Войти
Фюзеляж авиалайнера, такой как этот Boeing 737, образует цилиндрический сосуд высокого давления Герметизация кабины - это процесс, при котором кондиционированный воздух закачивается в кабину самолет или космический корабль, чтобы создать безопасные условия для пассажиров и экипажа, летящих на большой высоте. Для самолетов этот воздух обычно отводится из газотурбинных двигателей на ступени компрессора, а для космических аппаратов он переносится в условиях высокого давления, часто криогенных танки. Воздух охлаждается, увлажняется и при необходимости смешивается с рециркуляционным воздухом, прежде чем он будет подан в кабину одной или системой системы контроля окружающей среды. Давление в кабине регулируется сливным клапаном.
В то время как первые экспериментальные системы наддува использовались в 1920-х и 1930-х годах, только в 1938 году был выпущен Boeing 307 Stratoliner, первый коммерческий самолет, оснащенный герметичной кабиной. введен. Эта практика получила широкое распространение через десять лет, особенно с появлением в 1949 г. британского de Havilland Comet, первого в мире реактивного лайнера. Первоначально две катастрофические неудачи в 1954 году временно остановили мировой флот; Причиной оказалось сочетание прогрессирующей усталости металла и напряжения обшивки самолета, которые использовались в авиационных инженерах в то время лишь ограниченное представление. Ключевые инженерные принципы, извлеченные из кометы, были применены непосредственно к конструкции всех реактивных авиалайнеров, таких как Boeing 707.
. Некоторые самолеты имели необычные сценарии повышения давления. Сверхзвуковой авиалайнер Concorde имел особенно высокое перепад давления из-за полета на необычно большой высоте (до 60000 футов (18000 м) при сохранении высоты кабины 6000 футов (1800 м). Это не только увеличилось <Инцидент рейса 243 авиакомпании Aloha Airlines, связанной с Боинг 737, используются для снижения скорости декомпрессии в случае сброса давления. -200, который потерпел катастрофическое повреждение кабины в полете, в первую очередь вызвано его продолжающейся эксплуатацией, несмотря на то, что он набрал в два раза больше полетных циклов, чем рассчитан на планер. такие как Boeing 787 Dreamliner и Airbus A350 XWB, отличаются меньшей высотой полета в кабине, а также более высоким уровнем энергии; использование ком позитного материала планерам есть помощь потребовал принятия методов максимального комфорта.
Органы управления герметизацией на самолете Боинг 737-800 Необходимость герметизации становится все более необходимой на высотах выше 10 000 футов (3000 м) над уровнем моря для защиты экипажа и пассажиров от риска ряда физиологических проблем, вызванных низким давлением наружного воздуха на этой высоте. Для частных самолетов, выполняющих полеты в США, члены экипажа должны использовать кабины давления, если высота в кабине давления, см. Ниже) остается выше 12500 футов в течение более 30 минут. 14 000 футов в любое время. На высоте более 15 000 футов пассажирам также быть предоставлены кислородные маски. На коммерческих самолетах высота в салоне должна быть не более 8 000 футов (2400 м). Герметизация грузового отсека также требуется для повреждений чувствительных к давлению товаров, которые могут протечь, расшириться, лопнуть или раздавиться при повторном повышении давления. Ниже представлены основные физиологические проблемы.
Пустой баллон, запечатанный на 11000 м (37000 высоты футов), раздавливается при спуске на уровень моря, по с баллоном в исходном состоянии. Давление внутри кабины технически называется эквивалентной высотой кабины, чаще, высота кабины. Это определяется как эквивалентная высота над средним уровнем моря, имеющая такое же атмосферное давление в соответствии со стандартной атмосферной атмосферой, такой как Международная стандартная атмосфера. Таким образом, высота кабины, равная нулю, будет иметь давление, найденное на среднем уровне моря, которое принимается равным 101,325 кПа (14,696 фунтов на квадратный дюйм).
