3.2. Призначення, структура та робота системи забезпечення життєдіяльності екіпажу і пасажирів
При польоті на великих висотах на організм людини впливає ряд факторів, що значно відрізняються від звичних земних. Організм людини здатен підтримувати нормальну життєдіяльність протягом тривалого часу тільки при збереженні певних умов оточуючого мікроклімату. З підйомом на висоту зменшується тиск повітря, знижуються його температура і густина, і хоча відсотковий вміст кисню в атмосферному повітрі з підйомом на висоту майже не змінюється, проте його парціальний тиск (тиск, який приходиться на частку кисню від загального тиску газової суміші) падає і організм людини починає відчувати нестачу кисню. При кисневому голодуванні з’являється головна біль, зменшується швидкість реакції, погіршується діяльність органів слуху і зору, порушується процес травлення і т. п.
Зменшення тиску повітря з підйомом на висоту більше 8000 м у незахищеної людини викликає ознаки декомпресійного розладу. Ці ознаки виражаються в больових відчуттях в суглобах і м’яких тканинах людини. Больові відчуття виникають внаслідок пониження атмосферного тиску, коли розчинене в рідині людського тіла повітря починає виділятись у вигляді бульбашок і утворює газові пробки в найменших судинах. В результаті утворення газових пробок порушується нормальний кровообіг, газові бульбашки механічно діють на тканини, нервові і кровоносні закінчення, викликаючи свербіж, висип, болі в суглобах і м’язах, стан паралічу.
Висотний політ може відбуватися лише в герметичних кабінах, в яких підтримуються прийнятні для організму температура, вологість, тиск, здійснюються вентиляція і очистка повітря. Герметичні кабіни можуть бути вентиляційного типу – атмосферна герметична кабіна з наддуванням атмосферним повітрям, що подається різними нагнітаючими агрегатами; регенераційного типу – автономна герметична кабіна з незалежним від атмосферного повітря наддуванням, в якій необхідний запас повітря знаходиться на борту літака; змішаного типу.
В кабіну вентиляційного типу повітря подається із нагнітача з приводом від стаціонарного двигуна або надходить від компресора ГТД. В такій кабіні польоти можливі на висотах до (20 - 25 км). Вентиляційні кабіни прості по конструкції, не потребують високого ступеня герметизації швів і ущільнень, зручні в експлуатації.
В кабіні регенераційного типу на відміну від кабіни вентиляційного типу потрібний запас повітря і кисню зберігається в балонах. При необхідності повітря і кисень випускаються в кабіну. Для очищення від шкідливих домішок повітря, що знаходиться в кабіні, спеціальними насосами пропускають через регенератори, що містять патрони з поглиначами.
Регенераційні кабіни потребують обслуговування на землі: зарядка балонів стиснутим або рідким повітрям і киснем, зміна поглинаючих патронів і т.п. Герметизація цих кабін повинна бути дуже високою, щоб виключити велике протікання повітря. Життєві умови в них гірші ніж у вентиляційних кабінах внаслідок недостатньої подачі свіжого повітря. Не дивлячись на недоліки, регенераційні кабіни знаходять широке застосування на літаках, призначених для польотів на великій висоті, космічних кораблях і супутниках Землі.
Найбільш сприятливими для людини є умови, при яких тиск в кабіні екіпажа і пасажирських салонах підтримується рівним 101 кПа (760 мм рт. ст.). Проте підтримувати такий тиск на всіх висотах нераціонально, так як при значних перепадах тиску потребується створення кабін підвищеної міцності і збільшується можливість виникнення декомпресійних розладів у екіпажа і пасажирів у випадку розгерметизації кабіни. Фізіологічними дослідженнями встановлено, що людський організм здатний пристосовуватись до пониженого тиску навколишнього повітря, якщо останнє знаходиться в певних допустимих межах. В цьому випадку організм людини легко переносить зміну тиску від атмосферного на рівні аеродрому до тиску, який підтримується в кабіні під час польоту.
На сучасних літаках загальний тиск в кабіні повинен бути не менше 75 кПа (це відповідає висоті 2400 м), а швидкість зміни тиску не повинна перевищувати 24 Па/с. Для герметичних кабін вентиляційного типу прийнятий закон регулювання тиску (рис. 7), у відповідності з яким в кабіні підтримується тиск, рівний наземному до висоти 7200 м. На великих висотах зберігається постійний перепад тисків між атмосферою (крива 1) і кабіною (крива 2), рівний 64 кПа.
Рис. 7. Закон зміни тиску в міжнародній атмосфері (1) і в герметичній кабіні (2).
На стан людини суттєвий вплив чинять перевантаження, температура і вологість, які можуть змінюватись в широких межах в залежності від зовнішніх умов і режиму польоту. Оптимальною для людини вважається температура навколишнього повітря біля 20 °С, а оптимальним значенням відносної вологості — діапазон 30 – 70 %.
Нормальні умови для збереження життєдіяльності екіпажа і пасажирів в герметичних кабінах будуть забезпечені в тому випадку, якщо абсолютний тиск і швидкість його зміни, температура, вологість, швидкість руху повітря в кабіні і рівень шумів будуть відповідати фізико-гігієнічним вимогам. Для захисту людини від впливу несприятливих факторів польоту використовуються системи забезпечення життєдіяльності екіпажа і пасажирів.
