компенсировать внутренне избыточное давление обусловленное быстрым падением давления во внешней среде. Результатом являются разрывы тканей и последующая лёгочная эмболия.

Перечисленные аспекты не полностью описывают потребности человека в обеспечении его подходящей воздушной смесью. Помимо необходимого количества кислорода и допустимого уровня давления, воздух должен иметь определённую температуру и влажность, что в совокупности формирует общий комфорт окружающего пространства.

Завершая обзор формирования микроклимата в кабине самолёта необходимо сказать несколько слов непосредственно о составе воздуха и требованиям предъявляемым к его чистоте.

Если с основным составом воздуха всё более или менее понятно, поскольку это всё тоже соотношение азота и кислорода о котором я говорил в начале статьи, то на его чистоте следует остановиться поподробнее.

Существуют санитарно-гигиенические параметры, которым должен соответствовать воздух в кабине воздушного судна. Нарушение таковых, влечёт за собой несоответствие нормам лётной годности со всеми вытекающими отсюда последствиями для производителей и эксплуатантов самолётов. Эти параметры и нормы учитывают предельное содержание в воздухе таких веществ как окиси углерода и азота, паров авиационного топлива и смазочных масел, аэрозолей фторорганических соединений, формальдегида и альдегидов. Помимо этого учитывается средняя концентрация азота при продолжительных полётах на большой высоте.

Поддержание относительной чистоты воздуха в салоне самолёта нетривиальная задача вследствие большого источников вредных примесей, формирующих общую внутреннюю атмосферу лайнера.

Как это ни покажется странным, но главным источником вредных веществ, поступающих в кабину являются люди, пассажиры и члены экипажа воздушного судна. В ходе своей жизнедеятельности человек выделяет свыше 450 различных химических соединений, причём большая их часть поступает в окружающую среду с поверхности кожи. Таких “кожных” веществ насчитывается около трёх сотен. Оставшаяся часть приходится на выдыхаемый воздух, содержащий примерно 150 вредных компонентов. Кстати сказать, болезнетворные бактерии и вирусы тоже попадают в общий набор и циркулируют по салону на равных основаниях.

Кроме человека дополнительный вклад в состав воздушной смеси вносят элементы конструкции самолёта. Это ковровые дорожки, обивка кресел, пластиковые элементы различных устройств и интерьера.

Для обеспечения необходимого состава воздуха используется вентиляция салона внешним атмосферным воздухом, который поступает извне и позволяет держать концентрацию вредных веществ на допустимом уровне.  Отмечу, что забортный воздух является чистым лишь условно. В первую очередь это связано с тем, что вентиляция кабины осуществляется воздухом, поступающим от компрессоров авиационных двигателей. Такой воздух может быть загрязнён парами авиационного топлива или некоторыми продуктами горения, образующимися в процессе работы силовой установки. Добавлю, что концентрация вредных веществ в поступающем от компрессоров воздухе зависит от длительности эксплуатации двигателей и связанных с ними агрегатов.

Принимая во внимание все эти факторы, рассмотрим каким образом рассчитывается расход воздуха необходимого для вентиляции салона самолёта и поддержания его химического состава в соответствии с санитарными нормами.

Весь расчёт, как правило, производится по веществу, которое принято использовать в качестве базового критерия чистоты воздушной смеси. В замкнутом помещении, где размещаются люди, постепенно накапливается набор веществ – продуктов жизнедеятельности человека. Как я уже говорил их спектр достаточно широк, но чаще всего для расчёта используется величина концентрации углекислого газа, уровень которой представляет собой косвенный показатель общей загрязнённости воздуха.  Дело в том, что являясь не самым токсичным из выделяемых веществ, углекислый газ выделяется человеком в наибольших количествах. Поэтому при отсутствии притока свежего воздуха достижение максимальной концентрации углекислого газа происходит значительно быстрее чем достижение максимальных уровней другими вредными веществами. Соответственно расчёт по углекислому газу является более безопасным с точки зрения поддержания оптимального состава воздуха в салоне воздушного судна при условии равномерного распределения газовых примесей в занимаемом объёме.

Теперь, после небольшого экскурса в особенности высотной жизнедеятельности, перейдём непосредственно к тому из чего состоит и как устроена система кондиционирования воздуха в гражданской авиации.

Система включает в себя следующие основные компоненты.

1. Теплообменники.

2. Турбохолодильники.

3. Заслонки.

4. Влагоотделители.

5. Увлажнители воздуха.

6. Фильтры.

7. Трубопроводы.

 

Теплообменники

Основными поставщиками атмосферного воздуха являются компрессоры авиационных турбореактивных или турбовинтовых двигателей, вспомогательная силовая установка или наземный источник воздуха высокого давления в том случае если кондиционирование салона происходит во время стоянки. Если авиационный двигатель содержит многоступенчатый компрессор, то воздух отбирается и от промежуточных ступеней с тем расчётом чтобы выдержать требуемую температуру и степень его сжатия. Ступени отбора воздуха могут динамически переключаться в зависимости от режима работы двигателя и необходимого количества массы воздуха. Эти параметры закладываются на этапе проектирования системы кондиционирования.

