某型飛機(jī)氧氣系統(tǒng)消耗量研究

游炯華，馬金波

（國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠，安徽 蕪湖 241007）

在航空領(lǐng)域中，缺氧是發(fā)生災(zāi)難性事故的因素之一，氧氣是維持生命最重要的能源，氣壓高度越高空氣越稀薄，氧含量越低。有關(guān)資料表明如果高度超過（7～8）km，當(dāng)加壓密閉艙遭到破壞時(shí)，很快就會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重缺氧而陷入昏迷。航空史上因缺氧問題造成的災(zāi)難事故，屢見不鮮。為此，現(xiàn)代飛機(jī)為飛行員提供一套氧氣系統(tǒng)，保證飛行高度范圍內(nèi)飛行時(shí)，為飛行員供氧，以保證飛行員的工作能力和生產(chǎn)條件，在飛機(jī)進(jìn)行機(jī)動(dòng)飛行時(shí)，對(duì)飛行員體表進(jìn)行加壓保護(hù)，以提高機(jī)體的抗過載能力，減輕過載對(duì)人體造成的不利影響。飛機(jī)氧氣瓶充填氧氣容量一定時(shí)，氧氣消耗量過大，會(huì)導(dǎo)致氧氣瓶?jī)?nèi)氧氣消耗完，飛行員面臨缺氧導(dǎo)致意識(shí)下降，導(dǎo)致嚴(yán)重的飛行事故的可能。目前，沒有資料規(guī)定某型飛機(jī)氧氣消耗量要求，為此急需開展氧氣消耗量研究，為客觀評(píng)價(jià)氧氣消耗量提供依據(jù)。

1 氧氣系統(tǒng)組成和工作原理

氧氣系統(tǒng)由氧氣瓶、供氧調(diào)節(jié)器、供氧活門、指示器活門、氧氣開關(guān)、減壓器、抗荷調(diào)壓器、氧氣調(diào)節(jié)器、壓力調(diào)節(jié)器、氧氣指示器、救生用氧系統(tǒng)、代償服（抗荷服）、供氧面罩等組成[1]，組成示意圖見圖1。

氧氣瓶輸出高壓氧氣，經(jīng)減壓器減壓至(1±0.2) MPa，分別進(jìn)入抗荷調(diào)壓器入口和供氧調(diào)節(jié)器入口。

氧氣進(jìn)入供氧調(diào)節(jié)器，一路經(jīng)減壓器Ⅳ將壓力從(1±0.2) MPa降到(0.28～0.38) MPa,進(jìn)入供氧活門進(jìn)氣口。另一路氧氣經(jīng)過供氧調(diào)節(jié)器的高度供氧機(jī)構(gòu)、大量供氧裝置的連續(xù)供氧啟動(dòng)器輸出。供氧活門的控制口同抗荷調(diào)壓器的出口連接。氧氣通過斷接器進(jìn)入氧氣調(diào)節(jié)器，進(jìn)入氧氣面罩和高空代償服。

供氧調(diào)節(jié)器的不同高度供氧的規(guī)律：

1）座艙高度（1.5～2） km以下不供氧

圖1 飛行員用氧系統(tǒng)組成示意圖

2）座艙高度(2～8) km，隨著座艙高度的增加，提高飛行員吸氣的含氧量

3）8 km以上高度供純氧

4）(11～13) km以上高度加壓連續(xù)供氧，供氧調(diào)節(jié)器限流孔向氧氣調(diào)節(jié)器提供(17～23) L/min的連續(xù)供氧量

抗荷調(diào)壓器根據(jù)過載大小給飛行員的抗荷服充氧。當(dāng)過載大于2g時(shí)，抗荷調(diào)壓器的出口壓力（即供氧活門的控制口壓力）增大到13kPa，供氧活門的上膜片打開，腔內(nèi)壓力瞬間降低，下腔膜片打開，供氧調(diào)節(jié)器經(jīng)內(nèi)部減壓器Ⅳ直接向氧氣調(diào)節(jié)器供氧。氧氣調(diào)節(jié)器的空氣自動(dòng)吸入器關(guān)閉，實(shí)施純氧呼吸。隨著壓力調(diào)節(jié)器輸入端的壓力增大到30 kPa，輸出壓力約為進(jìn)氣壓力的1/10。該壓力作用于氧氣調(diào)節(jié)器的肺式活門的大膜片，使面罩建立壓力[2]。

2 飛行高度與座艙高度關(guān)系

飛行高度是飛機(jī)離地面的高度，座艙高度是指飛機(jī)座艙內(nèi)壓力對(duì)照大氣標(biāo)準(zhǔn)換算的相對(duì)高度。飛行員用氧系統(tǒng)供氧調(diào)節(jié)器安裝在座艙內(nèi)，供氧調(diào)節(jié)器實(shí)際根據(jù)座艙高度實(shí)施供氧。正常座艙為加密狀態(tài)，飛行高度一般不超過15 km，現(xiàn)按照飛行高度15 km以下高度進(jìn)行分析，在此不考慮座艙失密等異常情況。座艙壓力由壓力調(diào)節(jié)器、排氣活門、安全活門配合工作保證。

