stringtranslate.com

Наддув кабины

Фюзеляж авиалайнера, такого как Boeing 737 , представляет собой почти цилиндрический сосуд под давлением.

Наддув кабины — это процесс, при котором кондиционированный воздух закачивается в кабину самолета или космического корабля , чтобы создать безопасную и комфортную среду для людей, летящих на больших высотах. Для самолетов этот воздух обычно отбирается из газотурбинных двигателей на этапе компрессора, а для космических кораблей он перевозится в резервуарах высокого давления, часто криогенных . Воздух охлаждается, увлажняется и смешивается с рециркулируемым воздухом одной или несколькими системами контроля окружающей среды, прежде чем он распределяется по кабине. [1]

Первые экспериментальные системы наддува использовались в 1920-х и 1930-х годах. В 1940-х годах был введен в эксплуатацию первый коммерческий самолет с герметичной кабиной . [2] Практика стала широко распространенной десятилетие спустя, особенно с появлением британского реактивного лайнера de Havilland Comet в 1949 году. Однако два катастрофических отказа в 1954 году временно остановили полеты Comet по всему миру. [3] Эти отказы были исследованы и оказались вызваны сочетанием прогрессирующей усталости металла и напряжений обшивки самолета, вызванных наддувом. Улучшенные испытания включали несколько полномасштабных циклических испытаний наддува всего фюзеляжа в водяном баке, [3] и основные изученные инженерные принципы были применены при проектировании последующих реактивных авиалайнеров.

Некоторые самолеты имеют необычные потребности в герметизации. Например, сверхзвуковой авиалайнер Concorde имел особенно высокий перепад давления из-за полета на необычно большой высоте: до 60 000 футов (18 288 м) при сохранении высоты салона 6000 футов (1829 м). Это увеличило вес планера и привело к использованию меньших окон салона, предназначенных для замедления скорости декомпрессии в случае разгерметизации.

Инцидент с рейсом 243 авиакомпании Aloha Airlines в 1988 году, в котором участвовал Boeing 737-200 , в результате которого во время полета произошел катастрофический отказ салона, был в первую очередь вызван продолжающейся эксплуатацией самолета, несмотря на то, что он выполнил в два раза больше полетных циклов, чем было рассчитано для него. [4]

Для повышения комфорта пассажиров некоторые современные авиалайнеры, такие как Boeing 787 Dreamliner и Airbus A350 XWB , имеют уменьшенную рабочую высоту салона, а также более высокий уровень влажности; использование композитных материалов на планере самолетов способствовало внедрению таких методов максимального комфорта.

Необходимость герметизации кабины

Регуляторы давления на самолете Boeing 737-800

Наддув становится все более необходимым на высоте более 10 000 футов (3048 м) над уровнем моря для защиты экипажа и пассажиров от риска ряда физиологических проблем, вызванных низким давлением наружного воздуха выше этой высоты. Для частных самолетов, работающих в США, члены экипажа обязаны использовать кислородные маски, если высота салона (представление давления воздуха, см. ниже) остается выше 12 500 футов (3810 м) в течение более 30 минут или если высота салона достигает 14 000 футов (4267 м) в любое время. На высоте более 15 000 футов (4572 м) пассажирам также необходимо предоставить кислородные маски. На коммерческих самолетах высота салона должна поддерживаться на уровне 8000 футов (2438 м) или ниже. Наддув грузового отсека также требуется для предотвращения повреждения чувствительных к давлению грузов, которые могут протечь, расшириться, лопнуть или быть раздавленными при повторном повышении давления. [ необходима цитата ] Основные физиологические проблемы перечислены ниже. [ необходима цитата ]