При оснащении самолета поршневым двигателем,  атмосферный воздух поступает напрямую в теплообменник, который устанавливается непосредственно на выхлопные трубы двигателя. Горячие выхлопные газы разогревают воздух в теплообменнике до нужной температуры, позволяя использовать его в дальнейшем процессе подготовки воздушной смеси.

Учитывая, что воздух отбираемый от двигателя имеет довольно высокую температуру, до нескольких сотен градусов, а для работы турбины турбохолодильника нужен поток с более низкой температурой, то суть использования теплообменника в турбинных двигателях заключается в том чтобы передать теплоту от среды с большей температурой к среде с меньшей температурой.

Иными словами теплообменник и связанные с ним клапаны необходимы для того чтобы довести температуру и давление поступающего воздуха до значений приемлимых для функционирования турбохолодильника входящего в систему кондиционирования воздуха.

 

Теплообменник воздухо-воздушного типа.

Теплообменники бывают нескольких типов. Это воздухо-воздушные, канальные  воздухо-воздушные, топливовоздушные, воздухо-жидкостные испарительные, воздухо-водовоздушные испарительные теплообменники.

Кратко рассмотрим их основные свойства и особенности.

Воздухо-воздушные теплообменники

Охлаждение воздуха в этом устройстве происходит за счет того, что оно обдувается внешним потоком атмосферного воздуха, образующимся за счёт встречного скоростного напора в полёте и посредством работы вентилятора турбохолодильника при стоянке и рулении. Для того чтобы вентилятор не создавал помех охлаждению при выполнении полёта используют специальную обводную линию вокруг вентилятора, которая автоматически подключается после взлета самолета через обратный клапан, соединяющий полость теплообменника с атмосферой.

 

Воздухозаборник для продувки воздухо-воздушного радиатора теплообменнника.

 

Канальные  воздухо-воздушные теплообменники

Этот тип теплообменников характерен тем, что горячий воздух отбираемый от ступеней компрессора направляется в специальные каналы сопряженные со стенкой воздухозаборника. Охлаждение производится атмосферным воздухом, проходящих вдоль стенки усиленной большим количеством каналов, что соответствует увеличению общей площади охлаждения.

Топливовоздушные теплообменники

В топливовоздушных теплообменниках охлаждающим агентом выступает авиационное топливо, обладающее определенной теплоемкостью. Для того чтобы воздух не попал через стенки теплообменника в топливо или же топливо не проникло в воздухозаборник их разделяют специальными буферной камерой, которая представляет собой открытую полость, связанную с атмосферой. Стенки буферной камеры соединяются металлическими перемычками через которые и производится теплообмен между отобранным горячим воздухом и топливом циркулирующим с помощью топливных насосов. Недостатком таких теплообменников является температурные ограничения, которые связаны с тем чтобы не вызвать разложения топлива на компоненты при высокой температуре охлаждаемого воздуха и, как следствие, засорения магистралей и фильтров продуктами такого распада.

Воздухо-жидкостные испарительные теплообменники

Агрегаты этого типа содержат воздушную и жидкостную секции. Воздушная секция используется для прохождения горячего воздуха и расположена внутри жидкостной секции. Жидкостная секция заполнена водно-спиртовой смесью, которая по достижении температуры кипения интенсивно испаряется вызывая снижение температуры охлаждаемого воздуха. Добавление спирта, а также использование различных технических приемов для подогрева бака с водой для жидкостной секции направлено на борьбу с замерзанием воды при низких забортных температурах. Такой способ охлаждения считается достаточно экономичным из-за низкой стоимости самого хладагента, но требует принятия специальных по предотвращению замерзания жидкости.

Воздухо-водовоздушные испарительные теплообменники

Такие теплообменники похожи на предыдущий тип однако в них используются дополнительные форсунки через которые производится впрыск воды или водоспиртовой смеси непосредственно в воздушный поток. Быстрое испарение впрыснутой воды ведет к существенному снижению температуры отобранного у двигателя воздуха. Сама водяная взвесь поступает из турбохолодильника поскольку при охлаждении воздуха происходит конденсация влаги содержащейся в охлаждаемом воздухе и есть возможность направить получившуюся таким образом воду в теплообменник для усиления эффекта охлаждения.

Замечу,  что в общем объеме системы кондиционирования теплообменники занимают до 30% веса являясь весьма объемным компонентом.

Отобранный и подготовленный таким образом воздух поступает на турбину турбохолодильника, являющимся следующим агрегатом в цепочке рассматриваемой системы.

 

Турбохолодильники

Если быть кратким, то турбохолодильник это тепловая машина в которой рабочее тело, то есть воздух охлаждается за счёт расширения в турбине, а получаемая при этом мощность снимается при помощи дополнительных устройств, сопряжённых непосредственно с турбиной и используется для различных нужд в системах самолёта.

 

Турбохолодильник.

