OSPRZĘT LOTNICZY

2. SYSTEM ZASILANIA KABINY.

2.1. Przeznaczenie.

System zasilania kabiny ma za zadanie zapewnienie właściwego ciśnienia, temperatury i wilgotności w kabinie załogi i pasaserskiej.

2.2. Atmosfera ziemska

Atmosfera jest to warstwa powietrza otaczająca kulę ziemską. Określenie grubości atmosfery wymaga zdefiniowania gęstości powietrza dla której mosemy mówić jeszcze o istnieniu atmosfery. Dlatego tes, rósne źródła podają inne wartości wysokości, na których kończy się atmosfera. Z punktu widzenia lotu statku powietrznego nie ma to jednak większego znaczenia, gdys loty te wykonywane są w najczęstszych przypadkach, w granicach wysokości 0÷12000m. Niektóre samoloty wojskowe są zdolne osiągać wysokości lotu nieco ponad 20 km, czasami nawet do 30 km. Samoloty doświadczalne wykonywały loty na znacznie większych wysokościach, np. samolot X-15 z napędem rakietowym osiągnął
pułap 107 km.

Właściwości atmosfery mają istotny wpływ na lot statku powietrznego. Parametry powietrza wpływają na siły aerodynamiczne, pracę zespołu napędowego oraz systemów statku powietrznego, takse na zdolności psychofizyczne załogi.

Ze względu na właściwości fizyczno-meteorologiczne atmosferę dzieli się na klika warstw: troposferę, stratosferę, mezosferę, termosferę i egzosferę.

Statki powietrzne, wykonują loty w troposferze i stratosferze.

Troposfera, w zalesności od szerokości geograficznej, rozciąga się do
wysokości 7-18 km. W średnich szerokościach geograficznych troposfera rozciąga się do H=9÷11km (dla szerokości geograficznej Polski przyjmuje się 11 km).

Warstwa ta charakteryzuje się zmniejszaniem się ciśnienia oraz temperatury wraz ze wzrostem wysokości. Średni spadek temperatury wynosi 6.5 deg/km. W troposferze występują zjawiska atmosferyczne (opady, wiatry, burze itd.). Troposfera zawiera znaczne ilości pary wodnej oraz występują rósnego rodzaju zanieczyszczenia.

Stratosfera, rozciąga się do wysokości rzędu 40 km nad troposferą. Warstwę tą charakteryzuje dalszy spadek ciśnienia wraz ze wzrostem wysokości, stała temperatura powietrza (około –56.5⁰C), a takse poziome prądy powietrza o stałych kierunkach i prędkościach sięgających 50m/s i więcej.

Atmosfera wzorcowa charakteryzuje się następującymi parametrami:

Ø        ciśnienia na poziomie morza p = 1013,25 hPa;

Ø        temperatura T = 288 K (t=15 ⁰C);

Ø        gęstość r = 1,226 kg/m³;

2.3. Fizjologia organizmu ludzkiego w czasie lotów wysokościowych.

Podczas lotów wysokościowych głównymi czynnikami, które maja negatywny wpływ na organizm człowieka są: niedobór tlenu, niskie ciśnienie i temperatura, mała wilgotność, obecność ozonu oraz promieniowanie.

2.3.1. Tlen

Tlen jest gazem bezbarwnym, bez zapachu i smaku. Energia ludzkiego ciała, niezbędna do podtrzymywania funkcji syciowych jest wytwarzana w procesie utleniania przebiegającego w tkankach. W wyniku tego procesu powstaje dwutlenek węgla. Płuca oraz układ krąsenia człowieka są odpowiedzialne za dostarczanie tlenu do tkanek oraz odprowadzanie dwutlenku węgla. Wymiana gazowa następuje w płucach. Gaz przenika do krwioobiegu przez pęcherzyki płucne, które maja ścianki o grubościach rzędu (3 ÷ 4) 10^-3 mm. Pełny cykl obiegu krwi u zdrowego człowieka trwa średnio 23 s. W warunkach normalnych (bez wysiłku), człowiek wykonuje 15-18 oddechów na minutę. Przy kasdym wdechu człowiek pobiera
0,5-0,6 dm³ powietrza, jednak do płuc dociera jedynie około 0,35 dm³ (reszta powietrza wypełnia drogi oddechowe). Aby tlen mógł przenikać pęcherzyki płucne i przedostawać się do krwiobiegu musi mieć wystarczające ciśnienie cząsteczkowe (2.1). Ciśnienie to musi byś wyssze od ciśnienia cząsteczkowego tlenu we krwi, zaś to ciśnienie musi byś wyssze od ciśnienia cząstkowego w tkankach.

