Қанатты кемелердегі ауа қысымын сақтау процесі

Кіріспе

Ұшақтардың ішкі ауа қысымын сақтау процесі

Кабинаны қысымдастыру – бұл жоғары биіктікте ұшатын адамдар үшін қауіпсіз және жайлы орта құру мақсатымен әуе кемесінің немесе ғарыш кемесінің кабинасына кондицияланған ауаны сорғылау процесі. Әуе кемелерінде бұл ауа әдетте газ турбиналық қозғалтқыштардың компрессор сатысынан алынады, ал ғарыш кемелерінде жоғары қысымды, көбінесе криогендік резервуарларда тасымалданады. Ауа салқындатылып, ылғалдандырылады және кабинаға таратылғанға дейін бір немесе бірнеше экологиялық бақылау жүйесі арқылы қайта айналымға түскен ауамен араластырылады. Алғашқы эксперименталдық қысымдастыру жүйелері 1920-1930 жылдары қолданысқа енді. 1940 жылдары қысымдалған кабинасы бар алғашқы коммерциялық ұшақ пайдалануға берілді. Бұл практика бір онжылдықтан кейін кеңінен таралды, әсіресе 1949 жылы британдық de Havilland Comet реактивтік лайнерінің енгізілуімен. Алайда, 1954 жылы болған екі ауыр апат Comet ұшақтарының бүкіл әлемде уақытша тоқтатылуына әкелді. Апаттардың себептері зерттелді және олардың прогрессивті металлдың шаршауы және қысымға байланысты ұшақ корпусының кернеуімен байланысты екені анықталды. Сынақтарды жақсарту үшін су резервуарында бүкіл фюзеляждың бірнеше толық масштабты қысым циклдық сынақтары жүргізілді. Жолаушылардың жайлылығын арттыру үшін Boeing 787 Dreamliner және Airbus A350 XWB сияқты бірнеше заманауи авиалайнерлер төмендетілген кабина биіктігін және жоғары ылғалдылық деңгейін ұсынады; композиттік материалдардан жасалған ұшақтардың қолданылуы осындай жайлылықты арттыруға мүмкіндік берді.

Кабинаның биіктігі

Кабина ішіндегі қысым техникалық тұрғыдан эквивалентті тиімді кабина биіктігі немесе жиірек кабина биіктігі деп аталады. Бұл, халықаралық стандартты атмосфера сияқты стандартты атмосфералық модельге сәйкес, бірдей атмосфералық қысымға ие орташа теңіз деңгейінен жоғары эквивалентті биіктік ретінде анықталады. Осылайша, кабина биіктігі нөл болса, онда орташа теңіз деңгейіндегі қысым болады, ол .