Охлаждение происходит следующим образом. В основе процесса лежит принцип охлаждения сжатого воздуха при его последующем расширении. Сжатый воздух поступает в турбохолодильник от компрессора авиационного двигателя, пройдя предварительную обработку в теплообменнике о чём я говорил в предыдущей части. Теплообменник и турбохолодильник соединены герметичным патрубком через который горячий и сжатый воздух поступает в улитку турбины турбохолодильника. Улитка турбины в свою очередь связана со специальным сопловом аппаратом, который спрофилирован таким образом, что площадь его проходного сечения уменьшается в направлении от улитки к турбине. Поскольку сечение сужается то по закону Бернулли скорость движения воздуха растёт, а его давление падает.

 

Схема работы турбохолодильника.

При падении давления в сопловом аппарате, температура воздуха понижается, а разогнанный и охлаждённый поток воздуха поступает на лопатки рабочего колеса турбины начиная её вращать. Дополнительное охлаждение воздуха можно получить путём изменения сечения межлопаточных каналов рабочего колеса турбины для чего прибегают к весьма сложным расчётам профилей лопаток и каналов.

Учитывая то, что вращение турбины потоком сжатого воздуха порождает генерацию мощности на валу турбохолодильника её необходимо расходовать при помощи того или иного вида нагрузки именуемой тормозным устройством. Здесь требуется дать пояснения. На первый взгляд кажется, что для охлаждения вполне достаточно вышеописанного процесса с прохождением воздуха через профили разного сечения. Однако от турбохолодильника требуется не просто работа в рамках физических процессов, но и наилучшая эффективность охлаждения, то есть достижение максимально возможного КПД.

Для того чтобы достичь наибольшего перепада между входной и выходной температурой в турбохолодильнике, необходимо чтобы произведённая поступающим воздухом работа по вращению колеса турбины была тем или иным способом использована. То есть, чем больше будет нагружена турбина, тем большую энергию придётся отдать горячей газовой смеси для её вращения и, соответственно, тем большая степень охлаждения поступившего воздуха будет получена на выходе из турбохолодильника.

Чтобы реализовать этот принцип, используются такие нагрузочные элементы как вентилятор или компрессор, выполняющие функцию потребителей энергии. Вентиляторы могут использоваться для прокачки воздуха через теплообменники, обеспечивать вентиляцию отсеков с оборудованием, а также служить вспомогательным устройством для перекачки воздуха. В случае применения на валу компрессора, мощность турбины может быть передана через коробку передач различным авиационным агрегатам.

Обращу внимание на такой важный аспект работы системы охлаждения как возможное забивание снегом и льдом проходных сечений элементов конструкции, находящихся непосредственно за турбохолодильником. Для предотвращения таких ситуаций, могущих привести к отказу системы, температуру воздуха на выходе из турбохолодильника поддерживают выше 0 С. 

Кроме этого наличие капель или кристаллов льда на входе в сопловый аппарат турбины турбохолодильника может вызвать эрозию лопаток её рабочего колеса или их обмерзание, что в конечном итоге приведёт к поломке системы кондиционирования. С этим явлением борются осушая воздух на входе в турбину до приемлемых значений, включая дополнительные ступени обработки воздуха в теплообменнике.

Двигаемся дальше.

 

Заслонки

Итак холодный воздух получен, а горячий мы уже имели ранее.  Осталось смешать горячий и холодный потоки и подать готовую смесь в кабину авиалайнера. Смешение потоков происходит в определённых пропорциях в соответствии со значениями, которые установлены автоматикой управления температурой в салоне.  Условно говоря весь воздушный поток делится на две линии – горячую и холодную. Горячий, поступает от компрессора, а холодный от турбохолодильника. Оба потока поступают в общий трубопровод где и смешиваются между собой. Соотношение между объёмами горячего и холодного воздуха как раз и регулируется положением заслонок, размещённых в горячей и холодной магистралях, которые управляются с помощью специальных сервоприводов по командам бортовой системы контроля температуры.

Влагоотделители

В том случае когда самолёт летит на малой высоте, влага, образовавшаяся в результате охлаждения, содержится в подготовленном воздухе в парообразном или капельном состоянии. Капли воды могут осесть на стенках воздуховодов, оборудовании или создать туман и запотевание в салоне самолёта. Это может спровоцировать поломки аппаратуры, создать проблемы пилотам и вызвать дискомфорт у пассажиров. Влагоотделители удаляют капельную влагу либо при помощи мелкоячеистых фильтров либо посредством специальных, вращающихся сепараторов, которые направляют собранную жидкость в водосборник.

Количество собираемой влаги может быть столь велико, что она станет накапливаться в слое теплоизоляции трубопроводов примыкающей в внешней стенке фюзеляжа самолёта достигая веса до нескольких сотен килограмм. Для предотвращения накопления воды используются специальные клапаны слива конденсата за борт воздушного судна.