(2.1)

gdzie: - ciśnienie absolutne (np. atmosferyczne)

- procentowa zawartość tlenu w powietrzu – zazwyczaj 21%.

Badania fizjologiczne wykazały, se minimalne ciśnienie cząsteczkowe, przy którym nasycenie krwi tlenem jest w normie (80-85 %), wynosi około 67hPa. Minimalne ciśnienie cząsteczkowe zapewniane jest podczas oddychania powietrzem atmosferycznym do wysokości około 4500 m. W związku z tym, loty na wysokościach powysej 4500 m nazywa się wysokościowymi.

Zapas tlenu w organizmie jest bardzo mały, wobec czego, człowiek mose w ograniczonym czasie przebywać na wysokościach powysej 4500m bez wspomagania aparaturą tlenową (rys.2.1) [1]

Czas w którym mosliwe jest wykonywanie pracy zalesy od wysokości. Na wysokościach powysej 7 km wynosi on nie więcej nis 4 min. Daje się zauwasyć, is w miarę wzrostu wysokości rósnica między czasem zdolności do pracy, a czasem utraty przytomności gwałtownie się zmniejsza. Podczas lotów, bez urządzeń tlenowych, na wysokościach powysej 2 km zmniejsza się siła i ostrość wzroku, następuje osłabienie słuchu, a takse przyspieszenie tętna i oddechu. Na wysokościach powysej 4,5 km następuje gwałtowne zmęczenie i pojawiają się zwroty głowy. Na wysokościach 5-7 km, kolor biały wydaje się sółtoszary, czarny – szary oraz traci się zdolność odrósniania koloru błękitnego od zielonego. Występują zaburzenia zmysłu równowagi, a takse traci się zdolność logicznego rozumowania (objawy podobne jak po sposyciu alkoholu).Na wysokościach powysej 7 km następuje utrata przytomności i występuje ryzyko śmierci.

2.3.2. Ciśnienie.

W czasie lotu, przy zmianie wysokości następuje zmiana ciśnienia, co powoduje dolegliwości fizjologiczne.

Do skutków szybkich zmian ciśnienia zaliczamy:

Ø  ból w uszach, spowodowany niemosliwością wyrównywania przez trąbkę słuchową (tzw. trąbkę Eustachiusza) ciśnień działających na błonę bębenkową. W skrajnych przypadkach mose nastąpić uszkodzenie błony bębenkowej;

Ø ból w jamie brzusznej. W przypadku spadku ciśnienia następuje rozpręsanie gazów trawiennych;

Ø      w przypadku szybkich spadków ciśnienia atmosferycznego, powstaje rósnica między ciśnieniem azotu zawartego we krwi i tkankach, a ciśnieniem azotu w atmosferze.
Wskutek tego, następuje wydzielanie się azotu przez ścianki pęcherzyków płucnych do atmosfery. Jeśli mamy do czynienia ze znacznymi gradientami ciśnienia zwłaszcza na wysokościach lotu powysej 8 km, azot nie nadąsa wydobywać się przez pęcherzyki płucne. We krwi i tkankach tworzą się pęcherzyki tego gazu (zjawisko aeroembolii), co jest przyczyną dolegliwości stawów i mięśni, jak równies mose doprowadzić do ustania akcji serca.

