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

Требования к составу и чистоте воздуха герметической кабины

71

вляется воздухом, отбираемым от компрессоров авиационных дви­ гателей, и загрязнение может произойти за счет попадания в воздух паров топлива, а также продуктов термодеструкции горючесма­ зочных материалов. Концентрация вредных веществ в подавае­ мом воздухе существенно зависит от времени эксплуатации лета­ тельного аппарата, а точнее его двигательных установок.

Согласно ЕНЛГС [24] воздух в кабине пассажирского самоле­ та, в том числе на входе в кабину, должен соответствовать следу­ ющим санитарно-гигиеническим требованиям. Концентрация вредных веществ не должна превышать (мг/м3):

окиси углерода......................................................................................................	20
окислов азота........................................................................................................	5
паров топлива (в пересчете на углерод)........................................................	300
ароматических углеводородов...........................................................................	5
паров и аэрозолей синтетических смазочных м асе л ..................................	2
фторорганических соединений (в пересчете на фтористый водород). . .	0,5
формальдегида.....................................................................................................	0,5
альдегидов (суммарно).......................................................................................	0,6

На высотах более 7 км при продолжительности полета до трех часов, включая время набора высоты и снижения, средневзвешен­ ная концентрация озона 0 3 в воздушной среде кабины не должна превышать 0,2 мг/м3, при продолжительности полета более трех часов — 0,1 мг/м3. Не допускается присутствие других вредных ве­ ществ, влияющих на работоспособность и здоровье экипажа и пассажиров.

Расчет расхода воздуха, необходимого для вентиляции кабины, производится из условия разбавления подаваемым в кабину воз­ духом вредных примесей, выделяющихся внутри кабины, до ве­ личины их предельно допустимых концентраций. В случае при­ сутствия в воздухе кабины двух или нескольких веществ одно­ направленного биологического воздействия сумма отношений фактических концентраций каждого из них к их предельно допус­ тимым концентрациям не должна быть больше единицы.

Расчет вентиляции можно производить по веществу, которое принято в качестве критерия чистоты воздуха. Исследования по­ казали, что в помещениях, где находятся люди, причиной их плохого самочувствия является накопление в воздухе антропо­ токсинов — продуктов жизнедеятельности человека. При широ­ ком спектре веществ, выделяемых человеком в процессах жиз­ недеятельности, в качестве критерия чистоты воздуха могут быть предложены различные химические соединения. Чаще всего для расчета воздухообмена в жилых и общественных зданиях, транс­ портных средствах (воздушных и морских судах, метрополитене) в качестве гигиенического норматива и критерия чистоты воз­ духа используется концентрация углекислого газа С 0 2. В данном

72	Физиолого-гигиенические аспекты высотных полетов

случае углекислый газ является косвенным показателем загряз­ нения воздушной среды летучими продуктами жизнедеятельнос­ ти человека, содержащимися в выдыхаемом воздухе, поте, выде­ лениях с поверхности тела и одежды. Предельно допустимая концентрация углекислого газа (3%, 54 г/м3) существенно превы­ шает его значение, принятое в качестве гигиенического норматива. Являясь не самым токсичным из продуктов жизнедеятельности, уг­ лекислый газ выделяется человеком в наибольших количествах — до 20 л/ч (* 40 г/ч), и его концентрация в выдыхаемом воздухе со­ ставляет до 7020 мг/м3, в то время как концентрация аммиака — до 2 мг/м3, ацетона — до 0,92 мг/м3, окиси углерода — до 50 мг/м3. При отсутствии вентиляции нарастание концентрации С 02 до ве­ личины, принятой в качестве гигиенического норматива, проис­ ходит существенно быстрее, чем других более токсичных веществ до уровня их предельно допустимой концентрации.

В нормативах [24] установлено, что расход подаваемого в ка­ бину воздуха (при половине отказавших источников наддува) дол­ жен быть не менее 12 кг/ч на одного пассажира и 24 кг/ч на од­ ного члена экипажа. Указанные значения обеспечивают средне­ взвешенные концентрации углекислого газа не более 0,25 и 0,14 % (по объему) соответственно.

