Давление в котле — это процесс, при котором кондиционированный воздух закачивается в кабину самолета или космического корабля, чтобы создать безопасную и комфортную среду для пассажиров и экипажа, летающих на больших высотах. Для воздушных судов этот воздух обычно сбрасывается с газотурбинных двигателей на стадии компрессора, а для космических аппаратов он переносится в высоконапорных, часто криогенных резервуарах. При необходимости воздух охлаждается, увлажняется и смешивается с рециркулируемым воздухом, прежде чем он будет распределен в салоне одной или несколькими системами управления окружающей средой. Давление в кабине регулируется выпускным клапаном.

Потребность в повышении давления в кабине
Повышение давления становится все более необходимым на высоте над уровнем моря на высоте более 10 000 футов (3000 м), чтобы защитить экипаж и пассажиров от риска ряда физиологических проблем, вызванных низким давлением наружного воздуха над этой высотой. Для частных самолетов, работающих в США, члены экипажа должны использовать кислородные маски, если высота кабины остается выше 12 500 футов в течение более 30 минут или если высота каюты достигает 14 000 футов в любое время. На высоте более 15 000 футов пассажирам также должны быть предоставлены кислородные маски. На коммерческих самолетах высота кабины должна поддерживаться на уровне 8000 футов или меньше. Кроме того, требуется герметизация грузового отсека для предотвращения повреждения чувствительных к давлению грузов, которые могут протекать, расширяться, взрываться или раздавливаться при повторном повышении давления. Основные физиологические проблемы перечислены ниже.

гипоксия
Более низкое парциальное давление кислорода на высоте снижает напряжение альвеолярного кислорода в легких, а затем в мозге, что приводит к вялому мышлению, затемненному зрению, потере сознания и, в конечном счете, к смерти. У некоторых людей, особенно с заболеваниями сердца или легких, симптомы могут начинаться с уровня 5000 м (1500 м), хотя большинство пассажиров могут переносить высоту 8000 футов (2400 м) без вредного воздействия. На этой высоте на 25% меньше кислорода, чем на уровне моря.
Гипоксию можно решить путем введения дополнительного кислорода либо через кислородную маску, либо через носовую канюлю. Без повышения давления достаточный кислород может доставляться на высоту около 40000 футов (12 000 м). Это связано с тем, что человеку, привыкшему жить на уровне моря, требуется нормальное давление кислорода около 0,20 бар, чтобы нормально функционировать, и это давление может поддерживаться до примерно 40000 футов (12 000 м) за счет увеличения мольной доли кислорода в воздухе, дыша. На высоте 40000 футов (12 000 м) давление окружающего воздуха падает примерно до 0,2 бар, при котором поддержание минимального парциального давления кислорода 0,2 бар требует дыхания 100% кислорода с использованием кислородной маски.
Аварийные маски снабжения кислородом в салоне авиалайнеров не обязательно должны быть масками давления, поскольку большинство полетов остаются ниже 40 000 футов (12 000 м). Над этой высотой парциальное давление кислорода будет падать ниже 0,2 бар даже при 100% кислороде, и некоторое повышение давления в салоне или быстрый спуск будут необходимы, чтобы избежать риска гипоксии.

Высотная болезнь
Гипервентиляция, наиболее распространенный ответ организма на гипоксию, помогает частично восстановить парциальное давление кислорода в крови, но также приводит к выбросу углекислого газа (CO2) извне, повышая рН крови и вызывая алкалоз. Пассажиры могут испытывать усталость, тошноту, головные боли, бессонницу и (при длительных полетах) даже отек легких. Это те же симптомы, что и у альпинистов, но ограниченная продолжительность полетов в полете делает маловероятным развитие отека легких. Высотную болезнь можно контролировать с помощью костюма полного давления со шлемом и лицевой панелью, которая полностью окутывает тело в условиях повышенного давления; однако это нецелесообразно для коммерческих пассажиров.

Декомпрессионная болезнь
Низкое парциальное давление газов, главным образом азота (N2), но включая все другие газы, может привести к осаждению растворенных газов в кровотоке, что приведет к газовой эмболии или пузырькам в кровотоке. Механизм такой же, как у дайверов сжатого воздуха при подъеме с глубины. Симптомы могут включать ранние симптомы «изгибов» — усталость, забывчивость, головную боль, инсульт, тромбоз и подкожный зуд, — но редко их симптомы. Декомпрессионную болезнь также можно контролировать с помощью костюма с полным давлением, как для болезни на высоте.