В авиалайнерах, высота кабины во время полета над уровнем моря для уменьшения нагрузки на герметичную часть фюзеляжа ; это напряжение пропорционально разнице давления внутри и снаружи кабины. На типичном коммерческом пассажирском рейсе высота в салоне запрограммирована на контролируемый рост от высоты аэропорта отправления до нормативного максимума 8000 футов (2400 м). Эта высота кабины сохраняется, пока самолет летит на максимальной высоте, постепенно снижается во время снижения до тех, пока давление в кабине не будет соответствовать давлению окружающего воздуха в заданном назначении.
Сохранение высоты в кабине ниже 8000 футов (2400 м) обычно предотвращает значительную гипоксию, высотную болезнь, декомпрессионную болезнь и баротравму. Федеральное управление гражданской авиации (FAA) правила США требуют, чтобы при нормальных условиях эксплуатации высота кабины не превышала этот предел на максимальной высоте полета самолета. Эта обязательная максимальная высота кабины не устраняет всех физиологических проблем; пассажирам с такими заболеваниями, как пневмоторакс, рекомендуется не летать до полного выздоровления, а люди, страдающие от простуды или другой инфекции, могут по-прежнему испытывать боль в ушах и носовых пазухах. Скорость изменения кабины сильно влияет на комфорт, поскольку люди чувствительны к изменениям давления в внутреннем ухе и носовых пазухах, и с нужно обращаться осторожно. Аквалангисты, совершенные полеты в период запрета полетов после погружения, подвержены риску декомпрессионной болезни, поскольку накопленный в их телах азот может образовывать пузырьки при пониженном давлении в кабине.
Высота салона Боинг 767 составляет около 7000 футов (2100 м) при крейсерском движении на высоте 37000 футов (11000 м). Это типично для старых реактивных авиалайнеров. Конструктивная цель многих, но не всех, новых самолетов в том, чтобы обеспечить меньшую высоту салона, чем старые конструкции. Это может быть полезно для комфорта пассажиров. Например, бизнес-джет Bombardier Global Express может обеспечить высоту кабины до 4 500 футов (1400 м) при крейсерской высоте 41 000 футов (12 000 м). Бизнес-джет Emivest SJ30 может обеспечить высоту салона на уровне моря при крейсерской высоте 41 000 футов (12 000 м). Одно исследование восьми полетов на самолетах Airbus A380 показало, что средняя барометрическая высота в кабине составляет 6128 футов (1868 м), а 65 полетов на самолетах Boeing 747-400 показала среднюю высоту давления в кабине. кабине. 5 159 футов (1 572 м).
До 1996 года 6000 коммерческих транспортных самолетов примерно сертификат типа на полеты на высоту до 45 000 футов (14 000 м) без необходимости выполнения особых высотных условий. В 1996 году FAA приняло поправку 25-87, которая ввела дополнительные требования к давлению в кабине на большой высоте для новых типов самолетов. Самолет, сертифицированный для полетов на высоте более 25 000 футов (7600 м), должен быть спроектирован таким образом, чтобы находящиеся в кабине люди не подвергались воздействию избыточного давления в кабине на высоте более 15 000 футов (4600 м) после любого возможного отказа в кабине. системе наддува ». В случае декомпрессии, которая возникает из-за «каких-либо условий, которые не работают маловероятным», самолет должен быть спроектирован таким образом, чтобы находящиеся в кабине люди не подвергались воздействию высоты над уровнем моря, превышающей 25 000 футов (7600 м), в течение более 2 минут. ни на высоту более 40 000 футов (12 000 м) в любое время. На практике эта новая поправка Федеральных авиационных правил устанавливает эксплуатационный потолок в 40 000 футов (12 000 м) для распространения недавно разработанных коммерческих самолетов. Производители самолетов могут ходатайствовать об ослаблении этого правила, если того требуют обстоятельства. В 2004 году Airbus получил освобождение от FAA, чтобы разрешить высоту кабины A380 достиг 43 000 футов (13 000 м) в случае декомпрессионного происшествия и превышения 40 000 футов (12 000 м) в течение одной минуты. Это позволяет A380 работать на большей высоте, чем другие недавно разработанные гражданские самолеты.
