キャビン加圧は、高所で飛行する乗客および乗組員にとって安全で快適な環境を作り出すために、空調空気を航空機または宇宙船のキャビンにポンプで送るプロセスである。 航空機の場合、この空気は、通常、圧縮機段のガスタービンエンジンから流出し、宇宙船の場合、高圧、しばしば低温タンクに運ばれる。 空気は、冷却され、加湿され、必要に応じて再循環空気と混合され、その後、1つ以上の環境制御システムによって客室に分配される。 キャビンの圧力は、流出バルブによって調整されます。

キャビン加圧の必要性
乗組員および乗客を、その高度より低い外気圧によって引き起こされる多くの生理的問題のリスクから保護するために、海面より10,000フィート(3000m)以上の高度で加圧がますます必要になります。 米国で運営されている民間航空機の場合、乗務員の高度が30,500フィート以上の場合、またはキャビンの高度がいつでも14,000フィートに達する場合、乗員は酸素マスクを使用する必要があります。 15,000フィート以上の高度では、乗客に酸素マスクも提供する必要があります。 民間航空機では、キャビンの高度は8,000フィート以下に維持する必要があります。 再加圧時に漏れ、膨張、破裂、破裂する可能性のある圧力感知品の損傷を防ぐためにも、貨物室の加圧が必要です。 主要な生理学的問題を以下に列挙する。

低酸素症
高度の酸素の分圧が低いと、肺やそれに続く脳の肺胞酸素圧が低下し、思考が遅くなり、視力が低下し、意識が失われ、最終的に死に至る。 いくつかの個人、特に心臓や肺の病気の人では、ほとんどの乗客は悪影響を及ぼすことなく8,000フィート(2,400 m)の高さに耐えることができますが、症状は5,000フィート(1,500 m)以下で始まることがあります。 この高度では、海面よりも約25%少ない酸素しかありません。
低酸素症は、補給酸素の投与によって、酸素マスクを介して、または鼻カニューレを介して、対処することができる。 加圧なしでは、約40,000フィート(12,000 m)の高度まで十分な酸素を送ることができます。 これは、海面に暮らすことに慣れていた人は、正常に機能するには約0.20バールの酸素分圧が必要であり、空気中の酸素のモル分率を増加させることによって約40,000フィート(12,000m)呼吸している。 40,000フィート(12,000m)では、周囲空気圧が約0.2barに低下し、酸素の最小分圧を0.2barに維持することは、酸素マスクを使用して100%酸素を呼吸することを必要とする。
大部分の飛行は40,000フィート(12,000 m)以下に留まるため、旅客客室の緊急用酸素供給マスクは、圧力要求マスクである必要はありません。 その高度より上では、酸素の分圧は100%の酸素でさえも0.2バール以下に低下し、キャビン加圧または急速降下のある程度は低酸素の危険を避けるために不可欠である。

標高病気
低酸素症に対する身体の最も一般的な反応である過換気は、血液中の酸素分圧を部分的に回復させるのに役立ちますが、二酸化炭素(CO2)も出ガスし、血液pHを上昇させ、アルカロシスを誘発します。 乗客は、疲労、吐き気、頭痛、不眠症、および(延長された便では)肺水腫を経験することがあります。 これらは登山者が経験するのと同じ症状ですが、動力飛行の期間が限られているため肺水腫の発症は起こりにくいです。 高度の病気は、加圧された環境で体を完全に包むヘルメットとフェースプレートを備えた完全な圧力スーツによって制御することができます。 しかし、これは商業的な乗客には実用的ではない。

減圧病
ガスの低い分圧、主に窒素(N 2)は他のすべてのガスを含むので、血流中の溶存ガスが析出し、ガス塞栓症または血流中の泡が生じる可能性がある。 このメカニズムは深さから上昇する圧縮空気ダイバーのメカニズムと同じです。 症状としては、「屈曲」の早期症状、覚醒、頭痛、脳卒中、血栓症、皮下のかゆみなどがありますが、めったにその完全症状はありません。 減圧病は、高度病と同様に全圧の訴訟によっても制御されることがあります。

バロウラマ
機体が上昇または下降すると、体内に閉じ込められたガスが膨張または収縮するため、乗客は不快感または急性痛を経験することがあります。 最も一般的な問題は、中耳(気管支)または副鼻洞に閉じ込められた空気が、閉塞したEustachian管または鼻洞によって生じることである。 痛みは胃腸管や歯にも現れることがあります(直腸痛症)。 通常、これらは実際の外傷を引き起こすほど重度ではありませんが、飛行後も持続する耳の痛みを引き起こし、気胸などの既存の病状を悪化させたり沈殿させたりする可能性があります。

