2.1.2. Требования авиационных правил к вентиляции и герметическим кабинам

Требования к созданию нормальных условий жизнеобеспечения пассажиров и экипажа современного ЛА сформулированы в Авиационных правилах, часть 25 «НОРМЫ ЛЕТНОЙ ГОДНОСТИ САМОЛЕТОВ ТРАНСПОРТНОЙ КАТЕГОРИИ». Приведем некоторые из них.

25.831. Вентиляция

…(G) На всех этапах полета должно обеспечиваться поддержание в кабинах самолета установившейся температуры воздуха в пределах 17—25 °С. Указанные значения температуры воздуха должны достигаться не более чем через 20 мин после взлета при условии наземной подготовки.

(Н) На земле в ожидаемых условиях эксплуатации при пониженных температурах

наружного воздуха СКВ должна обеспечивать температуру воздуха в кабинах не ниже + 10°С; при повышенных температурах наружного воздуха (более +33°С) система должна обеспечивать снижение температуры в кабинах на 8°С по сравнению с наружной.

(I) Температура отдельных поверхностей интерьера, до которых могут дотронуться пассажиры и члены экипажа, не должна превышать +50 °С или быть ниже +5°С.

(J) Температура горячего воздуха, подаваемого на обогрев кабины, на выходе из раздаточных устройств не должна превышать 100°С (рекомендуемое значение 80 °С).

С этой целью в системе должны быть предусмотрены устройства, исключающие подачу

более горячего воздуха….

25.841. Герметические кабины

(а) Герметические кабины и помещения, предназначенные для экипажа и пассажиров, должны быть оборудованы для обеспечения в кабине на максимальной рабочей высоте самолета при нормальных эксплуатационных условиях давления, эквивалентного высоте не более 2400 м. Если запрашивается сертификат для полетов на высоте свыше 7600м, в кабинах самолета должно поддерживаться давление, эквивалентное высоте не более 4500 м, в случае любого вероятного отказа или неисправности системы регулирования давления.

(A) Установившаяся скорость изменения давления в кабине не должна превышать 0,18 мм рт. ст./с.

(B) При любом вероятном отказе или неисправности системы автоматического регулирования давления (САРД) скорость изменения давления не должна превышать 5 мм

рт. ст./с на повышение давления и 10 мм рт. ст./с на понижение давления.

2.1.3. Общие принципы функционирования и структура скв. Гермокабины

Для создания благоприятных условий жизнедеятельности пассажиров и членов экипажа на всех этапах эксплуатации ЛА предусмотрено создание гермокабин (ГК), которые в общем случае могут состоять из нескольких отсеков (салонов). Гермокабины являются элементом силовой конструкции планера самолета и воспринимают нагрузку от аэродинамических и массовых сил и от внутреннего избыточного давления.

Системы кондиционирования воздуха, используя ГК, обеспечивают выполнение следующих функций:

- наддув (превышение давления в кабине над атмосферным давлением) и вентиляцию;

- отопление и охлаждение герметичных кабин (кабины экипажа, кабины пассажиров и грузовых отсеков);

- очистку подаваемого в герметичные отсеки воздуха от аэрозольного (состоящего из газовой смеси, в которой взвешены твердые или жидкие частицы), химического и других загрязнений;

- дезодорацию (удаление запаха) и ионизацию воздуха в кабине при полете и на земле;

- защиту стекол фонаря пилотов от запотевания;

- обдув (охлаждение или обогрев) электронного (пилотажно-навигационного и радио-) и электрооборудования;

- подачу (на некоторых ЛА) горячего воздуха в систему воздушно-тепловых противообледенителей (антиобледенителей) передних кромок крыла и оперения.

В соответствии с выполняемыми функциями СКВ структурно может быть разделена на следующие подсистемы:

- система отбора воздуха от двигателя (ВСУ, наземной установки);

- система охлаждения воздуха, которая позволяет обеспечить комфортные условия жизнедеятельности экипажа и пассажиров;

- система регулирования давления, которая предназначена для поддержания необходимого давления воздуха в гермокабине совместно с САРД;

- система регулирования расхода и скорости изменения расхода, которая обеспечивает заданную сменяемость воздуха в ГК, а также удаление продуктов жизнедеятельности экипажа и пассажиров из ГК;

- система регулирования температуры, которая обеспечивает регулирование температуры воздуха, поступающего в кабину экипажа и пассажирскую кабину в заданных пределах;

- система рециркуляции, позволяющая повторно использовать часть воздуха, поступившего в кабину, после его очистки (не на всех самолетах);

- система распределения воздуха, которая обеспечивает подачу подготовленного воздуха в гермокабину;

- система обогрева, обеспечивающая подогрев воздуха, подаваемого потребителям (например, на кухню);

- система охлаждения оборудования;

- система контроля и управления и др.

Очевидно, что все подсистемы СКВ связаны между собой и используют общие агрегаты, приборы и трубопроводы. Разделение на подсистемы условно и обычно при изучении конструкции и работы СКВ рассматривают ряд блоков, объединяющих отдельные подсистемы.

Большинство современных самолетов имеют атмосферные (неавтономные) ГК, которые вентилируются воздухом из окружающей среды, в отличие от автономных ГК, для которых запас кислорода находится на борту ЛА.