баротравма
По мере того, как самолет поднимается или спускается, пассажиры могут испытывать дискомфорт или острую боль, поскольку газы, попавшие в их тела, расширяются или сокращаются. Наиболее распространенные проблемы возникают при попадании воздуха в ухо (аэротитус) или околоносовых синусов с помощью заблокированной евстахиевой трубки или синусов. Боль может также проявляться в желудочно-кишечном тракте или даже в зубах (бародонтальгия). Обычно они не являются достаточно серьезными, чтобы вызвать настоящую травму, но могут привести к болезненности в ухе, которая сохраняется после полета и может усугубить или ускорить ранее существовавшие медицинские условия, такие как пневмоторакс.

Высота кабины
Давление внутри кабины технически называется эквивалентной эффективной высотой кабины или чаще, чем высота кабины. Это определяется как эквивалентная высота над уровнем моря с тем же атмосферным давлением в соответствии со стандартной атмосферной моделью, такой как Международная стандартная атмосфера. Таким образом, высота каюты в ноль будет иметь давление, находящееся на среднем уровне моря, которое составляет 101.325 килопаскалей (14.696 фунтов на квадратный дюйм).

Самолет
В авиалайнерах высота кабины во время полета поддерживается выше уровня моря, чтобы уменьшить напряжение на находящейся под давлением части фюзеляжа; это напряжение пропорционально разности давлений внутри и снаружи кабины. В типичном коммерческом пассажирском полете высота кабины запрограммирована, чтобы постепенно повышаться с высоты аэропорта происхождения до нормативного максимума в 8000 футов (2400 м). Эта высота кабины сохраняется, когда самолет совершает круиз на своей максимальной высоте, а затем постепенно уменьшается во время спуска, пока давление в кабине не будет соответствовать атмосферному давлению в пункте назначения.

Сохранение высоты кабины ниже 8000 футов (2400 м) обычно предотвращает значительную гипоксию, высотную болезнь, декомпрессионную болезнь и баротравму. Федеральное управление гражданской авиации (FAA) в США предусматривает, что при нормальных условиях эксплуатации высота кабины не может превышать этот предел на максимальной рабочей высоте самолета. Эта обязательная максимальная высота кабины не устраняет всех физиологических проблем; пассажирам с такими состояниями, как пневмоторакс, рекомендуется не лететь до полного выздоровления, а люди, страдающие от простуды или другой инфекции, могут по-прежнему испытывать боль в ушах и пазухах. Скорость изменения высоты кабины сильно влияет на комфорт, так как люди чувствительны к изменениям давления во внутреннем ухе и синусах, и это нужно тщательно контролировать. Аквалангисты, летящие в период «без мухи» после погружения, подвергаются риску декомпрессионной болезни, потому что накопленный азот в их телах может образовывать пузыри при воздействии пониженного давления в салоне.

Высота каюты Boeing 767 составляет около 7000 футов (2100 м) при движении на высоте 37 000 футов (11 000 м). Это характерно для старых реактивных самолетов. Цель разработки многих, но не всех новых самолетов — обеспечить более низкую высоту кабины, чем более старые конструкции. Это может быть полезно для комфорта пассажиров. Например, бизнес-самолет Bombardier Global Express может обеспечить высоту кабины 4500 футов (1400 м) при курсе на высоте 41 000 футов (12 000 м). Бизнес-самолет Emivest SJ30 может обеспечить высоту каюты на уровне моря при круизе на высоте 41 000 футов (12 000 м). В одном исследовании, проведенном на 8 рейсах в самолетах Airbus A380, была обнаружена средняя высота давления в салоне 6128 футов (1,868 м), а 65 рейсов на самолетах Boeing 747-400 нашли среднюю высоту давления в салоне 5,159 фута (1 572 м).