Увлажнители воздуха

На больших высотах влажность воздуха становится минимальной, делая его совершенно сухим. Использование сухого воздуха крайне неприятно для человека и может привести к некоторым заболеваниям дыхательных путей. Для поддержания правильного уровня влажности воздушной смеси, системы кондиционирования воздуха содержат специальные парогенераторы или испарительные устройства, которые увлажняют воздух до необходимого уровня.

Фильтры

Подаваемый в кабину воздух содержит взвешенную пыль размером до нескольких десятков микрон. Такая воздушная смесь не просто загрязняет салон самолёта, но и способна проникать в электрическое и радиотехническое оборудование вызывая их поломки и изменение важных технических параметров. Исходя из этого, воздух, поступающий в кабину, должен проходить через обязательную систему входной очистки. Современные материалы применяемые в воздушных фильтрах способны работать при высоких и низких температурах с сохранением заданных параметров фильтрации.

Трубопроводы.

Полностью подготовленный и отфильтрованный воздух подаётся в салон воздушного судна с помощью воздухопроводов, которые обеспечивают транспортировку воздушной смеси ко всем необходимым кабинам и отсекам самолёта.

Воздухопроводы пассажирских самолётов располагаются в гондолах двигателей, центроплане, багажных отсеках, салонах, кабине экипажа. Их совокупная длина может достигать нескольких сотен метров, а общий вес до шестисот килограмм, составляя практически половину массы системы кондиционирования воздуха.

Воздухопроводы изготавливают из алюминиевых, титановых сплавов, коррозионностойких типов стали, современных синтетических материалов. Это обусловлено как необходимостью снижения общего веса трубопроводной подсистемы так и требованиями к высокой надёжности и прочности воздуховодов особенно с учётом их широкой разветвлённости в самолёте и различными температурными нагрузками. Кроме этого можно отметить, что к воздуховодам предъявляются специальные требования по ограничению уровня шума прокачиваемого воздуха поскольку это напрямую связано с акустическим комфортом в салоне самолёта.

 

Описанные компоненты относятся к так называемой системе кондиционирования с отбором воздуха от двигателей однако существуют системы не использующие этот принцип. Они называются бортовыми системами без отбора воздуха от двигателей.

В качестве примера иного технологического подхода к формированию микроклимата салона можно привести самолёт Boeing-787 в котором применена электрическая система кондиционирования.

Boeing 787.

Главной отличительной особенностью этого самолёта является масштабное использование электрических систем вместо пневматических. Это касается и системы кондиционирования воздуха. Преимуществом электрической системы в сравнении с традиционной, является её большая эффективность, ведущая к увеличению дальности полёта. Это достигается за счёт уменьшения расхода топлива примерно на 3% и снижения общего веса оборудования. Кроме того инженеры компании считают, что электрическая система требует меньших расходов на техническое обслуживание, что тоже ведёт к снижению общих затрат. Помимо финансовых преимуществ современные электрические системы обладают повышенной надёжностью и позволяют снизить общее число компонентов используя достижения интегральной электроники.

Топливная эффективность достигается тем, что авиационные двигатели лайнера направляют весь воздушный поток на создание тяги, не теряя его часть на работу пневматических систем самолёта. Интересно отметить, что расчёты произведённые в компании показали, что обычные воздушные системы производят больше полезной энергии чем это необходимо для бортового потребления и поэтому часть энергии сбрасывается за борт, не производя сколь-нибудь полезного эффекта. Электрическая система, контролируемая бортовой электроникой способна производить ровно столько энергии сколько это необходимо в соответствии с режимом эксплуатации воздушного судна.

Питание системы производится от бортовых генераторов с приводом от двигателей или вспомогательной силовой установки. Основным элементом электрической системы являются компрессоры с регулируемым расходом воздуха, которые подают воздушную смесь в кабину по уже знакомым воздуховодам.

Одним из дополнительных преимуществом такой системы является некоторое снижение стоимости двигателей за счёт упрощения обвязки предназначенной для функционирования пневматики.

Какая их двух систем более эффективна покажет будущее, а пока успешно эксплуатируются обе – пневматическая и электрическая.

Теперь перейдём к тому как подготовленный воздух распределяется по кабинам, салонам и прочим помещениям воздушного судна.

Непрерывная подача и поддержание заданных параметров чистого воздуха, удаление отработанной смеси, обеспечивается при помощи системы вентиляции. Особое значение имеет рациональное распределение воздуха на воздушном судне. Дело в том, что современный авиалайнер имеет очень сложную и разнообразную внутреннюю компоновку. Самолёт разделён на несколько отсеков с разным целевым назначением. Сюда входят кабина экипажа, пассажирские салоны, буфеты, туалеты, отсеки с электронным оборудованием, багажные и вспомогательные помещения.

Каждый отсек имеет свою конфигурацию и собственные характеристики непосредственно влияющие на организацию воздушных потоков и вентиляцию. Так, например, пассажирский салон характеризуется большим количеством пассажиров, а отсеки с электронным оборудованием повышенным тепловыделением сопряжённым с необходимостью его быстрого и эффективного отвода.

