QrowST

Продолжу свой рассказ про историю создания и устройство системы жизнеобеспечения современного пассажирского авиалайнера.

Часть 1 - История становления современной авиации: Система жизнеобеспечения. Часть 1

В первой части рассказал про первые установки жизнеобеспечения и первые гермокабины, пробу пера так сказать) К слову, инженеры задумывались и над тем, как дать возможность пассажирам нормально дышать на высоте, в самолёте без гермокабины. Решение найдено было весьма простое, в пассажирский салон устанавливался баллон с кислородом, и к каждому пассажиру шла трубочка. По началу, трубочка заканчивалась мундштуком, похожим на сигаретный, затем в обиход пришли первые маски.

Маской это конечно можно назвать с натяжкой, скорее наносник. Зато можно безпрепятственно общаться, выпить чего нибудь или выкурить сигарету. (К пожарной безопасности тогда относились намного спокойнее)

Вот так и летали)

В 1935м году, к созданию самолётов с герметичными кабинами подключились американцы из фирмы Lockheed. И к 1937 году они выкатывают экспериментальный XC-35 на базе Электры. Самолёт получил новую гермокабину круглого сечения, турбонагнетатели на двигателях и возможность длительных полетов на высоте 7600 метров.

На фото сам XC-35, кабина пилотов и пассажирский салон, в задней части которого виден гермошпангоут и дверь в негерметичный отсек.

Нагнетатели Pratt & Whitney XR-1340-43 обеспечивали сохранение мощности двигателей до высоты в 11 километров, и они же использовались для наддува кабины. Система, управляемая бортинженером, могла подавать до семи кубометров воздуха в минуту, и поддерживать давление в кабине эквивалентное высоте 3600 метров при высоте полета в 9600 м. Фюзеляж был разделен гермошпангоутами (герметичными переборками) на герметичный, где располагались пилоты, бортинженер и два пассажирских места, и негерметичный отсеки.

И вот примерно на этом моменте система кондиционирования приобретает уже вполне себе современный вид.

Boeing 307 Stratoliner.

Первый в мире серийный пассажирский самолёт с гермокабиной. Герметизированный фюзеляж позволял ему лететь на высоте 7500-7800 м, выше грозовых облаков - плохая погода тогда была главной помехой авиаперевозкам.

Салон вмещал 33 пассажира в "дневном" варианте либо 16 койко мест плюс 9 сидячих в "ночном", а так же двух пилотов, бортинженера и двух бортпроводников.

Воздух, предназначенный для кабины, поступал через входные отверстия в передней кромке крыла к двум компрессорам, работавшим от двигателей самолёта. Затем он дополнительно подогревался и подавался в кабину(в том числе к индивидуальным вентиляционным патрубкам).

31 декабря 1938 года он совершил свой первый полёт и впоследствии был выпущен серией из 10 машин, но начало войны, две аварии и дороговизна билетов не поспособствовали широкому применению данной машины.

Один из Стратолайнеров впоследствии был переделан в яхту))

Чего только не найдешь, пока ищешь материал))

Итак, существует три типа герметичных кабин:

Это регенерационные, которые характерны сейчас для космических аппаратов, и в гражданской авиации применяются очень редко.

Вентиляционные, где воздух отбирается из внешней среды, проходит через компрессоры, сжимается, подаётся в блоки охлаждения, а затем в кабину самолёта и, после чего, сбрасывается обратно в атмосферу.

И смешанные, используются оба типа. Воздух отбирается из атмосферы, проходит необходимую обработку и поступает в кабину. Затем часть его сбрасывается в атмосферу, а часть поступает в систему фильтрации и снова в кабину.

Смешанные системы сейчас повсеместно используются на современных пассажирских самолётах, в частности для обеспечения топливной эффективности лайнера. Часть системы отвечающая за фильтрацию, называется системой рециркуляции. (Именно в ней располагаются так хорошо всем сейчас известные HEPA фильтры, которые задерживают пыль, бактерии и вирусы. А механикам, которые их меняют - приходится одевать костюмы биозащиты)

При создании герметичной кабины возник вопрос о том, какие условия (температура, давление и т д) необходимо обеспечивать в кабине для комфортного пребывания там пассажиров и экипажа. Основной проблемой являлось то, что обеспечение параметров атмосферы на уровне моря неизбежно приводило бы к росту массы конструкции и сложности проектирования и изготовления соответствующих агрегатов, поэтому пришлось идти на ряд компромиссов.

Секция фюзеляжа самого крупного пассажирского авиалайнера. А380.

