直升機(jī)供氧系統(tǒng)的設(shè)計考慮

彭光梅 趙宏韜 方玲

摘 要：直升機(jī)供氧系統(tǒng)的主要功用是保持飛機(jī)乘員的吸入氣有足夠的氧分壓，以防止乘員在飛行或跳傘過程中發(fā)生缺氧，同時還可以防毒氣和放射性污染，用于醫(yī)療救護(hù)等等。直升機(jī)供氧系統(tǒng)不同于殲擊機(jī)、客機(jī)等機(jī)型的供氧系統(tǒng)，其功能及使用環(huán)境具有特殊性，故設(shè)計思路完全不同。本文從高空人體生理需求及直升機(jī)基本使用要求出發(fā)，具體分析了直升機(jī)供氧系統(tǒng)的設(shè)計要求，給出了設(shè)計思路及常規(guī)的設(shè)計方案，并展望了我國直升機(jī)供氧系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：氧分壓 供氧系統(tǒng) 直升機(jī) 人體生理

中圖分類號：V2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）08（a）-0144-03

The Research of Oxygen Supply System in Helicopter

Peng Guangmei，Zhao Hongtao，F(xiàn)ang Ling

（Hefei Jianghang aircraft equipment Co.Ltd.Hefei Anhui，230035，China）

Abstract：The helicopter oxygen supply systems main function is that maintains aircraft crews inspiration gas has the enough oxygen partial pressure to prevent the crew member has the oxygen deficit in the flight or the parachuting process ，may also the antigas and the radioactive contamination，uses in medical aid and so on。The helicopter oxygen supply system is different from the fighter planes， airliners and so on.It also determines the different design methods for oxygen supply system。In this paper， based on human physiology about altitude and the basic function of the helicopter， the design requirements were analyzed ，after that， mentality of designing ，a normal design proposal and the helicopter oxygen supply system trends were presented。

Key Words： Oxygen partial pressure；Oxygen supply system；Helicopter；Human physiology

多年來，供氧系統(tǒng)通常用于在5 km以上高度常規(guī)飛行的固定翼飛機(jī)上，早期設(shè)計的大部分直升機(jī)使用升限都低于3 km，因此無須考慮使用氧氣。由于輕型渦輪發(fā)動機(jī)的使用，直升機(jī)的性能得到提高，現(xiàn)在已能安全地在3 km以上高度作常規(guī)飛行。要適應(yīng)在高空、夜視等各種環(huán)境下有效地工作，直升機(jī)飛行員必須依靠氧氣方能保持其工作能力。資料表明，不對飛行員補(bǔ)充氧氣，在1.2 km的壓力高度中，夜視的衰退程度是明顯的；在1.5 km的壓力高度下夜視力喪失約10%；在3 km的壓力高度下夜視力喪失約25%；在4 km的壓力高度下夜視力喪失約42%[1]。美軍標(biāo)規(guī)定1.5 km壓力高度為夜航供氧的生理界限值，而對于直升機(jī)，由于其執(zhí)行任務(wù)的特殊需要，規(guī)定1.2 km壓力高度開始吸氧。今日的直升機(jī)若要在可能的任何環(huán)境中有效地工作，配備供氧系統(tǒng)是十分必要的。

1 設(shè)計要求

直升機(jī)供氧系統(tǒng)的設(shè)計要求如下。

1.1 功能要求

直升機(jī)供氧系統(tǒng)可根據(jù)座艙高度變化自動調(diào)節(jié)使用人員吸入氣的含氧百分比，以滿足人體生理衛(wèi)生需要，防止高空缺氧，保證使用人員的工作功效；當(dāng)有防塵、防化、防毒的需求時，可隨時手動供純氧；對具有應(yīng)急供氧功能要求的，應(yīng)可隨時選擇手動應(yīng)急用氧。

1.2 環(huán)境適應(yīng)性要求

直升機(jī)供氧系統(tǒng)的使用溫度一般為-40℃～+60℃，其環(huán)境條件和環(huán)境試驗(yàn)方法按RTCA DO-160《機(jī)載設(shè)備的環(huán)境條件和試驗(yàn)程序》或GJB150-1986《軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法》。

1.3 工藝布置要求

根據(jù)供氧系統(tǒng)的配置不同，其在機(jī)上的布置和安裝及各部件的接口交聯(lián)也不同。

2 設(shè)計方案

2.1 設(shè)計要素

氧源類型：液氧、氣氧、化學(xué)制氧和分子篩制氧。

供氧方式：連續(xù)供氧、肺式供氧和加壓供氧。

安裝方式：固定式和便攜式。

用氧人數(shù)：集體供氧和單人供氧。

2.2 基本組成

直升機(jī)飛行高度較低，通常只需配備普通供氧系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括：氧源、調(diào)節(jié)部件及供氧面罩。

