Матвеенко А.М. (ред.) - Системы оборудования летательных аппаратов - 2005

Примеры систем кондиционирования воздуха

171

Вопросы для самопроверки

Раздел 4.1

1.Как определяется расчетная величина тепловой нагрузки на систему конди­ ционирования воздуха?

2.Назовите режимы, на которых возможны максимальные значения тепловой мощности, необходимой для обогрева (+ 0 СКВ) и охлаждения (—£?скв) ГК для слу­ чаев:

а— дозвуковой пассажирский самолет (вертолет);

б — сверхзвуковой пассажирский самолет;

в— легкий маневренный самолет (Мтах = 2,5).

3.Как определить составляющие теплового потока, поступающего в ГК?

4.В чем принципиальное отличие "прямой" и "обратной" панельных систем?

Раздел 4.2

1.Назовите основные способы обогрева ГК.

2.Укажите области применения каждого способа обогрева ГК.

Раздел 4.3

1.Какие принципиально различные способы охлаждения Вы знаете?

2.Как определить энергетические затраты в цикле охлаждения Карно?

3.Укажите отличия воздушного цикла охлаждения от цикла Карно.

4.Как определить энергетические затраты в компрессионно-испарительном

цикле охлаждения?

5. Объясните принцип действия термоэлектрической системы охлаждения.

Раздел 4.4

1.Назовите основные типы теплообменных аппаратов.

2.Как определить эффективность или температурный КПД теплообменника?

3.Какие способы продувки воздухо-воздушных теплообменников Вы знаете?

4.Как происходит теплообмен в канальном теплообменнике?

5.Объясните принцип действия турбохолодильника.

6.Какие устройства применяются для загрузки турбины?

7.Что такое степень реактивности турбины?

8.Как осуществляется регулирование температуры воздуха в ГК?

9.В каких случаях необходимо в системах охлаждения устанавливать вторич­

ные теплообменники — ВВИТ или ТВТ?

Раздел 4.5

1.Что следует понимать под областью применения СКВ?

2.Какие причины ограничивают область применения простейшей системы ох­

лаждения (ВВТ + ТХ) на участках а, б и в (см. рис. 4.30, схема 1)1

3.Какие причины ограничивают применение системы охлаждения с ВВТ +

+ТВТ + ТХ на участках а, б и в (рис. 4.30, схема 5)1

4.Может ли отличаться температура воздуха в кабине экипажа от температуры воздуха в пассажирском салоне самолета Ту-204?

5.Для чего в линии охлаждения самолета Ту-204 установлены последовательно несколько ТО?

Глава 5 ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

5.1. ЗАЩИТНОЕ СНАРЯЖЕНИЕ

Физические условия среды, в которой выполняется высотный полет современного маневренного самолета, не соответствуют физиологическим требованиям организма человека. Для создания на борту самолета необходимых для жизнедеятельности человека условий применяются специальные технические средства: герме­ тические кабины (ГК), бортовые системы кондиционирования воздуха (СКВ) и индивидуальные системы обеспечения жизнеде­ ятельности (ИСОЖ). Последние используются в качестве аварий­ ных средств обеспечения жизнедеятельности человека в случае разгерметизации кабины, отказа СКВ, аварийного покидания са­ молета и, кроме того, на маневренных самолетах ИСОЖ работают не только в аварийных режимах, но и в штатном режиме полета, обеспечивая необходимые для жизнедеятельности летчика усло­ вия совместно с бортовыми системами жизнеобеспечения.

ИСОЖ комплектуются в зависимости от назначения и условий применения. В общем случае в их состав входят системы двух классов: защитное снаряжение и системы обеспечения его рабо­ тоспособности.

Защитное снаряжение (ЗС) работает совместно с обеспечиваю­ щими его работу бортовыми системами и предназначено для со­ здания человеку необходимых жизненных условий.

К защитному снаряжению относятся: кислородные маски, за­ щитные и герметические шлемы, компенсирующая одежда, противоперегрузочные костюмы, вентилирующие костюмы, скафан­ дры, морские спасательные костюмы [3, 56].

