В аэронавтике система контроля окружающей среды ( ECS ) самолета является важнейшим компонентом, который обеспечивает подачу воздуха, терморегулирование и наддув кабины для экипажа и пассажиров. Дополнительные функции включают охлаждение авионики , обнаружение дыма и пожаротушение .
Системы, описанные ниже, характерны для современных авиалайнеров Boeing , хотя детали по сути идентичны для пассажирских самолетов Airbus и других компаний. Исключением был Concorde , у которого была установлена дополнительная система подачи воздуха из-за больших высот, на которых он летал, а также немного более высокого давления в салоне. [1]
На реактивных самолетах воздух подается в ECS путем отбора из ступени компрессора каждого газотурбинного двигателя , выше по потоку от камеры сгорания . Температура и давление этого отбора 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 для систем ниже по потоку.
Определенное минимальное давление подачи необходимо для прокачки воздуха через систему, но желательно использовать как можно более низкое давление подачи, поскольку энергия, используемая двигателем 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, таких как Boeing 777 , из трех) отверстий отбора в разных местах расположения ступеней компрессора. Когда двигатель находится под низким давлением (низкая тяга или большая высота), воздух забирается из отверстия отбора с самым высоким давлением. По мере увеличения давления (больше тяги или меньшая высота) и достижения заданной точки пересечения запорный клапан высокого давления (HPSOV) закрывается, и воздух выбирается из отверстия с более низким давлением, чтобы минимизировать потерю производительности топлива. Обратное происходит при снижении давления двигателя.
Для достижения желаемой температуры отбираемый воздух проходит через теплообменник, называемый предварительным охладителем . Воздух, отбираемый из вентилятора двигателя, продувается через предварительный охладитель, расположенный в стойке двигателя , и поглощает избыточное тепло от отбираемого сервисного воздуха. Модулирующий клапан вентилятора (FAMV) изменяет поток охлаждающего воздуха для управления конечной температурой отбираемого сервисного воздуха.
Примечательно, что Boeing 787 не использует отбор воздуха для наддува салона. Вместо этого самолет забирает воздух из специальных воздухозаборников, расположенных перед крыльями. [2] [3]
Основным компонентом для функционирования блока холодного воздуха (CAU) является охлаждающее устройство Air Cycle Machine (ACM). Некоторые самолеты, включая ранние самолеты Boeing 707 , использовали парокомпрессионное охлаждение, подобное тому, которое используется в домашних кондиционерах .
ACM не использует фреон : хладагентом является сам воздух . ACM предпочтительнее устройств с паровым циклом из-за меньшего веса и требований к обслуживанию.
Большинство реактивных лайнеров оснащены PACK. Значение аббревиатуры см. здесь . Расположение PACK(ов) системы кондиционирования воздуха (AC) зависит от конструкции самолета. В некоторых конструкциях они устанавливаются в обтекателе крыла к корпусу между двумя крыльями под фюзеляжем . На других самолетах ( Douglas Aircraft DC-9 Series ) AC PACK расположены в хвосте. Самолетные PACK 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 отводимого воздуха, поступающего в блок кондиционера, регулируется клапаном управления потоком (FCV). Для каждого блока PACK устанавливается один FCV. Нормально закрытый запорный клапан предотвращает попадание воздуха из левой системы отвода в правый блок PACK (и наоборот ), хотя этот клапан может быть открыт в случае потери одной системы отвода.
Ниже по потоку от FCV находится блок холодного воздуха (CAU), также называемый холодильным агрегатом. Существует множество различных типов CAU; однако все они используют типичные основы. Отбираемый воздух поступает в первичный теплообменник набегающего воздуха, где он охлаждается либо набегающим воздухом, либо расширением, либо комбинацией того и другого. Затем холодный воздух поступает в компрессор, где он повторно сжимается, что повторно нагревает воздух. Проход через вторичный теплообменник набегающего воздуха охлаждает воздух, сохраняя высокое давление. Затем воздух проходит через турбину, которая расширяет воздух для дальнейшего снижения температуры. Подобно работе турбокомпрессора, компрессор и турбина находятся на одном валу. Энергия, извлеченная из воздуха, проходящего через турбину, используется для питания компрессора. Затем поток воздуха направляется в подогреватель, прежде чем он поступит в конденсатор, чтобы быть готовым к извлечению воды с помощью водоотделителя. [4]
Затем воздух направляется через водоотделитель, где воздух вынужден закручиваться по спирали по всей длине, а центробежные силы заставляют влагу выбрасываться через сито и к внешним стенкам, где она направляется к сливу и отправляется за борт. Затем воздух обычно проходит через водоотделитель-коагулятор или носок. Носок удерживает грязь и масло из отбираемого от двигателя воздуха, чтобы поддерживать чистоту воздуха в салоне. Этот процесс удаления воды предотвращает образование льда и засорение системы, а также предотвращает запотевание кабины и салона при наземной эксплуатации и на малых высотах.
В случае отрицательной начальной загрузки CAU влага извлекается до того, как она попадет в турбину, что позволяет достичь отрицательных температур.
Температура воздуха на выходе из PACK контролируется путем регулирования расхода через систему набегающего потока воздуха (внизу) и модуляции клапана регулирования температуры (TCV), который обходит часть горячего отбираемого воздуха вокруг ACM и смешивает его с холодным воздухом после турбины ACM.