根據(jù)大氣壓力與高度關(guān)系和座艙壓力調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)規(guī)律，通過飛行高度與座艙高度對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1所示。

表1 飛行高度與座艙高度的對(duì)應(yīng)關(guān)系

3 氧氣消耗量分析

3.1 按飛行架次分析

按照某型飛機(jī)大修后的試飛大綱要求，完成飛行大綱的科目一般最長(zhǎng)需要飛行1 h左右。為此，對(duì)空中飛行時(shí)間為1 h左右試飛架次氧氣消耗量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

表2 飛行架次氧氣消耗量統(tǒng)計(jì)表

表2可知，試飛科目氧氣消耗量最大為3 MPa。該型機(jī)的氧氣壓力表最小分刻度為2 MPa，為了考慮儀表讀數(shù)的準(zhǔn)確性，試飛后檢查氧氣每架次的消耗量可按不大于3.5 MPa進(jìn)行控制。

由于飛行時(shí)每架次的飛行高度和垂直過載存在差異，而氧氣的消耗量又與飛行高度和垂直過載相關(guān)，當(dāng)出現(xiàn)消耗異常時(shí)，應(yīng)根據(jù)飛參數(shù)據(jù)確定飛行高度、時(shí)間和過載大小等進(jìn)行詳細(xì)分析。

3.2 不同高度氧氣消耗量分析

供氧調(diào)節(jié)器根據(jù)座艙高度的變化控制輸送到氧氣面罩的流量見表3。

表3 供氧調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)輸出流量要求

氧氣面罩基本密封，飛行員不呼吸，氧氣不消耗，所以氧氣消耗與飛行員呼吸有關(guān)。1987年，Harding等應(yīng)用RAF的專用試驗(yàn)機(jī)，在46個(gè)起落，38.4小時(shí)，4700次呼吸中測(cè)得呼吸頻率為20.5次/min，飛行中肺通量（肺通過氣體的流量）平均為18.8 L/min。根據(jù)表3中各高度的輸出氧氣流量的經(jīng)驗(yàn)值，均小于飛行員需要的平均肺通量要求，低空氧氣流量不夠肺通量要求時(shí)通過氧氣調(diào)節(jié)器將座艙空氣進(jìn)行補(bǔ)充，所以供氧調(diào)節(jié)器輸出的流量決定氧氣的消耗量。

根據(jù)飛行高度與座艙高度的關(guān)系，結(jié)合供氧調(diào)節(jié)器輸出流量的經(jīng)驗(yàn)值可知，飛行高度小于6.4 km，供氧調(diào)節(jié)器基本不輸出氧氣；飛行高度6.4 km，輸出氧氣流量約2 L/min；飛行高度8 km，輸出氧氣流量約3 L/min；飛行高度9.8 km，輸出氧氣流量約4 L/min；飛行高度12 km，輸出氧氣流量約5 L/min；飛行高度15 km，輸出氧氣流量約6 L/min。

氣瓶充填壓縮氣體的量與充填壓力有關(guān)，壓力越大充填量越大，壓縮氣體充填體積估算關(guān)系見公式1（忽略充填時(shí)溫度影響）：

其中：V1為P1時(shí)的換算容積（L）

V為氧氣瓶的容積（L）

P為氧氣瓶中填充的壓力

該型飛機(jī)氧氣瓶容積13L，減壓器和供氧調(diào)節(jié)器共同減壓，供氧調(diào)節(jié)器出口壓力余壓最大為0.38 MPa?，F(xiàn)以最大壓力進(jìn)行容積折算，容積為：V0.38=[（5+8）*19]/0.38=650L，那么座艙高度對(duì)應(yīng)消耗率為（L/min）：

K6.4=2/650=0.00；K8=3/650=0.005；K9.8=4/650=0.006；K12=5/650=0.008；K15=6/650=0.009。

因此，不同飛行高度氧氣最大消耗量計(jì)算公式為：

P為氣瓶充填的壓力（MPa）；T6.4、T8、T9.8、T12、T15為下標(biāo)所對(duì)應(yīng)飛行高度區(qū)間飛行時(shí)間。

3.3 抗荷系統(tǒng)氧氣消耗分析

飛機(jī)正向垂直過載飛行時(shí)，在抗荷服（代償服）內(nèi)建立與過載值對(duì)應(yīng)的壓力。抗荷調(diào)壓器的輸出壓力在（13～79）kPa范圍時(shí)，供氧活門處于打開狀態(tài)，供氧調(diào)節(jié)器向氧氣調(diào)節(jié)器進(jìn)行純氧供氧，滿足飛行員吸氧需求，并在抗荷服（代償服）和面罩內(nèi)建立與過載值相應(yīng)的壓力，以保證飛機(jī)作機(jī)動(dòng)飛行時(shí)最大限度地增大飛行員承受過載的能力。