Ұшақ

Жолаушылар ұшақтарында кабина биіктігі ұшу кезінде фюзеляждың қысыммен жабдықталған бөлігіндегі кернеуді азайту үшін теңіз деңгейінен жоғары ұсталады; бұл кернеу кабинаның ішіндегі және сыртындағы қысым айырмашылығына пропорционалды. Типикалық коммерциялық жолаушылар рейсінде кабина биіктігі бастапқы әуежай биіктігінен 2438,40 м нормативтік ең жоғары биіктікке дейін біртіндеп көтеріледі. Бұл кабина биіктігі ұшақ ең жоғары биіктікте жүргенде сақталады, содан кейін қону кезінде кабина қысымы баратын жердегі қоршаған ортаның қысымына сәйкес келмегенше біртіндеп төмендейді. Кабина биіктігін 2438,40 м-ден төмен ұстау, әдетте, гипоксияны, биіктіктегі ауруды, декомпрессиялық ауруды және баротрауманы болдырмайды. АҚШ-тағы Федералды авиация басқармасының (FAA) ережелері бойынша, қалыпты жұмыс жағдайларында кабина биіктігі ұшақтың ең жоғары жұмыс биіктігінде осы шектен аспауы керек. Бұл міндетті ең жоғары кабина биіктігі барлық физиологиялық проблемаларды жоймайды; пневмоторакс сияқты жағдайлары бар жолаушыларға толық сауыққанға дейін ұшу ұсынылмайды, ал суық тиген немесе басқа инфекциядан зардап шегетін адамдар құлақтары мен синустарында ауырсынуды сезінуі мүмкін. Кабина биіктігінің өзгеру жылдамдығы жайлылыққа қатты әсер етеді, өйткені адамдар ішкі құлақ пен синустардағы қысымның өзгеруіне сезімтал және оны мұқият басқару керек. Суға секіргеннен кейін "ұшпау" кезеңі ішінде ұшқан сүңгірлер декомпрессиялық аурумен ауыруы мүмкін, өйткені олардың денелеріндегі жиналған азот кабинадағы қысымның төмендеуіне ұшырағанда көпіршіктерді қалыптастырады. Боинг 767 ұшағының кабина биіктігі 11277,60 м биіктікте ұшу кезінде әдетте 2133,60 м. Бұл ескі реактивті ұшақтар үшін әдеттегідей. Көптеген, бірақ барлық емес, жаңа ұшақтардың жобалау мақсаты - ескі жобаларға қарағанда кабинаның төменгі биіктігін қамтамасыз ету. Бұл жолаушылардың жайлылығын арттырады. Мысалы, Bombardier Global Express бизнес-жеті 12496,80 м биіктікте ұшу кезінде 1371,60 м кабина биіктігін қамтамасыз ете алады. Emivest SJ30 бизнес-жеті 12496,80 м биіктікте ұшу кезінде теңіз деңгейі кабина биіктігін қамтамасыз ете алады. Дереккөздің сенімділігі жоқ: себебі=домен WP:BLACKLIST тізімінде. Бір зерттеуде сегіз рейс Airbus A380 ұшақтарында кабинаның орташа қысым биіктігі 1867,81 м, ал 65 рейс Boeing 747 400 ұшақтарында кабинаның орташа қысым биіктігі 1572,46 м болды. 1996 жылға дейін шамамен 6000 ірі коммерциялық көлік ұшақтарына арнайы биіктік шарттарына сәйкес келместен 13716,00 м-ге дейін ұшу үшін типтік сертификат берілді. 1996 жылы FAA 2587 түзетуді қабылдады, ол жаңа типті ұшақ жобаларына жоғары биіктіктегі кабиналық қысымның қосымша ерекшеліктерін енгізді. 7620,00 м биіктіктен жоғары ұшуға арналған сертификат алған әуе кемелері "басымды жүйедегі ықтимал ақаудан кейін жолаушылар 4572,00 м-ден жоғары кабиналық қысым биіктігіне ұшырамайтындай етіп жобалануы тиіс". "Ерекше мүмкін емес деп танылмаған кез келген ақаулық жағдайдан" туындайтын қысымды азайту жағдайында ұшақ жолаушылар 2 минуттан артық 7620,00 м-ден асатын кабина биіктігіне және кез келген уақытта 12192,00 м-ден асатын биіктікке ұшырамайтын етіп жобалануы тиіс. Егер жағдай талап етсе, әуе кемелерін жасаушылар осы ереженің жеңілдетуін сұрай алады. 2004 жылы Airbus FAA-ның рұқсатын алған, бұл A380 ұшағының кабина биіктігі 13106,40 м-ге жетуіне және қысымды азайту оқиғасы болған жағдайда бір минутқа асып кетуіне мүмкіндік берді. Бұл A380-ге жаңадан жасалған басқа азаматтық ұшақтардан жоғары биіктікте жұмыс істеуге мүмкіндік береді. Бұл үшін ғарыш кемесі конструкциясы ауыр болуы керек, өйткені ғарыш кемесі кабинасының құрылымы ғарыш кеңістігінің вакуумына қарсы шаршы дюймге 14,7 фунт (1 атм, 1,01 бар) кернеуді ұстауы керек, сондай-ақ инертті азот массасын алып жүру керек. Сондай-ақ, космонавттар көлік сыртындағы белсенділікті жүзеге асырған кезде декомпрессиялық аурудан аулақ болу керек, өйткені қазіргі жұмсақ ғарыш костюмдері жеткілікті икемділік үшін салыстырмалы түрде төмен қысымда таза оттегімен қысымдалады. Ал АҚШ-та 1961 жылы Mercury, 1965 жылы Gemini және 1967 жылы Apollo ғарыш кемелері үшін таза оттегі атмосферасы пайдаланылды, бұл негізінен қысымды азайту ауруын болдырмау үшін. Меркурий 7559,04 м кабиналық биіктікті қолданды; Джемини 7833,36 м биіктікті қолданды; ал Аполлон 8229,60 м кеңістікті қолданды. Бұл жеңіл ғарыш кемесін жасауға мүмкіндік берді. Бұл мүмкін, өйткені 100% оттегіде, қанға жеткілікті мөлшерде оттегі жетеді, бұл астронавттардың қалыпты жұмыс істеуіне мүмкіндік береді. Ұшыру алдында қысым теңіз деңгейінен сәл жоғары ұсталып, Джемини үшін қоршаған ортадан жоғары, ал Аполлон үшін ұшыру кезінде теңіз деңгейінен жоғары болды, содан кейін кеңістік кабинасы биіктігіне өтті. Алайда, Аполлонның ұшыру алдындағы жоғары қысымды таза оттегі атмосферасы 1967 жылғы жердегі сынақ кезінде Аполлон 1 экипажының қазасына әкелген өрт қаупіне ықпал етті. Осыдан кейін NASA процедурасын өзгертті, ұшыру кезінде нөлдік кабина биіктігінде азот/оттегі қоспасын пайдаланды, бірақ кеңістіктегі төмен қысымды таза оттегі атмосферасын сақтап қалды. Аполлон бағдарламасынан кейін АҚШ Skylab үшін "74 процент оттегі және 26 процент азоттан тұратын тыныс алу қоспасын" және ғарыш кеңістігіндегі Space Shuttle және Халықаралық ғарыш станциясы үшін стандартты ауа сияқты кабина атмосферасын пайдаланды.

