Системы кондиционирования воздуха в гермокабинах

Гермокабины (ГК) являются элементом силовой конструкции планера самолета и воспринимают нагрузку от аэродинамических и массовых сил и от внутреннего избыточного давления (см. раздел 10.4).
Системы кондиционирования воздуха (СКВ) обеспечивают наддув (превышение давления в кабине над атмосферным давлением) и вентиляцию, отопление и охлаждение герметичных кабин (кабины экипажа, кабины пассажиров и грузовых отсеков), очистку подаваемого в герметичные отсеки воздуха от аэрозольного (от аэро- и нем. Sol - коллоидный раствор), состоящего из газовой смеси, в которой взвешены твердые или жидкие частицы, химического и других загрязнений, дезодорацию (от франц. des - приставка, означающая отрицание, уничтожение, удаление или отсутствие чего-либо, и лат. odoratio - запах) и ионизацию воздуха в кабине при полете и на земле. Кроме того, эти системы обеспечивают защиту стекол фонаря пилотов от запотевания, обдув (охлаждение) электронного (пилотажно-навигационного и радио-) и электрооборудования, а иногда и подачу горячего воздуха в систему воздушно-тепловых противообледенителей (антиобледенителей) передних кромок крыла и оперения (см. раздел 15.3). Большинство современных самолетов имеют атмосферные (неавтономные) ГК, которые вентилируются воздухом из окружающей среды, в отличие от автономных ГК, для которых запас кислорода находится на борту ЛА.
Одна из возможных принципиальных схем системы кондиционирования гермокабины пассажирского самолета представлена на рис. 15.9.
Воздух отбирается от компрессоров двигателей 1 с температурой до 500°С и давлением до 1,6 МПа (16 кгс/см²), объединяется в общий поток и, проходя по трубопроводу 3, разделяется на два потока. Поток горячего воздуха 5 проходит через основную 6 (а в случае отказа - через дублирующую 2) систему охлаждения воздуха. Для охлаждения воздуха используют воздушно-воздушные, топливно-воздушные теплообменники и турбохолодильники.

Рис. 15.9. Принципиальная схема системы кондиционирования гермокабины

Поток горячего воздуха 8 поступает прямо в смеситель 10, где смешивается с охлажденным потоком 7. Поступлением холодного воздуха в смеситель управляет кран 9, а подачей воздуха в гермокабину - ограничитель температуры 11 по сигналу регулятора температуры 4 в гермокабине. Пройдя через увлажнитель 12, в котором по сигналу датчика влажности воздуха в кабине 16 распыляется вода из бака 17, воздух с необходимыми параметрами температуры и влажности подается по системе трубопроводов 13 в гермокабину.
Автоматический регулятор давления 14 управляет клапаном 15 выпуска кабинного воздуха в атмосферу.
Системы кондиционирования поддерживают определенную влажность воздуха в гермокабинах. Влага, содержащаяся в воздухе в парообразном состоянии, может конденсироваться (от позднелат. condensatio - уплотнение, сгущение) и оседать в виде капель на стенках кабины, трубопроводах и, особенно, в теплозвукоизоляции. Скапливаясь, эта влага может существенно увеличить массу пассажирского самолета и даже нарушить его центровку. Удаление влаги из теплозвукоизоляции может потребовать специальных мер при наземном обслуживании самолета.
Наиболее благоприятным с физиологической точки зрения является давление в кабине, равное атмосферному давлению воздуха на уровне моря. Однако в этом случае на больших высотах будет возникать значительный перепад давления между кабиной и атмосферой, что, с одной стороны, потребует увеличения толщины обшивки кабины для обеспечения ее прочности и, как следствие, увеличения массы самолета, а с другой стороны, при внезапной разгерметизации ГК перепад давлений между кабиной и атмосферой будет очень большим и падение давления в ГК до атмосферного будет происходить очень быстро. Это явление принято называть взрывной декомпрессией.
С одной стороны, в процессе декомпрессии может произойти лавинообразное разрушение конструкции гермокабины от микроразрушений, вызвавших разгерметизацию, до макроразрушений основных силовых элементов фюзеляжа, а с другой стороны, давление в легких человека не может уменьшаться так же быстро, как уменьшается давление в кабине при разгерметизации, и возможны несовместимые с жизнью человека баротравмы (от греч. baros - тяжесть) у пассажиров и членов экипажа - механические повреждения легких и других органов расширяющимся газом - разрывы, внутренние кровоизлияния, падение кровяного давления, замедление ритма сердца вплоть до остановки. Кроме того, происходит внезапный "перенос" пассажиров и экипажа в условия острой кислородной недостаточности. В результате развивающихся явлений острой гипоксии и аэроэмболизма человек теряет сознание и наступает смерть. Происходит также обмораживание вследствие постепенного понижения температуры в кабине до температуры наружного воздуха (порядка - 60°С).
С учетом всех этих условий выбираются программы регулирования давления в гермокабинах самолетов.
Наиболее благоприятная для пассажиров программа регулирования давления в гермокабине по высоте полета приведена на рис. 15.10, где = p _H/ p _o - относительное атмосферное давление, p _H - атмосферное давление на соответствующей высоте, p _o - атмосферное давление на уровне моря.