キャビンの高度
キャビン内の圧力は、技術的に同等の実効キャビン高度またはより一般的にキャビン高度と呼ばれます。 これは、国際標準気圧のような標準大気モデルに従って、同じ大気圧を有する平均海面より上の等価高度として定義される。 したがって、キャビンの高度がゼロの場合、平均海抜での圧力は101.325キロパスカル(14.696 psi)となります。

航空機
航空機では、飛行中のキャビン高度は、胴体の加圧された部分のストレスを軽減するために海面より上に保たれます。 このストレスは客室内外の圧力差に比例します。 典型的な商用旅客機では、機長の高度は、出発空港から高度8,000フィート(2,400m)まで徐々に上昇するようにプログラムされています。 この機内高度は、航空機が最大高度で巡航している間は維持され、降下中は機体の圧力が目的地の周囲気圧に一致するまで徐々に減少します。

キャビンの高度を8,000フィート(2,400 m)以下に保つことは、一般に、著しい低酸素症、高度病気、減圧症および気道外傷を防止する。 米国の連邦航空局(FAA)規制は、通常の運転条件では機内高度が航空機の最高運転高度でこの限界を超えないことを要求しています。 この必須のキャビン高度は、すべての生理的問題を排除するわけではありません。 気胸などの症状を抱えた乗客は、完全に治癒するまで飛行しないように勧められ、寒さやその他の感染症に罹患している人々は、依然として耳と洞の痛みを経験する可能性がある。 人間は内耳や洞の圧力変化に敏感であり、注意深く管理しなければならないため、キャビン高度の変化率は快適性に強く影響します。 潜水後の「飛行不可」期間内に飛行するスキューバダイバーは、体内の蓄積された窒素がキャビン圧力の低下に曝されたときに気泡を形成する可能性があるため、減圧症の危険性があります。

ボーイング767のキャビン高度は、通常37,000フィート(11,000 m)で巡航するとき約7,000フィート(2,100 m)です。 これは古いジェット旅客機の典型です。 全てではないが多くの新しい航空機の設計目標は、古い設計よりも低いキャビン高度を提供することである。 これは乗客の快適さに有益です。 たとえば、Bombardier Global Expressビジネスジェットは、41,000フィート(12,000 m)で巡航する場合、4,500フィート(1,400 m)のキャビン標高を提供できます。 Emivest SJ30ビジネスジェットは、41,000フィート(12,000 m)の巡航時に海面高度を提供することができます。 エアバスA380機8機の調査の中で、キャビン圧力の中央値は6,128フィート(1,868m)、ボーイング747-400型機では65便で平均キャビン圧力は5,159フィート(1,572m)となっています。

1996年以前には、約6,000の大型商用輸送機が高高度の特別な条件を満たさなくても45,000フィート(14,000m)まで飛行することを認定されました。 1996年にFAAは改正25-87号を採択した。これは新型航空機設計のための高高度のキャビン圧力仕様を課した。 加圧システムの故障状況の可能性がある場合、搭乗者の高度が15,000フィート(4,600 m)を超えることがないように設計されていなければなりません。 「非常に不可能であると示されていないいかなる故障状態」に起因する減圧の場合、搭乗者が25,000フィート(7,600 m)を超えるキャビン標高に2分以上曝されないように、いつでも40,000フィート(12,000 m)を超える標高にはならない。 実際には、この新連邦航空規則改正により、新しく設計された民間航空機の大部分に40,000フィート(12,000 m)の操業台数が課されています。 航空機製造業者は、事態がそれを正当化するならば、この規則の緩和を申請することができる。 2004年、エアバスはFAA免除を取得し、A380の客室高度は、減圧事故の場合43,000フィート(13,000 m)に達し、1分間40,000フィート(12,000 m)を超えることができました。 これにより、A380は他の新しく設計された民間航空機より高い高度で動作することができます。

スペースクラフト
ロシアのエンジニアは、1961年のボストク、1964年のボスホッド、1967年のソユーズ宇宙船の宇宙のような窒素/酸素混合物を使用しました。 宇宙船のキャビン構造は、空間の真空に対して14.7ポンド/平方インチ(1バール)の応力に耐えなければならず、また不活性窒素塊を運ばなければならないので、これはより重い宇宙船設計を必要とする。 合理的な柔軟性を提供するために、現行のソフトスーツが比較的低い圧力で純粋な酸素で加圧されるので、宇宙飛行士が体外活動を行うときに減圧症を避けるためにも注意が必要である。