In airliners, cabin altitude during flight is kept above sea level in order to reduce stress on the pressurized part of the fuselage; this stress is proportional to the difference in pressure inside and outside the cabin. In a typical commercial passenger flight, the cabin altitude is programmed to rise gradually from the altitude of the airport of origin to a regulatory maximum of 2438.40 m. This cabin altitude is maintained while the aircraft is cruising at its maximum altitude and then reduced gradually during descent until the cabin pressure matches the ambient air pressure at the destination. Keeping the cabin altitude below 2438.40 m generally prevents significant hypoxia, altitude sickness, decompression sickness, and barotrauma. Federal Aviation Administration (FAA) regulations in the U. S. mandate that under normal operating conditions, the cabin altitude may not exceed this limit at the maximum operating altitude of the aircraft. This mandatory maximum cabin altitude does not eliminate all physiological problems; passengers with conditions such as pneumothorax are advised not to fly until fully healed, and people suffering from a cold or other infection may still experience pain in the ears and sinuses. The rate of change of cabin altitude strongly affects comfort as humans are sensitive to pressure changes in the inner ear and sinuses and this has to be managed carefully. Scuba divers flying within the "no fly" period after a dive are at risk of decompression sickness because the accumulated nitrogen in their bodies can form bubbles when exposed to reduced cabin pressure. The cabin altitude of the Boeing 767 is typically about 2133.60 m when cruising at 11277.60 m. This is typical for older jet airliners. A design goal for many, but not all, newer aircraft is to provide a lower cabin altitude than older designs. This can be beneficial for passenger comfort. For example, the Bombardier Global Express business jet can provide a cabin altitude of 1371.60 m when cruising at 12496.80 m. The Emivest SJ30 business jet can provide a sea level cabin altitude when cruising at 12496.80 m. Unreliable source: reason=domain on WP:BLACKLIST One study of eight flights in Airbus A380 aircraft found a median cabin pressure altitude of 1867.81 m, and 65 flights in Boeing 747 400 aircraft found a median cabin pressure altitude of 1572.46 m.