Также надо иметь в виду, что параметры воздуха в салоне зависят от организации вентиляции и взаимодействия воздушных потоков. Вентиляционные процессы очень сложны и обусловлены множеством факторов таких как размеры помещений, тепловые режимы, схемы распределения воздуха, скорость и направленность воздушных потоков, наличие и мощность источников тепловыделения, теплопоглощения, качества теплоизоляции и много другого.

Главными параметрами относительно которых происходит расчёт системы кондиционирования воздуха являются его расход, температура и давление.

Расход воздуха в салоне является важным фактором, зависящим от схем распределения воздушной смеси, направления приточных струй, кинетической энергии подаваемого воздуха.

Интересно, что неправильная направленность воздушных струй может создавать такие эффекты как “налипание” струи на конструкции салона или отсека, что приводит к образованию невентилируемых, застойных зон в центральных частях кабины. Следствием является снижение общей эффективности системы вентиляции несмотря на то, что общий расход воздуха будет находится в расчётных пределах.

Для снижения вероятности возникновения застойных зон необходимо увеличивать скорость подачи воздуха, однако скорость его перемещения не должна превышать 0.4 м/с для предотвращения возникновения сквозняков.

Конструкторы, создающие системы кондиционирования, стараются найти компромисс между количеством расходуемого воздуха с одной стороны и его температурой и скоростью подачи с другой. Так происходит потому, что воздух достаточно дорогой ресурс и снижение затрат на его генерацию, положительно влияет на общую экономичность эксплуатации воздушного судна.

Результатом поиска подходящего решения явилось применение систем с частичной рециркуляцией воздуха. Что такое частичная рециркуляция? Говоря простым языком это подмешивание в общий воздушный поток части использованного воздуха из салона самолёта. При таком способе вентиляции общий поток воздуха, подаваемого в кабину, образуется посредством смешивания внешнего воздуха, поступающего от компрессоров авиадвигателей и воздуха из пассажирского салона. Как уже отмечалось, внешний воздух считается свежим условно, поскольку содержит пары авиационного топлива и различные газовые примеси. Вторая часть подаваемой смеси - это салонный воздух прошедший через специальный контур рециркуляции. В контуре рециркуляции салонный воздух очищается, проходя через систему специальных фильтров и, в некоторых случаях, дополнительно охлаждается.  Объем воздуха рециркуляции может составлять до 50% от общего расхода воздуха в системе кондиционирования воздуха. Рециркуляционная воздушная смесь подаётся только в пассажирские салоны воздушного судна. Пилотская кабина снабжается свежим, атмосферным воздухом.

Применение схемы частичной рециркуляции позволяет решить несколько инженерных проблем таких как уменьшение общего расхода воздуха, снижение скорости воздушного потока на входе в кабину самолёта, а также повысить эффективность систем определения дыма. В качестве недостатков системы можно отметить необходимость установки дополнительных фильтров, вентиляторов и трубопроводов, а также важность учёта и расположения источников дыма и вентиляторов рециркуляции. Дополнительной проблемой является возможность многократного перемещения вирусов и бактерий по системе воздухоснабжения в случае присутствия на борту заражённых пассажиров.  Дело в том, что современные системы фильтрации зачастую неспособны задерживать микроскопические биологические объекты или имеют стоимость несоизмеримую с производимым эффектом.

Проектирование системы вентиляции является сложной задачей. Для того чтобы увидеть и оценить рациональность распределения воздушных масс в салоне самолёта используют физическое моделирование на уменьшенных моделях воздушных судов. Это довольно интересный подход, одна из реализаций которого выглядит следующим образом. В конструкторском бюро размещается специальный гидродинамический стенд, позволяющий имитировать движение воздуха в поперечном сечении кабины самолёта. Стенд – это гидролоток в который помещается модель салона выполненная в масштабе, приемлемом для испытаний. Эта модель выполняется так, чтобы можно было исследовать все возможные схемы распределения воздушных потоков по салону. Общая картина циркуляции жидкости в модели визуализируется движущимися светящимися метками, перемещение которых можно фиксировать при помощи фото или видеосъёмки.

При длительной выдержке, длины траекторий покажут картину циркуляции воздуха в салоне. При короткой выдержке длины траекторий будут невелики, но по ним и времени экспозиции определяется скорость движения потока в модели, которая затем пересчитывается на скорость в кабине реального объекта.

Конструкторские бюро хранят и накапливают результаты таких исследований, превращая эти знания в свой технологический капитал.

Несмотря на определённую уникальность получаемого таким образом опыта, существуют и общие подходы к организации подачи и удаления воздуха.

Во-первых при формировании потоков распределения воздуха стремятся к тому чтобы его подача по длине фюзеляжа была равномерной.  Так, например, для самолёта Boeing-777-300 это означает обеспечение равномерности на протяжении почти семи десятков метров. Неравномерность подачи приводит к появлению невентилируемых зон и нарушает симметрию циркуляции воздуха в кабине. Вследствие этого пассажиры, находящиеся на разных местах будут находится в различных микроклиматических условиях.