Итак, появилась необходимость в разработке специальных законов/программ, согласно которым должно было поддерживаться необходимое давление в герметичной кабине. Главными составляющими данных законов стали зависимости внешнего атмосферного, абсолютного внутреннего кабинного и избыточного кабинного давлений.

Для справки:  внешнее атмосферное это давление атмосферы на высоте полёта, абсолютное внутреннее кабинное - давление в герметичной кабине самолёта. А избыточное кабинное давление это разница предыдущих двух, и именно оно учитывается при проектировании фюзеляжей.

Минимальное допустимое давление для пассажирских самолётов установлено не менее 0,77 атмосферы, что соответствует высоте 2400 м.

К слову, примерно до этой высоты самолёт не герметизируется, что бы выровнять давление и затем поддерживать его на допустимом уровне. Именно на взлете и посадке, примерно на этих высотах можно почувствовать перепад давлений, "закладывает уши".

Максимальное избыточное давление, которое конструктивно могут выдержать современные самолёты обычно не превышает 0,6 атмосферы.

Существует несколько законов изменения давления в кабине летательного аппарата в зависимости от его назначения, но так как нас интересуют пассажирские самолетны, то приведу только один.

До высоты 2000 метров давление в кабине изменяется в соответствии со стандартной атмосферой (падает при взлете и повышается при посадке), герметизации воздушного судна на данном участке нет. Затем, на участке высот от 2000 до 8600 метров, давление поддерживается постоянным, происходит герметизация кабины (наддув). Выше 8600 метров возникает необходимость удержания избыточного давления в допустимых пределах, и внутреннее давление в кабине уменьшается пропорционально высоте.

Увы, для создания безопасных и комфортных условий недостаточно выдержать изменение давления в салоне по определенному закону, необходимо так же обеспечить определенную скорость изменения давления воздуха.

В специальных барокамерах были установлены пределы скорости изменения воздуха в кабине летательных аппаратов, обусловленные возможностью человеческого организма выравнивать давление во внутренних его полостях с давлением окружающей среды. (Главным образом в области среднего уха)

Согласно нормативным документам, при отказе системы кондиционирования воздуха или системы регуляции давления скорость изменения давления не должна превышать 667 паскалей в секунду (5 мм рт ст/с) на повышение давления и 1333 Па/с (10 мм рт ст/с) на понижение.

В соответствии с рекомендациями Международной организация гражданской авиации (ICAO) комфортабельность условий полета пассажиров в салоне самолёта обеспечивается при скорости изменения давления при наборе высоты -34 Па/с, а при снижении - 24 Па/с.

Требуемые значения давления и скорости его изменения должны обеспечиваться правильной работой системы наддува и системы стравливания давления на всех этапах полета. При нарушении режимов работы данных систем действительное значение скорости изменения давления в салоне самолёта может превосходить допустимые величины.  При этом существующие штатные средства не позволяют этого избежать. В результате могут появляться болевые ощущения в ушах и лёгких.

Продолжение следует.....

В следующей части рассмотрим подробнее устройство системы кондиционирования. Всем добра)

Много размышлял, чего интересного можно рассказать про самолёты,  их обслуживание и про авиацию в целом.

И пришёл к выводу, что лучше начать с истории, и уже в неё вплетать моменты, с которыми я сталкивался на работе и в жизни.

Сегодня расскажу про такую с первого взгляда незаметную, обыденную, но такую важную вещь, как Система Кондиционирования Воздуха (СКВ) или как её величают на западе - Environmental Comtrol System (ECS).

Это именно она не даёт вам замёрзнуть зимой сидя в самолёте, пока самолёт ещё стоит на стоянке, либо же охлаждает воздух в салоне в жаркий летний зной (не всегда конечно :) но об этом мы поговорим ниже). Именно она позволяет вам дышать на высоте 11 000 метров над уровнем моря, где давление воздуха в пять раз ниже чем на уровне моря, а его плотность ниже почти в три раза, и поверьте, это будет не самоё большой проблемой)

Итак, начнём)

Ещё на заре авиации, в эпоху, когда бипланы считались верхом инженерной мысли люди поняли, что что бы летать дальше - нужно подниматься выше? Ведь в разреженной атмосфере аэродинамическое сопротивление меньше,а скорость выше. Но вот незадача самолёты тех лет не отличались.... герметичностью)

Первым шагом в сторону систем жизнеобеспечения вполне можно считать модифицированный LUSAC-11 ((Lepère United States Army Combat) который хоть и не имел полноценной герметичной кабины, но имел достаточно изолированное от внешнего мира пространство для размещения пилота, и кислородное оборудование, которое подавало кислород не через маску, а просто выпускало его, наполняя кабину. (Кислородные маски будут придуманы позже)

На год позже в воздух поднялся USD-9A, модифицированный Airco DH 9A

На который, для "удобства" экипажа была смонтирована герметичная кабина.