2.2.1 氧源

（1）氧源種類。

氧源類型有液氧、氣氧、化學(xué)制氧和分子篩制氧。

①液氧。

液態(tài)氧源是在常壓下，將氧氣冷卻成液態(tài)儲存于液氧轉(zhuǎn)換器內(nèi)供使用。由于液氧易汽化、泄漏、貯存困難，且制造液氧轉(zhuǎn)換器代價高、維護(hù)工作復(fù)雜等缺點(diǎn)，液態(tài)氧源在直升機(jī)上的使用很少見。

②氣氧。

氣態(tài)氧源是最早使用，也是使用最為廣泛的一種氧源，目前直升機(jī)上主要使用的就是該類氧源。

高壓氧氣儲存在氧氣瓶中，通過與之相連的其他供氧裝備向用氧人員供氧。氣態(tài)氧源具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是貯氧量有限、體積大。

氧氣瓶一般為圓柱形或球形，其材料可采用碳鋼或合金鋼、玻璃纖維或碳纖維復(fù)合材料，復(fù)合材料氧氣瓶具有重量輕（比同容積的鋼瓶減輕50%以上）、強(qiáng)度高及爆破前先泄漏的優(yōu)點(diǎn)。

③化學(xué)制氧。

化學(xué)制氧又稱固態(tài)氧源，是將含氧量高的固態(tài)化合物貯存在化學(xué)產(chǎn)氧器中，使用時通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氧氣?；瘜W(xué)氧源具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、安裝便利、使用方便及易于長期保存等優(yōu)點(diǎn)，但其存在不能調(diào)節(jié)產(chǎn)氧率、供氧時間短、只能一次性使用等不足。這種氧源在民航客機(jī)中使用較多，而在直升機(jī)上較少見。

④分子篩制氧。

機(jī)載分子篩制氧是一種新型氧源。這種氧源具有供氧時間不受限制、安全及可靠性高，基本不需要地勤的維護(hù)和維修等優(yōu)點(diǎn)。其不足之處是需要提供合適的引氣、輸出壓力低、產(chǎn)氧速度有限，不適宜集體供氧。國外已有直升機(jī)（AH-64、MH-60K等）采用此種氧源，國內(nèi)還未采用。

（2）用氧量的計算[2]。

飛機(jī)上需用氧量與在飛行狀態(tài)下人體肺換氣量、用氧人數(shù)、供氧裝置的耗氧特性及飛行狀態(tài)（飛行高度、續(xù)航時間等）有關(guān)，這些因素本身變化幅度大，存在一定的不確定性，且往往互相影響。因此，要對需氧量作精確計算很困難，僅能進(jìn)行估算。通常，一定高度上的需氧量計算如下：

（1）

式中：

qh.m：供混合氣時的需氧量（L/min）（NTPD）；

Qvp：肺換氣量（L/min）（BTPS）；（直升機(jī)用氧人員其肺換氣量可取為7L/min、15L/min、20L/min）

FO2：在高度H上的混合氣含氧百分?jǐn)?shù)；

PH：在高度H上的大氣壓力（mmHg）。

《GJB114-1986 急性缺氧防護(hù)生理要求》根據(jù)對不同高度肺內(nèi)氣體分壓的實(shí)測值，按肺泡氣氧分壓方程式計算，給出4條吸入氣氧濃度理想值曲線（A、B、C、D四條曲線），按此關(guān)系隨高度變化提高吸入氣氧濃度，即可使肺泡氣氧分壓保持于不同水平。按曲線A供氧即可使肺泡氣氧分壓保持在相當(dāng)于海平面停留時的水平，即13.7 kPa（103mmHg），目前軍機(jī)供氧均按此曲線進(jìn)行設(shè)計；按曲線B供氧可使肺泡氣氧分壓保持在相當(dāng)于1.5km高度呼吸空氣停留時的水平，即10.7kPa（80mmHg）；按曲線C供氧可使肺泡氣氧分壓保持在相當(dāng)于2.5km高度呼吸空氣停留時的水平，即9.1kPa（68mmHg），對于非增壓座艙的軍用運(yùn)輸機(jī)和直升機(jī)在4km以上飛行，其機(jī)上乘員一般按此關(guān)系供氧；按曲線D供氧即可使肺泡氣氧分壓保持在相當(dāng)于4km高度呼吸空氣停留時的水平，即6.8 kPa（51mmHg），當(dāng)運(yùn)輸機(jī)或旅客機(jī)密封增壓座艙發(fā)生迅速減壓時，對機(jī)上乘員或旅客按此關(guān)系進(jìn)行應(yīng)急供氧。任意高度上吸入氣氧分壓值根據(jù)情況等同與相應(yīng)高度的氧分壓值，則：