Российские инженеры использовали воздухоподобную смесь азота и кислорода, поддерживаемую в кабине на высоте, близкой к нулю. все время, в их 1961 Восток, 1964 Восход и 1967, чтобы представить Союз космический корабль. Это требует более тяжелой конструкции космического корабля, потому что конструкция кабины космического корабля должна выдерживать нагрузку 14,7 фунтов на квадратный дюйм (1 бар) против космического вакуума, а также потому, что необходимо нести инертную массу азота. Также необходимо проявлять осторожность, чтобы избежать декомпрессионной болезни, когда космонавты выполняет внекорабельной деятельности, поскольку нынешний мягкие космические костюмы наполняется чистый кислород при относительно низкого давления, чтобы обеспечивает разумным гибкость.
Напротив, Соединенные Штаты использовали атмосферу чистого кислорода для своих кораблей 1961 Mercury, 1965 Gemini и 1967 Apollo, в основном во избежание декомпрессионной болезни. Меркурий высоты кабины 24 800 футов (7600 м) (5,5 фунтов на квадратный дюйм (0,38 бара)); Близнецы использовали высоту 25 700 футов (7800 м) (5,3 фунта на квадратный дюйм (0,37 бара)); и Apollo использовали 27 000 футов (8 200 м) (5,0 фунтов на квадратный дюйм (0,34 бара)) в космосе. Это предлагает создать более легкий космический аппарат. Это возможно, потому что при 100% содержании кислорода в кровоток попадает достаточно кислорода, чтобы астронавты могли нормально работать. Перед запуском давление поддерживалось на уровне выше уровня моря на постоянном уровне 5,3 фунта на квадратный дюйм (0,37 бара) над окружающей средой для Близнецов и 2 фунта на квадратный дюйм (0,14 бара) над уровнем моря при запуске для Аполлона), и было переведено на высоту космической кабины. во время восхождения. Однако атмосфера чистого кислорода под высоким давлением оказалась смертельной опасностью пожара на Аполлоне, что произошло к гибели всего экипажа Аполлона-1 во время наземных испытаний 1967 года. После этого НАСА пересмотрело свою власть, чтобы использовать смесь азота и кислорода на нулевой высоте кабины при запуске, но сохранило атмосферу чистого кислорода низкого давления на уровне 5 фунтов на квадратный дюйм (0,34 бар) в космосе.
После программы Apollo Соединенные Штаты использовали стандартные воздухеры кабины, похожие на Skylab, орбитальный корабль Space Shuttle и International Space Станция.
Герметизация достигается с помощью счетной конструкции герметичного фюзеляжа, спроектированного для создания давления с источником сжатого воздуха и контролируемого системой контроля окружающей среды (ECS). Наиболее распространенный сжатого воздуха для повышения давления является отбираемый воздух, отводимый из ступени компрессора газотурбинного двигателя, из нижней или средней ступени, а также из средней высокой ступени; точная стадия может меняться в зависимости от типа двигателя. К тому времени, когда холодный наружный воздух достигает клапанов стравливающего воздуха, он находится под очень высоким давлением и нагревается примерно до 200 ° C (392 ° F ). Управление и выбор источников высокого или низкого давления полностью автоматизированы и регулируются использованием различных пневматических систем на различных этапах полета.
Часть отбираемого воздуха, которая направляется в ECS, затем расширяется. довести его до давления в кабине, которое охлаждает его. Затем достигается предварительная температура путем добавления обратного тепла от горячего сжатого воздуха через теплообменник и машину с воздушным циклом, известную как систему PAC (наддува и кондиционирования воздуха). В некоторых более крупных авиалайнерах горячий воздух для отделки салона может быть добавлен после кондиционированного воздуха, поступающего из пакетов, если он необходим для обогрева более холодной части салона, чем другие.
Выпускной и предохранительный клапан на Боинг 737-800 По крайней мере два двигателя обеспечивают сжатый отбираемый воздух для всех пневматических систем самолета, чтобы обеспечить полное резервирование. Сжатый воздух также поступает от вспомогательной силовой установки (APU), если таковая имеется, в случае аварии и для подачи воздуха в кабину на земле перед запуском основных двигателей. Большинство современных коммерческих самолетов сегодня имеют полностью дублированные электронные контроллеры для поддержания давления вместе с ручной резервной системой управления.