Анализ данных, приведенных в табл. 2.4, показывает, что на пассажирских самолетах величины подачи воздуха на одного пас­ сажира, определенные из условия поддержания заданного темпе­ ратурного режима в ГК, обычно превышают значения, необходи­ мые для обеспечения требуемого газового состава воздуха.

Кроме газового состава, давления и температуры воздуха не­ обходимо учитывать также и гигиенические свойства воздуха, ко­ торые характеризуются соотношением положительных и отрица­ тельных аэроионов. На организм человека благоприятное влия­ ние оказывает воздух, в котором отрицательно заряженных частиц несколько больше, чем положительных.

Характеристика вентиляции кабин пассажирских самолетов					Таблица 2.4
Марка самолета	Ил-62	Ил-86		Ил-96	Ту-134
Подача воздуха на одного	36	40	26...35*		27...30
пассажира, кг/ч
Марка самолета	Ту-154	Ту-204	Ан-24	Як-40	Як-42
Подача воздуха на одного	25...34	30’	24	28...33	37,5
пассажира, кг/ч

* СКВ с частичной рециркуляцие!t кабинно!'О воздуха.

Назначение и принцип действия системы кондиционирования

73

При применении ГК с регенерацией возможно использова­ ние различных газовых смесей. Так, первые модификации оби­ таемого отсека космического корабля «Аполлон» имели чисто кислородную атмосферу, которая впоследствии была заменена атмосферой, состоящей из 60 % кислорода и 40 % азота, при этом обеспечивалось парциальное давление кислорода, соот­ ветствующее высоте 1300 м. Наряду с азотом в качестве ней­ трального газа может быть использован гелий. Возможность пребывания человека в кислородно-гелиевой атмосфере экспе­ риментально доказана.

Для длительного полета считается необходимым создание в ГК привычной для человека кислородно-азотной атмосферы с нор­ мальным давлением.

2.5 . НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СИСТЕМЫ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА

СКВ предназначены для создания нормальных условий, необ­ ходимых для жизнедеятельности человека, а также для надежной работы оборудования при полете самолета в атмосфере.

Понятие «нормальные условия» для кабин и отсеков самолетов и вертолетов включает в себя значительное число параметров, ос­ новными из которых являются газовый состав (содержание кис­ лорода, углекислого газа и паров воды в воздухе), давление и тем­ пература в ГК или отсеке.

Кроме обеспечения основных параметров необходимо поддер­ живать в определенных пределах температуру поверхности сте­ нок, скорость изменения давления, характер циркуляции и ско­ рость движения воздуха в кабине, уровень шума и др. Немаловаж­ ное значение имеет также очистка воздуха от аэрозольного, химического и других засорений, дезодорация, ионизация кабинного воздуха и т. д.

Поддержание всех параметров на заданном уровне можно обеспечить в ГК подачей воздуха или его компонентов с требуе­ мым расходом и определенной температурой.

Для пассажирских самолетов парциальное давление кислорода обеспечивается поддержанием давления в кабине, соответствую­ щего высоте h < 2400 м (р > 75 кПа).

В ГК самолетов, на которых применяется специальное снаряже­ ние, допустимая «высота в кабине» может достигать 7000...8000 м (р > 41...35,5 кПа) и ограничена из-за возможности появления «высотных болей» — аэроэмболизма.

Согласно ЕНЛГС [24] на всех этапах полета должно обеспе­ чиваться поддержание в кабинах самолетов установившейся тем­

74	Физиолого-гигиенические аспекты высотных полетов

пературы воздуха в пределах 17...25°С, а возможное снижение влажности воздуха не должно оказывать вредного воздействия на экипаж.

В соответствии со спецификой решаемых задач в СКВ вы­ деляются две сравнительно обособленные подсистемы. Одна из них осуществляет регулирование давления воздуха в кабине, в другой производится тепловая и влажностная обработка, а так­ же очистка подаваемого для вентиляции и терморегулирования кабины воздуха. Для большинства современных самолетов над­ дув кабины, т. е. создание в ней требуемого избыточного давле­ ния, осуществляется тем же воздухом, который подается на вен­ тиляцию.