対照的に、米国は、1961年の水銀、1965年のジェミニ、1967年のアポロ宇宙船に純粋な酸素雰囲気を使用した。これは、主として減圧症を避けるためである。 水星は24,800フィート(7,600 m)(5.5ポンド/平方インチ(0.38バール))のキャビン高度を使用しました。 ジェミニの高度は25,700フィート(7,800 m)(5.3 psi(0.37 bar))でした。 アポロはスペースで27,000フィート(8,200 m)(5.0 psi(0.34 bar))を使用しました。 これにより、より軽量の宇宙船設計が可能になった。 打ち上げ前は、ジェミニの周囲温度が一定の5.3psi(0.37bar)、アポロ号の打ち上げ時に海面より2psi(0.14bar)高い圧力で、海面よりわずかに高い圧力に保ち、宇宙機の高度に移行しました上昇中。 しかし、高圧純酸素雰囲気はアポロで致命的な火災の危険性があることが判明し、1967年の地上試験でアポロ1号の乗組員全員の死亡に寄与しました。 その後、NASAは打ち上げ時の飛行高度ゼロで40%窒素/ 60%酸素ミックスを使用する手順を改訂しましたが、低圧純酸素を宇宙空間に保ちました。

アポロ計画の後、米国はSkylab、Space Shuttle Orbiter、International Space Stationのために、空中に似たキャビン雰囲気(clarification needed)を使用した。

力学
加圧は、圧縮空気の供給源で加圧され、環境制御システム(ECS)によって制御されるように設計された気密胴体の設計によって達成される。 加圧のための圧縮空気の最も一般的な供給源は、ガスタービンエンジンの圧縮機段から、低または中間段階から、および追加の高段階から抽出された抽気である。 正確な段階はエンジンの種類によって異なる。 寒い外気がブリードエアバルブに到達するまでには、非常に高い圧力で約200℃(392°F)に加熱されています。 高または低ブリード源の制御および選択は完全自動であり、様々な飛行段階での様々な空気圧システムの必要性に支配されています。

ECSに向けられた抽気の一部は、それを冷やすキャビンの圧力にするために膨張される。 最終的な適切な温度は、熱い圧縮空気からの熱をパックシステムとして知られる熱交換器および空気サイクル機械を介して戻すことによって達成される。 いくつかのより大きな航空機では、他のものよりも冷たいキャビンの一部を暖める必要がある場合、パックから来る空調空気の下流にホットトリム空気を加えることができる。
完全な冗長性を提供するために、少なくとも2つのエンジンがすべての航空機の空気圧システムに圧縮空気を供給します。 圧縮空気は、補助動力装置(APU)が装備されている場合には、緊急時および主機関始動前の地上でのキャビン空気供給のためにも得られる。 最新の商業用航空機のほとんどは、今日、手動バックアップ制御システムと共に加圧を維持するために、完全に冗長化された複写電子制御装置を備えています。

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すべての排出空気は、通常、胴体の後部にある流出バルブを介して大気に排出されます。 このバルブはキャビンの圧力を制御し、他の安全逃がし弁に加えて安全逃がし弁としても機能します。 自動圧力コントローラが故障した場合、パイロットはバックアップ緊急時手順チェックリストに従ってキャビン圧力バルブを手動で制御できます。 自動コントローラは、機体の最大圧力差限界を超えないでキャビン高度が実用的に低くなるように、流出弁の位置を常に調整することによって、適切なキャビン圧力高度を通常維持する。 圧力差は航空機の種類によって異なり、典型的な値は7.8psi(54kPa)から9.4psi(65kPa)です。 39,000フィート(12,000 m)の場合、キャビンの圧力は約1180 psi(79 kPa)の大気圧で約6,900フィート(2,100 m)(メキシコシティより450フィート(140 m)低い)に自動的に維持されます。

ボーイング787ドリームライナー(Boeing 787 Dreamliner)などの一部の航空機は、以前は加圧を提供するためにピストンエンジンの旅客機に使用されていた電気コンプレッサーを再導入しました。 電気コンプレッサーの使用は、エンジンの発電負荷を増加させ、エネルギー伝達の多くの段階を導入する。 したがって、これが航空機の空気処理システムの全体的な効率を高めるかどうかは不明である。 しかし、キャビンの化学汚染の危険性を排除し、エンジン設計を簡素化し、航空機周辺の高圧配管作業を回避し、設計の柔軟性を高めます。

