О дыхании на седьмом небе

Большие проблемы с вентиляцией в салонах самолетов начались, пожалуй, в эпоху освоения стратосферы. Прежде, при полётах в тропосфере, все было проще: ее слой простирается до высоты восемь километров в полярных областях и до 18 километров на экваторе. Но для полетов чаще использовали малые высоты - до двух километров, на которых для вентиляции салона можно было без особой обработки применять забортный воздух. 

При достижении слоя стратосферы случился приятный сюрприз: если в тропосфере идет основное движение воздушных масс, формируются фронты и циклоны с антициклонами, присутствует такое вредное явление, как турбулентность, то слоем выше, вплоть до 50 километров, – тишь да гладь. Воздух малой плотности дает значительную экономию топлива плюс высокую безопасность перелетов. Словом, современные боевые и сверхзвуковые коммерческие самолеты предпочитают для дальних полетов высоту до 20–25 километров, так как именно в этом пласте атмосферы летные условия наиболее стабильны.

Однако человек – существо, созданное для жизни у самой поверхности планеты. У неподготовленных людей уже на высоте 2–3 километра от уровня моря начинают проявляться признаки "высотной болезни" – гипоксии. Верхние слои атмосферы вовсе не приветливы, даже и у бывалых горцев на высоте девять километров в организме начинается образование воздушных эмболов – пузырьков газа, которые закупоривают жизненно важные сосуды. За чертой более 11 километров становится совсем не жарко – температура воздуха доходит до -60 °C. А на высоте 19 километров у людей начинает закипать подкожная жидкость.

И хотя главное зло – экзогенная гипоксия – болезнью не является, полезным это состояние не назовешь. Некоторые воздухоплаватели при преодолении высоты более шести километров при гипоксии ощущали настолько приятную эйфорию, что забывали подключать кислородные баллоны. Ничем хорошим это не заканчивалось: «высотная болезнь» даже в минимальном проявлении влечет необратимые изменения многих жизненно важных органов. Поэтому для дальнейшего продвижения в небесные дали пришлось изобрести бортовые системы жизнеобеспечения.

Современная бортовая система жизнеобеспечения – это тот костяк, от которого отталкивается конструкторская мысль при разработке самолета. Помимо целевого назначения борта на конструкцию системы контроля внутренней среды влияет множество других факторов, таких как многообразие режимов полета по высотным условиям, скорость, дальность, климатические условия и другие. Основу системы жизнеобеспечения самолета составляет система кондиционирования воздуха (СКВ). В ее состав входит до 80 механизмов различного назначения. Без СКВ 25 минут – максимальный срок, за который экипаж и пассажиры способны использовать весь объем воздуха, содержащийся в самолете на момент взлета.

Главной задачей системы кондиционирования воздуха является обеспечение оптимального давления и температуры воздуха в гермокабине, то есть благоприятных условий для жизнедеятельности экипажа и пассажиров. В целом характеристики воздуха в самолете соответствуют условиям в домах и офисах. Конечно, можно было бы выдать каждому по кислородному баллону с маской, как пилоту истребителя-бомбардировщика, но комфорта при этом было бы немного. Поэтому кабина самолета абсолютно герметична. На это работает и конструкция в целом, и уплотнения на дверях и люках, и наддув от СКВ. Некоторых пассажиров смущает маленькое отверстие на внутренней стороне иллюминатора, но без него никак – из-за разности температур за бортом и внутри самолета стекла могут разрушиться.

Система кондиционирования воздуха современных авиалайнеров работает на воздухе, который поступает от компрессоров работающих двигателей самолета. Воздух там прогрет до 500 °C, а его давление доходит до 1,6 МПа. Такие параметры дыханию не способствуют, а потому поток из компрессора разделяют на две линии – холодную и горячую. Первый поток проходит через систему интенсивного охлаждения и направляется в смеситель, горячий поток поступает туда же без охлаждения. Простой систему кондиционирования воздуха не назовешь, так как охлаждение осуществляется по каскадному принципу, причем на каждой из ступеней установлен автоматический регулятор температуры.

Для охлаждения используется три типа теплообменников:

·         воздухо-воздушные;

·         топливно-воздушные радиаторы;

·         турбохолодильники.

До перехода на устойчивый режим работы при подаче охлажденного воздуха в гермокабину может возникнуть туман. Это явление длится несколько минут, однако для его устранения предусмотрена система осушения воздуха, из которой производится сброс конденсата за борт.

Воздух в самолете не везде одинаков. Естественно, кабина пилота проветривается лучше салона, ведь по физиологическим условиям, а соответственно, и по нормативам – это разные помещения. К примеру, санитарные нормы легочной вентиляции у пассажира, находящегося в состоянии покоя, в пять раз меньше, чем у экипажа при тяжелой работе.