（2）

式中：

PIO2：對應(yīng)高度（0、1.5km、2.5km及4km）吸入氣的氧分壓（mmHg）（根據(jù)用氧人員選擇對應(yīng)的氧分壓值）。

另外，考慮到計算的修正誤差及可能的泄漏因素，取安全系數(shù)1.2，作為系統(tǒng)供氧量的最低標(biāo)準(zhǔn)。

即：（L/min）

最后根據(jù)飛行剖面（飛行高度及時間）及總用氧人數(shù)計算總需氧量。

2.2.2 調(diào)節(jié)部件

直升機(jī)供氧系統(tǒng)調(diào)節(jié)部件一般包括充氧接嘴、氧氣開關(guān)、氧氣減壓器、氧氣調(diào)節(jié)器及用氧插座等。對于固定式供氧系統(tǒng)，各調(diào)節(jié)部件間通過供氧管路連接，對于便攜式則各調(diào)節(jié)部件集于一體與氧氣瓶連接。多人使用常采用固定式供氧，單人使用則選用便攜式供氧。

（1）充氧接嘴。

充氧接嘴用于給氧氣瓶充氧。其設(shè)計關(guān)鍵是保證一定的充氣速率、非充氣狀態(tài)時的氣密性及具有可靠有效的防火措施。

（2）氧氣開關(guān)。

氧氣開關(guān)安裝在氧氣管路中，起接通和斷開氧源的作用。其設(shè)計關(guān)鍵是保證足夠的供氧能力、關(guān)閉狀態(tài)時的氣密性及具有可靠有效的防火措施。

（3）氧氣減壓器。

氧氣減壓器將氧氣管路中減壓器前端高壓氣體減壓至符合后端要求的入口壓力。其設(shè)計關(guān)鍵是保證穩(wěn)定的壓力特性（動態(tài)和靜態(tài)）、足夠的供氧能力、氣密性及具有可靠有效的防火措施。

（4）氧氣調(diào)節(jié)器。

氧氣調(diào)節(jié)器隨高度按一定規(guī)律自動調(diào)節(jié)輸出氣的壓力、流量和含氧百分比等參數(shù)，以滿足人體呼吸要求。

氧氣調(diào)節(jié)器分為連續(xù)式氧氣調(diào)節(jié)器和肺式氧氣調(diào)節(jié)器兩類。連續(xù)式氧氣調(diào)節(jié)器不受使用者的肺換氣量和呼吸頻率的影響，按設(shè)定流量連續(xù)供給氧氣。它具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便可靠、可供集體使用等特點(diǎn)，但其耗氧不經(jīng)濟(jì)，不能適應(yīng)肺換氣量變化的要求。連續(xù)供氧給人一種灌氣的不適感，增加氧氣的消耗，易造成飛行員疲勞，嚴(yán)重的會影響飛行員的正常工作。肺式氧氣調(diào)節(jié)器依據(jù)使用者的肺換氣量和呼吸頻率，供給所需流量的氧氣。它具有節(jié)省氧氣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、只供單人使用的特點(diǎn)。

連續(xù)式氧氣調(diào)節(jié)器的設(shè)計關(guān)鍵是保證穩(wěn)定的高度——壓力特性、足夠的高度供氧量及氣密性；肺式氧氣調(diào)節(jié)器的設(shè)計關(guān)鍵是保證合適的吸氣阻力、足夠的供氧能力及氣密性等。

（5）用氧插座。

用氧插座是供氧面罩與氧氣調(diào)節(jié)器的連接部件。其設(shè)計關(guān)鍵是保證足夠的供氧能力、氣密性及操作使用便捷。

2.2.3 供氧面罩

面罩的功用是將飛行員面部的呼吸道與周圍的大氣隔絕開來，保證吸入氣氧濃度，實(shí)現(xiàn)正常呼吸功能。當(dāng)飛行員吸氣時，氧氣通過面罩吸氣活門供飛行員在飛行中用氧；當(dāng)飛行員呼氣時，通過面罩呼氣活門將廢氣排出體外；另外，必要時面罩還具有通訊功能。