Весь отработанный воздух сбрасывается в атмосферу через выпускной клапан, обычно в задней части фюзеляжа. Этот клапан регулирует давление в кабине, а также действует как предохранительный клапан в дополнение к другим предохранительным клапанам. Если автоматические регуляторы давления выходят из строя, пилот может вручную управлять клапаном давления в кабине в соответствии с контрольным списком резервных аварийных процедур. Автоматический контроллер обычно поддерживает надлежащую высоту давления в кабине, постоянно регулируя положение выпускного клапана так, чтобы высота кабины была как можно меньше, без превышения максимального предела перепада давления на фюзеляже. Перепад давления варьируется в зависимости от типа самолета, типичные значения составляют от 540 гПа (7,8 фунт / кв. Дюйм ) до 650 гПа (9,4 фунт / кв. Дюйм ). На высоте 39000 футов (12000 м) давление в кабине будет автоматически поддерживаться на уровне примерно 6900 футов (2100 м) (на 450 футов (140 м) ниже, чем в Мехико), что составляет около 790 гПа (11,5 фунтов на квадратный дюйм) атмосферного давления.
На некоторых самолетах, таких как Boeing 787 Dreamliner, повторно используются электрические компрессоры, которые ранее использовались на авиалайнерах с поршневыми двигателями для обеспечения наддува. Использование электрических компрессоров увеличивает электрическую нагрузку на двигатели и вводит ряд ступеней передачи энергии; поэтому неясно, увеличивает ли это общую эффективность системы обработки воздуха самолета. Однако это устраняет опасность химического загрязнения кабины, упрощает конструкцию двигателя, устраняет необходимость прокладки трубопроводов высокого давления вокруг самолета и обеспечивает большую гибкость конструкции.
Раскрытие кислородной маски пассажира Незапланированная потеря давления в кабине на высоте / в космосе случается редко, но приводит к количеству несчастных случаев со смертельным исходом. Отказы варьируются от внезапной катастрофической потери целостности планера (взрывная декомпрессия) до медленных утечек или неисправностей оборудования, которые приводят к падению давления в кабине.
Любой отказ наддува кабины на высоте более 10000 футов (3000 м) требует экстренного спуска на высоту 8000 футов (2400 м) или ближайшуюк этому при сохранении минимальной безопасной высоты (MSA) и развертывание кислородная маска на каждое сиденье. Кислородные системы имеют достаточно кислорода для всех на борту и дают достаточно времени для снижения до высоты ниже 8000 футов (2400 м). Без аварийной подачи кислорода гипоксия может привести к предыдущей истории сознания и потере управления самолетом. Современные авиалайнеры включают в себя баллон с чистым кислородом под давлением в кабине, что дает пилотам больше времени, чтобы вывести самолет на безопасную высоту. время полезного сознания меняется в зависимости от высоты. При падении давления температура воздуха в салоне также может упасть до температуры наружного воздуха с опасностью переохлаждения или обморожения.
. Для авиалайнеров, которым необходимо летать на местности, которая не позволяет достичь безопасного на высоте не менее 30 минут, наличие баллонов с кислородом под давлением является обязательным, поскольку химические генераторы кислорода, установленные на большинстве самолетов, не могут обеспечить достаточное количество количество кислорода.
В самолете реактивный истребитель небольшой размер кабины означает, что любая декомпрессия будет очень быстрой и не позволит пилоту надеть кислородную маску.. Таким образом, летчики истребителей и экипажи обязаны носить кислородные маски постоянно.
30 июня 1971 г. экипаж Союза 11, советские космонавты Георгий Добровольский, Владислав Волков и Виктор Пацаев были убиты после того, как вентиляционный клапан кабины случайно открылся перед входом в атмосферу.
Самолет с первой герметичной кабиной кабины:
В конце 1910-х годов предпринимались достижения достижения все больших и больших высот. В 1920 году летчик-испытатель лейтенант Джон А. Макреди впервые совершил полеты на расстояние более 37000 футов (11000 м) на биплане Packard-Le Père LUSAC-11 на высоте Маккук Филд в Дейтоне, Огайо. Последний раз был использован в закрытом кабину, а не в кислородную маску. С этой системой полеты на высоте около 40 000 футов (12 000 м) были возможны, но из-за атмосферного давления на этой высоте сердце пилота заметно увеличилось, и многие пилоты сообщали о проблемах со здоровьем от таких полетов на большой высоте. На некоторых ранних авиалайнерах были воздушные маски для пассажиров на обычных рейсах.