Вопросы для самопроверки

Раздел 2.1

1.Каковы отличия в составе атмосферного воздуха на земле и на высотах 20...30 км?

2.Какова температура воздуха на высотах 150, 200 км?

3.Почему при полете на высотах 150...200 км не возникает опасности пере­ грева JIA?

4.Назовите значения температуры и давления воздуха на высотах 11 и 20 км.

Раздел 2.2

1. Назовите диапазон высот, на которых:

понижение давления воздуха практически не влияет на самочувствие человека; возможна компенсация недостатка кислорода за счет увеличения частоты

и глубины дыхания; необходимо подавать для дыхания чистый кислород.

2.Укажите причины, вызывающие высотный метеоризм.

3.С какой высоты начинается и в чем проявляется аэроэмболизм при быстром подъеме?

4.Что является причиной возникновения высотной эмфиземы тканей? На ка­ кой высоте может начаться это явление?

5.Укажите причину возникновения взрывной декомпрессии.

Раздел 2.3

1.Назовите диапазоны параметров воздушной среды, являющихся комфорт­

ными.

2.Что такое эквивалентно-эффективная температура воздуха?

3.Как зависит величина оптимальной эквивалентно-эффективной температу­ ры воздуха от физической нагрузки человека?

Раздел 2.4

1.Какие параметры воздуха в герметической кабине нормированы?

2.Из каких соображений выбирается величина расхода свежего воздуха, по­ даваемого в герметическую кабину?

Раздел 2.5

1.Какие основные параметры воздуха в кабине должны контролироваться?

2.Укажите диапазоны возможных значений основных параметров воздуха для различных типов JIA.

Глава 3

РЕГУЛИРОВАНИЕ ДАВЛЕНИЯ ВОЗДУХА

ВГЕРМЕТИЧЕСКИХ КАБИНАХ

ИОТСЕКАХ ЛА

Важнейшими элементами системы регулирования давления являются герметические кабины (ГК), источники наддува и регу­ ляторы давления.

3.1. ГЕРМЕТИЧЕСКИЕ КАБИНЫ

ГК является одним из элементов конструкции планера и воспри­ нимает нагрузку от внутреннего избыточного давления, от аэроди­ намических сил, а также силовые воздействия от других элементов конструкции JIA (крыла, оперения, шасси, двигателей и т.п.).

СХЕМЫ И ТИПЫ ГК

Форма и размещение ГК определяются типом и назначением JIA (рис. 3.1).

По способу питания ГК могут быть автономными, когда все не­ обходимое для создания микроклимата в них находится на борту ЛА: а) с системой регенерации, которая производит очистку воздуха, его подогрев или охлаждение, обогащение кислородом и подде­

ржание влажности (рис. 3.2, а);

Рис. 3.1. Схемы расположения фюзеляжной герметической кабины на различных са­ молетах

76 Регулирование давления воздуха в герметических кабинах и отсеках JIA

±ЛТ

Очистка	СР	-----
а)		Атмосфера

Ар,АТ,очистка

■Атмо­

сфера

Атмосфера ^

Рис. 3.2. Схемы вентиляции и наддува герметических кабин

б) со сквозной вентиляцией из бортовых баллонов (рис. 3.2, б), и

неавтономными (атмосферными), так как вентилируются воз­ духом окружающей среды (рис. 3.2, в).

Большинство современных самолетов имеет атмосферные ГК. Автономные ГК используются на космических кораблях, ракетоп­ ланах и на некоторых специальных самолетах (например, самоле­ тах сельскохозяйственной авиации для работы с ядохимикатами).

