2.1. Источники кислорода
Кислород может храниться на летательных аппаратах в газообразном состоянии в кислородных баллонах (КБ), в жидком состоянии - в самолетных кислородных газификаторах (СКГ), в связанном виде в химических соединениях, а также может получаться (добываться) непосредственно на борту самолёта с помощью автономных бортовых генераторов кислорода.
Кислородные баллоны (кб)
Кислородные баллоны предназначены для хранения на борту кислорода в газообразном состоянии под давлением. В процессе эксплуатации давление в баллоне переменно. Набольшим оно будет в том случае, когда заправленный до давления зарядки баллон попадет в условия с максимальной допустимой эксплуатационной температурой окружающей среды.
Баллоны изготавливаются из легированной стали с армированием их внешней поверхности стекловолокном.
Вопрос о выборе оптимального давления зарядки баллона требует специального рассмотрения. Обычно под оптимальным понимают давление, соответствующее минимальному массовому коэффициенту mб (отношению массы «тары» к массе запасенного в ней кислорода).
На рис. 2.1 показана зависимость от давления зарядки удельных характеристик баллонов: массового коэффициента mб и относительной вместимости Vб (отношения ёмкости баллона к массе кислорода).
Рис. 2.1. Удельные характеристики баллонов: 1 – mб для баллонов большой емкости (более 25 л); 2 − mб для баллонов малой емкости (менее 15 л); 3 − Vб для баллонов большой емкости: 4 − Vб для баллонов малой ёмкости.
Как видно из этих графиков, оптимальное давление, соответствующее минимальному массовому коэффициенту, составляет: для малолитражных баллонов 25 МПа; для баллонов большой емкости – 15,5 МПа.
Остаточное давление кислорода в баллонах (15…20%) необходимо для обеспечения нормальной работы регуляторов подачи кислорода при дыхании и при наполнении кислородом камер натяжного устройства ВКК. Кроме этого, остаточное давление препятствует проникновению влажного воздуха в баллоны.
В соответствии с ОСТ 1 03749-74 для кислородных баллонов с давлением зарядки 21 МПа установлены следующие ёмкости: 2, 3, 4, 6, 8, 25 л для шаровых и 5, 8, 10, 16, 20 л для цилиндрических баллонов.
Самолетные кислородные газификаторы
Главным недостатком способа хранения кислорода в газообразном состоянии является большой вес и габариты. Более выгодным в весовом отношении (особенно для тяжелых самолетов) является хранение кислорода в жидком состоянии при низкой температуре (-183°С). При испарении 1 л жидкого кислорода получается около 790 л газообразного в стандартных нормальных условиях NTPD (293 K; 101,3 кПа; сухой газ).
Жидкий кислород представляет собой голубоватую жидкость с плотностью 1132,1 кг/м3. Для превращения 1 кг жидкого кислорода в газообразное состояние с подогревом от -183°С до +20°С требуется около 400 Дж тепла.
Самолетные кислородные газификаторы (СКГ) ёмкостью от 3 до 30 кг предназначены для хранения жидкого кислорода на борту и для преобразования его (газификации) в газообразный с нужным давлением, температурой и расходом с последующей подачей к кислородным приборам или к системе кислородной подпитки авиадвигателей.
Рассмотрим принцип действия, устройство и работу газификатора типа СКГ. По конструкции СКГ представляют собой специальный сосуд с двойными стенками (типа термоса), пространство между которыми вакуумировано до остаточного давления 10-2…10-3 Па и заполнено порошковой изоляцией для уменьшения теплопередачи.
Схема СКГ показана на рис. 2.2.
Рис. 2.2. Принципиальная схема самолётного кислородного газификатора: 1 – жидкий кислород в теплоизолированном сосуде (сосуде Дюара); 2 – электромагнитный кран; 3 – испаритель; 4 – кран включения; 5 – ограничитель давления; 6 – обратный клапан; 7 – предохранительный клапан; 8 – кран линии дренажа (открывается при заправке).
Жидкий кислород заливается в сосуд 1 через бортовой зарядный штуцер и обратный клапан 6, который открывается давлением кислорода от заправщика. Заправка СКГ считается законченной при появлении струи жидкого кислорода из вентиля сброса давления 8. Для приведения СКГ в рабочее состояние надо закрыть вентиль 8, а переключатель электромагнитного клапана 2 поставить в положение «Газификация». Жидкий кислород под действием статического давления столба жидкости поступает через клапан 2 в змеевик-испаритель 3, где вследствие теплообмена с окружающей средой или специально подводимым горячим воздухом происходит газификация жидкого кислорода и его подогрев. Далее газообразный кислород поступает через расходный вентиль 4 в систему кислородного питания.
