Герметизация салона самолета: принципы и эволюция

Введение

Процесс поддержания внутреннего давления воздуха в самолете.

Герметизация кабины — это процесс, при котором кондиционированный воздух подается в кабину самолета или космического корабля для создания безопасной и комфортной среды для людей, совершающих полеты на больших высотах. В самолетах этот воздух обычно отбирается от газотурбинных двигателей на ступени компрессора, а в космических аппаратах хранится в резервуарах высокого давления, часто криогенных. Воздух охлаждается, увлажняется и смешивается с рециркулированным воздухом одной или несколькими системами управления окружающей средой перед подачей в кабину. Первые экспериментальные системы герметизации использовались в 1920-х и 1930-х годах. В 1940-х годах в эксплуатацию поступил первый коммерческий самолет с герметичной кабиной. Эта практика получила широкое распространение десятилетие спустя, особенно с появлением британского реактивного лайнера de Havilland Comet в 1949 году. Однако две катастрофические аварии в 1954 году привели к временной приостановке эксплуатации Comet во всем мире. Причины были установлены в результате расследования и оказались связаны с сочетанием прогрессирующей усталости металла и напряжений обшивки самолета, вызванных герметизацией. Для повышения комфорта пассажиров несколько современных авиалайнеров, таких как Boeing 787 Dreamliner и Airbus A350 XWB, имеют пониженную высоту рабочей кабины и повышенный уровень влажности; использование композитных фюзеляжей способствовало внедрению таких практик, направленных на максимальный комфорт.

Высота кабины

Давление внутри кабины технически называется эквивалентной эффективной высотой кабины или, чаще, просто высотой кабины. Она определяется как эквивалентная высота над средним уровнем моря, при которой атмосферное давление соответствует давлению согласно стандартной атмосферной модели, например, Международной стандартной атмосфере. Таким образом, высота кабины, равная нулю, соответствует давлению на среднем уровне моря, который принимается равным .