Гипоксия
Более низкое парциальное давление кислорода на большой высоте снижает напряжение альвеолярного кислорода в легких и, следовательно, в мозге, что приводит к вялому мышлению, затуманиванию зрения, потере сознания и, в конечном итоге, к смерти: [ необходима цитата ] У некоторых людей, особенно с заболеваниями сердца или легких, симптомы могут начаться уже на высоте 5000 футов (1524 м), хотя большинство пассажиров могут переносить высоту 8000 футов (2438 м) без каких-либо негативных последствий. На этой высоте кислорода примерно на 25% меньше, чем на уровне моря. [5]
Гипоксия может быть решена путем введения дополнительного кислорода либо через кислородную маску , либо через носовую канюлю . Без наддува достаточное количество кислорода может быть доставлено на высоту около 40 000 футов (12 192 м). Это связано с тем, что человеку, привыкшему жить на уровне моря, для нормальной работы требуется парциальное давление кислорода около 0,20 бар (20 кПа; 2,9 фунта на квадратный дюйм) , и это давление может поддерживаться до высоты около 40 000 футов (12 192 м) за счет увеличения молярной доли кислорода во вдыхаемом воздухе. На высоте 40 000 футов (12 192 м) давление окружающего воздуха падает примерно до 0,2 бар, при котором поддержание минимального парциального давления кислорода 0,2 бар требует дыхания 100% кислородом с использованием кислородной маски .
Маски аварийной подачи кислорода в пассажирском салоне авиалайнеров не обязательно должны быть масками с подачей по требованию давления, поскольку большинство рейсов выполняются на высоте ниже 40 000 футов (12 192 м). Выше этой высоты парциальное давление кислорода упадет ниже 0,2 бар даже при 100%-ном кислороде, и некоторая степень наддува салона или быстрое снижение будут необходимы для предотвращения риска гипоксии.
высотная болезнь
Гипервентиляция , наиболее распространенная реакция организма на гипоксию, помогает частично восстановить парциальное давление кислорода в крови, но также вызывает выделение углекислого газа (CO2 ) , повышая pH крови и вызывая алкалоз . Пассажиры могут испытывать усталость, тошноту , головные боли, бессонницу и (при длительных полетах) даже отек легких . Это те же симптомы, которые испытывают альпинисты, но ограниченная продолжительность полета с двигателем делает развитие отека легких маловероятным. Высотную болезнь можно контролировать с помощью полного скафандра со шлемом и лицевой панелью, который полностью охватывает тело в среде под давлением; однако это непрактично для коммерческих пассажиров.
Декомпрессионная болезнь
Низкое парциальное давление газов, в основном азота (N 2 ), но включая все другие газы, может привести к тому, что растворенные в кровотоке газы выпадут в осадок, что приведет к газовой эмболии или образованию пузырьков в кровотоке. Механизм тот же, что и у водолазов на сжатом воздухе при подъеме с глубины. Симптомы могут включать ранние симптомы «сгибов» — усталость, забывчивость, головную боль, инсульт, тромбоз и подкожный зуд — но редко их полные симптомы. Декомпрессионную болезнь также можно контролировать с помощью костюма полного давления, как и при высотной болезни.
Баротравма
По мере того, как самолет поднимается или опускается, пассажиры могут испытывать дискомфорт или острую боль, поскольку газы, запертые в их телах, расширяются или сжимаются. Наиболее распространенные проблемы возникают из-за воздуха, запертого в среднем ухе (аэротит) или околоносовых пазухах из-за закупорки евстахиевой трубы или пазух. Боль также может ощущаться в желудочно-кишечном тракте или даже зубах ( бародонталгия ). Обычно они недостаточно сильны, чтобы вызвать фактическую травму, но могут привести к болезненности в ухе, которая сохраняется после полета [6] и может усугубить или ускорить уже существующие заболевания, такие как пневмоторакс .

Высота кабины

Пустая бутылка, запечатанная на высоте 11 000 м (37 000 футов), при спуске на уровень моря раздавливается по сравнению с бутылкой в ​​ее первоначальном состоянии.

Давление внутри кабины технически называется эквивалентной эффективной высотой кабины или, более распространено, высотой кабины . Она определяется как эквивалентная высота над средним уровнем моря , имеющая то же атмосферное давление в соответствии со стандартной атмосферной моделью, такой как Международная стандартная атмосфера . Таким образом, нулевая высота кабины будет иметь давление, найденное на среднем уровне моря, которое принимается равным 101 325 Па (14,696 фунтов на квадратный дюйм; 29,921 дюйма рт. ст.). [7]

Самолеты

В авиалайнерах высота салона во время полета поддерживается выше уровня моря, чтобы уменьшить нагрузку на герметичную часть фюзеляжа ; эта нагрузка пропорциональна разнице давления внутри и снаружи салона. В типичном коммерческом пассажирском рейсе высота салона запрограммирована на постепенное увеличение от высоты аэропорта отправления до нормативного максимума 8000 футов (2438 м). Эта высота салона поддерживается, пока самолет движется на максимальной высоте, а затем постепенно уменьшается во время снижения, пока давление в салоне не сравняется с давлением окружающего воздуха в пункте назначения. [ необходима цитата ]

Пилоты могут использовать «кабинный высотомер» (также известный как датчик перепада давления в кабине) для измерения разницы между внутренним и внешним давлением. [8]

Поддержание высоты салона ниже 8000 футов (2438 м) обычно предотвращает значительную гипоксию , высотную болезнь , декомпрессионную болезнь и баротравму . [9] Правила Федерального управления гражданской авиации США (FAA) предписывают, что при нормальных условиях эксплуатации высота салона не может превышать этот предел на максимальной рабочей высоте самолета. [10] Эта обязательная максимальная высота салона не устраняет все физиологические проблемы; пассажирам с такими заболеваниями, как пневмоторакс, рекомендуется не летать до полного выздоровления, а люди, страдающие простудой или другой инфекцией, могут по-прежнему испытывать боль в ушах и пазухах. [ необходима цитата ] Скорость изменения высоты салона сильно влияет на комфорт, поскольку люди чувствительны к изменениям давления во внутреннем ухе и пазухах, и с этим нужно осторожно обращаться. Аквалангисты , летающие в период «без полетов» после погружения, подвергаются риску декомпрессионной болезни , поскольку накопленный в их организме азот может образовывать пузырьки при воздействии пониженного давления в салоне.