На пасажирських літаках до систем забезпечення життєдіяльності екіпажа і пасажирів відносяться системи кондиціювання повітря в герметичних кабінах, основними елементами яких є регулятори температури і тиску повітря і системи кисневого живлення екіпажа і пасажирів в екстремальних ситуаціях (розгерметизація кабіни на великій висоті, поява диму, тривалий політ і т.д.).
Одна із можливих принципових схем системи кондиціювання гермокабіни пасажирського літака представлена на рис. 8. Повітря відбирається від компресорів двигунів 1 з температурою до 500 ºС і тиском до 1,6 МПа (16 кгс/см2), об’єднується в загальний потік і, проходячи по трубопроводу 3, розділяється на два потоки.
Рис. 8. Принципова схема системи кондиціювання гермокабіни пасажирського літака.
Потік гарячого повітря 5 проходить через основну 6 (а у випадку відмови – через дублюючу 2) систему охолодження повітря. Для охолодження повітря використовують повітряно-повітряні, паливно-повітряні теплообмінники і турбохолодильники.
Потік гарячого повітря 8 поступає прямо в змішувач 10, де змішується з охолодженим потоком 7. Надходженням холодного повітря в змішувач управляє кран 9, а подачею повітря в гермокабіну – обмежувач температури 11 по сигналу регулятора температури 4 в гермокабіні. Проходячи через зволожувач 12, в якому по сигналу датчика вологості повітря в кабіні 16 розпилюється вода із бака 17, повітря з необхідними параметрами температури і вологості подається по системі трубопроводів 13 в гермокабіну. Автоматичний регулятор тиску 14 управляє клапаном 15 випуску повітря із кабіни в атмосферу.
На рис. 9 наведена ще одна схема системи кондиціювання повітря. Повітря для обігріву (охолодження) кабіни, її вентиляції та наддування відбирається із компресорів 10 обох двигунів і після охолодження до потрібної температури в повітряно-повітряному радіаторі 12 і турбохолодильній установці 13 поступає в кабіну. В пасажирській кабіні застосований панельний спосіб опалювання: повітря із розподільних коробів потрапляє в простір між теплоізоляцією і внутрішнім облицюванням кабіни і, переміщаючись знизу вгору, віддає тепло в кабіну через внутрішнє облицювання. В кабіну повітря потрапляє через грати на поздовжніх коробах 16 у стелі кабіни.
Рис. 9. Схема герметичної кабіни вентиляційного типу.
В кабіні екіпажа використаний конвекційний обігрів: повітря із трубопроводів через спеціальні насадки направляється до ніг членів екіпажу 1 і на скло ліхтаря 2. Повітря видаляється із кабіни через випускні клапани регулятора тиску 21, розташовані під підлогою. Кількість відібраного з компресорів повітря повинно забезпечувати 20–30 – кратний обмін повітря в кабіні протягом години. Зворотний клапан 14 виключає витікання повітря із кабіни у випадку відсутності тиску в трубопроводі.
Вмикання і вимикання системи, зміна кількості повітря, що подається до кабіни здійснюється за допомогою кранів 11, розташованих безпосередньо у патрубків відбору повітря (на корпусі двигуна). Електромеханізмами кранів керують за допомогою тумблерів на пульті правого льотчика 3. Кількість повітря, що подається, контролюють за допомогою покажчиків витратоміра 18. Датчики витратоміра 9 встановлюють в трубопроводах правої і лівої систем.
Температурний режим в кабінах регулюється зміною температури повітря, що подається в кабіну. Гаряче повітря із компресора двигуна направляється в систему по холодній лінії, в якій установлені повітряно-повітряний радіатор 12 і турбохолодильники 13, і по гарячій лінії, в якій встановлений змішувальний кран. При повністю закритому змішувальному крані все повітря йде по холодній лінії. При необхідності підвищити температуру повітря кран відкривається. Для регулювання температури повітря, що подається, в правій і лівій системах установлені біметалеві обмежувачі температури 8, замикаючі електричне коло закриття крану при надмірному збільшенні температури повітря в магістралі та електричне коло відкриття крану при температурі, нижче за допустиму.
В системі передбачено вимикання турбохолодильників з метою їх розвантаження, якщо немає необхідності в сильному охолодженні повітря (влітку на висоті чи взимку). Вимикаються турбохолодильники краном 5, тумблер керування яким знаходиться на пульті льотчика 3. Температуру повітря, що подається, вимірює датчик температури повітря 15, встановлений в трубопроводі подачі повітря. Контроль температури повітря здійснюється за показаннями двострілочного термометра 17 на панелі приладової дошки. Подача повітря в кабіну екіпажа регулюється вручну кранами 4, розташованими за кріслами правого і лівого льотчиків. В кабіну екіпажа повітря надходить тієї ж температури, що і в пасажирську кабіну.
Повітря, що поступило до герметичної кабіни підвищує в ній тиск до значення, на яке розрахований клапан регулятора тиску 7. При перевищенні тиску регулятори спрацьовують, випускаючи надлишки повітря за борт. Зазвичай в системі кондиціювання встановлюють декілька регуляторів тиску, чим підвищується надійність системи, і запобіжних клапанів 20. Ці клапани служать для оберігання кабіни від руйнування при виході із ладу регуляторів тиску як при прямому, так і при зворотному перепадах тиску (у випадку швидкого зниження). З допомогою запобіжних клапанів можна примусово розгерметизувати кабіну, наприклад перед посадкою, для цього запобіжник має електромагнітний клапан 19, яким управляють із пульта льотчика.