До 1996 года около 6 000 крупных коммерческих транспортных самолетов были сертифицированы по типу, чтобы пролететь до 45 000 футов (14 000 м) без необходимости отвечать на высокие специальные условия. В 1996 году FAA приняла поправку 25-87, в которой были установлены дополнительные высотные характеристики давления в салоне для самолетов нового типа. Самолет, сертифицированный для работы на высоте более 25 000 футов (7 600 м), должен быть спроектирован таким образом, чтобы пассажиры не подвергались высотам над уровнем моря в кабине свыше 15 000 футов (4600 м) после любого вероятного отказа в системе повышения давления ». В случае декомпрессии, которая возникает из-за того, что «любое условие отказа, которое не показано крайне маловероятным», самолет должен быть сконструирован таким образом, чтобы пассажиры не подвергались воздействию высоты кабины, превышающей 25 000 футов (7600 м) в течение более 2 минут, ни на высоту, превышающую 40 000 футов (12 000 м) в любое время. На практике новая поправка к Федеральным авиационным нормам налагает эксплуатационный потолок на 40 000 футов (12 000 м) на большинство новых коммерческих самолетов. Производители самолетов могут подать заявку на ослабление этого правила, если это того потребуют обстоятельства. В 2004 году Airbus приобрела исключение FAA, чтобы позволить высоте каюты A380 достигать 43 000 футов (13 000 м) в случае инцидента декомпрессии и превышать 40000 футов (12 000 м) в течение одной минуты. Это позволяет A380 работать на более высокой высоте, чем другие недавно разработанные гражданские самолеты.

космический корабль
Российские инженеры использовали воздушно-подобную смесь азота / кислорода, постоянно державшуюся на высоте каюты, близкой к нулю, в их 1964 году, «Восход» 1964 года и 1967 год, чтобы представить космический корабль «Союз». Для этого требуется более тяжелая конструкция космического аппарата, поскольку конструкция кабины космического корабля должна выдерживать напряжение в 14,7 фунтов на квадратный дюйм (1 бар) против вакуума пространства, а также потому, что необходимо переносить массу инертного азота. Следует также проявлять осторожность, чтобы избежать декомпрессионной болезни, когда космонавты выполняют внедорожную деятельность, поскольку текущие мягкие костюмы герметизируются чистым кислородом при относительно низком давлении, чтобы обеспечить разумную гибкость.

В отличие от этого, Соединенные Штаты использовали чистую кислородную атмосферу для своих 1961 Меркурий, 1965 Близнецов и 1967 Аполлон космических аппаратов, главным образом во избежание декомпрессионной болезни. Меркурий использовал высоту кабины 24 800 футов (7 600 м) (5,5 фунтов на квадратный дюйм (0,38 бар)); Близнецы использовали высоту 25 700 футов (7 800 м) (5,3 фунта на квадратный дюйм (0,37 бар)); и Аполлон использовал 27 000 футов (8 200 м) (5,0 фунтов на квадратный дюйм (0,34 бара)) в космосе. Это позволило создать более легкую конструкцию космического аппарата. Перед запуском давление поддерживалось на уровне чуть выше уровня моря при постоянном значении 5.3 фунта на квадратный дюйм (0,37 бар) выше уровня окружающего воздуха для Близнецов и 2 фунта на квадратный дюйм (0,14 бар) над уровнем моря при запуске для Аполлона) и переходило на высоту космической камеры во время восхождения. Тем не менее, атмосфера чистого кислорода высокого давления оказалась фатальной опасностью пожара в Apollo, что способствовало гибели всего экипажа Apollo 1 во время наземного испытания 1967 года. После этого НАСА пересмотрело свою процедуру, чтобы использовать 40% -ную смесь кислорода / 60% кислорода при нулевой высоте кабины при запуске, но содержала чистый кислород низкого давления в космосе.

После программы «Аполлон» Соединенные Штаты использовали воздушные атмосферы кабины (необходимые разъяснения) для Skylab, орбитального аппарата Space Shuttle и Международной космической станции.

механика
Повышение давления достигается за счет конструкции воздухонепроницаемого фюзеляжа, спроектированного под давлением с источником сжатого воздуха и управляемого системой управления окружающей средой (ECS). Наиболее распространенным источником сжатого воздуха для повышения давления является продувочный воздух, извлеченный из ступени компрессора газотурбинного двигателя, с низкой или промежуточной стадии, а также с дополнительной высокой ступени; точная стадия может варьироваться в зависимости от типа двигателя. К тому времени, когда холодный наружный воздух достиг воздухозаборников, он находится под очень высоким давлением и нагревается до температуры около 200 ° C (392 ° F). Контроль и выбор источников высокого или низкого давления полностью автоматизированы и регулируются потребностями различных пневматических систем на разных этапах полета.