Высота салона Boeing 767 обычно составляет около 7000 футов (2134 м) при полете на высоте 37000 футов (11278 м). [11] Это типично для старых реактивных авиалайнеров. Целью проектирования многих, но не всех, новых самолетов является обеспечение более низкой высоты салона, чем у старых конструкций. Это может быть полезно для комфорта пассажиров. [12] Например, бизнес-джет Bombardier Global Express может обеспечить высоту салона 4500 футов (1372 м) при полете на высоте 41000 футов (12497 м). [13] [14] [15] Бизнес -джет Emivest SJ30 может обеспечить высоту салона на уровне моря при полете на высоте 41000 футов (12497 м). [16] [17] [ ненадежный источник? ] В ходе одного исследования восьми полетов на самолете Airbus A380 было установлено, что средняя высота давления в салоне составляет 6128 футов (1868 м), а в ходе 65 полетов на самолете Boeing 747-400 было установлено, что средняя высота давления в салоне составляет 5159 футов (1572 м). [18]

До 1996 года примерно 6000 крупных коммерческих транспортных самолетов получили сертификат типа для полетов на высоте до 45 000 футов (13 716 м) без необходимости соответствовать особым условиям на большой высоте. [19] В 1996 году FAA приняло поправку 25-87, которая ввела дополнительные требования к давлению в салоне на большой высоте для новых типов самолетов. Самолеты, сертифицированные для полетов на высоте более 25 000 футов (7 620 м), «должны быть спроектированы таким образом, чтобы пассажиры не подвергались воздействию давления в салоне на высоте более 15 000 футов (4 572 м) после любого вероятного отказа в системе наддува». [20] В случае декомпрессии, которая возникает в результате «любого состояния отказа, не являющегося крайне маловероятным», самолет должен быть спроектирован таким образом, чтобы пассажиры не подвергались воздействию высоты кабины, превышающей 25 000 футов (7 620 м) в течение более 2 минут, и высоте, превышающей 40 000 футов (12 192 м) в любое время. [20] На практике эта новая поправка к Федеральным авиационным правилам устанавливает эксплуатационный потолок в 40 000 футов (12 000 м) для большинства новых коммерческих самолетов. [21] [22] Производители самолетов могут подать заявку на смягчение этого правила, если того требуют обстоятельства. В 2004 году Airbus получил разрешение FAA, позволяющее высоте салона A380 достигать 43 000 футов (13 106 м) в случае декомпрессии и превышать 40 000 футов (12 192 м) в течение одной минуты. Это позволяет A380 работать на большей высоте, чем другие недавно разработанные гражданские самолеты. [21]

Космический корабль

Русские инженеры использовали воздушную смесь азота и кислорода, постоянно поддерживаемую на высоте кабины, близкой к нулю, в своих кораблях Восток 1961 года , Восход 1964 года и космический корабль Союз 1967 года . [23] Это требует более тяжелой конструкции космического корабля , поскольку конструкция кабины космического корабля должна выдерживать нагрузку 14,7 фунтов на квадратный дюйм (1 атм, 1,01 бар) против вакуума космоса, а также потому, что необходимо нести инертную массу азота. Также необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать декомпрессионной болезни , когда космонавты выполняют внекорабельную деятельность , поскольку современные мягкие космические скафандры наполняются чистым кислородом при относительно низком давлении, чтобы обеспечить разумную гибкость. [24]

Напротив, Соединенные Штаты использовали атмосферу чистого кислорода для своих космических кораблей Mercury 1961 года , Gemini 1965 года и Apollo 1967 года , в основном для того, чтобы избежать декомпрессионной болезни. [25] [26] Mercury использовал высоту кабины 24 800 футов (7 600 м) (5,5 фунтов на квадратный дюйм (0,38 бар)); [27] Gemini использовал высоту 25 700 футов (7 800 м) (5,3 фунтов на квадратный дюйм (0,37 бар)); [28] а Apollo использовал 27 000 футов (8 200 м) (5,0 фунтов на квадратный дюйм (0,34 бар)) [29] в космосе. Это позволило сделать конструкцию космического корабля более легкой. Это возможно, потому что при 100% кислороде в кровоток поступает достаточно кислорода, чтобы позволить астронавтам нормально функционировать. Перед запуском давление поддерживалось немного выше уровня моря на постоянном уровне 5,3 фунта на квадратный дюйм (0,37 бар) выше окружающего воздуха для Gemini и 2 фунта на квадратный дюйм (0,14 бар) выше уровня моря при запуске для Apollo), и переходило на высоту космической кабины во время подъема. Однако высокое давление чистой кислородной атмосферы перед запуском оказалось фактором фатальной опасности пожара в Apollo, способствуя гибели всего экипажа Apollo 1 во время наземных испытаний в 1967 году. После этого NASA пересмотрело свою процедуру, чтобы использовать смесь азота и кислорода на нулевой высоте кабины при запуске, но сохраняло низкое давление чистой кислородной атмосферы на уровне 5 фунтов на квадратный дюйм (0,34 бар) в космосе. [30]

После программы «Аполлон» Соединенные Штаты использовали «дыхательную смесь из 74 процентов кислорода и 26 процентов азота» при давлении 5 фунтов на квадратный дюйм (0,34 бар) для «Скайлэба» [ 31] и атмосферу в кабине при давлении 14,5 фунтов на квадратный дюйм (1,00 бар) для орбитального корабля «Спейс шаттл» и Международной космической станции [32] .