Системы, обеспечивающие работоспособность защитного сна­ ряжения, включают системы кислородного питания, системы вентиляции снаряжения и системы наддува камер противоперегрузочных костюмов.

Системы кислородного питания (СКП) предназначены для формирования кислородно-воздушной дыхательной смеси и под­ ведения ее к дыхательным путям, а также для наддува пневмока­ мер компенсирующей одежды, предназначенной для компенса­ ции избыточного давления кислорода в легких [3].

Системы вентиляции снаряжения (СВС) предназначены для формирования параметров вентилирующего газа и подвода его к

Защитное снаряжение

173

снаряжению. СВС делятся на вентиляционные и регенерацион­ ные. Первые относятся к разомкнутому типу: отработавший вен­ тилирующий газ из снаряжения выбрасывается в окружающую среду; вторые — к замкнутому (или полузамкнутому) типу: отра­ ботавший газ полностью (или частично) регенерируется и снова подается в снаряжение.

Структура ИСОЖ в составе бортовых систем обеспечения жиз­ недеятельности экипажа самолета представлена на рис. 5.1.

Задачи ИСОЖ определяются их назначением. Так, ИСОЖ пассажиров самолета гражданской авиации должна обеспечивать их кислородом только в случае разгерметизации кабины, т. е. яв­ ляется аварийным средством жизнеобеспечения. ИСОЖ летчика маневренного самолета должна обеспечивать защиту человека от:

■недостатка кислорода и пониженного барометрического дав­ ления в ГК самолета при ее внезапной разгерметизации и ка­ тапультировании ;

■скоростного напора воздуха при катапультировании;

■действия низких температур окружающей среды;

■действия лучистой энергии, солнечного света и высоких тем­ ператур воздуха;

■перегрузок, возникающих при маневрах самолета;

■случайных ударов головы при маневрах, вынужденной и гру­ бой посадке;

■шума двигателей.

Кроме того, ИСОЖ должна обеспечивать в случае необходи­ мости спасение на море и защиту от переохлаждения в воде; она должна содержать запас питьевой воды, продуктов питания и средств сигнализации при аварии над морем или пустыней.

Рис. 5.1. Структура ИСОЖ в составе бортовых систем обеспечения жизнедеятель­ ности экипажа самолета

174 Индивидуальные системы обеспечения жизнедеятельности

КИСЛОРОДНАЯ МАСКА

Первым проявлением отрицательного действия на человека пониженного барометрического давления является гипоксия — кислородное голодание.

Наиболее простым способом защиты от гипоксии является по­ дача обогащенной кислородом газовой смеси или чистого кисло­ рода через кислородную маску (КМ), которая представляет собой резиновый колпачок фигурной формы, плотно прилегающий к лицу человека и изолирующий органы дыхания от окружающей атмосферы. К маске по шлангу подводится кислород или обога­ щенный кислородом воздух, выдыхаемый воздух идет в атмосфе­ ру. КМ без избыточного давления (рис. 5.2 и 5.3) могут исполь­ зоваться летчиками при полетах на высотах до 12 км и в аварий­ ных условиях кратковременно до 13,5 км.

На высотах свыше 12 км необходимо дыхание чистым кисло­ родом под давлением ph = 12, избыточным по отношению к атмос­

ферному давлению ph,
Л/>изб = Ph = п ~ Ph	(5-1)

Устройство КМ для дыхания под избыточным давлением по­ казано на рис. 5.4. Маска снабжается компенсированным кла­ паном выдоха и устройствами для плотного прилегания к лицу.