Рис. 15.10. Программа регулирования давления в гермокабине пассажирского самолета по высоте полета

Для максимальной расчетной высоты полета H _max (например, 14 000 м) устанавливается максимальное избыточное давление (в нашем примере = 0,61 p _o), которое дополняет атмосферное давление на максимальной расчетной высоте полета (точка D на кривой 1, показывающей изменение атмосферного давления в зависимости от высоты по данным Международной стандартной атмосферы) до минимально возможного давления (точка C на кривой 2, показывающей изменение давления в гермокабине в зависимости от высоты полета), соответствующего максимально допустимой "высоте в кабине", т. е. до величины 0,75 атмосферного давления на уровне моря, соответствующего высоте 2400 м.
На высотах полета от H ₁ (точка В на кривой 2) до H _max в кабине поддерживается постоянное избыточное давление = 0,61 p _o относительно атмосферного (кривая 2 на этом участке эквидистантна кривой 1).
При стоянке на земле (точка А на кривой 2) и в полете до высоты H ₁ (в нашем примере H ₁ = 7200 м) система кондиционирования воздуха поддерживает в кабине постоянное давление, равное атмосферному давлению на уровне моря.
При крейсерской высоте полета порядка 10 000-14 000 м при разгерметизации кабины экипаж самолета имеет возможность в режиме экстренного (аварийного)снижения вывести самолет на относительно безопасные высоты порядка 3000-4000 м за время, соответствующее так называемому "резервному", или "активному" времени, в течение которого при остром кислородном голодании (без аварийного питания пассажиров кислородом) не происходят необратимые изменения в деятельности головного мозга человека.
Тем не менее пассажирские самолеты имеют систему аварийного питания пассажиров кислородом и систему непрерывного питания кислородом летчиков в течение всего полета.
Для боевых самолетов, летающих на высотах порядка 20 000-25 000 м, время экстренного снижения в случае разгерметизации гермокабины до безопасной высоты значительно превышает "резервное", или "активное", время. Кроме того, вероятность разгерметизации гермокабины боевого самолета вследствие боевого повреждения значительно выше вероятности разгерметизации гермокабины пассажирского самолета вследствие недостаточной прочности или повреждения конструкции гермокабины извне при разрушении дисков и лопаток турбин реактивных двигателей, воздушных винтов, при попадании в самолет ударов молнии или птиц и при столкновении с другими самолетами.
Поэтому на военных самолетах стремятся к максимально возможному снижению перепада давления между гермокабиной и атмосферой, и, поскольку летный состав имеет специальную тренировку и все члены экипажа снабжены индивидуальными системами обеспечения жизнедеятельности, максимальное избыточное давление в гермокабине при полете на максимальной высоте примерно вдвое меньше ( = 0,30 p _o), чем в гермокабине пассажирского самолета.
Программы регулирования давления в гермокабинах военных самолетов более сложные и выбираются с учетом специфики режимов полета и маневрирования при выполнении боевой задачи. В частности, применение таких программ позволяет уменьшить скорость изменения давления в гермокабине при вертикальных маневрах.
В этой ситуации при полетах на больших высотах "высота в кабине" военных самолетов не превышает 7000-8000 м и физические условия среды в кабине не соответствуют требованиям организма человека, поэтому необходимо применение систем индивидуального жизнеобеспечения экипажей боевых самолетов.