Механика

Наддув салона самолета с поршневым двигателем с использованием специального компрессора. [33]

Герметичный фюзеляж герметизируется с помощью источника сжатого воздуха и управляется системой контроля окружающей среды (ECS). Наиболее распространенным источником сжатого воздуха для герметизации является отбираемый воздух из ступени компрессора газотурбинного двигателя ; из низкой или промежуточной ступени или дополнительной высокой ступени, точная ступень зависит от типа двигателя. К тому времени, как холодный наружный воздух достигает клапанов отбора воздуха, он нагревается примерно до 200  °C (392  °F ). Управление и выбор источников высокого или низкого отбора полностью автоматизированы и регулируются потребностями различных пневматических систем на различных этапах полета. Для самолетов с поршневыми двигателями требуется дополнительный компрессор, см. схему справа. [34]

Часть отбираемого воздуха, которая направляется в ECS, затем расширяется, чтобы довести его до давления в салоне, что охлаждает его. Окончательная, подходящая температура затем достигается путем добавления обратного тепла от горячего сжатого воздуха через теплообменник и машину воздушного цикла , известную как система PAC (наддув и кондиционирование воздуха). В некоторых более крупных авиалайнерах горячий воздух отделки может быть добавлен ниже по потоку от кондиционированного воздуха, поступающего из пакетов, если это необходимо для обогрева части салона, которая холоднее других.

Клапан сброса давления и сброса давления на самолете Boeing 737-800

По крайней мере два двигателя обеспечивают сжатый воздух для всех пневматических систем самолета, чтобы обеспечить полную избыточность . Сжатый воздух также поступает из вспомогательной силовой установки (ВСУ), если она установлена, в случае чрезвычайной ситуации и для подачи воздуха в салон на земле до запуска основных двигателей. Большинство современных коммерческих самолетов сегодня имеют полностью избыточные, 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 контролирует давление в кабине, а также действует как предохранительный клапан, в дополнение к другим предохранительным клапанам. Если автоматические контроллеры 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 настолько низкой, насколько это возможно, не превышая максимальный предел перепада давления на фюзеляже. Перепад давления варьируется в зависимости от типа самолета, типичные значения составляют от 540  гПа (7,8  фунтов на квадратный дюйм ) до 650  гПа (9,4  фунтов на квадратный дюйм ). [35] На высоте 39 000 футов (11 887 м) давление в кабине будет автоматически поддерживаться на уровне около 6 900 футов (2 100 м) (на 450 футов (140 м) ниже Мехико), что составляет около 790 гПа (11,5 фунтов на квадратный дюйм) атмосферного давления. [34]

Некоторые самолеты, такие как Boeing 787 Dreamliner , повторно ввели электрические компрессоры, ранее использовавшиеся на поршневых авиалайнерах для обеспечения наддува. [36] [37] Использование электрических компрессоров увеличивает нагрузку на двигатели и вводит ряд этапов передачи энергии; [38] поэтому неясно, увеличивает ли это общую эффективность системы обработки воздуха самолета. Однако они устраняют опасность химического загрязнения салона , упрощают конструкцию двигателя, устраняют необходимость прокладки трубопроводов высокого давления вокруг самолета и обеспечивают большую гибкость конструкции.

Незапланированная декомпрессия

Типичное раскрытие кислородной маски пассажира

Незапланированная потеря давления в кабине на высоте/в космосе случается редко, но приводит к ряду фатальных аварий . Отказы варьируются от внезапной, катастрофической потери целостности планера (взрывная декомпрессия) до медленных утечек или неисправностей оборудования, которые позволяют давлению в кабине упасть.

Любой отказ герметизации салона выше 10 000 футов (3 048 м) требует аварийного снижения до 8 000 футов (2 438 м) или максимально близкой к этому высоте с сохранением минимальной высоты сектора (MSA) и раскрытием кислородной маски для каждого сиденья. Кислородные системы имеют достаточно кислорода для всех на борту и дают пилотам достаточно времени для снижения ниже 8 000 футов (2 438 м). Без аварийного кислорода гипоксия может привести к потере сознания и последующей потере управления самолетом. Современные авиалайнеры включают в себя баллон с чистым кислородом под давлением в кабине, что дает пилотам больше времени для вывода самолета на безопасную высоту. Время полезного сознания варьируется в зависимости от высоты. По мере падения давления температура воздуха в салоне также может резко упасть до температуры окружающей среды снаружи, что создает опасность гипотермии или обморожения .

Для авиалайнеров, которым необходимо пролететь над местностью, не позволяющей достичь безопасной высоты в течение максимум 30 минут, баллоны с кислородом под давлением являются обязательными, поскольку химические генераторы кислорода , установленные на большинстве самолетов, не могут обеспечить достаточное количество кислорода.

В реактивных истребителях небольшой размер кабины означает , что любая декомпрессия будет очень быстрой и не даст пилоту времени надеть кислородную маску. Поэтому пилоты истребителей и экипажи должны носить кислородные маски все время. [39]

30 июня 1971 года экипаж «Союза-11» — советские космонавты Георгий Добровольский , Владислав Волков и Виктор Пацаев — погибли после того, как клапан вентиляции кабины случайно открылся перед входом в атмосферу. [40] [41]

История

Cessna P210 — первый коммерчески успешный герметичный одномоторный самолет

Самолеты, на которых впервые были применены системы герметичной кабины, включают:

В конце 1910-х годов предпринимались попытки достичь все больших и больших высот. В 1920 году летчик-испытатель лейтенант Джон А. Макреди впервые совершил полеты на высоту более 37 000 футов (11 278 м) на биплане Packard-Le Père LUSAC-11 на аэродроме МакКук-Филд в Дейтоне, штат Огайо . [44] Полет был возможен за счет выпуска накопленного кислорода в кабину, который выпускался непосредственно в закрытую кабину, а не в кислородную маску, которая была разработана позже. [44] С этой системой полеты на высоту около 40 000 футов (12 192 м) были возможны, но отсутствие атмосферного давления на этой высоте приводило к тому, что сердце пилота заметно увеличивалось, и многие пилоты сообщали о проблемах со здоровьем из-за таких больших высотных полетов. [44] На некоторых ранних авиалайнерах пассажирам для обычных полетов были предоставлены кислородные маски.