Кабины на вертолетах как пассажирские, так и для экипажа обычно негерметические, оборудуются системами вентиляции и отопления, а на вертолетах, предназначенных для эксплуатации в районах с жарким климатом, — системами кондиционирования воздуха. Герметизируются кабины вертолетов специального на­ значения (например, сельскохозяйственных), при этом необходи­ мое избыточное давление поддерживается с помощью регулято­ ров давления, подобных самолетным.

Важнейшие требования к ГК — герметичность ее оболочки, вводов всех коммуникаций, люков, фонарей и т. п.

ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ГЕРМЕТИЧНОСТИ КАБИНЫ

Создать абсолютно герметичную кабину практически невоз­ можно: стыки листов обшивки, электровводы, выводы элементов механического управления, входные устройства и т. п. — все это имеет неплотности (щели), через которые может проникать воз­ дух. Увеличение степени герметичности приводит, как правило, к усложнению конструкции кабины и обычно сопровождается увеличением ее массы. В то же время очень высокая герметич­ ность необходима далеко не всегда.

Герметические кабины

77

Допустимые утечки воздуха определяют исходя из следующих соображений:

■в нормальных условиях полета количество воздуха, поступаю­ щего через систему наддува (кондиционирования), должно пре­ вышать потери воздуха, вытекающего через неплотности;

■необходимо обеспечивать достаточно медленное уменьшение избыточного давления в ГК при аварийном прекращении по­ дачи воздуха от системы наддува с тем, чтобы за время экс­ тренного снижения до безопасной высоты давление в кабине оставалось на уровне, не вызывающем опасной кислородной недостаточности (гипоксии) или других вредных воздействий на организм человека.

Для оценки степени герметичности могут быть использованы два вида удельных параметров:

удельная утечка

gn = in ^ /W K,

удельная площадь эквивалентного отверстия

= /ут/^к -

(3-1)

Здесь т* — суммарный расход воздуха из кабины, вызванный ее негерметичностыо; WK — объем кабины; — суммарная эк­ вивалентная площадь поперечного сечения неплотностей оболоч­ ки кабины.

Величины gyj, и FKвзаимосвязаны и могут быть найдены одна через другую: — наглядная величина, которую можно опреде­ лить и экспериментально, удобная для расчета баланса расходов; FK— расчетная величина, не зависящая (в противоположность g^) от условий истечения воздуха — его температуры и перепада дав­ лений, — пока эти условия и вызванные ими деформации кабины мало влияют на размеры неплотностей.

По существующим нормам для атмосферных кабин с объемом

до 150 м3 допускается удельная утечка	< 6... 10 кг/(ч • м3); при
больших объемах ГК допустимое значение		уменьшается до

4 кг/(ч • м3). Указанным значениям удельных утечек соответству­ ют значения удельной площади эквивалентного отверстия FK 6... 13 и 3,2 мм /м 3.

На JIA специального назначения (например, на американском самолете Х-15, космических аппаратах) устанавливают ГК с сис­ темами рециркуляционного типа, в которых газ подается только для компенсации утечки воздуха. При этом нормы утечки воздуха из кабины резко сокращаются и устанавливаются в каждом кон­ кретном случае.

78 Регулирование давления воздуха в герметических кабинах и отсекахJIA

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИСТЕЧЕНИЯ ВОЗДУХА ИЗ ГК

Количество воздуха, вытекающего из ГК через неплотности, зависит от давлений в кабине, атмосфере и от суммарной площади щелей в конструкции. Поэтому ГК схематично можно предста­ вить в виде герметичного объема WKс эквивалентным отверстием /ур, через которое вытекает столько же воздуха, сколько из реаль­ ной кабины. Изменение параметров воздуха в кабине в процессе истечения подчиняется политропическому закону. Действитель­ ное значение показателя политропы зависит от многих факторов и определить его теоретически достаточно трудно. Поэтому на практике обычно рассматриваются изотермический и адиабати­ ческий процессы. При незначительных утечках воздуха (близких к нормам) температура воздуха в кабине практически остается не­ изменной. Поэтому можно принять Тк = const и связь между па­ раметрами воздуха в ГК описывается уравнением состояния

pKWK = mKRTK,

(3.2)

где рк, WK, mK, Тк — давление, объем, масса и температура воздуха в кабине; R — газовая постоянная.

