Вопрос 2. Системы кислородного питания экипажей летательных аппаратов.

Система кислородного оборудования предназначена для обеспечения питания кислородом членов экипажа и отдельных лиц, находящихся в грузовой кабине в случае отказа высотной системы, внезапной разгерметизации кабины, или при полете свыше 6000 м. Кислород в систему поступает от стационарных баллонов, кроме того в ЛА могут быть установлены и переносные баллоны.

Согласно требованиям системы кислородного питания должны состоять из ряда специальных устройств решающих в комплексе основную задачу по надежному обеспечению человека кислородом при высотном полете.

По принципу подачи системы кислородного питания можно разделить на следующие группы:

СКП непрерывной подачи;

СКП прерывной подачи;

СКП комбинированной подачи.

 

Способ непрерывной подачи кислорода.

Данная система по принципу работы является разомкнутой системой регулирования расхода кислорода, количество подаваемого кислорода к дыхательным путям человека увеличивается с высотой. Максимальная величина подачи кислорода обычно соответствует средней легочной вентиляции порядка 20 л/мин показаны следующие элементы: элемент (ЗК) предназначенный для хранения необходимого запаса кислорода в системе питания, редуктор кислородный (РК), регулятор непрерывной подачи кислорода (РНП) и кислородная маска (КМ).

Редуктор служит для понижения и поддержания необходимого давления кислорода перед регулятором подачи, регулятор непрерывной подачи кислорода обеспечивает потребный расход чистого кислорода необходимый для дыхания в зависимости высоты. Кислородная маска предназначаётся для подачи кислорода к дыхательным путям. Система непрерывной подачи кислорода может быть использована для питания кислородом одновременно нескольких человек, данная система является неэкономичной из-за непрерывного расхода О₂, кроме того, в этой системе отсутствует необходимая органическая связь между потребной легочной вентиляцией и фактическим расходом кислорода.

Рассмотрим работу регулятора непрерывной подачи кислорода.

Регуляторы непрерывной подачи кислорода используются в СКП коллективного и индивидуального пользования.

РНП кислорода, используемый в СКП коллективного пользования представляет собой систему двух последовательно соединенных регуляторов - давления и расхода. Регулятор давления 1 служит для поддержания необходимой величины давления кислорода на входе регулятора расхода 2. Последний обеспечивает необходимый расход чистого кислорода в зависимости от высоты полета он работает в режиме за критического истечения, когда соблюдается следующее отношение (давлений кислорода: Р /Р < 0.52, в указанном случае подача кислорода в маску будет определяться величиной давления Р_р, и величиной открытия клапана подачи 4, величина открытия клапана 4 меняется в зависимости от высоты полета ("высоты" в кабине) за счет перемещения подвижного центра анероида 3, реагирующего на изменение давления в кабине самолета, кислород из полости между регулятором давления и регулятором расхода не подается до тех пор: пока закрыт клапан подачи 4, с определенной высоты в кабине под действием анероида 3 начинает приоткрываться клапан 4, чем обеспечивается определенная подача кислорода в маску, поскольку в полости перед регулятором расхода 2 давление регулируется с помощью регулятора давления прямого действия 1, то регулируемая величина Рр будет иметь статическую ошибку при изменении величины давления Р₁ на входе регулятора непрерывной подачи кислорода, ощутимая остаточная неравномерность регулирования наблюдается, когда установочное давление р становится менее двухкратного значения рабочего давления Рр.

Для кислородного обеспечения экипажей при аварийном покидании самолета или при oтказе основной бортовой СКП используются аварийные регуляторы непрерывной подачи индивидуального пользования. Регулятор обеспечивает подачу кислорода к дыхательным путям (автоматически или вручную) при катапультировании.

В самом деле, при отжатии замка 6 вниз происходит мгновенная отработка силовой пружины 5 влево, в результате чего открывается клапан непрерывной подачи кислорода 3. Понижение давления кислорода после выхода из баллончиков 1 обеспечивается за счет больших гидравлических потерь в капиллярном трубопроводе 2 (внутренний диаметр его равен 0.35 мм).