Одна из возможных принципиальных схем системы кондиционирования гермокабины пассажирского самолета представлена на рис.2.3.  Воздух отбирается от компрессоров двигателей 1 с температурой до 500°С и давлением до 1,6 МПа (16 кгс/см²), объединяется в общий поток и, проходя по трубопроводу 3, разделяется на два потока. Поток горячего воздуха по трубопроводу 5 проходит через основную 6 (а в случае отказа - через дублирующую 2) систему охлаждения воздуха. Для охлаждения воздуха используют воздушно-воздушные, топливно-воздушные теплообменники и турбохолодильники. Система охлаждения может быть многоступенчатой.

Второй поток горячего воздуха 8 поступает прямо в смеситель 10, где смешивается с охлажденным потоком, поступающим по трубопроводу 7. Поступлением холодного воздуха в смеситель управляет кран 9, а подачей воздуха в гермокабину - ограничитель температуры 11 по сигналу регулятора температуры 4, установленного в гермокабине. Пройдя через увлажнитель 12, в котором по сигналу датчика влажности воздуха в кабине 16 распыляется вода из бака 17 (поступает по зеленому трубопроводу). Воздух с необходимыми параметрами температуры и влажности подается по системе трубопроводов 13 в гермокабину. СКВ работает совместно с САРД, поэтому в схему включен автоматический регулятор давления 14, который управляет клапаном 15 выпуска кабинного воздуха в атмосферу. Системы кондиционирования поддерживают определенную влажность воздуха в гермокабинах. Влага, содержащаяся в воздухе в парообразном состоянии, может конденсироваться и оседать в виде капель на стенках кабины, трубопроводах и, особенно, в теплозвукоизоляции. Скапливаясь, эта влага может существенно увеличить массу пассажирского самолета и даже нарушить его центровку. Удаление влаги из теплозвукоизоляции может потребовать специальных мер при наземном обслуживании самолета.

Рис.2.3

Наиболее благоприятным с физиологической точки зрения является давление в кабине, равное атмосферному давлению воздуха на уровне моря. Однако в этом случае на больших высотах будет возникать значительный перепад давления между кабиной и атмосферой, что, с одной стороны, потребует увеличения толщины обшивки кабины для обеспечения ее прочности и, как следствие, увеличения массы самолета, а с другой стороны, при внезапной разгерметизации ГК перепад давлений между кабиной и атмосферой будет очень большим и падение давления в ГК до атмосферного будет происходить очень быстро. Это явление принято называть взрывной декомпрессией.

С одной стороны, в процессе декомпрессии может произойти лавинообразное разрушение конструкции гермокабины, а с другой стороны, давление в легких человека не может уменьшаться так же быстро, как уменьшается давление в кабине при разгерметизации, и возможны несовместимые с жизнью человека баротравмы, механические повреждения легких и других органов расширяющимся газом - разрывы, внутренние кровоизлияния, падение кровяного давления, замедление ритма сердца вплоть до остановки. Кроме того, происходит внезапный "перенос" пассажиров и экипажа в условия острой кислородной недостаточности. Происходит также обмораживание вследствие постепенного понижения температуры в кабине до температуры наружного воздуха (порядка - 60°С). С учетом всех этих условий выбираются программы регулирования давления в гермокабинах самолетов.

В качестве примера на рис.2.4 приведена блок-схема системы СКВ самолета Суперджет.

Рис.2.4

Система состоит из двух независимых контуров, которые обеспечивают поступление воздуха в смеситель и далее по общей системе распределения в кабину экипажа и пассажирский салон.

Наиболее благоприятная для пассажиров программа регулирования давления в гермокабине по высоте полета приведена на рис.2.5, где p = p_H/p_o - относительное атмосферное давление, p_H - атмосферное давление на соответствующей высоте, p_o - атмосферное давление на уровне моря.

Для максимальной расчетной высоты полета H_max (например, 14000м) устанавливается максимальное избыточное давление    (в нашем примере   = 0,61p_o), которое дополняет атмосферное давление на максимальной расчетной высоте полета (точка D на кривой 1, показывающей изменение атмосферного давления в зависимости от высоты по данным Международной стандартной атмосферы) до минимально возможного давления (точка C на кривой 2, показывающей изменение давления в гермокабине в зависимости от высоты полета), соответствующего максимально допустимой "высоте в кабине", т. е. до величины 0,75 атмосферного давления на уровне моря, соответствующего высоте 2400 м. На высотах полета от H₁ (точка В на кривой 2) до H_max в кабине поддерживается постоянное избыточное давление   = 0,61p_o относительно атмосферного (кривая 2 на этом участке эквидистантна кривой 1). При стоянке на земле (точка А на кривой 2) и в полете до высоты H₁ (в нашем примере H₁= 7200 м) система кондиционирования воздуха поддерживает в кабине постоянное давление, равное атмосферному давлению на уровне моря. 

При крейсерской высоте полета порядка 10000-14000 м при разгерметизации кабины экипаж самолета имеет возможность в режиме экстренного (аварийного) снижения вывести самолет на относительно безопасные высоты порядка 3000-4000м за время, соответствующее так называемому "резервному", или "активному" времени, в течение которого при остром кислородном голодании (без аварийного питания пассажиров кислородом) не происходят необратимые изменения в деятельности головного мозга человека. Тем не менее, пассажирские самолеты имеют систему аварийного питания пассажиров кислородом и систему непрерывного питания кислородом летчиков в течение всего полета.

Рассмотрим конструкцию и принцип работы основных подсистем СКВ на примере современных ЛА.