面罩的設(shè)計關(guān)鍵是保證合適的呼吸氣阻力、氣密性（氣密面罩）及佩戴的舒適性。

2.3 工藝布置

充氧接嘴一般設(shè)置在機(jī)身側(cè)面便于充氧操作和不被污染的密封盒內(nèi)；高壓氧氣瓶用卡箍固定，橡皮墊防震。如果裝有兩個或兩個以上氧氣瓶，它們應(yīng)盡量分散，離開易燃易爆物，且不能設(shè)置在高速旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)；高壓開關(guān)設(shè)置在便于人員操作的地方；氧氣減壓器到氧氣調(diào)節(jié)器的管路應(yīng)保持最短；氧氣調(diào)節(jié)器設(shè)置在不易被損壞的地方，并盡量靠近使用人員，便于操作使用。

系統(tǒng)各部件如需安裝在燃油、滑油和液壓系統(tǒng)上方，則應(yīng)至少保持150 mm間距，以避免污染。系統(tǒng)各部件與機(jī)上活動機(jī)件之間的間隙應(yīng)不小于8 mm（局部允許不小于5 mm）；與機(jī)上固定部件之間的間隙應(yīng)不小于5 mm（局部允許不小于3 mm）；與機(jī)上所有的導(dǎo)線、高溫導(dǎo)管和散熱的設(shè)備之間的距離不小于150 mm。

3 示例

20世紀(jì)70年代，美國卡爾松直升機(jī)研制了四種氧氣裝置，分別用于AH-1G“眼鏡蛇”武裝攻擊直升機(jī)、OH-58“Kiowa”輕型偵察直升機(jī) 、UH-I“huey”多用途直升機(jī)、CH-47“支奴干”中型運(yùn)輸直升機(jī)。美國黑鷹直升機(jī)的供氧方式為固定式集體連續(xù)供氧，能同時為17人供氧，最短供氧時間為4 h。其供氧系統(tǒng)由高壓氧氣瓶、高壓表、氧氣開關(guān)、氧氣減壓器、快插式接頭、管路及供氧面罩組成。米-17B-7直升機(jī)是俄羅斯米里設(shè)計局研制的單旋翼帶尾槳式中型通用運(yùn)輸直升機(jī)。該直升機(jī)的供氧系統(tǒng)為單人氧氣設(shè)備，供氧方式為肺式供氧，每架配備6套，最短供氧時間為3.5 h。其供氧系統(tǒng)由超高壓氧氣瓶、氧氣調(diào)節(jié)器、管路及供氧面罩組成。

國內(nèi)直升機(jī)為飛行員和乘員配備的供氧系統(tǒng)有集體連續(xù)式、單人連續(xù)式及單人肺式。例如，直八、直九等多種機(jī)型配備的供氧系統(tǒng)均是由氧氣調(diào)節(jié)器（包括氧氣瓶）和供氧面罩組成的便攜式供氧裝置；直五型直升機(jī)配備的是單人肺式固定式供氧系統(tǒng)，包括氧氣開關(guān)、氧氣減壓器、氧氣示流器、氧氣調(diào)節(jié)器、跳傘氧氣調(diào)節(jié)器、氧氣面罩及軟管、球形氧氣瓶等組成；國內(nèi)使用的“米17B-7”直升機(jī)供氧系統(tǒng)進(jìn)行過改裝，改裝后的供氧系統(tǒng)可供14人在任務(wù)飛行包線內(nèi)同時用氧，該供氧系統(tǒng)由氧氣減壓器、氧氣調(diào)節(jié)器、氧氣開關(guān)充氧裝置、20L的高壓氧氣瓶、用氧插座和供氧面罩等組成，供氧方式為連續(xù)式。

綜上所述，目前常見直升機(jī)供氧系統(tǒng)的配置主要有兩類，如圖1、圖2所示。圖1為單人肺式便攜式供氧裝置（也可配備連續(xù)式氧氣調(diào)節(jié)器），圖2為多人用固定式供氧系統(tǒng)。

4 結(jié)語

以上分析了直升機(jī)供氧系統(tǒng)的設(shè)計考慮及配套現(xiàn)狀。從航空供氧技術(shù)發(fā)展來看，將機(jī)載分子篩制氧技術(shù)應(yīng)用于直升機(jī)上，可以解決用氧時間受限制的問題，國外直升機(jī)（例如1981年“阿帕奇”武裝直升機(jī)AH-64、1998年“黑鷹”MH-60K等）已有運(yùn)用，國內(nèi)目前還是空白。目前，將機(jī)載分子篩制氧技術(shù)應(yīng)用于直升機(jī)，為直升機(jī)配備簡捷、實(shí)用、安全、可靠、調(diào)節(jié)靈活、維護(hù)安裝方便的供氧裝備，是我國直升機(jī)供氧的發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)

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