Во-вторых подача воздуха осуществляется на нескольких уровнях – в нижней части салона, в проходах между креслами и в верхней зоне. Более тёплый воздух подаётся в нижнюю часть кабины, а более холодный в верхнюю.

В-третьих кроме общей вентиляции существует сосредоточенная подача воздуха к каждому пассажирскому креслу в салоне. Обдув пассажира производится струёй из насадки, вмонтированной в багажную полку салона или потоком воздуха из насадки с микровентилятором размещённой на задней стенке пассажирского кресла. Температура воздуха в линии персональной вентиляции составляет 25 градусов вне зависимости от температуры воздуха в салоне. Это сделано для снижения риска простудных заболеваний.

Воздух в салон подаётся двумя способами. Первый способ заключается в подаче воздуха через специальные распределители воздуха в кабину экипажа, пассажирские салоны и остальные помещения воздушного судна. При втором способе воздух из подводящего воздуховода поступает в пространство между теплоизоляцией гермокабины и декоративной стенкой салона после чего через распределители оказывается в пассажирском салоне. Для снабжения воздухом лётного экипажа самолёта используется первый способ.

Отработанный воздуха из салона самолёта обычно поступает в подпольное пространство откуда через выпускные клапаны регулятора давления воздуха выбрасывается в атмосферу.

Надо заметить, что расход воздуха на современных воздушных судах достигает удивительно больших величин. Потребление воздуха на одного пассажира может составлять до 40 килограмм воздушной смеси в час, а всего тяжёлое воздушное судно способно ежечасно расходовать до 14 тонн воздуха.

Примером интенсивного расхода может послужить отечественный лайнер ИЛ-86. Общее потребление воздуха этой машиной составляет те самые 14 тонн в час из которых 980 кг подаётся в кабину экипажа. Треть этого объёма, то есть 300 кг/ч используется для обдува стёкол, а 80 кг/ч увлажняют воздух пилотской кабины. Каждый из трёх пассажирских салонов расходует 3900 кг/ч, туалеты 120 кг/ч, буфет 120 кг/ч. Технические нужды заставляют каждый час тратить ещё 880 кг воздуха.

Применение системы частичной рециркуляции на самолёте ИЛ-96 позволило снизить эти показатели практически вдвое доведя расход воздуха на одного пассажира до 17-25 кг/ч.

Отдельно следует упомянуть о снабжении воздухом кабины лётного экипажа. В кабину к пилотам подаётся только свежий воздух по отдельному трубопроводу. Распределение воздуха в кабине весьма разветвлённое. Дело в том, что кабина экипажа невелика, но при этом имеет значительные объёмы поступающего тепла через обшивку, лобовое остекление, от оборудования и непосредственного от членов экипажа. В кабине пилотов с помощью системы кондиционирования приходится решать две противоположные задачи – устранение запотевания лобовых и боковых стёкол, а также поддержание заданной влажности для жизнеобеспечения экипажа. Для этого кабина оснащена множеством специальных насадок для обдува ног пилотов, внешнего остекления и комплектов аппаратуры.  Насадки, предназначенные для пилотов, оснащаются индивидуальными подогревом и увлажнителями, что позволяет каждому члену экипажа установить персональный уровень микроклимата.

Температура воздуха в салонах и кабине экипажа регулируется специальной автоматикой, работа которой опирается на показатели датчиков температуры. Эта же автоматика контролирует исправность системы кондиционирования воздуха.

Теперь, когда мы разобрались с тем как воздушное судно получает и распределяет подготовленную воздушную смесь, перейдём к рассмотрению, так называемой, системы автоматического регулирования давления.

Как я уже говорил в начале обзора, для поддержания нормальной жизнедеятельности организма давление воздуха не должно падать ниже некоторых величин, то есть приемлемые условия существования сохраняются в, так называемой, индифферентной зоне в диапазоне до 2500 метров.

Исходя из этого, нормы лётной годности определяются в соответствии c физиологическими возможностями человека, то есть на высоте крейсерского полёта минимальное абсолютное давление воздуха в салоне устанавливается не менее чем 567 мм. рт. ст., что соответствует высоте 2400 метров. При этом скорость изменения давления в кабине не должна превышать 0,18 мм. рт. ст. /c поскольку при превышении этой скорости возникают боли в области среднего уха, а при быстром снижении давления появляются боли в животе, обусловленные расширением газов.

Скорость изменения давления внутри самолёта непосредственно связана с его вертикальной скоростью или скороподъёмностью. Существует предел увеличения вертикальной скорости обусловленный скоростью изменения давления в кабине для того чтобы не допустить появления декомпрессионных явлений у физически слабых пассажиров.

Гермокабина воздушного судна надувается от системы кондиционирования, что увеличивает давление в салоне и отсеках самолёта. Это давление воздуха в гермокабине воздушного судна необходимо динамически регулировать при взлётах, посадках и полётах на разных высотах изменением количества выпускаемой воздушной смеси.