В 1921 году разведывательный биплан Wright-Dayton USD-9A был модифицирован с добавлением полностью закрытой герметичной камеры, в которой можно было нагнетать воздух с помощью внешних турбин. В камере был люк диаметром всего 22 дюйма (0,56 м), который должен быть опломбирован пилотом на высоте 3000 футов (910 м). В камере было только один прибор, высотомер, в то время как все обычные приборы кабины были установлены вне камеры, что видно через пять небольших иллюминаторов. Первую попытку управлять самолетом снова предпринял лейтенант Джон А. Маккриди, обнаружил, что турбина нагнетает воздух в камеру быстрее, чем предусмотренный для этого небольшой выпускной клапан может его выпустить. В камере в камере быстро возникло избыточное давление, и полет был прекращен. От второй попытки сделать попытку, когда пилот установите на высоте 3000 футов (910 м), что он слишком мал, чтобы закрыть люк камеры. Первый успешный полет наконец совершил летчик-испытатель лейтенант Харролд Харрис, что сделало его первым в мире полетом на герметичном самолете.
Первым авиалайнером с герметичной кабиной стал Boeing 307 Stratoliner, построенный в 1938 году, до Второй мировой войны, хотя было выпущено всего десять. В 307-м «отсек высокого давления находился от носовой части самолета до переборки давления в кормовой части прямо перед горизонтальным стабилизатором».
Летающий шлем времен Второй мировой войны и кислородная маска Мировая война II стал катализатором развития самолетов. Первоначально поршневые самолеты времен Второй мировой войны, хотя они часто летали на очень больших высотах, не находились под давлением и полагались на кислородные маски. Боинг B-29 Superfortress стал непрактичным с герметизацией кабины (хотя и ограниченным зонами экипажа), бомбардировщиков, которые были перемещены по кабине. Система управления для этого бюджетного бюджета Производственная компания Garrett AiResearch частично опирается на лицензию на патенты, принадлежащие Boeing для Stratoliner.
Послевоенные поршневые авиалайнеры, такие как Lockheed Constellation (1943 г.) распространил эту технологию на гражданскую службу. В авиалайнерах с поршневыми двигателями обычно использовались электрические компрессоры для сжатым воздухом в салоне. Наддув двигателя и герметизация кабины позволили самолетам, таким как Douglas DC-6, Douglas DC-7 и Constellation, получить сертифицированные служебные потолки от 24000 футов (7300 м) до 28400 футов. (8700 м). Проектирование герметичного фюзеляжа для работы в таком диапазоне высот было в пределах инженерных и металлургических знаний того времени. Внедрение реактивных авиалайнеров потребовало значительного увеличения крейсерских высот до диапазона 30 000–41 000 футов (9 100–12 500 м), где реактивные двигатели более экономичны. Такое увеличение крейсерской высоты потребовало более тщательного проектирования фюзеляжа, и вначале не все инженерные проблемы были полностью поняты.
Первым в мире коммерческим реактивным авиалайнером стал британский de Havilland Comet (1949 г.), спроектированный с расчетным потолком 36 000 футов (11 000 м). Это был первый случай, когда герметичный фюзеляж большого диаметра с окнами был построен и летал на такой высоте. Первоначально проект был очень успешным, но две катастрофические поломки планера в 1954 году привели к полной потере самолета, и экипажа, которые на тот момент составляли весь мировой парк реактивных авиалайнеров. Обширное исследование и новаторский технический анализ обломков привести к ряду очень значительных технических достижений, которые решили основные конструкции герметичного фюзеляжа на высоте. Критическая проблема сочетания неадекватного эффекта восприятия прогрессирующей усталости металла, когда фюзеляж подвергается повторяющимся циклам напряжений, в сочетании с непониманием того, как напряжения обшивки самолета перераспределяются вокруг отверстий в фюзеляже, таких как окна и отверстия для заклепок.