Самолет

В авиалайнерах высота кабины во время полета поддерживается выше уровня моря для снижения нагрузки на герметичную часть фюзеляжа; эта нагрузка пропорциональна разнице давления внутри и снаружи кабины. В типичном коммерческом пассажирском рейсе высота кабины запрограммирована на постепенное повышение от высоты аэропорта вылета до нормативного максимума 2438,40 м. Эта высота кабины поддерживается, пока самолет совершает крейсерский полет на максимальной высоте, а затем постепенно снижается во время снижения, пока давление в кабине не сравняется с атмосферным давлением в пункте назначения. Поддержание высоты кабины ниже 2438,40 м обычно предотвращает значительную гипоксию, горную болезнь, декомпрессионную болезнь и баротравму. Правила Федерального управления гражданской авиации (FAA) в США предписывают, что при нормальных условиях эксплуатации высота кабины не может превышать этот предел на максимальной эксплуатационной высоте самолета. Этот обязательный максимальный предел высоты в кабине не устраняет все физиологические проблемы; пассажирам с такими состояниями, как пневмоторакс, рекомендуется не летать до полного выздоровления, а люди, страдающие простудой или другой инфекцией, все еще могут испытывать боль в ушах и пазухах. Скорость изменения высоты кабины сильно влияет на комфорт, поскольку люди чувствительны к изменениям давления во внутреннем ухе и пазухах, и этим необходимо тщательно управлять. Водолазы, летающие в течение периода запрета на полеты после погружения, подвергаются риску декомпрессионной болезни, поскольку накопленный в их организме азот может образовывать пузырьки при воздействии пониженного давления в кабине. Высота кабины Boeing 767 обычно составляет около 2133,60 м при крейсерской скорости на высоте 11277,60 м. Это типично для старых реактивных авиалайнеров. Конструктивная цель для многих, но не всех, новых самолетов – обеспечить более низкую высоту кабины, чем у старых моделей. Это может быть полезно для комфорта пассажиров. Например, бизнес-джет Bombardier Global Express может обеспечить высоту кабины 1371,60 м при крейсерской скорости на высоте 12496,80 м. Бизнес-джет Emivest SJ30 может обеспечить высоту кабины на уровне моря при крейсерской скорости на высоте 12496,80 м. Ненадежный источник: причина=домен в WP:BLACKLIST. Одно исследование восьми рейсов на самолетах Airbus A380 показало медианную высоту давления в кабине 1867,81 м, а 65 рейсов на самолетах Boeing 747-400 – медианную высоту давления в кабине 1572,46 м. До 1996 года примерно 6000 крупных коммерческих транспортных самолетов получили сертификат типа для полетов до 13716,00 м без необходимости соответствовать специальным требованиям для больших высот. В 1996 году FAA приняла поправку 25.87, которая ввела дополнительные спецификации давления в кабине для новых типов самолетов на больших высотах. Самолеты, сертифицированные для эксплуатации на высоте выше 7620,00 м, "должны быть спроектированы таким образом, чтобы пассажиры не подвергались воздействию высоты в кабине, превышающей 4572,00 м, после любого вероятного отказа системы наддува". В случае декомпрессии, вызванной "любой неисправностью, вероятность которой не является крайне низкой", самолет должен быть спроектирован таким образом, чтобы пассажиры не подвергались воздействию высоты в кабине, превышающей 7620,00 м, в течение более 2 минут, и высоты, превышающей 12192,00 м, в любое время. Производители воздушных судов могут подать заявку на смягчение этого правила, если это оправдано обстоятельствами. В 2004 году Airbus получила освобождение от FAA, позволяющее высоте кабины A380 достигать 13106,40 м в случае декомпрессионного происшествия и превышать ее на одну минуту. Это позволяет A380 работать на большей высоте, чем другие недавно разработанные гражданские самолеты. Это требует более тяжелой конструкции космического аппарата, поскольку конструкция кабины космического аппарата должна выдерживать напряжение в 14,7 фунтов на квадратный дюйм (1 атм, 1,01 бар) против вакуума космоса, а также потому, что необходимо нести массу инертного азота. Также необходимо избегать декомпрессионной болезни, когда космонавты выполняют внекорабельную деятельность, поскольку современные мягкие скафандры находятся под давлением чистым кислородом при относительно низком давлении, чтобы обеспечить разумную гибкость. Напротив, Соединенные Штаты использовали атмосферу чистого кислорода для своих космических аппаратов Mercury 1961 года, Gemini 1965 года и Apollo 1967 года, главным образом для предотвращения декомпрессионной болезни. Mercury использовал высоту кабины 7559,04 м; Gemini – высоту 7833,36 м; а Apollo – 8229,60 м в космосе. Это позволило создать более легкую конструкцию космического аппарата. Это возможно, потому что при 100% кислороде в кровь поступает достаточно кислорода для нормальной работы астронавтов. Перед запуском давление поддерживалось немного выше уровня моря, на постоянной величине выше атмосферного для Gemini, и выше уровня моря при запуске для Apollo, а затем переходило на высоту кабины в космосе во время набора высоты. Однако атмосфера чистого кислорода под высоким давлением перед запуском оказалась фактором риска возникновения пожара в Apollo, что способствовало гибели всего экипажа Apollo 1 во время наземных испытаний в 1967 году. После этого NASA пересмотрела свою процедуру, чтобы использовать смесь азота и кислорода при нулевой высоте кабины при запуске, но сохранила атмосферу чистого кислорода под низким давлением на высоте в космосе. После программы Apollo Соединенные Штаты использовали "дыхательную смесь, состоящую из 74 процентов кислорода и 26 процентов азота" на Skylab, и атмосферу, подобную обычной, для орбитального аппарата Space Shuttle и Международной космической станции.