 

Система автоматического регулирования давления (САРД) как раз и предназначена для решения этой задачи, состоящей из следующих подзадач:

- Автоматическое регулирование давления в кабине самолёта включая ограничение скорости изменения давления в гермокабине;

- Автоматическое ограничение избыточного давления в кабине и её предохранение от повышения давления выше допустимого;

- Защита кабина от разрежения при быстром снижении (отрицательного перепада) и принудительная аварийная разгерметизация в полёте и на земле;

- Индикация высоты, скорости изменения давления и перепада давления воздуха;

- Настройка абсолютного давления в кабине на барометрическое давление или высоту аэродрома;

- Ручная регулировка изменения давления в гермокабине;

- Герметизация трактов сброса воздуха через выпускные клапаны в случае вынужденной посадки на воду;

- Устранение задымления в салонах и отсеках самолёта в случае необходимости;

- Контроль параметров работы системы, сигнализация нормальной и аварийной работы САРД.

Общий алгоритм работы системы заключается в том, что программа изменения давления на высотах до 2400 метров повторяет кривую изменения атмосферного давления за бортом. Гермокабина самолёта при этом сообщается с атмосферой, то есть является практически разгерметизированной. При дальнейшем увеличении высоты кабина изолируется от атмосферы и в ней начинает поддерживаться заданное давление.

Система автоматического регулирования давления работает в соответствии с набором определённых программ. В их состав входят:

- Программа обеспечения взлёта;

- Программа обеспечения прерванного взлёта и посадки;

- Программа обеспечения крейсерского полёта;

- Программа обеспечения автоматического наддува на земле;

- Программа обеспечения взлёта и посадки на высокогорные аэродромы;

- Программа обеспечения автоматической разгерметизации.

Работа заданной программы изменения давления воздуха обеспечивается регулятором давления, управляющим положением выпускных клапанов, через которые воздух из кабины сбрасывается в атмосферу.

Теперь посмотрим как САРД работает в основных режимах регулирования давления.

1. Автоматический режим

Это основной режим регулирования перепада давления на земле и в полёте. Блоки управления системы манипулируют открытием выпускного клапана в соответствии с заданной программой без участия экипажа. Для корректного выполнения программы система использует следующие данные получаемые от различных измерителей:

- Высоту полёта воздушного судна, вертикальную скорость, барометрическую коррекцию изменений давления;

- Введённую в систему высоту аэродрома посадки;

- Сигналы обжатия стоек шасси

- Индикацию закрытого положения люков и дверей для начала обдува гермокабины;

- Индикацию положения выпускных и наземных клапанов;

- Положение рычагов управления двигателя самолёта;

- Расход воздухе в салоне.

Система сравнивает заданное давление в салоне с измеренным и, в случае необходимости производит изменение положения заслонки выпускного клапана для устранения расхождений.

2. Ручной режим

Используется в случае выхода из строя каналов автоматического регулирования или при иной необходимости определяемой экипажем. Управление выпускным клапаном осуществляется по резервному, ручному каналу.

3. Режимы работы на земле

A. Автоматическая разгерметизация на земле.

При приземлении система управления поддерживает положительный перепад давления в салоне самолёта. Автоматическая разгерметизация происходит как только система получила данные от датчиков что стойки шасси находятся в обжатом состоянии, а двигатели работают на малом газу. Обжатое состояние стоек это выражение, обозначающее, что самолёт прочно сел на земную поверхность сжав амортизаторы стоек шасси до срабатывания датчиков.

B. Автоматическая предварительная герметизация на земле.

Предварительная герметизация предназначена для предотвращения скачков давления в гермокабине в момент взлёта самолёта

4. Полётные режимы

Взлёт

Во время взлёта происходит автоматический наддув воздуха, что обеспечивается автоматической герметизацией на земле.

Набор высоты

При наборе высоты система производить изменения давления в салоне в соответствии с вертикальной скоростью воздушной судна.

Крейсерский полёт

В ходе выполнения полёта система поддерживает давление в кабине, которое соответствует давлению на высоте 2400 метров.

Снижение

При снижении лайнера давление в салоне понижается пропорционально скорости снижения самолёта. В случае аварийного снижения система контролирует чтобы скорость снижения давления не превышала установленных физиологических норм.

Руление

При рулении после приземления начинается автоматическая разгерметизация кабины с полным открытием выпускных и наземных клапанов.

5. Режим вынужденной посадки на воду

В случае вынужденной посадки самолёта на воду должна быть произведена герметизация трактов сброса воздуха для предотвращения затопления воздушного судна и сохранения его плавучести. Сама гермокабина разгерметизируется. Режим аварийной посадки на воду активируется экипажем самолёта, что приводит к активации программы и связанных с ней исполнительных устройств.

Интересно отметить, что у самолёта ТУ-154 выходы из выпускных клапанов выполнены выше поверхности воды и не нуждается в дополнительных сложных устройствах имеющихся на других судах, у которых выпускные клапаны при приводнении находятся ниже ватерлинии.

6. Режим аварийной разгерметизации

Применяется в основном для удаления дыма из кабины самолёта посредством быстрого сброса воздуха в атмосферу.

 

Аварийная посадка А320 на реку Гудзон.