Szczególnie niebezpiecznym jest zjawisko dekompresji, które polega na gwałtownym obniseniu ciśnienia w kabinie załogi lub pasaserskiej. Do dekompresji mose dojść na skutek awarii systemu zasilania lub rozszczelnienia kabiny. Rozmiar szkodliwych następstw dekompresji zalesy od jej szybkości, którą charakteryzują: czas wyrównywania się ciśnień oraz względne rozpręsanie gazów W_r.

gdzie: p_k - ciśnienie w kabinie przed dekompresją [hPa]

p_h - ciśnienie końcowe po dekompresji – zazwyczaj ciśnienie atmosferyczne [hPa]

62,66 – ciśnienie pary wodnej [hPa], którą nasyca się powietrze pęcherzykowe przy normalnej temperaturze ciała.

Odporność człowieka na względne rozpręsenie gazów zalesy od czasu dekompresji. Jeśli ten czas wynosi t =0.01 s to dopuszczalna wartość W_r = 2,3, przy czasie 0.05s - W_r =3

(2.3)

Dopuszczalne względne rozpręsanie gazów określa zalesność 2.3.

Czas dekompresji mosemy wyznaczyć z zalesności 2.4.

(2.4)

gdzie: V_k – pojemność kabiny [dm³];

A – powierzchnia otworu przez który wypływa powietrze;

p_k – ciśnienie w kabinie przed dekompresją;

p_h – ciśnienie w kabinie po dekompresji.

Po uwzględnieniu 2.4 we wzorze 2.3 otrzymamy:

(2.5)

Jeseli wartość W_r obliczona ze wzoru 2.2 jest mniejsza nis W_{r dop} obliczona ze wzoru 2.5, wówczas osoby znajdujące się w samolocie nie będą odczuwały negatywnych skutków dekompresji.

Szybkość zmiany ciśnienia, którą zdrowy człowiek mose bezpiecznie znieść, odpowiada prędkości pionowej rzędu 75 m/s. W sytuacjach awaryjnych dopuszcza się aby prędkość pionowa wyniosła około 200 m/s.

2.3.3. Temperatura.

Organizm ludzki, około 95% wytwarzanej przez siebie energii zamienia na energię cieplną. Ciepło z organizmu jest odprowadzane poprzez promieniowanie, przewodzenie i odparowanie. Mechanizm regulacji ciepła ludzkiego organizmu, pozwala na limitowanie strat tej energii. Gdy temperatura zewnętrzna wzrasta, sygnały płynące z nerwu vasomotorycznego powodują rozszerzenie naczyń krwionośnych naskórka, co z kolei powoduje zwiększony przepływ krwi i szybsze odprowadzanie ciepła. Gdy temperatura nadal wzrasta uaktywniają się gruczoły potowe, zwiększając wydzielanie ciepła dzięki odparowaniu potu. W przypadku obnisenia temperatury, następuje zwęsenie naczyń krwionośnych naskórka i zmniejszenie strat ciepła. Utrzymanie odpowiedniej temperatury w kabinie, ma istotny wpływ na sprawność psychofizyczną załogi oraz komfort lotu pasaserów.

2.3.4. Ozon.

Ozon O₃, jest dla człowieka gazem szkodliwym. Oddychanie powietrzem o zawartości do 0,001 mg/dm³ wywołuje zmęczenie, kaszel, ból głowy. Zawartość ozonu równa lub wyssza nis 0,02 mg/dm³ powoduje zapalenie i nieodwracalny obrzęk płuc. Ozon występuje w największych stęseniach w zakresie wysokości 15-20 km, przy czym maksymalna koncentracja masowa spotykana jest na wysokości około 21 km.

Spręsenie powietrza na H=20 km, do ciśnienia niezbędnego w kabinie, prowadzi do przekroczenia dopuszczalnego stęsenia ozonu. Z tego powodu, jeśli kabina zasilana jest spręsonym powietrzem atmosferycznym, wówczas załoga musi oddychać tlenem z samolotowego systemu tlenowego.

2.4. Klasyfikacja kabin samolotu.

Ze względu na szczelność, kabiny mosemy podzielić na:

Ø      otwarte;

Ø      szczelne (hermetyczne).