Подача кислорода к дыхательным путям уменьшается по мере уменьшения давления кислорода в баллончиках. При большой легочной вентиляции и при недостатке кислорода на малых высотах открывается клапан подсоса воздуха 3 за счет разрежения в корпусе регулятора подачи.

Расчеты показывают, что подача кислорода при начальном давлении р = 150 атм. и V0 = 0.875л. после срабатывания регулятора составляет величину порядка 17 л/мин а спустя 11-12 мин - подача кислорода в маску составляет примерно 3 л/мин.

Данная система прерывной подачи кислорода является замкнутой системой регулирования расхода кислорода. В отличие от системы непрерывной подачи, кислород подается к дыхательным путям только во время вдоха и в соответствии c потребной: величиной легочной вентиляции. Её элементы: регулятор прерывной подачи кислорода (РПК), автомат подсоса воздуха (АПВ), регулятор избыточного давления (РИД), компенсирующая одежда (КО), кислородная маска (КМ), регулятор (РК) и запас кислорода (ЗК). Необходимым условием нормальной работы системы прерывной подачи является ее достаточная герметичность. Если система подачи будет негерметична, то на высотах более 4 км организм начнет испытывать явление кислородной недостаточности. Для предотвращения указанного явления в блок-схеме предусмотрен механизм избыточного давления, который на высотах более 4 км. поддерживает в замкнутой системе небольшое избыточное давление кислорода до 3 мм рт. ст., исключающее подсос воздуха в кислородную маску. Автомат подсоса воздуха обеспечивает в системе кислородного питания необходимую концентрацию кислорода во вдыхаемом воздухе. Система кислородного питания прерывной подачи является достаточно экономичной по расходу кислорода.

Регуляторы прерывной подачи без избыточного давления.

Регулятор включается в работу только при наличии перепада давления на мембране 1, который возникает во время вдоха. Под действием внешнего давления мембрана 1 прогибается внутрь, вследствие чего открывается клапан подачи 4. Кислород из полости редуктора поступает через эжектор 2 в подмембранную полость регулятора. При протекании кислорода в эжекторе создается разрежение, за счет чего образуется подсос воздуха через автомат подсоса воздуха 3 (АПВ) в корпус регулятора. Струя кислорода увлекает за собой воздух, смешивается с ним и поступает в кислородную маску. В момент выдоха давление кислорода в подмембранной полости регулятора выравнивается с атмосферным, в результате клапан подачи 4 закрывается. Таким образом, кислород поступает к дыхательным путям под давлением, почти равным давлению окружающей среды, по мере увеличения высоты полета АПВ постепенно перекрывается доступ воздуху, и на высоте 9-10 км. подача воздуха прекращается. Автомат подсоса воздуха обеспечивает необходимую концентрацию кислорода во вдыхаемом воздухе, согласно характеристике потребного процентного содержания кислорода. Для устранения подсоса воздуха через негерметично прилегующую к лицу маску в подмембранной полости регулятора устанавливается механизм малого избыточного давления 5 в виде анероида с пружиной, анероид вступает в работу с 4 км, создавая некоторый прогиб мембраны в сторону открытия клапана подачи, что обеспечивает дополнительную подачу кислорода при негерметично прилегающей маске. Клапан 4 закроется при давлении во внутренней полости регулятора, превышающем давление воздуха в надмембранной полости на величину жесткости пружины механизма избыточного давления 5. Таким образом, ограничителем малого избыточного давления является пружина анероида. Избыточное давление в данной схеме регулятора может возрастать до 3 мм,рт,ст, так как давление кислорода в корпусе регулятора при нормальной работе его не превышает атмосферное давление окружающей среды (пренебрегая величиной малого избыточного давления), то, начиная с высоты 12 km, парциальное давление кислорода в полости кислородной маски становится ниже установленной нормы. В силу этого, регуляторы прерывной подачи кислорода без избыточного давления имеют ограничение по высоте до 12 км.

Согласно техническим требованиям качество работы регулятора прерывной подачи кислорода характеризуется, величиной сопротивления дыханию.