Входное отверстие набегающего воздуха представляет собой небольшой ковш, обычно расположенный на обтекателе крыла к корпусу. Почти все реактивные лайнеры используют модулирующую дверцу на входном отверстии набегающего воздуха для управления количеством охлаждающего воздуха, проходящего через первичные и вторичные теплообменники набегающего воздуха.
Для повышения эффективности рекуперации набегающего воздуха почти все реактивные самолеты используют модулирующие лопатки на выхлопе набегающего воздуха. Вентилятор набегающего воздуха в системе набегающего воздуха обеспечивает поток набегающего воздуха через теплообменники, когда самолет находится на земле. Почти все современные самолеты с фиксированным крылом используют вентилятор на общем валу с ACM, приводимый в действие турбиной ACM.
Выхлопной воздух AC PACK подается в герметичный фюзеляж, где смешивается с отфильтрованным воздухом от рециркуляционных вентиляторов и подается в смесительный коллектор. Почти на всех современных реактивных самолетах воздушный поток состоит примерно на 50% из наружного воздуха и на 50% из отфильтрованного воздуха.
В современных реактивных лайнерах используются высокоэффективные фильтры HEPA , задерживающие частицы, которые задерживают более 99% всех бактерий и вирусов .
Воздух из смесительного коллектора направляется в верхние распределительные сопла [5] в различных зонах самолета. Температура в каждой зоне может регулироваться путем добавления небольшого количества воздуха для регулировки, который представляет собой воздух низкого давления и высокой температуры, отбираемый из AC PACK выше по потоку от TCV. Воздух также подается в отдельные вентиляционные отверстия gasper. [a] Вращающийся регулятор на вентиляционном отверстии может быть повернут для регулировки вентиляции от полного отсутствия выхода воздуха до довольно существенного бриза.
.jpg/1280px-Gasper_(aircraft).jpg)
Gaspers [a] обычно получают воздух из AC PACK на борту самолета, которые в свою очередь получают сжатый чистый воздух из компрессорных ступеней реактивных двигателей самолета или, когда они находятся на земле, из вспомогательной силовой установки (APU) или наземного источника. Главный элемент управления gaspers находится в кабине; gaspers часто временно отключаются во время определенных фаз полета (например, во время взлета и набора высоты), когда нагрузка на двигатели от отбора воздуха должна быть минимизирована.
Воздушный поток в фюзеляже приблизительно постоянен, а давление поддерживается путем изменения открытия выпускного клапана (OFV). Большинство современных реактивных лайнеров имеют один OFV, расположенный около нижней задней части фюзеляжа, хотя некоторые более крупные самолеты, такие как Boeing 747 и 777, имеют два.
В случае отказа OFV в закрытом состоянии предусмотрены как минимум два клапана избыточного давления (PPRV) и как минимум один клапан отрицательного давления (NPRV) для защиты фюзеляжа от избыточного и недостаточного давления.
Давление в салоне самолета обычно нагнетается до высоты 8000 футов или ниже. Это означает, что давление составляет 10,9 фунтов на квадратный дюйм (75 кПа), что является давлением окружающей среды на высоте 8000 футов (2400 м). Обратите внимание, что чем ниже высота салона, тем выше давление. Давление в салоне контролируется графиком давления в салоне, который связывает высоту каждого самолета с высотой салона. Новые авиалайнеры, такие как Airbus A350 и Boeing 787, будут иметь более низкие максимальные высоты 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 на более низких высотах встречается и втягивается, ECS осушает его посредством цикла нагрева и охлаждения и водоотделителя, упомянутого выше, так что даже при высокой внешней относительной влажности внутри салона она обычно будет не намного выше 10% относительной влажности.
Хотя низкая влажность в салоне полезна для здоровья, предотвращая рост грибков и бактерий , низкая влажность вызывает высыхание 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 вызывать некоторый временный дискомфорт (например, сухость глаз, носовых ходов и кожи), но другие возможные краткосрочные или долгосрочные эффекты не были установлены». [7]
Система контроля влажности в салоне может быть добавлена к ECS некоторых самолетов, чтобы поддерживать относительную влажность на крайне низком уровне, что соответствует необходимости предотвращения конденсации. [8] Кроме того, Boeing 787 и Airbus A350, используя в своей конструкции более коррозионно-стойкие композиты, могут работать при относительной влажности в салоне 16% на длительных рейсах.
Отбираемый воздух поступает из двигателей, но отбирается из двигателя выше по потоку от камеры сгорания. Воздух не может течь обратно через двигатель, за исключением случаев остановки компрессора (по сути, обратная вспышка реактивного двигателя), поэтому отбираемый воздух не должен содержать загрязняющих веществ сгорания от нормальной работы собственных двигателей самолета.
Однако в некоторых случаях через угольные уплотнения может происходить утечка масла (содержащего потенциально опасные химические вещества) в отбираемый воздух, что в отрасли известно как явление испарения . [9] Обычно эта проблема быстро устраняется, поскольку вышедшие из строя масляные уплотнения сокращают срок службы двигателя.
Загрязнение маслом из этого и других источников в моторном отсеке привело к проблемам со здоровьем у некоторых правозащитных групп и побудило несколько академических институтов и регулирующих органов провести исследования. Однако ни одно заслуживающее доверия исследование не дало доказательств существования медицинского состояния, вызванного парами. [10] [11] [12]