Для выравнивания давления в сосуде и испарителе, регулирования давления и расхода кислорода испаритель соединен трубопроводом через ограничитель давления 5 и центральную трубку с газовой полостью сосуда. При нормальном расходе кислорода из испарителя ограничитель давления 5 открыт, давление в испарителе и над поверхностью жидкого кислорода в сосуде выравнивается, вследствие чего обеспечивается поступление жидкого кислорода в испаритель 3 для газификации.
Если же расход кислорода из испарителя мал или совсем отсутствует, давление в испарителе, а следовательно, и в газовой полости сосуда начинает возрастать. При достижении в сосуде и испарителе давления 0,9 МПа сильфон ограничителя 5 сжимается и его клапан закрывается, доступ газообразного кислорода в сосуд прекращается, давление в нем понижается. Когда давление в сосуде станет меньше давления в испарителе, поступление жидкого кислорода из сосуда прекратится. При дальнейшем повышении давления кислорода в испарителе жидкий кислород будет выжиматься обратно в сосуд. Если по каким-либо причинам (неисправность ограничителя 5, повышенная испаряемость кислорода без его расхода) давление в газификаторе будет расти, то газообразный кислород будет стравливаться в атмосферу через предохранительный клапан 7, который срабатывает при давлении порядка 1 МПа.
Газификация жидкого кислорода происходит под действием горячего воздуха с температурой 80…100 °С, подводимого через коллектор на кожухе газификатора. Газификатор может работать и без обдува со снятым кожухом, но при этом температура газообразного кислорода может быть значительно ниже температуры окружающей среды. Температура же кислорода перед кислородными приборами не должна быть ниже нормальной температуры воздуха кабины более чем на 5…10 °С.
При наличии на борту самолета нескольких газификаторов они могут включаться в параллельную работу.
Технические характеристики газификаторов этого типа приведены в источнике [5, с.15].
Выбор системы хранения бортового запаса кислорода определяется не только массой и габаритами сосудов, а также эксплуатационными характеристиками: надежностью, боеготовностью, взрыво и пожаробезопасностью, временем заправки, потерями кислорода при хранении и заправке, количеством наземных средств добычи кислорода и заправочных средств. Поэтому для каждого типа самолета на начальном этапе проектирования проводится анализ этих зачастую противоречивых факторов и выбирается оптимальная система хранения необходимого запаса кислорода, удовлетворяющая в той или иной мере заданным условиям эксплуатации.
Относительная масса рассмотренных источников кислорода (без учета массы самого кислорода), приходящаяся на один кубический метр кислорода, приведенный к нормальным условиям (NTPD), составляет (для баллонов емкостью 4 л):
для баллонов на 15 и 20 МПа (из легированной стали, запас
прочности n не менее З) ..........……………………………...8 кг/м3
для баллонов, армированных стекловолокном (n=2,8),
на 45 МПа……………………………………………….… 3,5 кг/м3
для баллонов, армированных стекловолокном (n=2,8),
на 25 МПа…………………………………………………..3,2 кг/м3
для газификаторов жидкого кислорода.........……………….2 кг/м3
Эта относительная масса несколько возрастает для сосудов малого объема и, наоборот, уменьшается при увеличении вместимости баллонов.
По массовым и габаритным показателям система жидкого кислорода более предпочтительна, но с определенного достаточно большого необходимого запаса кислорода, поскольку с точки зрения надежности и живучести системы даже для самолетов с малой продолжительностью полета необходимо устанавливать не менее двух газификаторов, включенных в параллельную работу. Кроме того, система жидкого кислорода имеет следующие недостатки:
- значительные потери на испарение как при хранении (до 25 % емкости газификаторов в сутки), так и при заправке (50…60% ёмкости газификаторов), что вызывает необходимость частых дозаправок;
- требует определенного времени для ввода в строй (газификации и подъема давления);
время заправки бортовых систем жидким кислородом в 1,5...2 раза больше
времени заправки газообразным кислородом за счет большего подготовительного времени.
Система газообразного кислорода позволяет длительно хранить кислород практически без потерь (допускаются утечки кислорода для систем высокого давления не более 2% в сутки) и обеспечивает постоянную и немедленную готовность к применению, хотя в отличии от СКГ должна иметь дополнительный, последовательно включенный в систему элемент (редуктор) для снижения высокого давления кислорода перед подачей его к кислородным приборам.