Часть горячего воздуха после первичного охлаждения задействуется в системе противообледенения, каналы которой проходят под обшивкой авиалайнера. Теплый воздух, подготовленный в СКВ, может направляться и в технические отсеки, ведь не всякое электронное оборудование может исправно работать при экстремальном минусовом температурном режиме. К примеру, у бомбардировщиков, несущих свободнопадающие ядерные боеприпасы, во всем грузовом отсеке поддерживается положительная температура.

Помимо использования забортного воздуха применяется и система рециркуляции, потому как забор и обработка наружного воздуха требуют больших ресурсов. Применение систем частичной рециркуляции снижает эксплуатационные расходы на вентиляцию практически вдвое за счет экономии топлива. При этом качество внутреннего воздуха не страдает, так как используются высокоэффективные фильтры и смешение потоков воздуха соответствует нормативам.

Конструкция СКВ внутри пассажирского салона предусматривает разделение всего объема на отдельные зоны. Один ряд кресел – одна зона. Более того, предусматривается и удаление отработанного воздуха из ряда. Это позволяет избежать второй большой проблемы, которая возникает в полетах, – распространения инфекций по всему салону. Особенно это актуально для дальних полетов.

Существует пять основных характеристик, на которых основываются нормы качества воздуха, пригодного для жизнедеятельности. Согласно стандартам давление в салоне должно быть не ниже уровня, который соответствует 2450 метрам над уровнем моря. Порциональное давление кислорода не должно быть ниже 105 мм рт. ст., что является привычным для человека. Температура поддерживается на уровне 22 ± 2 °С. Влажность также влияет на комфорт пассажиров и членов экипажа. В современных самолетах применяются осушители воздуха, которые поддерживают уровень влажности в пределах 20 %.

Загрязнение воздуха может исходить как изнутри самолета – в виде продуктов жизнедеятельности человека, так и снаружи – от проникновения выхлопных газов в аэропортах, от противообледенительных жидкостей. Загрязняющим веществом является также озон.

Помимо уровня озона контролируется предельное содержание: окиси углерода, оксидов азота, топлива, различных масел и углекислого газа. С загрязнением салона борются фильтры, которые задерживают различные вирусы и бактерии.

Казалось бы, при наземных маневрах забор воздуха можно делать извне. Однако даже при неработающих «маршевых» двигателях воздух отбирается от компрессора вспомогательной силовой установки – небольшого реактивного двигателя, который обеспечивает наземные нужды борта, а также запускает основные двигатели. Ведь при подготовке к взлету кабина пилотов и салон должны быть загерметизированы, к тому же воздух в аэропортах, как правило, сильно загрязнен.

Что касается автоматизации управления СКВ, то она является обязательным требованием для современных самолетов. Впрочем, в экстренных случаях управление СКВ может взять на себя экипаж. Режим предполетной настройки автоматики системы кондиционирования воздуха включает множество параметров, таких как дальность перелета, график высот, скорость, климат и прочие.

В случае аварии система кондиционирования воздуха самолета рассчитана на обеспечение максимальной безопасности экипажа и пассажиров. При малейших признаках возгорания двигателя, при поступлении дыма в кабину мгновенно срабатывают аварийные заслонки, которые перекрывают воздуховоды. Как мера, применяется и вентиляция от скоростного напора, когда при снижении до высоты 4000 метров кабина разгерметизируется и производится продув кабины от задымления потоком воздуха снаружи.

В аварийных случаях используются кислородные системы. Стационарные системы производят подачу кислорода в кабину и салон независимо друг от друга. Переносные баллоны установлены у станций бортпроводника.

Помимо традиционных источников воздухоснабжения используется и альтернативные. К примеру, химические, в которых воздух вырабатывается в результате химических реакций. Как правило, такие системы используются на космических станциях и в стационарных кислородных системах типа акваланг.

Подытоживая все сказанное выше, хочется подчеркнуть, что системы кондиционирования в самолетах достигли определенного прогресса. Сегодня принимаются международные стандарты качества воздуха в полете, совершенствуются отдельные узлы и система в целом – все нацелено на создание в авиалайнере комфортных и здоровых условий. И СКВ есть куда расти! Скажем, если забор отработанного воздуха будет выводиться индивидуально, то в значительной степени понизится риск массовых инфекционных заболеваний. Опять же системы контроля влажности воздуха только начинают применяться в современном самолетостроении. Возможно, будет производиться более глубокая предполетная подготовка салона лайнера, вплоть до кварцевания. Поживем – увидим.