Наиболее эффективными способами уменьшения сопротивления вдоху следует считать:

1. Создание избыточного давления в полости регулятора подачи,

2. Использование вторичной эжекции, создаваемой струёй, выходящей из диффузора смеси кислорода с воздухом.

3. Применение многомембранного передаточного механизма в регуляторе подачи.

4. Использование положительной обратной связи для открытия клапана подачи.

Применение форсирующего пневмопривода, использующего энергию выдыхаемого воздуха.

Примениение регуляторов прерывной подачи с избыточным давлением в СКП обеспечивает летный экипаж кислородом, как в нормальных условиях, так и в аварийном режиме (при внезапной разгерметизации кабины на большой высоте). Избыточное давление кислорода в кислородной маске (ГШ) может быть обеспечено за счет повышения давления в над мембранной полости регулятора относительно окружающей среды с сохранением режима прерывной подачи. До высоты 4 km над мембранная (верхняя) полость регулятора, соединенная с полостью под компенсированным клапаном выдоха ККВ маски, сообщается с атмосферой кабины, кислород подается в легкие под давлением, равным давлению кабины. С ростом высоты срабатывает пускатель 1 и в надмембранную полость через дюзу начинает поступать кислород в количестве 3-4 л/мин. До высоты 12 km давление в надмембранной полости регулируется механизмом малого избыточного давления 3, при этом избыточное давление составляет величину не более 2-3 мм.рт.ст. на высоте более 12 км. Вступает в работу регулятор избыточного давления 2, который обеспечивает регулирование давления 35-45 мм.рт.ст. В зависимости от величины избыточного давления в надмем6ранной полости будет повышаться давление в подмембранной полости регулятора, а следовательно и в легких человека.

При наличии избыточного давления в надмембранной полости регулятора подачи основной клапан подачи будет находиться в открытом положении до тех пор, пока давление в системе не станет равным заданному, парциальное давление кислорода в системе «регулятор подачи - кислородная маска» определяется величиной избыточного давления.

СКП комбинированной подачи, представляет собой комбинацию двух только что рассмотренные систем подачи кислорода.

В зависимости от условий работы кислородной системы ("высоты" а кабине и легочной вентиляции) включается тот или иной контур подачи кислорода или оба вместе» тем самым создаются лучшие условия кислородного питания человека в полете. Применение подобной системы обеспечивает повышенную надежность подачи кислорода к дыхательным путям.

Регуляторы, с комбинированной подачей кислорода предназначены для повышения надежности работы систем кислородного питания, особенно при разгерметизации кабин на высоте, превышающей 12 km, кислород в кислородную маску подается прерывным и непрерывным потоком. Контур непрерывной подачи включается в работу автоматически, если "высота" в кабине превышает 12 km. Непрерывный поток кислорода рассчитывается на величину легочной вентиляции, соответствующей средней физической нагрузке летчика. При увеличении легочной вентиляции в работу, помимо контура непрерывной подачи, включается контур прерывной подачи кислорода.

Комплект ККО-ЛС работает следующим образом. Кислород из баллона 6 поступает в прибор КП-21, где его давление понижается до величины, обеспечивающей потребное количество кислорода по высотам. От прибора КП-21 кислород поступает через разъединитель Р-58 к прибору легочно-автоматического действия КП-58. О подаче кислорода сигнализирует индикатор 3 вмонтированный в шланг разъединителя.

До высоты порядка 2000 м прибор КП-21 закрывает доступ кислорода из баллона и дыхание осуществляется атмосферным воздухом, всасываемым через автомат подсоса воздуха прибора КП-58. Начиная с высоты 2000 м, происходит подача кислорода, который образует смесь с воздухом кабины. С увеличением высоты полета количество кислорода в смеси возрастает.

 

 

Рис. 3. Кислородный прибор КП-21:

1 — аварийный вентиль; 2 — выходной штуцер; 3 — редуктор второй ступени; 4 — предохранительный клапан; 5 — редуктор первой ступени; 6 — кислородный манометр; 7 — зарядный штуцер; 8 — входной штуцер; 9 — кислородный баллон; 10 — запорный вентиль; 11 — анероид

Кислородный прибор КП-21 является прибором индивидуального пользования и служит для непрерывной подачи кислорода к прибору КП-58 или в кислородную маску.