На этом статью можно было бы и завершить, но остался ещё один вопрос касающийся обеспечения экипажа и пассажиров воздухом в случае принудительной или аварийной разгерметизации самолёта.

Для начала расскажу о том, что делает экипаж при разгерметизации. Прежде всего при наступлении или инициировании этого неприятного события срабатывает сигнализация о падении давления в салоне самолёта. Получив этот сигнал экипаж воздушного судна должен воспользоваться индивидуальными кислородными масками и немедленно начать снижение до высоты примерно 3000 метров. Начав снижение экипаж информирует службы управления воздушным движением об экстренном снижении и ситуации на борту. При большой плотности воздушного движения перед началом снижения необходимо запросить специальное разрешение, однако даже в том случае если это разрешение запоздало, лётчики всё равно начинают снижаться так как запасы кислорода могут быть исчерпаны быстрее чем кажется. Для того чтобы уменьшить вероятность сближения с другими самолётами, командир корабля старается отклониться от загруженных воздушных трасс.

Во время снижения экипаж уточняет безопасную высоту полёта, оценивает рельеф подстилающей поверхности и выбирает дальнейший маршрут движения. Кроме этого экипаж должен оценить целостность конструкции воздушного судна для выбора оптимальной скорости полёта, возможности выпуска шасси, оценки вертикальной скорости снижения.

Одной из проблем управления разгерметизированным самолётом является использование экипажем кислородных масок.  Дело в том, что маски сужают поле зрение пилотов, ухудшают взаимодействие членов экипажа, а также затрудняют связь с наземными службами. Поэтому при аварийном снижении часто рекомендуется использование автопилота. Это разгружает экипаж и позволяет ему более точно следить за развитием ситуации. Кроме того, если лётчики потеряют сознание, то автопилот займёт заданную высоту в автоматическом режиме позволив пилотам вовремя прийти в сознание до полной выработки топлива.

Заняв безопасную высоту полёта экипаж начинает готовится к посадке на запасной аэродром консультируясь с наземными службами управления воздушным движением.

Теперь заглянем в салон воздушного судна и разберёмся каким образом происходит снабжение воздухом пассажиров на время снижения до безопасной высоты.

Итак разгерметизация случилась. Порой она может сопровождаться довольно неприятными спецэффектами как например свистом уходящего воздуха, наполнением салона пылью и туманом, снижением видимости, но речь сейчас не об этом.

В момент падения давления или по воле экипажа самолёта срабатывает выброс кислородных масок для пассажиров. Выпадают эти маски из специальных отсеков, расположенных на нижней панели багажных полок. На каждый ряд кресел приходится по одному отсеку, дверцы которых автоматически открываются по команде датчиков системы. После открытия отсека из него выпадает 4-6 масок, которые повисают на специальных тросиках. Использование большего количества масок связано с необходимостью наличия запаса на тот случай если у пассажира на коленях окажется ещё один ребёнок или кто-то из особо нервных и сильных в панике оборвёт внезапно выпавшую маску.

 

Выброс масок в салоне самолёта.

После выпадения масок, генератор автоматически активируется при надевании пассажиром маски, которая механически связана с чекой пускового устройства. Чека срывается с помощью специального тросика, что вызывает удар специальным бойком по термическому запалу. Это и есть момент запуска кислородного генератора, который инициирует химический процесс выработки кислорода, основанный термокаталитическом разложении рабочего вещества, помещённого в теплоизолированный корпус. Иными словами для начала работы генератора пассажир должен не просто одеть маску, а потянуть её на себя для того чтобы запустить процесс генерации.

Принудительно прерывать выработку кислорода генератором невозможно, устройство отработает до конца, после чего станет совершенно бесполезным для дыхания. Длительность работы генератора составляет примерно 15-25 минут в зависимости от модели и производителя. При работе генератор довольно сильно нагревается и может слегка дымить. Более того, на корпусе устройства оранжевой краской нанесены специальные полоски, которые чернеют при нагревании генератора и таким образом показывают, что генератор является использованным. Полученный в результате реакции кислород, поступает в маску через специальный шланг.

Генераторы кислород расположены не только в каждому ряду пассажирских кресел, но также присутствуют в туалетах, на рабочих местах бортпроводников и в других помещениях где могут находиться люди.

Химический генератор кислорода в комплекте с дыхательными масками.

Лётный экипаж использует другие системы снабжения кислородом и маски иного типа. Снабжение экипажа производится из специальных кислородных баллонов, ёмкости которых хватает практически на час полётного времени.

На этом мой обзор пассажирских систем обеспечения воздухом завершён. В заключение могу добавить, что воздух полученный из системы кондиционирования используется в системах противообледенения, при обогреве механизма перестановки стабилизатора, а также для наддува гидробаков.

 

Категория: Техника | Добавил: vgaylun (07.04.2016)
Просмотров: 11768 | Рейтинг: 3.3/3
Всего комментариев: 0
Вход на сайт

Поиск

Copyright Vyatcheslav Gaylun - Aviation & Life © 2018