В воздухоплавании система экологического контроля ( ECS ) самолета является важнейшим компонентом, обеспечивающим подачу воздуха, терморегуляцию и герметизацию кабины экипажа и пассажиров. Дополнительные функции включают охлаждение авионики , обнаружение дыма и пожаротушение .
Описанные ниже системы характерны для нынешних авиалайнеров Boeing , хотя детали по существу идентичны для пассажирских самолетов Airbus и других компаний. Исключением был Конкорд , на котором была установлена дополнительная система подачи воздуха из-за большей высоты, на которой он летал, а также из-за немного более высокого давления в салоне. [1]
На реактивных лайнерах воздух подается в систему ECS, отбираясь из ступени компрессора каждого газотурбинного двигателя , расположенной перед камерой сгорания . Температура и давление отбираемого воздуха варьируются в зависимости от используемой ступени компрессора и настройки мощности двигателя. Запорный клапан регулирования давления в коллекторе (MPRSOV) ограничивает поток по мере необходимости для поддержания желаемого давления в последующих системах.
Для подачи воздуха через систему необходимо определенное минимальное давление подачи, но желательно использовать как можно более низкое давление подачи, поскольку энергия, которую двигатель использует для сжатия отбираемого воздуха, недоступна для движения, и страдает расход топлива. . По этой причине воздух обычно забирается из одного из двух (или в некоторых случаях, как в Боинге 777 , трех) выпускных отверстий в разных местах ступеней компрессора. Когда двигатель находится под низким давлением (малая тяга или большая высота), воздух забирается из отверстия для стравливания самого высокого давления. Когда давление увеличивается (большая тяга или меньшая высота) и достигает заданной точки пересечения, запорный клапан высокого давления (HPSOV) закрывается, и воздух отбирается из порта более низкого давления, чтобы минимизировать потерю производительности топлива. Обратное происходит при снижении давления в двигателе.
Для достижения желаемой температуры отбираемый воздух проходит через теплообменник , называемый предварительным охладителем . Воздух, отбираемый от вентилятора двигателя, продувается через предварительный охладитель, расположенный в стойке двигателя , и поглощает избыточное тепло из отбираемого для эксплуатации воздуха. Модулирующий воздушный клапан вентилятора (FAMV) изменяет поток охлаждающего воздуха, чтобы контролировать конечную температуру отбираемого для обслуживания воздуха.
Примечательно, что в Боинге 787 не используется отбираемый воздух для наддува салона. Вместо этого самолет всасывает воздух из специальных воздухозаборников, расположенных перед крыльями. [2] [3]
Основным компонентом работы блока холодного воздуха (CAU) является охлаждающее устройство Air Cycle Machine (ACM). В некоторых самолетах, в том числе в ранних самолетах Boeing 707 , использовалось охлаждение с сжатием пара, подобное тому, которое используется в домашних кондиционерах .
В ACM не используется фреон : хладагентом является сам воздух . ACM предпочтительнее устройств с паровым циклом из-за меньшего веса и требований к техническому обслуживанию.
Большинство лайнеров оснащены ПАКАМИ. Значение аббревиатуры см. здесь . Расположение ПАКЕТОВ кондиционера (AC) зависит от конструкции самолета. В некоторых конструкциях они устанавливаются в межкрыльевом обтекателе между двумя крыльями под фюзеляжем . На других самолетах ( серия Douglas Aircraft DC-9 ) блоки переменного тока расположены в хвостовой части. ПАКи самолетов на McDonnell Douglas DC-10 / MD-11 и Lockheed L-1011 расположены в передней части самолета под кабиной экипажа . Почти все реактивные лайнеры имеют два PACK, хотя более крупные самолеты, такие как Boeing 747 , Lockheed L-1011 и McDonnell-Douglas DC-10/ MD-11, имеют три.
Количество отбираемого воздуха, поступающего в блок переменного тока, регулируется клапаном регулирования расхода (FCV). Для каждого ПАКЕТА устанавливается один FCV. Нормально закрытый запорный клапан предотвращает попадание воздуха из левой системы слива в правый ПАКЕТ (и наоборот ), хотя этот клапан может быть открыт в случае выхода из строя одной системы слива.