Рис. 5.2. Схема устройства кислород­ ной маски без избыточного давления:

1 — клапан, герметизирующий маску по контуру прилегания к лицу (обтюратор); 2 — клапан вдоха; 3 — шланг; 4 — клапан выдоха

Рис. 5.3. Схема устройства полноли­ цевой кислородной маски без избы­ точного давления:

1 — смотровое остекление; 2 — клапан вдоха; 3 — шланг; 4 — клапан выдоха

Защитное снаряжение

175

Рис. 5.4. Схема устройства кислород­ ной маски с избыточным давлением:

1 — жесткий каркас КМ; 2 — каска ЗШ;

3 — пневмокамера, обеспечивающая при­ тягивание маски к лицу при создании в ней избыточного давления; 4 — замок крепле­ ния маски к ЗШ; 5 — трубка для подвода кислорода из-под маски в камеру 3; 6 — компенсированный клапан выдоха; 7 — трубка к источнику компенсирующего про­ тиводавления

КОМПЕНСИРУЮЩИЙ ЖИЛЕТ

При избыточном давлении в легких свыше 3,3 кПа дыхание быстро расстраивается, резко падает работоспособность. Чтобы об­ легчить дыхание человека в этих условиях, достаточно применение компенсирующего жилета (КЖ), который создает механическое давление на грудную клетку и живот, равное давлению в легких.

КЖ изготавливается из малорастяжимой ткани и плотно подго­ няется по фигуре летчика (рис. 5.5). В области грудной клетки под жилет помещается соеди­ ненная с маской пневмокамера, давление в ко­ торой компенсирует давление внутри легких, помогая производить выдох.

Заметим, что КЖ не обеспечивает равно­ мерной компенсации давления по всему туло­ вищу. Более того, при его использовании уве­ личивается отток крови в голову и конечности.

ВЫСОТНО-КОМПЕНСИРУЮЩИЙ костюм

При избыточном давлении, превышающем 5,3 кПа, наступает расстройство не только ды­ хания, но и кровообращения: кровеносные со­ суды конечностей не могут противостоять по­ вышению давления крови и расширяются, что приводит к застойным явлениям в них и ухуд­ шению кровоснабжения головного мозга.

Компенсация избыточного давления крови в конечностях возможна с помощью высо- тно-компенсирующего костюма (ВКК).

Рис. 5.5. Схема компенсирующего жилета:

1 — КМ; 2 — дыха- тельно-компенсируто­ щая камера; 3 — обо­ лочка жилета

176 Индивидуальные системы обеспечения жизнедеятельности

а) 1 б)

Рис. 5.6. Схема высотно-компенсирую- щего устройства:

а — с пневмотрубками; б — с пневмокаме­ рами; 1 — оболочка комбинезона из мало­ растяжимой ткани; 2 — тесьма натяжного устройства; 3 — трубка (дутик) натяжного устройства; 4 — пневмокамера

Рис. 5.7. Схема элемента натяжного устройства высотно-компенсирующего костюма:

1 — шнуровка для плотной подгонки ВКК по фигуре летчика; 2 — оболочка комбине­ зона из малорастяжимой ткани; 3 — тесьма натяжного устройства; 4 — пневмокамера

Этот костюм изготавливается в виде плотно подгоняемого по фигуре летчика комбинезона (с перчатками и носками) из малорастяжимой ткани. Механическое давление на поверхности тела создается либо с помощью трубок натяжного устройства (рис. 5.6, а), либо с помощью пневмокамер (рис. 5.6, б).

Конструктивная схема натяжных устройств ВКК трубчатого типа показана на рис. 5.7.

Силовая схема (см. рис. 5.6, а) натяжного устройства представ­ ляет собой петлю в форме восьмерки, в малый круг которой встав­ лена трубчатая пневмокамера. При наполнении газом камера уве­ личивается в диаметре и через натяжные тесемки стягивает боль­ шой круг, т. е. обжимает тело.

Из силовой схемы видно, что (если пренебречь трением ткани о тело и эллипсностью поперечного сечения тела) давление рк в трубчатой камере должно во столько раз превосходить создава­ емое тканью костюма давление обжатия д, во сколько раз диаметр обжимаемого участка тела превосходит диаметр камеры.

Такая конструкция натяжных устройств не обеспечивает рав­ номерного обжатия по периметру тела, особенно его вогнутых частей.