Before 1996, approximately 6,000 large commercial transport airplanes were assigned a type certificate to fly up to 13716.00 m without having to meet high altitude special conditions. In 1996, the FAA adopted Amendment 25 87, which imposed additional high altitude cabin pressure specifications for new type aircraft designs. Aircraft certified to operate above 7620.00 m "must be designed so that occupants will not be exposed to cabin pressure altitudes in excess of 4572.00 m after any probable failure condition in the pressurization system". In the event of a decompression that results from "any failure condition not shown to be extremely improbable", the plane must be designed such that occupants will not be exposed to a cabin altitude exceeding 7620.00 m for more than 2 minutes, nor to an altitude exceeding 12192.00 m at any time. Aircraft manufacturers can apply for a relaxation of this rule if the circumstances warrant it. In 2004, Airbus acquired an FAA exemption to allow the cabin altitude of the A380 to reach 13106.40 m in the event of a decompression incident and to exceed for one minute. This allows the A380 to operate at a higher altitude than other newly designed civilian aircraft. This requires a heavier space vehicle design, because the spacecraft cabin structure must withstand the stress of 14.7 pounds per square inch (1 atm, 1.01 bar) against the vacuum of space, and also because an inert nitrogen mass must be carried. Care must also be taken to avoid decompression sickness when cosmonauts perform extravehicular activity, as current soft space suits are pressurized with pure oxygen at relatively low pressure in order to provide reasonable flexibility. By contrast, the United States used a pure oxygen atmosphere for its 1961 Mercury, 1965 Gemini, and 1967 Apollo spacecraft, mainly in order to avoid decompression sickness. Mercury used a cabin altitude of 7559.04 m ; Gemini used an altitude of 7833.36 m ; and Apollo used 8229.60 m in space. This allowed for a lighter space vehicle design. This is possible because at 100% oxygen, enough oxygen gets to the bloodstream to allow astronauts to operate normally. Before launch, the pressure was kept at slightly higher than sea level at a constant above ambient for Gemini, and above sea level at launch for Apollo), and transitioned to the space cabin altitude during ascent. However, the high pressure pure oxygen atmosphere before launch proved to be a factor in a fatal fire hazard in Apollo, contributing to the deaths of the entire crew of Apollo 1 during a 1967 ground test. After this, NASA revised its procedure to use a nitrogen/oxygen mix at zero cabin altitude at launch, but kept the low pressure pure oxygen atmosphere at in space. After the Apollo program, the United States used "a 74 percent oxygen and 26 percent nitrogen breathing mixture" at for Skylab, and a standard air like cabin atmosphere for the Space Shuttle orbiter and the International Space Station.