Критические инженерные принципы, касающиеся усталости металла, извлеченные из программы Комета 1, были применены непосредственно к конструкции Боинг 707 (1957) и всех реактивных авиалайнеров. Например, были введены подробные процессы регулярного осмотра, в дополнение к тщательному визуальному осмотру внешней оболочки, операторы обычно выполняются обязательный отбор проб конструкций; необходимость осматривать участки, которые трудно увидеть невооруженным глазом, привела к широкому распространению рентгенографии в авиации; это также имело то преимущество, что обнаруживало слишком мелкие трещины и дефекты, чтобы их было увидеть иначе. Еще одно катастрофическое состояние с кометами - овальные окна на реактивном авиалайнере; Металлические усталостные трещины, разрушившие Кометы, вызваны углами малого радиуса на почти квадратных окнах Кометы 1. Фюзеляж Comet был модернизирован, а Comet 4 (1958 г.) стал успешным авиалайнером, первопроходцем в области трансатлантических реактивных двигателей, но программа так и не оправилась от этих бедствий и была заменена Боинг 707.
Даже после катастрофы «Кометой» произошло несколько отказов от усталости, связанных с повышением давления в кабине. Пожалуй, наиболее ярким примером был рейс Aloha Airlines, рейс 243, с участием Боинг 737-200. В данном случае основная причина продолжалась эксплуатация конкретного самолета, несмотря на то, что до аварии он налетал 35 496 часов, из них более 89 680 летных циклов (взлет и посадка) из-за его использования на коротких рейсах; это более чем в два раза превышало количество циклов полета, на которое рассчитан планер. Aloha 243 смог приземлиться, несмотря на значительный ущерб, нанесенный декомпрессией, в результате которого один член бортпроводника погибшего; инцидент имел далеко идущие последствия для политики безопасности полетов и привел к изменениям в правилах эксплуатации.
Сверхзвуковому авиалайнеру Concorde пришлось столкнуться с особенно высокими перепадами давления, поскольку он летел на необычно большой высоте (до 60 000 футов (18 000 м)) и поддерживал высоту кабины на 6 000 футов ( 1800 м). Несмотря на это, высота его кабины намеренно поддерживалась на уровне 6000 футов (1800 м). Эта комбинация, хотя и обеспечила повышенный комфорт, потребовала сделать Concorde значительно более тяжелым самолетом, что, в свою очередь, привело к высокой стоимости полета. Необычно, что Concorde был снабжен окнами кабины меньшего размера, чем у других коммерческих пассажирских самолетов, чтобы снизить скорость декомпрессии в случае выхода из строя оконного уплотнения. Большая крейсерская высота также потребовала использования кислорода под высоким давлением и клапанов потребления на аварийных масках, в отличие от масок с непрерывным потоком, используемых на обычных авиалайнерах. Федеральное управление гражданской авиации США, устанавливает минимальные скорости аварийного снижения для самолетов, определено, что с учетом большей рабочей высоты Concorde, лучшим ответом на инцидент снижения давления будет снижение.
Расчетная рабочая высота кабины, поскольку новые самолеты падают, и ожидается, что это уменьшит оставшиеся физиологические проблемы. В авиалайнерах Boeing 787 Dreamliner и Airbus A350 XWB были внесены такие модификации для повышения комфорта пассажиров. Внутреннее давление в кабине 787 равно высоте 6000 футов (1800 м), что приводит к более высокому давлению, чем на высоте 8000 футов (2400 м) старых обычных самолетов; Согласно совместному исследованию, проведенному компанией Boeing и Государственным университетом Оклахомы, такой уровень улучшает уровень комфорта. Airbus заявила, что A350 XWB обеспечивает типичную высоту кабины на уровне 6000 футов (1800 м) или ниже, а также атмосферу в салоне с влажностью 20% и систему управления воздушным потоком, которая адаптирует воздушный поток в салоне к нагрузке пассажира с циркуляцией воздуха без сквозняков... Применение композитных фюзеляжей устраняет угрозу, создаваемую усталостью металла, которая могла бы усугубиться повышенным давлением в салоне современных авиалайнеров, а также устраняет риск коррозии в результате использования.