Затем часть продувочного воздуха, направленного в ECS, расширяется, чтобы довести ее до давления в кабине, что охлаждает ее. Окончательная конечная подходящая температура затем достигается путем добавления тепла от горячего сжатого воздуха через теплообменник и машину воздушного цикла, известную как система упаковок. В некоторых более крупных авиалайнерах горячий обрезной воздух может быть добавлен после воздуха, поступающего из упаковок, если это необходимо для обогрева секции кабины, которая холоднее других.
По меньшей мере два двигателя обеспечивают сжатый отбираемый воздух для всех пневматических систем самолета, чтобы обеспечить полную избыточность. Сжатый воздух также поступает из вспомогательного силового агрегата (APU), если он установлен, в случае аварийной ситуации и подачи воздуха на салоне на землю до запуска основных двигателей. Сегодня большинство современных коммерческих самолетов имеют полностью избыточные дублированные электронные контроллеры для поддержания давления и ручную резервную систему управления.

Весь отработанный воздух сбрасывается в атмосферу через выпускной клапан, обычно на задней части фюзеляжа. Этот клапан управляет давлением в кабине, а также действует как предохранительный клапан в дополнение к другим предохранительным клапанам. Если автоматические регуляторы давления не работают, пилот может вручную управлять клапаном давления в кабине в соответствии с контрольным списком аварийной ситуации резервного копирования. Автоматический контроллер обычно поддерживает правильную высоту давления в кабине, постоянно регулируя положение выпускного клапана так, чтобы высота кабины была такой же низкой, насколько это практически возможно, без превышения максимального предела перепада давления на фюзеляже. Перепад давления варьируется между типами воздушных судов, типичные значения составляют от 7,8 фунтов на квадратный дюйм (54 кПа) и 9,4 фунтов на квадратный дюйм (65 кПа). На высоте 39 000 футов (12 000 м) давление в салоне будет автоматически поддерживаться на высоте около 2900 футов (2100 м) (на 450 футов (140 м) ниже, чем в Мехико), что составляет атмосферное давление около 11,5 фунтов на квадратный дюйм (79 кПа).

Некоторые самолеты, такие как Boeing 787 Dreamliner, вновь представили электрические компрессоры, ранее использовавшиеся на авиалайнерах с поршневым двигателем для обеспечения герметизации. Использование электрических компрессоров увеличивает нагрузку на электрогенерацию двигателей и вводит несколько этапов передачи энергии; поэтому неясно, повышает ли это общую эффективность системы воздушного кондиционирования воздуха. Тем не менее, он устраняет опасность химического загрязнения кабины, упрощает конструкцию двигателя, предотвращает необходимость запуска трубопроводов высокого давления вокруг самолета и обеспечивает большую гибкость конструкции.

Незапланированная декомпрессия
Незапланированная потеря давления в салоне на высоте редко встречается, но приводит к ряду несчастных случаев со смертельным исходом. Неисправности варьируются от внезапной катастрофической потери целостности планера (взрывной декомпрессии) до медленных утечек или сбоев оборудования, которые позволяют снизить давление в салоне до уровня, который может привести к бессознательному состоянию или серьезному ухудшению характеристик летного экипажа.

Любой отказ от давления в салоне выше 10000 футов (3000 м) требует аварийного спуска на 8000 футов (2400 м) или самого близкого к нему при сохранении минимальной безопасной высоты (MSA) и развертывания кислородной маски для каждого сиденья. Кислородные системы имеют достаточный кислород для всех на борту и дают летчикам достаточное время для опускания до менее 8 000 футов (2400 м). Без аварийного кислорода гипоксия может привести к потере сознания и последующей потере контроля над самолетом. Время полезного сознания меняется в зависимости от высоты. По мере того, как давление падает, температура воздуха в салоне может также падать до внешней температуры окружающей среды с опасностью гипотермии или обморожения.