Этим недостатком не обладают пневмокамеры низкого давле­ ния (см. рис. 5.5 и 5.6, б).

Общим недостатком костюмов с пневмокамерами, закрываю­ щими туловище полностью или ббльшую его часть, является то,

Защитное снаряжение

177

что они могут применяться только при наличии эффективной системы вентиляции пододёжного пространства.

ВКК с натяжным устройством (рис. 5.8, а) имеют минималь­ ную поверхность, покрытую пневмокамерами, что повышает ги­ гиеничность и улучшает естественную вентиляцию этого костю­ ма, но снижает эффективность компенсации давления, особенно в области подмышечных впадин и паха. Кроме того, натяжение комбинезона в области грудной клетки существенно затрудняет дыхание, так как препятствует подвижности ребер. Для устране­ ния указанных недостатков применяют ВКК комбинированного типа (см. рис. 5.8, б), в которых натяжное устройство сочетается с дыхательно-компенсирующей камерой, выполненной по всему периметру тела. Необходимость вентиляции этого участка тела ог­ раничивает область ее применения.

Наибольшее распространение получили ВКК с натяжными ус­ тройствами, в которых для улучшения компенсации давления в области живота применяется плоская камера, обычно соединен-

а)

Рис. 5.8. Типовые конструктивные схемы высотно-компенсирующего костюма:

а ~ ВКК с механической компенсацией; б — ВКК с пневмомеханической компенсацией; 1 ~ комбинезон; 2 — шнуровка; 3 — натяжные камеры; 4 — дыхательно-компенсирующая камера

178 Индивидуальные системы обеспечения жизнедеятельности

ная с системой дыхания и помещенная в капроновый чехол, так называемый брюшной компенсатор, установленный под оболоч­ кой костюма.

Масса ВКК составляет 2,8...3,4 кг.

ВКК должны удовлетворять следующим основным требованиям:

■оказывать на всю поверхность тела человека равномерное дав­ ление, равное давлению газа в легких;

■уменьшать нагрузку на дыхательную мускулатуру;

■не стеснять движений летчика;

■быть газопроницаемыми;

■надеваться и сниматься без посторонней помощи;

■быстро приводиться в состояние готовности.

ГЕРМЕТИЧЕСКИЙ ШЛЕМ

В случае применения ВКК с КМ при избыточном давлении

влегких более 10 кПа происходит расстройство зрения и слуха. Создать внешнее механическое противодавление на глаза и

уши невозможно, поэтому для обеспечения продолжительного дыхания под избыточным давлением более 10 кПа вместо КМ применяется герметический шлем (ГШ) (рис. 5.9).

ВКК с ГШ позволяет довести избыточное давление в легких до 19,3 кПа (и более), т. е. обеспечивает условия дыхания практичес­ ки на любой высоте.

Время пребывания в компенсирующем снаряжении на высотах более 12 км ограничено в силу особенностей механической ком­ пенсации, оставляющей некомпенсированные зоны, в которых со временем происходит застой крови и образование отечностей. Поэтому высотно-компенсирующее снаряжение может рассмат­

риваться лишь как аварийное средство, позволяющее в случае разгерметизации кабины быстро снизиться на безопас­ ную высоту.

Применение ВКК с ГШ целесообраз­ но на самолетах, летающих на высотах более 20 км, либо при невозможности аварийного снижения на высоту 12 км в течение нескольких минут.

Рис. 5.9. Схема устройства гермошлема высо- тно-компенсирующего снаряжения:

1 — каска; 2 — шейный герметизирующий клапан; 3 — оболочка комбинезона ВКК; 4 — трубка к источнику компенсирующего противодавления; 5 — компенсиро­ ванный клапан выдоха; 6 — шланг подачи кислорода на дыхание; 7 — клапан вдоха; 8 — смотровое остекление

Защитное снаряжение

179

На рис. 5.9 изображена схема ГШ безмасочного типа, который выполняет все функции КМ. Кроме того, он полностью изолирует голову от наружной атмосферы, защищает ее от ударов, а лицо от скоростного напора воздуха при катапультировании.