В 1921 году разведывательный биплан Wright-Dayton USD-9A был модифицирован путем добавления полностью закрытой герметичной камеры, в которой можно было создавать давление с помощью воздуха, нагнетаемого в нее небольшими внешними турбинами. [44] Камера имела люк диаметром всего 22 дюйма (560 мм), который пилот мог закрыть на высоте 3000 футов (914 м). [44] Камера содержала только один прибор — высотомер, в то время как все обычные приборы кабины были установлены снаружи камеры и видны через пять небольших иллюминаторов. [44] Первая попытка управлять самолетом была снова предпринята лейтенантом Джоном А. Маккриди, который обнаружил, что турбина нагнетала воздух в камеру быстрее, чем небольшой выпускной клапан мог его выпустить. [44] В результате камера быстро перегерметизировалась, и полет был прекращен. [44] Вторую попытку пришлось прекратить, когда на высоте 3000 футов (914 м) пилот обнаружил, что он слишком мал, чтобы закрыть люк камеры. [44] Первый успешный полет наконец совершил летчик-испытатель лейтенант Харрольд Харрис, что сделало его первым в мире полетом на герметичном самолете. [44]

Первым авиалайнером, который поступил в коммерческую эксплуатацию с герметичным салоном, был Boeing 307 Stratoliner , построенный в 1938 году, до Второй мировой войны , хотя было выпущено всего десять самолетов, прежде чем война прервала производство. «Отсек давления 307-го был от носа самолета до герметичной переборки в кормовой части, прямо перед горизонтальным стабилизатором». [45]

Летный шлем и кислородная маска времен Второй мировой войны

Вторая мировая война стала катализатором для развития авиации. Первоначально поршневые самолеты Второй мировой войны, хотя они часто летали на очень больших высотах, не были герметичными и полагались на кислородные маски. [46] Это стало непрактичным с развитием более крупных бомбардировщиков, где экипаж должен был перемещаться по салону. Первым бомбардировщиком, построенным с герметичной кабиной для использования на большой высоте, был Vickers Wellington Mark VI в 1941 году, но Королевские ВВС изменили политику, и вместо того, чтобы действовать как Pathfinder, самолеты использовались для других целей. Американский дальний стратегический бомбардировщик Boeing B-29 Superfortress был первым, кто поступил на службу в качестве бомбардировщика. Система управления для него была разработана Garrett AiResearch Manufacturing Company , частично опираясь на лицензирование патентов, принадлежащих Boeing для Stratoliner. [47]

Послевоенные поршневые авиалайнеры, такие как Lockheed Constellation (1943), сделали эту технологию более распространенной в гражданской службе. Авиалайнеры с поршневыми двигателями обычно использовали электрические компрессоры для подачи сжатого воздуха в салон. Наддув двигателя и наддув салона позволили таким самолетам, как Douglas DC-6 , Douglas DC-7 и Constellation, иметь сертифицированные потолки от 24 000 до 28 400 футов (от 7 315 ​​до 8 656 м). Проектирование герметичного фюзеляжа, способного справиться с этим диапазоном высот, входило в инженерные и металлургические знания того времени. Внедрение реактивных авиалайнеров потребовало значительного увеличения крейсерских высот до диапазона 30 000–41 000 футов (9 144–12 497 м), где реактивные двигатели более экономичны. Такое увеличение высоты крейсерского полета потребовало гораздо более тщательного проектирования фюзеляжа, и вначале не все инженерные проблемы были полностью поняты.

Первым в мире коммерческим реактивным авиалайнером был британский de Havilland Comet (1949), спроектированный с практическим 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 конструкция была очень успешной, но два катастрофических отказа планера в 1954 году, приведшие к полной потере самолета, пассажиров и экипажа, остановили то, что тогда было всем мировым реактивным авиапарком. Обширное расследование и новаторский инженерный анализ обломков привели к ряду весьма значительных инженерных достижений, которые решили основные проблемы конструкции герметичного фюзеляжа на высоте. Критической проблемой оказалось сочетание недостаточного понимания эффекта прогрессирующей усталости металла , поскольку фюзеляж подвергается повторяющимся циклам напряжений, в сочетании с неправильным пониманием того, как напряжения обшивки самолета перераспределяются вокруг отверстий в фюзеляже, таких как окна и отверстия для заклепок.