Механика

Ауа өткізбейтін фюзеляж қысылған ауа көзі арқылы қысымға ие болады және қоршаған ортаны басқару жүйесі (ECS) арқылы басқарылады. Газ турбиналық қозғалтқыштың компрессор сатысынан алынатын қысылған ауа, қысымды қолдаудың ең көп таралған көзі; нақты саты қозғалтқыш түріне байланысты төменгі немесе орташа сатыдан немесе қосымша жоғары сатыдан алынады. Суық сыртқы ауа қан кету клапандарына жеткен кезде, ол шамамен градусқа дейін жылынады. Жоғары немесе төмен қан кету көздерін басқару және таңдау толық автоматты түрде жүзеге асырылады және ұшудың әртүрлі кезеңдеріндегі пневматикалық жүйелердің қажеттіліктерімен анықталады. Поршенді қозғалтқышты ұшақтарға қосымша компрессор қажет, оны оң жақтағы суретте қараңыз. ЭКС-ке бағытталған қысылған ауаның бөлігі кабиналық қысымға дейін кеңейтіліп, салқындатылады. Содан кейін, ыстық қысылған ауадан жылу алмастырғыш және ауа циклды машина арқылы, PAC (басым және ауа баптау) жүйесі деп аталатын жылу қосылып, қажетті температураға жетіледі. Кейбір ірі авиалайнерлерде, егер кабинаның бір бөлігі басқа бөліктерге қарағанда суық болса, кондиционерден келген ауаға ыстық ауа қосылуы мүмкін. Барлық ұшақтың пневматикалық жүйелерін қамтамасыз ету үшін кемінде екі қозғалтқыштан қысылған ауа алынады, бұл толық сенімділікті қамтамасыз етеді. Апат жағдайында және негізгі қозғалтқыштар іске қосылғанға дейін жерде кабинаға ауа беру үшін, егер орнатылған болса, қосалқы қуат блогынан (APU) да қысылған ауа алынады. Көптеген қазіргі заманғы коммерциялық ұшақтарда қысымды сақтау үшін толық сенімді, дубликатталған электронды басқару жүйелері бар, сонымен қатар қолмен басқару жүйесі де қарастырылған. Барлық шығарылатын ауа, әдетте фюзеляждың артқы бөлігінде орналасқан ағын клапаны арқылы атмосфераға шығарылады. Бұл клапан кабиналық қысымды басқарады және басқа қауіпсіздік клапандарымен қатар, қауіпсіздік клапаны ретінде де қызмет етеді. Автоматты қысымды реттегіштер істен шыққан жағдайда, ұшқыш резервтік авариялық процедура тізіміне сәйкес кабиналық қысым клапанын қолмен басқара алады. Автоматты басқарушы әдетте кабиналық қысымды тиісті биіктікте ұстап тұру үшін ағын клапанының орнын үнемі реттейді, бұл фюзеляждың максималды қысым айырмашылығы шегін аспайтын ең төменгі кабиналық биіктікті қамтамасыз етеді. Қысым айырмашылығы ұшақтардың түрлеріне байланысты өзгереді, әдеттегі мәндері аралығында. 11887,20 м биіктікте кабиналық қысым автоматты түрде шамамен 2103,12 м-де сақталады (Мексика қаласынан 137,16 м төмен), бұл атмосфералық қысымның шамамен бөлігін құрайды. Электрлік компрессорларды пайдалану қозғалтқыштардағы электр қуатын өндіру жүктемесін арттырады және энергияны берудің бірнеше кезеңдерін енгізеді; сондықтан бұл ұшақтың ауамен жұмыс істеу жүйесінің жалпы тиімділігін арттыра ма, жоқ па, әлі белгісіз. Дегенмен, олар кабинаның химиялық ластану қаупін жояды, қозғалтқыштың құрылымын жеңілдетеді, ұшақтың айналасында жоғары қысымды құбырларды жүргізу қажеттілігін болдырмайды және конструкциялық икемділікті арттырады.