В реактивных истребителях небольшой размер кабины означает, что любая декомпрессия будет очень быстрой и не позволит пилотному времени надеть кислородную маску. Поэтому пилоты истребителей и летные экипажи должны постоянно носить кислородные маски.

30 июня 1971 года экипаж корабля «Союз-11», советских космонавтов Георгий Добровольский, Владислав Волков и Виктор Пацаев были убиты после случайного открытия вентиляционного клапана кабины перед атмосферным возвратом. Не было никаких признаков неприятностей, пока команда восстановления не открыла капсулу и не нашла мертвую команду.

история
Самолеты, которые впервые применяли герметичные кабины, включают:

Packard-Le Père LUSAC-11 (1920, модифицированный французский дизайн, на самом деле не герметичный, но с закрытой, обогащенной кислородом кабиной)
Инженерный отдел USD-9A, модифицированный Airco DH.9A (1921 год — первый самолет, который летает с добавлением модуля кабины под давлением)
Junkers Ju 49 (1931 — немецкий экспериментальный самолет, специально разработанный для проверки концепции повышения давления в кабине)
Фарман F.1000 (1932 — французский рекордный ударный кокпит, экспериментальный самолет)
Чижевский БОК-1 (1936 г. — российский экспериментальный самолет)
Lockheed XC-35 (1937 г. — американский самолет под давлением). Вместо капсулы давления, закрывающей кокпит, кожа фюзеляжа монокока была сосудом высокого давления.)
Renard R.35 (1938 год — первый герметичный поршневой авиалайнер, который разбился на первый полет)
Boeing 307 (1938 год — первый авиалайнер под давлением для входа в коммерческую эксплуатацию)
Lockheed Constellation (1943 год — первый авиалайнер под давлением)
Avro Tudor (1946 год — первый британский авиалайнер под давлением)
de Havilland Comet (британский, комета 1 1949 — первый лайнер, комета 4 1958 года — решение проблем кометы 1)
Туполевский Ту-144 и Конкорд (1968 СССР и 1969 г. Англо-французский соответственно — сначала работали на очень большой высоте)
SyberJet SJ30 (2005) Первый гражданский бизнес-самолет для сертификации системы герметизации 12,0 фунтов на кв. Дюйм, позволяющей кабину на уровне моря на высоте 41 000 футов (12 000 м).
В конце 1910-х годов предпринимались попытки достичь более высоких и высоких высот. В 1920 году полёты высотой более 37 000 футов (11 000 м) были впервые получены летчиком-испытателем лейтенанта Джона А. Макриди в биплане Packard-Le Père LUSAC-11 в Мак-Кук-Филд в Дейтоне, штат Огайо. Полет был возможен, выпустив запасной кислород в кокпит, который был выпущен непосредственно в закрытую кабину, а не в кислородную маску, которая была разработана позже. С этой системой полетов, достигающих 40 000 футов (12 000 м), были возможны, но отсутствие атмосферного давления на этой высоте заставило сердце пилота заметно увеличиться, и многие пилоты сообщили о проблемах со здоровьем с таких высотных полетов. Некоторые ранние авиалайнеры имели кислородные маски для пассажиров для обычных рейсов.

В 1921 году реактивный биплан «Райт-Дейтон» USD-9A был изменен с добавлением полностью закрытой воздухонепроницаемой камеры, в которую можно было нагнетать воздух, забитый в него небольшими внешними турбинами. Камера имела люк всего 22 дюйма (0,56 м) в диаметре, который был бы герметизирован пилотом на высоте 3000 футов (910 м). Камера содержала только один инструмент, высотомер, в то время как обычные приборы кабины были установлены вне камеры, видимые через пять небольших иллюминаторов. Первая попытка управлять самолетом была снова сделана лейтенантом Джоном МакКриди, который обнаружил, что турбина заставляла воздух в камеру быстрее, чем предусмотренный небольшой выпускной клапан мог ее освободить. В результате камера быстро переместилась, и полет был оставлен. Вторая попытка должна была быть оставлена, когда пилот обнаружил на высоте 3000 футов (910 м), что он был слишком коротким, чтобы закрыть камерный люк. Первый успешный полет был окончательно завершен летчиком-испытателем лейтенантом Харролдом Харрисом, сделав его первым в мире полетным самолетом под давлением.