予期せぬ減圧
予期せぬ高度のキャビン圧の喪失はまれですが、多くの致命的な事故を招いています。 不具合は機体の完全性(爆発性減圧)の突然の壊滅的な損失からゆっくりしたリークや機器の誤動作により、キャビンの圧力が検出されずに飛行機の無意識や重度の性能低下につながる可能性のあるレベルまで低下します。

10,000フィート(3,000 m)を超えるキャビン加圧が失敗すると、最低安全標高(MSA)を維持しながら8,000フィート(2,400 m)またはそれに最も近い緊急降下と各座席に酸素マスクを配置する必要があります。 酸素システムは、すべての機体に十分な酸素を持ち、パイロットに8,000フィート(2,400 m)以下に降下するのに十分な時間を与えます。 緊急酸素がなければ、低酸素は意識の喪失とその後の航空機の制御の喪失につながる可能性がある。 有用な意識の時間は高度によって変わります。 圧力が低下するにつれて、キャビンの気温も周囲の気温に下がり、低体温や凍傷の危険があります。

ジェット戦闘機では、操縦桿のサイズが小さいため、減圧が非常に速く、操縦士が酸素マスクを着用することはできません。 したがって、戦闘機のパイロットと乗組員は常に酸素マスクを着用する必要があります。

1971年6月30日、Soyuz 11の乗組員、ソ連宇宙飛行士Georgy Dobrovolsky、Vladislav Volkov、Viktor Patsayevが大気再突入前に誤って開かれた後に死亡した。 回復チームがカプセルを開け、死んだ乗組員を見つけだすまでは、問題の徴候はなかった。

歴史
加圧キャビンシステムを先駆けた航空機には、

Packard-LePèreLUSAC-11(1920、実際には加圧されていないが、密閉された酸素富化コックピットを備えた改装されたフランス製のデザイン)
エンジニアリング部門USD-9A、改造Airco DH.9A(1921年 – 加圧コックピットモジュールを追加して飛行する最初の航空機)
Junkers Ju 49(1931年 – 機内加圧の概念をテストする目的で作られたドイツの実験的航空機)
Farman F.1000(1932年 – フランスの記録的加圧コックピット、実験用飛行機)
Chizhevski BOK-1(1936年 – ロシア実験航空機)
Lockheed XC-35(1937年 – アメリカの加圧空気機。コックピットを包囲する圧力カプセルではなく、モノコック胴体は圧力容器でした)。
Renard R.35(1938年 – 最初の飛行で墜落した最初の加圧ピストン航空機)
ボーイング307(1938 – 商用サービスに参入する最初の加圧航空機)
ロッキードコンステレーション(Lockheed Constellation、1943年 – ワイドサービスの最初の加圧航空機)
Avro Tudor(1946年 – 最初の英国加圧航空機)
デ・ハビランド彗星(英国、1949年彗星 – 最初のジェット機、1958年彗星4 – 彗星1の問題を解決する)
Tupolev Tu-144とConcorde(それぞれ1968年のUSSRと1969年のAnglo-French) – 非常に高い高度で最初に作動する)
SyberJet SJ30(2005)12,000 psiの加圧システムを認定した最初の民間企業のジェット機で、41,000フィート(12,000 m)の海面キャビンを可能にしました。
1910年代後半には、より高い高度と高い高度を達成しようと試みられていました。 1920年には、オハイオ州デイトンのMcCook FieldにあるPackard-LePèreLUSAC-11複葉機で、パイロットLt John A. Macreadyによって最初に37,000フィート(11,000m)を超える飛行が達成されました。 この飛行は、後で開発された酸素マスクではなく、密閉されたキャビンに直接放出された操縦室に貯蔵酸素を放出することによって可能であった。 このシステムでは、40,000フィート(12,000 m)近くの飛行が可能でしたが、その高度での大気圧の不足は、パイロットの心臓を目に見えるほど大きくし、多くのパイロットがそのような高高度飛行による健康問題を報告しました。 いくつかの初期の旅客には定期便のための乗客のための酸素マスクがありました。

1921年にWright-Dayton USD-9A偵察機は、小型の外部タービンによって強制的に加圧された加圧された完全に密閉された気密チャンバを追加して改造されました。 チャンバーは、直径9インチ(910m)のパイロットによって密閉される直径がわずか22インチ(0.56m)のハッチを有していた。 チェンバーは1台の計器、高度計を装備していましたが、従来の操縦席計器はすべてチャンバーの外側に取り付けられていました。 航空機を操作する最初の試みは、L. John A. McCready中尉によって行われました。Lt. John A. McCready氏は、タービンが提供された小さなリリースバルブよりも速くチャンバーに空気を送り込んでいることを発見しました。 その結果、チャンバーはすぐに加圧され、飛行は放棄されました。 操縦士が3,000フィート(910m)のところで彼が部屋の孵化を閉じるには短すぎることを発見したときに、2番目の試みを放棄しなければならなかった。 最初の成功した飛行は試験パイロットLt Harrold Harrisによって最終的に行われ、加圧航空機による世界初の飛行となりました。