Критические инженерные принципы, касающиеся усталости металла, изученные в программе Comet 1 [48], были непосредственно применены к конструкции Boeing 707 (1957) и всех последующих реактивных авиалайнеров. Например, были введены подробные рутинные процессы проверки, в дополнение к тщательному визуальному осмотру внешней обшивки, обязательный структурный отбор проб регулярно проводился операторами; необходимость проверки областей, которые нелегко увидеть невооруженным глазом, привела к внедрению широко распространенного рентгенографического обследования в авиации; это также имело преимущество обнаружения трещин и изъянов, слишком маленьких, чтобы их можно было увидеть иным способом. [49] Другим явно заметным наследием катастроф Comet являются овальные окна на каждом реактивном авиалайнере; трещины усталости металла, которые разрушили Comet, были вызваны углами малого радиуса на почти квадратных окнах Comet 1. [50] [51] Фюзеляж Comet был переделан, и Comet 4 (1958) стал успешным авиалайнером, положив начало первому трансатлантическому реактивному сообщению, но программа так и не оправилась от этих катастроф и была вытеснена Boeing 707. [52] [53]

Даже после катастроф Comet было несколько последующих катастрофических отказов из-за усталости, приписываемых герметизации салона. Возможно, наиболее ярким примером был рейс 243 авиакомпании Aloha Airlines с участием Boeing 737-200 . [54] В этом случае основной причиной была продолжающаяся эксплуатация конкретного самолета, несмотря на то, что до аварии он налетал 35 496 часов, эти часы включали более 89 680 полетных циклов (взлетов и посадок) из-за его использования на коротких рейсах; [55] это составило более чем в два раза больше количества полетных циклов, на которые был рассчитан планер самолета. [56] Aloha 243 смог приземлиться, несмотря на существенные повреждения, нанесенные декомпрессией, которая привела к потере одного члена экипажа; инцидент имел далеко идущие последствия для политики безопасности полетов и привел к изменениям в эксплуатационных процедурах. [56]

Сверхзвуковой авиалайнер Concorde должен был иметь дело с особенно высокими перепадами давления, поскольку он летал на необычно большой высоте (до 60 000 футов (18 288 м)) и поддерживал высоту салона 6000 футов (1829 м). [57] Несмотря на это, высота его салона намеренно поддерживалась на уровне 6000 футов (1829 м). [58] Такое сочетание, хотя и обеспечивало повышенный комфорт, потребовало сделать Concorde значительно более тяжелым самолетом, что, в свою очередь, способствовало относительно высокой стоимости полета. Необычно, что Concorde был снабжен меньшими окнами салона, чем большинство других коммерческих пассажирских самолетов, чтобы замедлить скорость декомпрессии в случае отказа уплотнения окна. [59] Большая крейсерская высота также требовала использования кислорода высокого давления и клапанов спроса на аварийных масках в отличие от масок с непрерывным потоком, используемых в обычных авиалайнерах. [60] FAA, которое устанавливает минимальные скорости аварийного снижения для самолетов, определило, что в связи с большей рабочей высотой Concorde наилучшим ответом на инцидент с потерей давления будет выполнение быстрого снижения. [61]

Проектная рабочая высота салона для новых самолетов снижается, и это, как ожидается, уменьшит любые оставшиеся физиологические проблемы. Как Boeing 787 Dreamliner , так и Airbus A350 XWB авиалайнеры внесли такие изменения для повышения комфорта пассажиров. Внутреннее давление салона 787 эквивалентно высоте 6000 футов (1829 м), что приводит к более высокому давлению, чем для высоты 8000 футов (2438 м) старых обычных самолетов; [62] согласно совместному исследованию, проведенному Boeing и Университетом штата Оклахома , такой уровень значительно повышает уровень комфорта. [63] [64] Airbus заявил, что A350 XWB обеспечивает типичную высоту салона на уровне или ниже 6000 футов (1829 м), а также атмосферу салона с влажностью 20% и систему управления потоком воздуха, которая адаптирует поток воздуха в салоне к пассажирской нагрузке с циркуляцией воздуха без сквозняков. [65] Использование композитных фюзеляжей устраняет угрозу усталости металла , которая могла бы усугубиться из-за более высокого давления в салоне, принятого в современных авиалайнерах, а также устраняет риск коррозии из-за использования более высоких уровней влажности. [62]