Первым лайнером с каютой под давлением был Boat 307 Stratoliner, построенный в 1938 году, до Второй мировой войны, хотя было выпущено всего десять. 307 в «отделение давления было от носовой части самолета к переборке давления в корме только вперед горизонтального стабилизатора.»

Вторая мировая война стала катализатором развития авиации. Первоначально поршневые самолеты Второй мировой войны, хотя они часто летали на очень больших высотах, не находились под давлением и полагались на кислородные маски. Это стало нецелесообразным с развитием более крупных бомбардировщиков, в которых экипаж должен был передвигаться по кабине, и это привело к тому, что первый бомбардировщик с избыточным давлением в кабине (хотя и был ограничен участками экипажа), Boeing B-29 Superfortress. Система управления для этого была разработана Garrett AiResearch Manufacturing Company, частично используя лицензирование патентов Boeing для Stratoliner.

Послевоенные поршневые авиалайнеры, такие как Lockheed Constellation (1943), распространили эту технологию на гражданскую службу. Авиационные суда с поршневыми двигателями обычно полагались на электрические компрессоры для обеспечения воздуха в помещении под давлением. Нагнетание наддува над двигателем и повышение давления в салоне позволили самолетам, таким как Douglas DC-6, Douglas DC-7 и Constellation, иметь сертифицированные сервисные потолки от 24 000 футов (7 300 м) до 28 400 футов (8 700 м). Проектирование фюзеляжа под давлением, чтобы справиться с этим диапазоном высоты, соответствовало инженерным и металлургическим знаниям того времени. Внедрение реактивных авиалайнеров потребовало значительного увеличения круизных высот до 30 000-41 000 футов (9 100-12 500 м), где реактивные двигатели более экономичны. Это увеличение круизных высот требовало гораздо более строгой инженерии фюзеляжа, и вначале все технические проблемы были полностью поняты.

Первым коммерческим авиалайнером в мире был британский де-Хавилленд-комета (1949), спроектированный с потолком обслуживания на высоте 36 000 футов (11 000 м). Это был первый случай, когда на этой высоте был построен большой диаметр, герметичный фюзеляж с окнами. Первоначально дизайн был очень успешным, но два катастрофических сбоя планера в 1954 году привели к полной потере самолета, пассажиров и экипажа, обоснованного тем, что было тогда всем мировым авиационным авиалайнером. Обширное исследование и новаторский инженерный анализ обломков привели к ряду очень значительных технических достижений, которые позволили решить основные проблемы конструкции фюзеляжа под давлением на высоте. Критическая проблема оказалась комбинацией неадекватного понимания влияния прогрессивной усталости металла, поскольку фюзеляж подвергается повторяющимся циклам напряжений в сочетании с непониманием того, как стрессы кожи самолета перераспределяются вокруг отверстий в фюзеляже, таких как окна и отверстия для заклепок.

Критические инженерные принципы, касающиеся усталости металла, полученные из программы Comet 1, были применены непосредственно к конструкции Boeing 707 (1957) и всех последующих реактивных лайнеров. Одно сразу заметное наследие катастроф Комета — овальные окна на каждом авиалайнере; трещины металлической усталости, которые разрушили кометы, были инициированы небольшими углами углов на почти квадратных окнах кометы 1. Фюзеляж кометы был перепроектирован, и комета 4 (1958) продолжала становиться успешным авиалайнером, новатором первого трансатлантического реактивного обслуживания, но программа так и не оправилась от этих катастроф и была настигнута Boeing 707.

Конкорде пришлось иметь дело с особенно высокими перепадами давления, поскольку он летал на необычно большой высоте (до 18 000 м) и поддерживал высоту кабины 6000 футов (1800 м). Это сделало самолет значительно тяжелее и способствовало высокой стоимости полета. В Concorde также были меньше окна кабины, чем большинство других коммерческих пассажирских самолетов, чтобы замедлить скорость декомпрессии, если окно не удалось. Высокая крейсерская высота также требовала использования клапанов высокого давления и клапанов повышенного давления в аварийных масках, в отличие от масок непрерывного потока, используемых в обычных авиалайнерах.

Расчетная высота рабочей кабины для новых самолетов падает, и это, как ожидается, уменьшит любые оставшиеся физиологические проблемы.