加圧されたキャビン付きの最初の旅客機は、ボーイング307ストラトライナーで、1938年に建設されました。第二次世界大戦以前は10個しか生産されていませんでした。 307の「圧力区画は、航空機の鼻から、水平安定板のすぐ後ろの圧力隔壁までであった」

第二次世界大戦は航空機開発の触媒でした。 最初は、第二次世界大戦のピストン飛行機は、しばしば非常に高い高度で飛行したが、加圧されておらず、酸素マスクに依存していた。 これは、乗組員が客室を移動する必要があった大型爆撃機の開発では実用的でなくなり、客室乗務員に限られた最初の爆撃機(Boeing B-29 Superfortress)につながった。 このための制御システムは、Garrett AiResearch Manufacturing Companyによって設計され、Stratolinerのためにボーイングが保有する特許のライセンス供与に部分的に取り組んでいます。

Lockheed Constellation(1943年)のような戦後のピストン航空機はこの技術を民間サービスに拡張しました。 ピストン式の旅客機は、一般的に、加圧された客室の空気を供給するために電気コンプレッサーに依存していました。 Douglas DC-6、Douglas DC-7、Constellationのようなエンジンの過給とキャビン加圧が可能な飛行機は、24,000フィート(7,300 m)から28,400フィート(8,700 m)までのサービス天井を認定しています。 その高度範囲に対処するために加圧胴体を設計することは、その時の工学的および冶金的知識の範囲内であった。 ジェット機の導入は、ジェットエンジンの燃費がさらに向上する30,000〜41,000フィート(9,100〜12,500 m)の範囲まで巡航高度の大幅な増加を必要としました。 巡航高度の増加は、胴体のはるかに厳密な工学を必要とし、当初、すべての工学的問題が完全に理解されたわけではありませんでした。

世界で初めての商業用ジェット旅客機は、19,000フィート(19,000フィート)のサービス天井を備えたBritish de Havilland Comet(1949)でした。 窓を備えた大口径の加圧胴体がこの高度で建設されて飛行したのは初めてでした。 当初、この設計は非常に成功しましたが、1954年の2つの壊滅的な機体の破損により、航空機、乗客、乗組員の総損失が発生し、世界のジェット旅客機全体が墜落しました。 包括的な調査と画期的な残骸のエンジニアリング分析は、高度で加圧された胴体設計の基本的な問題を解決した非常に重要なエンジニアリングの進歩をもたらしました。 この致命的な問題は、胴体が反復的なストレスサイクルを受ける際の累進的な金属疲労の影響の不十分な理解と、航空機の皮膚の応力がどのように胴体の開口部の周りに窓やリベットの穴などに再分配されるかの組み合わせであることが判明しました。

彗星1のプログラムから学んだ金属疲労に関する重要な工学原理は、ボーイング707(1957)とその後のすべてのジェット旅客機の設計に直接適用されました。 コメット災害のすぐ目立った遺産の1つは、すべてのジェット旅客機の楕円形の窓である。 彗星を破壊した金属疲労亀裂は、彗星1のほぼ正方形の窓の小さな半径の角によって開始された。 彗星の胴体は再設計され、彗星4(1958年)は最初の大西洋横断ジェット機のパイオニアである成功した旅客機になりましたが、プログラムは実際にはこれらの災害から回復せず、ボーイング707によって追い抜かれました。

コンコルドは異常に高い高度(6万フィート(18,000 m)まで)で飛行し、6,000フィート(1,800 m)のキャビン標高を維持したため、特に高い差圧に対処しなければならなかった。 これにより航空機は大幅に重くなり、高い飛行コストに貢献しました。 コンコルドはまた、窓が破損した場合に圧縮解除の速度を遅くするため、ほとんどの他の民間旅客機よりも小さなキャビン窓を有していた。 高い巡航高度は、従来の航空機で使用されていた連続流マスクとは異なり、非常用マスクでの高圧酸素および需要バルブの使用も必要としました。

新しい航空機の設計された運転席の高度は低下しており、これは残りの生理学的問題を低減することが期待されている。

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