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

Негерметичный фюзеляж герметизируется с помощью источника сжатого воздуха и контролируется системой управления окружающей средой (ECS). Наиболее распространенным источником сжатого воздуха для поддержания давления является отбор воздуха из ступени компрессора газотурбинного двигателя – из низкой или промежуточной ступени, либо из дополнительной высокой ступени, точная ступень зависит от типа двигателя. К моменту достижения отборных клапанов, холодный наружный воздух нагревается примерно до . Контроль и выбор источников отбора воздуха высокого или низкого давления полностью автоматизированы и определяются потребностями различных пневматических систем на разных этапах полета. Самолетам с поршневыми двигателями требуется дополнительный компрессор, см. схему справа. Часть отбираемого воздуха, направляемая в ECS, затем расширяется для снижения его давления до давления в кабине, что приводит к его охлаждению. Окончательная, подходящая температура достигается путем добавления тепла от горячего сжатого воздуха через теплообменник и машину воздушного цикла, известную как система PAC (нагнетания и кондиционирования воздуха). В некоторых больших авиалайнерах горячий воздух может добавляться ниже по потоку от кондиционированного воздуха, поступающего из блоков PAC, если необходимо обогреть более холодную часть кабины. Для обеспечения полной резервности, сжатый воздух для всех пневматических систем самолета обеспечивается как минимум двумя двигателями. Сжатый воздух также может поступать от вспомогательной силовой установки (APU), если она установлена, в случае аварии и для подачи воздуха в кабину на земле до запуска основных двигателей. Большинство современных коммерческих самолетов оснащены полностью резервированными, дублированными электронными контроллерами для поддержания герметизации, а также ручной системой резервного управления. Весь отработанный воздух выбрасывается в атмосферу через выпускной клапан, обычно расположенный в хвостовой части фюзеляжа. Этот клапан регулирует давление в кабине и также служит предохранительным клапаном, в дополнение к другим предохранительным клапанам. В случае отказа автоматических регуляторов давления, пилот может вручную управлять клапаном давления в кабине, следуя контрольному списку резервных аварийных процедур. Автоматический контроллер обычно поддерживает надлежащую высоту давления в кабине, постоянно регулируя положение выпускного клапана, чтобы высота в кабине была максимально низкой, насколько это практически возможно, не превышая максимального предела перепада давления на фюзеляже. Перепад давления варьируется в зависимости от типа самолета, типичные значения находятся между и . На высоте 11887,20 м, давление в кабине автоматически поддерживается примерно на уровне 2103,12 м (на 137,16 м ниже, чем в Мехико), что составляет примерно атмосферного давления. Использование электрических компрессоров увеличивает нагрузку на электрогенераторы двигателей и вводит ряд этапов передачи энергии; поэтому неясно, повышает ли это общую эффективность системы обработки воздуха самолета. Однако они устраняют опасность химического загрязнения кабины, упрощают конструкцию двигателя, исключают необходимость прокладки трубопроводов высокого давления по всему самолету и обеспечивают большую гибкость конструкции.

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.

Непланированная декомпрессия

Непредвиденная потеря давления в кабине на высоте или в космосе случается редко, но привела к ряду трагических авиационных происшествий. Причины могут варьироваться от внезапной, катастрофической потери герметичности фюзеляжа (взрывной декомпрессии) до медленных утечек или неисправностей оборудования, приводящих к снижению давления в кабине. Любая потеря герметизации на высоте более 3048,00 м требует немедленного аварийного снижения до 2438,40 м или ближайшей к ней высоты, с соблюдением минимальной безопасной высоты для данного сектора (MSA), и использования кислородных масок для каждого пассажира. Кислородные системы обеспечивают достаточный запас кислорода для всех находящихся на борту и дают пилотам достаточно времени для снижения ниже 2438,40 м. Без подачи аварийного кислорода гипоксия может привести к потере сознания и, как следствие, к потере управления самолетом. В современных авиалайнерах в кабине пилотов установлен баллон с чистым кислородом под давлением, что дает пилотам больше времени для вывода самолета на безопасную высоту. Время сохранения работоспособности сознания зависит от высоты. С падением давления температура воздуха в кабине также может резко снизиться до температуры окружающей среды, что создает опасность переохлаждения или обморожения. Для авиалайнеров, которым необходимо летать над местностью, где достижение безопасной высоты занимает более 30 минут, обязательным является использование баллонов с кислородом под давлением, поскольку химические генераторы кислорода, установленные на большинстве самолетов, не обеспечивают достаточного запаса. В кабинах реактивных истребителей небольшие размеры означают, что любая декомпрессия произойдет очень быстро и не даст пилоту времени надеть кислородную маску. Поэтому пилоты и экипаж истребителей обязаны постоянно использовать кислородные маски. 30 июня 1971 года экипаж космического корабля "Союз-11", советские космонавты Георгий Добровольский, Владислав Волков и Виктор Пацаев, погибли после случайного открытия вентиляционного клапана кабины перед входом в атмосферу.