Смотрите также

Сноски

  1. ↑ Brain, Marshall (12 апреля 2011 г.). «Как работает герметизация салона самолета». How Stuff Works. Архивировано из оригинала 15 января 2013 г. Получено 31 декабря 2012 г.
  2. ^ "Почему самолеты используют герметизацию салона". aerospace.honeywell.com . Получено 24.08.2022 .
  3. ^ ab rmjg20 (2012-06-09). "Крушение кометы ДеХэвилленд". Блог аэрокосмической техники . Архивировано из оригинала 2022-09-10 . Получено 2022-08-26 .{{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
  4. ^ FAA (1989). Отчет об авиационном происшествии – Aloha Airlines, рейс 243, Boeing 737-200, N73711, около Мауи, Гавайи, 28 апреля 1988 г. FAA. стр. 1.
  5. ^ К. Бейли и А. Симпсон. "Калькулятор кислорода на высоте" . Получено 13 августа 2006 г.– Онлайн-интерактивный калькулятор кислорода на высоте
  6. ^ "Баротравма Что это?". Harvard Health Publishing . Гарвардская медицинская школа . Декабрь 2018. Получено 14.04.2019 . В самолете баротравма уха — также называемая аэроотитом или баротитом — может произойти, когда самолет снижается для посадки.
  7. ^ Auld, DJ; Srinivas, K. (2008). "Свойства атмосферы". Архивировано из оригинала 2013-06-09 . Получено 2008-03-13 .
  8. ^ "Глава 7: Системы воздушного судна". Pilot's Handbook of Aeronautical Knowledge (FAA-H-8083-25B ed.). Федеральное управление гражданской авиации . 2016-08-24. стр. 36. Архивировано из оригинала 2023-06-20.
  9. ^ Медицинское руководство 9-е издание (PDF) . Международная ассоциация воздушного транспорта. ISBN 978-92-9229-445-8.
  10. ^ Bagshaw M (2007). "Высота в салоне коммерческого самолета". Журнал Королевского медицинского общества . 100 (2): 64. doi :10.1177/014107680710000207. PMC 1790988. PMID  17277266 . 
  11. ^ "Система контроля окружающей среды коммерческого авиалайнера: технические аспекты качества воздуха в салоне" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2011-05-24.
  12. ^ "Производители стремятся к более комфортному климату в салоне". Flightglobal. 19 марта 2012 г.
  13. ^ "Bombardier's Stretching Range on Global Express Global Express XRS". Aero-News Network . 7 октября 2003 г.
  14. ^ "Информационный листок Bombardier Global Express XRS" (PDF) . Bombardier. 2011. Архивировано из оригинала (PDF) 2010-02-16 . Получено 2012-01-09 .
  15. ^ "Системы контроля окружающей среды в самолете" (PDF) . Карлтонский университет. 2003.
  16. ↑ Летные испытания: Emivest SJ30 – ракета дальнего действия. Получено 27 сентября 2012 г.
  17. ↑ SJ30-2, Соединенные Штаты Америки. Получено 27 сентября 2012 г.
  18. ^ «Авиакомпании сокращают расходы. Платят ли пациенты с респираторными заболеваниями за это?». Европейское респираторное общество . 2010.
  19. ^ "Окончательная политика FAR Часть 25 Раздел 25.841 07/05/1996|Приложение 4".
  20. ^ ab "FARs, 14 CFR, Часть 25, Раздел 841".
  21. ^ ab "Exemption No. 8695". Рентон, Вашингтон: Федеральное управление гражданской авиации . 2006-03-24. Архивировано из оригинала 2009-03-27 . Получено 2008-10-02 .
  22. ^ Стив Хаппенни (2006-03-24). "PS-ANM-03-112-16". Федеральное управление гражданской авиации . Получено 2009-09-23 .
  23. ^ Гатланд, Кеннет (1976). Пилотируемый космический корабль (второе изд.). Нью-Йорк: MacMillan. стр. 256.
  24. ^ Гатланд, стр. 134
  25. ^ Кэтчпол, Джон (2001). Проект «Меркурий» — первая пилотируемая космическая программа НАСА. Чичестер, Великобритания: Springer Praxis. стр. 410. ISBN 1-85233-406-1.
  26. ^ Гиблин, Келли А. (весна 1998 г.). «Пожар в кабине!». Американское наследие изобретений и технологий . 13 (4). Архивировано из оригинала 20 ноября 2008 г. Получено 23 марта 2011 г.
  27. ^ Гатланд, стр. 264
  28. ^ Гатланд, стр. 269
  29. ^ Гатланд, стр. 278, 284
  30. ^ «Пожар Аполлона-1 –».
  31. ^ Белью, Леланд Ф., ред. (1977). "2. Наша первая космическая станция". SP-400 Skylab: Наша первая космическая станция. Вашингтон, округ Колумбия: NASA. стр. 18. Получено 15 июля 2019 г.
  32. ^ Гернхардт, Майкл Л.; Дервей, Джозеф П.; Валигора, Джеймс М.; Фицпатрик, Дэниел Т.; Конкин, Джонни (2013). "5.4 Внекорабельная деятельность" (PDF) . Операции EVA . Вашингтон, округ Колумбия: NASA. стр. 1.
  33. ^ "Глава 7: Системы воздушного судна". Pilot's Handbook of Aeronautical Knowledge (FAA-H-8083-25B ed.). Федеральное управление гражданской авиации . 2016-08-24. С. 34–35. Архивировано из оригинала 2023-06-20.
  34. ^ ab "Система контроля окружающей среды коммерческого авиалайнера: технические аспекты воздуха в салоне". 1995. Архивировано из оригинала (PDF) 31 марта 2012 г.
  35. ^ «Характеристики перепада давления в самолетах».