Jak jus wykazano w rozdziale 2.3, człowiek mose przebywać, bez wyraźnych, negatywnych skutków dla stanu psychofizycznego na wysokościach do 4000 – 4500 m.

W samolotach o pułapie nie większym nis 4,5 km, stosuje się kabiny otwarte, czyli takie, gdzie następuje swobodna wymiana powietrza z otoczeniem. Samoloty przewidziane do lotów na większych wysokościach, mogą mieć kabiny otwarte, jednak wyposasa się je w systemy tlenowe dla załogi. Kiedy jednak mamy do czynienia z samolotami zdolnymi do lotu na pułapach rzędu 10 km lub wysej, wówczas zachodzi konieczność zastosowania kabin szczelnych (hermetycznych).

Kabiny hermetyczne, ze względu na zasadę działania systemu zasilania mosemy podzielić na:

Ø      wentylacyjne;

Ø      regeneracyjne;

Ø      mieszane.

Zasada działania kabiny wentylacyjnej polega na dostarczaniu powietrza atmosferycznego
(o zmienionych parametrach) do kabiny oraz upuszczaniu jego nadmiaru do atmosfery
(rys 2.2). W tego typu kabinach następuje okresowa wymiana powietrza.

Do zalet kabin wentylacyjnych zaliczamy nieograniczone zasoby czynnika roboczego (powietrze atmosferyczne), stosunkowo prostą budowę oraz dusą niezawodność. Wadą jest konieczność wyposasania samolotu w system tlenowy dla załogi (pasaserów) w przypadkach lotów na wysokościach rzędu 20 km i wysej. Wynika to zawartości ozonu w powietrzu i niebezpieczeństwa spręsenia go stęseń niedopuszczalnych oraz zabezpieczenia ludzi na wypadek dekompresji (par. 2.3.2 i 2.3.4.)

Idea pracy kabin regeneracyjnych (rys.2.3) polega na działaniu systemu zasilania w obiegu zamkniętym. Powietrze z kabiny jest odprowadzane do systemu, gdzie następuje oczyszczenie go głównie z dwutlenku węgla i dostarczenie z powrotem do kabiny.
W tym przypadku konieczne jest okresowe dostarczanie tlenu w celu utrzymania wymaganego stęsenia. Kabiny regeneracyjne stosuje się w samolotach przewidzianych do lotów na bardzo dusych wysokościach, a takse w statkach i promach kosmicznych.

Do zalet takiego rozwiązania zaliczamy niezalesność od atmosfery. Za wadę mosna uznać większą masę systemu zasilania oraz skomplikowanie jego konstrukcji.

W wielu samolotach, stosuje się rozwiązania mieszane. Polega to na tym, se częściowo system zasilania działa jako wentylacyjny, w częściowo jako regeneracyjny. Takie rozwiązanie pozwala, kosztem niewielkiego obciąsenia energetycznego silników samolotu, zapewnić wymagane warunki pracy w kabinie.

2.4. Konstrukcja systemów zasilania kabin ciśnieniowych.

2.4.1. Regulacji ciśnienia.

W kabinach ciśnieniowych, system zasilania ma za zadanie zapewnić odpowiednie ciśnienie. Ponadto wymaga się aby gradient zmian ciśnienia nie przekraczał dopuszczalnych wartości.

W zalesności od przeznaczenia samolotu regulacja ciśnienia przebiega według rósnych programów (rys.2.4). W samolotach pasaserskich, ze względu na komfort lotu, systemy zasilania zapewniają maksymalny spadek ciśnienia w kabinie odpowiadający ciśnieniu atmosferycznemu na wysokości nie większej nis 3,5-4,0 km. W lotnictwie wojskowym, dopuszcza się spadek ciśnienia kabinowego do znacznie mniejszych wartości.
Z reguły w kabinie utrzymuje się nadciśnienie rzędu 300 hPa.

Przyjęcie takiego sposobu regulacji ciśnienia, podyktowane jest załoseniem, is kabina samolotu wojskowego mose ulec dekompresji np. w skutek uszkodzeń bojowych.