Органическое стекло смотрового щитка склеено из двух сте­ кол, между которыми помещены нагревательные элементы из проволоки.

Электрообогрев обеспечивает на внутренней поверхности стекла температуру выше точки росы и полностью предохраняет стекло от запотевания и обмерзания. Удельная мощность элек­ трообогрева 0,1...0,15 Вт/см2. Температура внутренней поверх­ ности стекла регулируется автоматически и вручную в пределах от 30 до 37 °С.

При создании в ГШ избыточного давления газа на шлем дейс­ твует сила, направленная вверх. Для удержания на голове шлема служит система подтяга, которая состоит из стального троса, пе­ рекинутого через ролики-шарниры каски, и капроновой тесьмы, пришитой к костюму.

Для уменьшения нагрева головы, вызванного солнечной ради­ ацией и лучеиспусканием стенок кабины, ГШ покрывают светлой краской; с внутренней его стороны устанавливают теплоизоляцию.

КГШ предъявляются следующие требования:

■свободный объем его не должен быть слишком велик, чтобы обеспечить нормальную работу легочного автомата и низкую концентрацию углекислоты во вдыхаемом воздухе;

■смотровой щиток должен открываться и закрываться одной ру­ кой;

■он не должен уменьшать обзора, запотевать, стеснять движе­ ния головы;

■он должен удовлетворять гигиеническим требованиям в отно­ шении вентиляции и защиты от лучистого тепла, иметь мини­ мальную массу, а также подвижный светофильтр на случай по­ лета против солнца.

ЗАЩИТНЫЙ ШЛЕМ

В том диапазоне высот, где достаточно применения КМ и нет не­ обходимости в ГШ, функции защиты головы летчика от ударов и ли­ ца от встречного напора воздуха при катапультировании выполняет защитный шлем (ЗШ), всегда используемый в комплекте с КМ (см. рис. 5.4). Конструктивные схемы ЗШ показаны на рис. 5.10.

Основные функции ЗШ:

■защита головы летчика от травмирования в аварийной ситуа­ ции, а также от скоростного потока воздуха при катапультиро­ вании;

180 Индивидуальные системы обеспечения жизнедеятельности

Рис. 5.10. Схемы защитных шлемов:

а — единая конструкция; 6 — комплект из каски и шлемофона; 1 — КМ; 2 — светофильтр; 3 — каска; 4 — амортизирующий вкладыш; 5 — противошум с телефоном; 6 — ларингофон; 7 — шлемофон

■защита органов зрения от ослепления яркими солнечными и прожекторными лучами;

■защита от шума двигателей и обеспечение ведения переговор­ ной связи с помощью телефонов и ларингофонов;

■крепление КМ;

■теплозащита и гигиенические условия для головы летчика.

ЗШ должен быть достаточно легким, не мешать поворотам го­ ловы, не ограничивать обзор и не вызывать болевых ощущений при длительном ношении.

Ударные нагрузки воспринимаются каской и амортизирующи­ ми вкладышами ЗШ.

Вкладыши и противошумы с телефонами ЗШ обеспечивают изоляцию от шумов.

Светофильтр предназначен для защиты глаз от ослепляющего действия лучей, изготовляется из окрашенного органического стекла, имеет светопрозрачность по дневному свету около 5 % и выполняется обычно сдвижным, чтобы не затруднять обзор в ус­ ловиях низкой освещенности. Светофильтр опускается также пе­ ред катапультированием для защиты лица от скоростного потока.

Современные ЗШ имеют массу около 2 кг, что создает суще­ ственный дискомфорт при длительных полетах. Поэтому ЗШ в некоторых случаях целесообразно выполнять в виде двух состав­ ных частей: каски и шлемофона. В относительно спокойной фазе полета летчик может снять каску, оставшиеся на голове шлемо­ фон и КМ имеют массу около 1 кг.