После FCV находится установка холодного воздуха (CAU), также называемая холодильной установкой. Существует много различных типов CAU; однако все они используют типичные основы. Отбираемый воздух поступает в первичный напорный теплообменник, где он охлаждается либо набегающим воздухом, либо расширением, либо комбинацией того и другого. Затем холодный воздух поступает в компрессор, где он снова подвергается давлению, что приводит к подогреву воздуха. Проход через теплообменник вторичного напорного воздуха охлаждает воздух, сохраняя при этом высокое давление. Затем воздух проходит через турбину, которая расширяет воздух для дальнейшего снижения тепла. По принципу действия аналогично турбокомпрессору, компрессор и турбина расположены на одном валу. Энергия, извлекаемая из воздуха, проходящего через турбину, используется для питания компрессора. Затем поток воздуха направляется в промежуточный нагреватель, а затем попадает в конденсатор для подготовки к удалению воды с помощью водоотделителя. [4]
Затем воздух направляется через водоотделитель, где воздух вынужден спирально двигаться по своей длине, а центробежные силы заставляют влагу выбрасываться через сито к внешним стенкам, где она направляется к стоку и отправляется за борт. Затем воздух обычно проходит через коагулятор водоотделителя или носок. Носок удерживает грязь и масло из отбираемого из двигателя воздуха, сохраняя воздух в салоне чище. Этот процесс удаления воды предотвращает образование льда и засорение системы, а также предотвращает запотевание кабины и кабины при работе на земле и на малых высотах.
В случае CAU с минусовой начальной загрузкой влага удаляется до того, как она достигнет турбины, так что могут быть достигнуты минусовые температуры.
Температура воздуха на выходе PACK регулируется путем регулировки потока через систему набегающего воздуха (ниже) и регулирования клапана регулирования температуры (TCV), который обводит часть горячего отбираемого воздуха вокруг ACM и смешивает его с холодным. воздух после турбины ACM.
Воздухозаборник представляет собой небольшой воздухозаборник, обычно расположенный на обтекателе, соединяющем крыло с корпусом. Почти все реактивные лайнеры используют модулирующую дверь на входе набегающего воздуха для регулирования количества потока охлаждающего воздуха через теплообменники первичного и вторичного воздуха.
Чтобы увеличить рекуперацию набегающего воздуха, почти все реактивные лайнеры используют модулирующие лопатки на выхлопе набегающего воздуха. Напорный вентилятор в системе напора обеспечивает поток набегающего воздуха через теплообменники, когда самолет находится на земле. Почти все современные самолеты используют вентилятор на общем валу с ACM, приводимый в движение турбиной ACM.
Отработанный воздух AC PACK подается в герметичный фюзеляж, где смешивается с воздухом, отфильтрованным рециркуляционными вентиляторами, и подается в смесительный коллектор. Почти на всех современных авиалайнерах воздушный поток состоит примерно на 50% из наружного воздуха и на 50% из фильтрованного воздуха.
В современных авиалайнерах используются высокоэффективные фильтры HEPA для улавливания твердых частиц , которые улавливают более 99% всех бактерий и кластерных вирусов .
Воздух из смесительного коллектора направляется к верхним распределительным соплам [5] в различных зонах самолета. Температуру в каждой зоне можно регулировать путем добавления небольшого количества подстроечного воздуха, который представляет собой воздух низкого давления и высокой температуры, отбираемый из блока переменного тока перед TCV. Воздух также подается в отдельные газоотводные отверстия. [a] Вращающийся регулятор на вентиляционном отверстии можно повернуть для регулировки вентиляции между полным отсутствием выхода воздуха и довольно сильным ветерком.
.jpg/1280px-Gasper_(aircraft).jpg)
Гасперы [a] обычно получают воздух от блоков переменного тока на борту самолета, которые, в свою очередь, получают сжатый чистый воздух от ступеней компрессора реактивных двигателей самолета или на земле от вспомогательной силовой установки (ВСУ) или наземного источника. . Главный пульт управления газовыми баллонами расположен в кабине; Газперы часто временно отключаются на определенных этапах полета (например, во время взлета и набора высоты), когда необходимо свести к минимуму нагрузку на двигатели из -за необходимости отбора воздуха .