Грубо говоря, на место пилота была смонтирована металлическая бочка, в которой и следовало совершать полёт на высоте

Об удобстве данной конструкции я оставлю возможность судить вам)

Скажу лишь что в "кабине" не нашлось места приборам, кроме собственно штурвала и высотомера. Все остальные приборы были вынесены наружу, и что бы их можно было наблюдать, пилоту оставили небольшие окошки. Герметизация кабины должна была происходить путём закрытия люка на высоте около 960 метров.

Испытания данной системы не обошлись без курьёзов. В первый испытательный полёт отправился лейтенант Джон МакКриди, который после герметизации кабины обнаружил, что воздух, накачиваемый двумя турбокомпрессорами не успевал выходить через единственный маленький клапан. Давление и температура в кабине очень быстро поднялись, и полёт пришлось прервать. Во второй полёт отправился уже другой пилот, но на высоте оказалось что он слишком маленький, что бы дотянуться до крышки люка и закрыть её. Эксперимент снова пришлось прервать. В третий, испытательный полёт отправился лейтенант Гарольд Харрис, и вот тут уже удача была благосклонна, полёт прошёл штатно, и именно его и принято считать первым полётом самолёта с полностью наддутой кабиной (First flight in a pressurised aircraft)

Тут наверное нужна небольшая ремарка: самолёты не герметичны, в них создаётся избыточное давление, и воздух постоянно накачивается и постоянно утекает обратно в атмосферу. Именно по этому используют термин наддув. Есть даже специальный тест, при наземном обслуживании, когда закрывают все автоматические клапана, надувают фюзеляж и засекают, за какое время давление вернётся в норму (за какое время самолёт сдуется). И если это время меньше определённого значения - самолёт никуда не полетит. )

Герметичные кабины начали приобретать свои современные очертания на самолёте Ju-49,  путём установки гермокабины планировалось поднять практический потолок машины до значений, на которых бы её не доставали истребители, и использовать в качестве высотного разведчика или бомбардировщика. Самолёт был исключительно экспериментальным и в серию не пошёл, а программу производства высотных бомбардировщиков свернули после гибели прототипа в авиакатастрофе.

На фото сам Ju 49 и его герметичная кабина которая имела все необходимые приборы и к тому же была утеплена.

Нельзя не упомянуть так же Farman F.1000 (1001/1002).

Самолёт специально строился для установления новых рекордов высоты, и имел расчётный потолок в 20 километров.

Увы, реальность оказалось суровой, и сопромат никому не удавалось обмануть, в одном из полётов, на высоте 10 000 метров одно из обзорных стёкол вылетело. Пилот погиб от резкой декомпрессии. Программу свернули, так и не побив ни одного рекорда высоты.

Проблемами высотных полётов так же занимались и в Советском Союзе.

Бюро Особых Конструкций, под руководством инженера ЦАГИ Владимира Антоновича Чижевского построило свой самолёт, БОК-1.

В отличии от самолётов описанных выше, этот имел химическую регенеративную систему жизнеобеспечения, почти как на подводных лодках) Для удаление из кабины выдыхаемого человеком углекислого газа и влаги использовали специальные поглотители, а кислород подавали из баллона поворотом обычного вентиля.

Впервые самолет БОК-1 с герметичной кабиной поднялся в небо с аэродрома завода № 35 в Смоленске 13 декабря 1935 года. Его пилотировал военный летчик-испытатель И. Ф. Петров. На этой машине отрабатывалась система жизнеобеспечения. В первых испытательных полетах, несмотря на то, что за бортом температура воздуха достигала минус 50 градусов, в кабине было жарко и влажно, причем настолько, что летчикам приходилось раздеваться и обматываться полотенцами. (Обогрев был сделан сурово, напрямую от двигателя через радиатор) Случалось, замерзали остекление гермокабины и наружные органы управления. Немало сюрпризов преподнесла и силовая установка: не давала нужного давления маслосистема двигателя, нередко из-за слишком больших оборотов разрушались турбокомпрессоры.

Лучший результат был зафиксирован 28 августа 1937 года. В тот день летчик-испытатель НИИ ВВС П. М. Стефановский и его помощник смогли подняться на высоту 14100 метров, оказавшуюся для БОК-1 предельной, достичь запланированной высоты 16700 метров на ней так и не удалось. Полеты БОК-1 (СС) показали, что для высотного самолета необходима гермокабина вентиляционного типа с автоматическим регулированием заданных параметров.

Продолжение следует....