  36. ^ Огандо, Джозеф, ред. (4 июня 2007 г.). «Boeing's 'More Electric' 787 Dreamliner ускоряет эволюцию двигателя: на 787 Boeing исключил отбор воздуха и в значительной степени полагался на электрические стартерные генераторы». Design News . Архивировано из оригинала 6 апреля 2012 г. . Получено 9 сентября 2011 г. .
  37. ^ Дорнхайм, Майкл (27 марта 2005 г.). «Огромная электрическая система 787 создает избыточное давление в салоне» . Aviation Week & Space Technology .
  38. ^ "Boeing 787 с нуля"
  39. ^ Jedick MD/MBA, Rocky (28 апреля 2013 г.). "Гипоксия". goflightmedicine.com . Go Flight Medicine . Получено 17 марта 2014 г. .
  40. ^ "Триумф и трагедия "Союза-11"". Время . 12 июля 1971. Архивировано из оригинала 18 марта 2008. Получено 20 октября 2007 .
  41. ^ "Союз 11". Энциклопедия Астронавтика . 2007. Архивировано из оригинала 30 октября 2007. Получено 20 октября 2007 .
  42. ↑ Харрис, бригадный генерал Гарольд Р. ВВС США (в отставке), «Шестьдесят лет истории авиации, воспоминания одного человека», журнал Американского общества истории авиации, зима, 1986 г., стр. 272-273.
  43. ↑ New, Paul (17 мая 2018 г.). «All Blown Up». Tennessee Aircraft Services . Получено 21 мая 2021 г. P210 не был первым серийным герметичным одномоторным самолетом, но он определенно был первым успешным.
  44. ^ abcdefghij Корнелисс, Диана Г. (2002). Великолепное видение, непреклонная цель; развитие воздушной мощи для ВВС США в течение первого столетия управляемых полетов . База ВВС Райт-Паттерсон, Огайо: Издательства ВВС США. С. 128–29. ISBN 0-16-067599-5.
  45. ↑ Уильям А. Шёнебергер и Роберт Р. Х. Шолль, Из воздуха: первые 50 лет Гарретта , Финикс: Garrett Corporation, 1985 ( ISBN 0-9617029-0-7 ), стр. 275. 
  46. ^ Некоторые чрезвычайно высоколетящие самолеты, такие как Westland Welkin, использовали частичную наддувку, чтобы уменьшить усилия, необходимые для использования кислородной маски.
  47. ↑ Сеймур Л. Чапин (август 1966 г.). «Гарретт и герметичный полет: бизнес, построенный на разреженном воздухе». Pacific Historical Review . 35 (3): 329–43. doi :10.2307/3636792. JSTOR  3636792.
  48. ^ RJ Atkinson, WJ Winkworth и GM Norris (1962). «Поведение трещин усталости кожи в углах окон фюзеляжа кометы». Отчеты и меморандумы Совета по аэронавигационным исследованиям . CiteSeerX 10.1.1.226.7667 . 
  49. ^ Джеффорд, К. Г., редактор. Королевские ВВС и ядерное оружие, 1960–1998. Лондон: Историческое общество Королевских ВВС, 2001. С. 123–125.
  50. ^ Дэвис, Р. Э. и Филип Дж. Бертлз. Комета: первый в мире реактивный авиалайнер . Маклин, Вирджиния: Paladwr Press, 1999. ISBN 1-888962-14-3 . С. 30–31. 
  51. ↑ Мансон, Кеннет. Гражданские авиалайнеры с 1946 года. Лондон: Blandford Press, 1967. С. 155.
  52. ^ "Вехи в структурной целостности самолетов". ResearchGate . Получено 22 марта 2019 г.
  53. ^ Фейт, Николас. Черный ящик: почему безопасность полетов — это не случайность. Книга, которую должен прочитать каждый авиапассажир . Лондон: Boxtree, 1996. ISBN 0-7522-2118-3 . С. 72. 
  54. ^ "Отчет об авиационном происшествии AAR8903: Aloha Airlines, рейс 243, Boeing 737-200, N73711" (PDF) . NTSB . 14 июня 1989 г.
  55. ↑ Отчет об инциденте с рейсом 243 авиакомпании Aloha Airlines — AviationSafety.net, дата обращения 5 июля 2014 г.
  56. ^ ab "Отчет об авиационном происшествии, рейс 243 авиакомпании Aloha Airlines, Boeing 737-100, N73711, недалеко от Мауи, Гавайи, 28 апреля 1998 г." (PDF) . Национальный совет по безопасности на транспорте . 14 июня 1989 г. NTSB/AAR-89/03 . Получено 5 февраля 2016 г. .
  57. ^ Хепберн, AN (1967). «Человеческий фактор в Конкорде». Медицина труда . 17 (2): 47–51. doi :10.1093/occmed/17.2.47.
  58. ^ Хепберн, AN (1967). «Человеческий фактор в самолете «Конкорд»». Медицина труда . 17 (2): 47–51. doi :10.1093/occmed/17.2.47.
  59. ^ Нанн, Джон Фрэнсис (1993). Прикладная респираторная физиология Нанна. Баттерворт-Хайнеман. стр. 341. ISBN 0-7506-1336-X.
  60. ^ Нанн 1993, стр. 341.
  61. ↑ Happenny, Steve (24 марта 2006 г.). «Временная политика по декомпрессии кабины на большой высоте – соответствующая прошлая практика». Федеральное управление гражданской авиации.
  62. ^ ab Adams, Marilyn (1 ноября 2006 г.). «Дышите спокойно, говорит Boeing». USA Today .
  63. ^ Крофт, Джон (июль 2006 г.). "Airbus и Boeing spar for middleweight" (PDF) . Американский институт аэронавтики и астронавтики . Архивировано из оригинала (PDF) 10 июля 2007 г. . Получено 8 июля 2007 г. .
  64. ^ "Boeing 7E7 Offers Preferred Cabin Environment, Study Finds" (пресс-релиз). Boeing. 19 июля 2004 г. Архивировано из оригинала 6 ноября 2011 г. Получено 14 июня 2011 г.
  65. ^ "Taking the lead: A350XWB presentation" (PDF) . EADS. Декабрь 2006 г. Архивировано из оригинала (PDF) 27.03.2009.

Общие ссылки

Внешние ссылки