Поток воздуха в фюзеляж примерно постоянный, а давление поддерживается за счет изменения открытия выпускного клапана (OFV). Большинство современных реактивных лайнеров имеют один OFV, расположенный в нижней кормовой части фюзеляжа, хотя некоторые более крупные самолеты, такие как Boeing 747 и 777, имеют два.
На случай, если OFV не закроется, предусмотрены как минимум два предохранительных клапана положительного давления (PPRV) и как минимум один предохранительный клапан отрицательного давления (NPRV) для защиты фюзеляжа от избыточного или недостаточного давления.
Давление в кабине самолета обычно повышается до высоты кабины 8000 футов или меньше. Это означает, что давление составляет 10,9 фунтов на квадратный дюйм (75 кПа), что соответствует давлению окружающей среды на высоте 8000 футов (2400 м). Обратите внимание, что чем ниже высота кабины, тем выше давление. Давление в кабине контролируется с помощью графика давления в кабине, который связывает каждую высоту самолета с высотой кабины. Новые авиалайнеры, такие как Airbus A350 и Boeing 787, будут иметь меньшую максимальную высоту салона, что поможет снизить утомляемость пассажиров во время полетов.
Атмосфера на типичных высотах полета реактивного лайнера обычно очень сухая и холодная; Наружный воздух, закачиваемый в салон во время длительного полета, может вызвать конденсацию , которая, в свою очередь, может вызвать коррозию или электрические неисправности, и поэтому устраняется. Следовательно, когда влажный воздух встречается на более низких высотах и всасывается, система ECS осушает его посредством цикла нагревания и охлаждения и упомянутого выше водоотделителя, так что даже при высокой внешней относительной влажности внутри кабины она обычно будет ненамного выше. относительная влажность более 10%.
Хотя низкая влажность в салоне полезна для здоровья, поскольку предотвращает рост грибков и бактерий , низкая влажность вызывает сухость кожи, глаз и слизистых оболочек и способствует обезвоживанию , что приводит к усталости, дискомфорту и проблемам со здоровьем. В одном исследовании большинство бортпроводников сообщили о дискомфорте и проблемах со здоровьем из-за низкой влажности. [6] В заявлении Конгрессу США в 2003 году член Комитета по качеству воздуха в пассажирских салонах коммерческих самолетов сказал, что «низкая относительная влажность может вызвать некоторый временный дискомфорт (например, пересыхание глаз, носовых проходов и кожи), но другие возможные краткосрочные или долгосрочные последствия не установлены». [7]
К ECS некоторых самолетов может быть добавлена система контроля влажности в салоне, чтобы поддерживать относительную влажность на чрезвычайно низком уровне, что соответствует необходимости предотвращения конденсации. [8] Кроме того, Boeing 787 и Airbus A350, используя в своей конструкции более устойчивые к коррозии композиты, могут работать с относительной влажностью в салоне 16% на длительных рейсах.
Отбираемый воздух поступает из двигателей, но отбирается из двигателя перед камерой сгорания. Воздух не может течь назад через двигатель, за исключением случаев остановки компрессора (по сути, обратного зажигания в реактивном двигателе), поэтому отбираемый воздух не должен содержать загрязняющих веществ, образующихся в процессе сгорания при нормальной работе собственных двигателей самолета.
Однако в некоторых случаях из угольных уплотнений может происходить утечка масла (содержащего потенциально опасные химические вещества) в отбираемый воздух, что в отрасли называется образованием дыма . [9] Обычно эту проблему решают быстро, поскольку выход из строя сальников сокращает срок службы двигателя.
Загрязнение маслом из этого и других источников в моторном отсеке вызвало обеспокоенность у некоторых правозащитных групп и послужило толчком к исследованиям в нескольких академических учреждениях и регулирующих органах. Однако ни одно заслуживающее доверия исследование не дало доказательств существования заболеваний, вызванных дымом. [10] [11] [12]