當(dāng)正向垂直過載大于2 g時(shí)給抗荷服（代償服）充氧，達(dá)到抗荷服（代償服）內(nèi)壓力后不再消耗氧氣，過載降低后放掉抗荷服（代償服）內(nèi)氧氣。按照供氧活門控制壓力可知，正向垂直過載大于3 g左右，抗荷調(diào)壓器輸出壓力才將供氧活門打開，將經(jīng)氧氣調(diào)節(jié)器YTQ-31內(nèi)減壓器減壓，減壓后(0.28～0.38) MPa壓力輸送到氧氣面罩。

抗荷調(diào)壓器出口壓力與垂直過載對(duì)應(yīng)見表4。根據(jù)公式（1），將氧氣瓶?jī)?chǔ)存壓力19 MPa換算成過載對(duì)應(yīng)出口壓力時(shí)容積，現(xiàn)選取各過載對(duì)應(yīng)最大壓力進(jìn)行計(jì)算。即：2g：25204L 4g：7878L 8g：3359L

表4 垂直過載與出口壓力關(guān)系

3g以下垂直過載時(shí)，出口壓力15 kPa左右，將氧氣瓶的高壓氧氣進(jìn)行容量折算，抗荷服（代償服）內(nèi)部容量在5 L左右，由此可知3 g以下垂直過載對(duì)氧氣消耗影響非常小。

3g以上垂直過載時(shí)，供氧調(diào)節(jié)器減壓器為氧氣調(diào)節(jié)器提供純氧，純氧流量大于7L/min，現(xiàn)選取8 L/min進(jìn)行計(jì)算。4g以上還需加壓供氧，由于加壓供氧受壓力調(diào)節(jié)器開關(guān)位置控制，飛行時(shí)飛行員習(xí)慣將該開關(guān)置于“放氣”位置，這樣就不存在加壓供氧，所以此處不考慮加壓供氧情況。

由于飛行時(shí)過載大小變化過快，無法進(jìn)行定量的分析。根據(jù)以上分析得出過載影響氧氣消耗量的規(guī)律如下：

a）3g以下垂直過載時(shí)氧氣消耗量較小

b）與垂直過載次數(shù)有關(guān)，垂直過載大于2g次數(shù)越多，氧氣消耗越大

c）垂直過載越大氧氣消耗就越大

3.4 飛行數(shù)據(jù)驗(yàn)證

飛行高度在6.4km以下，相當(dāng)于座艙高度2km以下飛行，根據(jù)理論供氧調(diào)節(jié)器是不輸氧的，只有過載時(shí)才輸氧，因此對(duì)飛行高度在6.4km以下的飛行數(shù)據(jù)按照垂直過載大小區(qū)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)見表5。

表5 飛行高度6.4 km以下統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

從表5中可以看出，在座艙高度低于2 km以下飛行時(shí)垂直過載沒有大于2 g時(shí)，氧氣不會(huì)消耗。隨著垂直過載次數(shù)越多，氧氣消耗量就越大。垂直過載越大供氧壓力越大，氧氣消耗也越大，與垂直過載持續(xù)時(shí)間關(guān)系不大。

飛行高度6.4 km以下和垂直過載3 g以下均基本不消耗氧氣，因此忽略6.4 km以下和垂直過載3 g以下影響。飛行高度6.4 km以上飛行時(shí)，既有垂直過載造成的氧氣消耗也有供氧調(diào)節(jié)器根據(jù)高度進(jìn)行供氧消耗，此種情況分析比較復(fù)雜。為此，對(duì)飛行高度在6.4 km以上飛行數(shù)據(jù)根據(jù)不同飛行高度區(qū)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表6。

表6 飛行高度6.4km以上統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

由表6可知，飛行高度大于6.4 km，氧氣的消耗與高度供氧和過載供氧有關(guān)。通過表5與表6對(duì)比可知，垂直過載是影響氧氣消耗重要因素。

4 結(jié)論

當(dāng)座艙艙壓正常，飛行高度在15 km以下，也就是座艙高度不大于6 km，供氧的流量很小，氧氣消耗就很小。而過載供氧時(shí)要同時(shí)給抗荷服（代償服）和氧氣面罩供氧，并且抗荷服（代償服）管路粗，壓力大，供氧流量就大。飛機(jī)機(jī)動(dòng)飛行時(shí)過載大小頻繁變化，氧氣不斷為抗荷服（代償服）充填氧氣和放氣，是影響氧氣消耗量的重要因素[3]。

飛行員用氧系統(tǒng)的氧氣消耗量按架次進(jìn)行評(píng)價(jià)非常直觀，因此后續(xù)該型飛機(jī)試飛后根據(jù)氧氣消耗量按架次分析結(jié)論進(jìn)行評(píng)價(jià)，即按每架次最大氧氣消耗量不大于3.5 MPa要求進(jìn)行控制。氧氣消耗量超過3.5 MPa，則根據(jù)飛參的飛行高度和垂直過載數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析，評(píng)定氧氣消耗量是否正常。