После дифференцирования уравнения (3.2) по времени полу­

чается уравнение
dp^ = RT^dm ^
dz	WK	dz	У ’
Так как изменение массы воздуха в кабине
dm/dx = m* -		m* — m^ ,	(3.4)

где m * ,m * — расходы воздуха, подаваемого в кабину и выпуска­ емого из нее через регулирующие клапаны; m^ — неконтроли­ руемые утечки, то

dpK	R T
— =	---------- ( ТП	П	— Т П * — 1 7 1 * )
	W K К		ш В	ут

При отсутствии подачи воздуха в ГК изменение давления по времени определяется только величиной утечек:

Герметические кабины

79

Как известно из термодинамики, процесс истечения из зам­ кнутого объема является закритическим истечением, когда pJPh > > 1,89, и докритическим, когда p jp h < 1,89.

При отношении pJPh >1,89 величина давления окружающей среды не влияет на истечение, и расход воздуха при критическом и закритическом истечении из плавно сужающегося сопла можно определить при адиабатическом процессе (к = 1,4) по формуле

(к+ . , . . . . .	(3.5)
/yT/i

Для определения расхода при докритическом истечении мож­ но предложить упрощенное уравнение [11]

< ж р = 0.95/yj • (3-6)

Рассмотренные закономерности истечения воздуха из ГК дают возможность определять время аварийной разгерметизации ГК как в полете, так и на земле.

При закритическом режиме истечения время разгерметизации

(3.7)

	w	1	(3.8)
где	гг К
	закр
	При докритическом режиме истечения
			(3.9)
		W
где	докр	гг к	(3.10)

В том случае, когда истечение начинается в закритической об­ ласти с переходом в докритическую, время истечения определя­ ется как сумма тдокр + тзакр.

80 Регулирование давления воздуха в герметических кабинах и отсеках JIA

Предполагая, что переход из одной области в другую происхо­ дит при p j p h = 1,89, и учитывая, что для воздуха Гзакр /Г докр = = 2,03, из уравнений (3.7) и (3.9) получим

X= 71 Inf 0 ,5 2 8 ^ )		+ 0,93 - 0,986 № - 1	(3.11)
закр	Ph '	4Ph
^

При аварийной разгерметизации ГК через отверстия больших размеров (иллюминаторы, двери и т. п.) истечение воздуха проис­ ходит по несколько другим законам, рассмотренным, например, в книгах [П, 12].

ПРОВЕРКА ГЕРМЕТИЧНОСТИ КАБИНЫ

Для обеспечения безопасности высотных полетов необходимо периодически проверять герметичность кабин.

Проверку герметичности кабин, как правило, производят на земле при регламентных работах. Чаще всего используют два ме­ тода проверки: метод компенсации утечки воздуха в ГК и метод измерения времени падения давления в ГК.

Метод компенсации утечки заключается в подаче в кабину воз­ духа от внешнего источника и создании в ней заданного, не из­ меняющегося по времени избыточного давления. В таком случае расход подведенного в ГК воздуха определяет искомую величину его утечки. Схема проверки показана на рис. 3.3. Неудобство та­ кого метода заключается в необходимости длительной по времени подаче сжатого воздуха в кабину.

Второй метод проще (схема проверки показана на рис. 3.4): от источника сжатого воздуха (компрессора, баллона с редукто-

Рис. 3.3. Схема проверки герметичности кабин методом компенсации утечки воз­ духа:

1 — источник сжатого воздуха; 2 — запорный кран; 3 — расходомер; 4 — барометр; 5 — ма­ нометр; 6 — U-образный манометр; 7 — ва­ риометр

4

3

5

6

Рис. 3.4. Схема проверки герметичнос­ ти кабин методом измерения времени падения давления и по показаниям ва­ риометра:

1 — источник сжатого воздуха; 2 — запор­ ный кран; 3 — секундомер; 4 — барометр; 5 — манометр; 6 — вариометр