An airtight fuselage is pressurized using a source of compressed air and controlled by an environmental control system (ECS). The most common source of compressed air for pressurization is bleed air from the compressor stage of a gas turbine engine; from a low or intermediate stage or an additional high stage, the exact stage depending on engine type. By the time the cold outside air has reached the bleed air valves, it has been heated to around The control and selection of high or low bleed sources is fully automatic and is governed by the needs of various pneumatic systems at various stages of flight. Piston engine aircraft require an additional compressor, see diagram right. The part of the bleed air that is directed to the ECS is then expanded to bring it to cabin pressure, which cools it. A final, suitable temperature is then achieved by adding back heat from the hot compressed air via a heat exchanger and air cycle machine known as a PAC (Pressurization and Air Conditioning) system. In some larger airliners, hot trim air can be added downstream of air conditioned air coming from the packs if it is needed to warm a section of the cabin that is colder than others. At least two engines provide compressed bleed air for all the plane's pneumatic systems, to provide full redundancy. Compressed air is also obtained from the auxiliary power unit (APU), if fitted, in the event of an emergency and for cabin air supply on the ground before the main engines are started. Most modern commercial aircraft today have fully redundant, duplicated electronic controllers for maintaining pressurization along with a manual back up control system. All exhaust air is dumped to atmosphere via an outflow valve, usually at the rear of the fuselage. This valve controls the cabin pressure and also acts as a safety relief valve, in addition to other safety relief valves. If the automatic pressure controllers fail, the pilot can manually control the cabin pressure valve, according to the backup emergency procedure checklist. The automatic controller normally maintains the proper cabin pressure altitude by constantly adjusting the outflow valve position so that the cabin altitude is as low as practical without exceeding the maximum pressure differential limit on the fuselage. The pressure differential varies between aircraft types, typical values are between and At 11887.20 m, the cabin pressure would be automatically maintained at about 2103.12 m, (137.16 m lower than Mexico City), which is about of atmosphere pressure. The use of electric compressors increases the electrical generation load on the engines and introduces a number of stages of energy transfer; therefore, it is unclear whether this increases the overall efficiency of the aircraft air handling system. They do, however, remove the danger of chemical contamination of the cabin, simplify engine design, avert the need to run high pressure pipework around the aircraft, and provide greater design flexibility.

Жоспарланбаған қысымды азайту

Ұшақ ішінде жоғары биікте немесе ғарышта қысымның жоспарланбаған жоғалуы сирек кездеседі, бірақ бірнеше өлімге әкелетін апаттарға соқтырды. Ақаулар ұшақ корпусының күрт, катастрофалық түрде бүтіндігін жоғалтудан (жарылыс декомпрессиясы) бастап, баяу ағып кетуге немесе кабина қысымын төмендетуге мүмкіндік беретін жабдықтың істен шығуына дейін алуан түрлі болуы мүмкін. 3048,00 метрден жоғары биікте кабина қысымының бұзылуы жағдайында, 2438,40 метрге немесе оған жақын биіктікке шұғыл түрде төмен түсу қажет, сонымен бірге ең төменгі сектор биіктігін (MSA) сақтап, әр орындыққа оттегі маскасын орнату керек. Оттегі жүйелері борттағы барлық адамдарға жеткілікті оттегімен қамтамасыз етеді және ұшқыштарға 2438,40 метрден төмен түсу үшін қажетті уақытты береді. Төтенше оттегісіз гипоксия естен шығуға және одан кейін ұшақтың бақылауын жоғалтуға әкелуі мүмкін. Қазіргі заманғы жолаушылар ұшақтарында пилоттарға ұшақты қауіпті биіктікке жеткізу үшін қосымша уақыт беретін, қысыммен жабдықталған таза оттегі баллоны бар. Есте сақтау қабілетінің уақыты биіктікке байланысты өзгереді. Қысым төмендеген кезде кабинадағы ауа температурасы да сыртқы температураға дейін күрт төмендеп, гипотермия немесе мұздану қаупі туындауы мүмкін. Егер ұшақтар қауіпті биіктікке 30 минут ішінде жетуге мүмкіндік бермейтін жер үстінен ұшуға мәжбүр болса, қысымды оттегі баллондары міндетті болып табылады, өйткені көптеген ұшақтарға орнатылған химиялық оттегі генераторлары жеткілікті оттегімен қамтамасыз ете алмайды. Әскери ұшқыштардағы кабинаның кішкентай көлемі декомпрессияның өте жылдам болатынын және ұшқышқа оттегі маскасын киюге уақыт қалдырмайтынын білдіреді. Сондықтан, әскери ұшқыштар мен экипаж мүшелері әрдайым оттегі маскаларын киюге міндетті. 1971 жылдың 30 маусымында "Союз-11" экипажының мүшелері – совет ғарышкерлері Георгий Добровольский, Владислав Волков және Виктор Пацаев атмосфераға қайта кіруден бұрын кабинадағы желдеткіш клапанының кездейсоқ ашылуы салдарынан қаза тапты.