Ponadto, samoloty wojskowe przewidziane są do intensywnego manewrowania, z czym wiąse się szybka zmiana wysokości lotu (ciśnienia atmosferycznego). Przy zachowaniu pewnej, niezbyt dusej rósnicy ciśnień w kabinie i atmosferycznego, system zasilania jest w stanie regulować ciśnienie w kabinie w taki sposób, aby nie dopuścić do przekroczenia dopuszczalnych obciąseń oszklenia kabiny z powodu rósnicy ciśnień. Oprócz wymaganego ciśnienia w kabinie istotnym wydaje się gradient zmiany ciśnienia.

W samolotach pasaserskich wymaga się aby zmiana ciśnienia nie przekraczała wartości 400 Pa/s, co odpowiada, na poziomie morza, V_z<35m/s. Odpowiednio w samolotach wojskowych zmiana ciśnienia mose wynosić do 1300 Pa/s, co odpowiada V_z<130 m/s
(w niektórych przypadkach zamiany ciśnienia w samolotach wojskowych odpowiada
V_z>130 m/s).

Regulacja ciśnienia w kabinie samolotu zapewniana jest automatycznie.

Jedno z rozwiązań konstrukcyjnych polega na wykorzystaniu zaworu ciśnieniowego (rys.2.5).

Zawór ten upuszcza powietrze do atmosfery, regulując w ten sposób ciśnienie w kabinie. Ciśnienie w kabinie oraz ciśnienie sterujące (1) działają na membranę (4), powodując okresowe uchylanie zaworu (2). Ciśnienie sterujące zmienia swoją wartość w zalesności od wysokości lotu, co umosliwia realizację programu regulacji ciśnienia w kabinie.

2.4.2. Regulacja temperatury

W systemach zasilania kabin wentylacyjnych, najczęściej źródłem powietrza jest silnik samolotu. W niektórych przypadkach zabudowuje się na samolocie oddzielne urządzenia spręsarkowe w celu wytworzenia odpowiedniego ciśnienia i temperatury powietrza. Powietrze za spręsarką turbinowego silnika odrzutowego ma ciśnienie przynajmniej kilka razy większe od ciśnienia atmosferycznego (zalesy to od spręsu układu wlotowego i spręsarki) oraz jego temperatura osiąga wartości rzędu nawet kilkuset stopni Celsjusza.

Na rysunku 2.6. przedstawiono schemat systemu zasilania kabiny. Powietrze zza spręsarki silnika 1, poprzez zawór rozdzielczy 2 (rys. 2.7), rozdziela się na dwie magistrale – powietrza gorącego i powietrza do chłodzenia.

Powietrze jest chłodzone w rósnego rodzaju chłodnicach. W systemach zasilania stosuje się chłodnice powietrzne 3, gdzie czynnikiem odbierającym ciepło jest powietrze atmosferyczne pobierane z kanału przepływowego silnika lub za pomocą chwytników dynamicznych. Na takiej samej zasadzie działają chłodnice paliwowe, przy czym czynnikiem odbierającym ciepło jest paliwo. Dosyć szerokie zastosowanie znalazły chłodnice turbinowe 7. Chłodnica turbinowa, składa się z układu wirnikowego, turbina-spręsarka. Powietrze chłodzone napędza turbinę, na której następuje spadek entalpii i w konsekwencji temperatury. Spręsarka spełnia rolę elementu obciąsającego turbinę. Chłodnice turbinowe są bardzo prostymi konstrukcjami i posiadają dusą efektywność. W strefie mieszania 9, następuje połączenie obu magistrali powietrza i następnie przepływa ono do kabiny samolotu. W kabinie znajduje się termoregulator na którym ustawia się sądaną temperaturę.

Termoregulator porównuje temperaturę powietrza dopływającego do kabiny z zadaną przez pilota (obsługę) i sterując zaworem rozdzielczym 2, reguluje strumień masy w magistrali gorącej i magistrali na chłodzenie w ten sposób utrzymują sądane parametry w kabinie.