Прибор КП-21 (рис. 3) соединяется с баллоном с помощью входного штуцера 8, к которому крепятся манометр 6, зарядный штуцер 7 и запорный вентиль 10. К выходному штуцеру 2 присоединяется кислородный шланг.

Редуктор 5 первой ступени прибора понижает давление кислорода до 8 кгс/см², редуктор 3 второй ступени, начиная с высоты 2000 м, обеспечивает подачу кислорода, регулируемую по высотам с помощью анероида 11. В случае если давление за первой ступенью редуктора возрастет до 12 кгс/см², избыток кислорода перепускается в атмосферу через предохранительный клапан 4. Для аварийной подачи кислорода служит вентиль 1.

Кислородный прибор КП-58 прерывной подави (легочно-автоматического действия) предназначен для обеспечения кислородом одного члена экипажа.

Прибор работает следующим образом. В полете до высоты 2000 м, когда подача кислорода отсутствует, воздух за счет разрежения, создаваемого при входе, поступает к органам дыхания через клапан 11 подсоса воздуха (рис. 4). По мере увеличения высоты начинается подача кислорода, который через клапан 7 и дюзу 6 поступает в кислородную маску.

В маске, если она надета на лицо герметично, и в подмембранной полости прибора В создается малое избыточное давление, которое поддерживается клапаном выдоха маски. Под действием этого давления мембрана 1 прогибается наружу и рычагом 3 закрывает клапан 7. Это приводит к повышению давления в полости прибора А, вследствие чего мембрана 8, преодолев усилие пружины 9, через толкатель 10 прижмет клапан подсоса воздуха к седлу. Таким образом, при отсутствии вдоха кислород из магистрали и воздух из атмосферы в маску не поступают. В случае избыточного давления в полости прибора А кислород перепускается в маску через клапан 2.

При неплотном прилегании маски к лицу малое избыточное давление в маске и подмембранной полости не обеспечивает закрытие клапана 7, поэтому под действием пружины он открывается. Кислород через клапан 7 и дюзу 6 непрерывным потоком поступает в маску, предотвращая подсос воздуха из атмосферы.

При вдохе в приборе создается разрежение, за счет которого мембрана 1 прогибается внутрь и рычагом 3 открывает клапаны 4 и 7. Открытию основного клапана подачи 4 способствует давление кислорода на поршень 5. Если подаваемого прибором КП-21 кислорода для вдоха недостаточно, происходит подсос воздуха через клапан 11. Количество воздуха и кислорода, поступающее при вдохе, зависит от величины легочной вентиляции и высоты полета. На высотах более 9500 м дыхание происходит чистым кислородом.

Разъединитель Р-58 предназначен для автоматического разъединения' кислородной коммуникации при аварийном покидании вертолета.

Кислородные маски предназначены для подачи к дыхательным путям обогащенного кислородом воздуха и изоляции органов дыхания от окружающей атмосферы. В комплекте ККО-ЛС используется кислородная маска закрытого типа КМ-16Н, в переносном комплекте — кислородная маска открытого типа КМ-15М или полузакрытого типа КМ-19.

 

Рис. 4. Кислородный прибор КП-58:

1— мембрана; 2— предохранительный клапан; 3 — рычаг; 4 — основной клапан подачи кислорода; 5—поршень; 6—дюза; 7 — клапан; 8 — мембрана автомата подсоса воздуха; 9 — пружина; 10 — толкатель; 11 — клапан АПВ

 

Режимы работы ККО-5.

В зависимости от условий полета комплект может работать в трех основных режимах.

ПЕРВЫЙ РЕЖИМ (основной) - высота в герметической кабине самолета не превышает 12 км.

В данном режиме комплект ККО-5 работает в том случае, если давление в кабине не менее 145 мм рт.ст., что соответствует:

а) в разгерметизированной кабине - высотам полета до 12 км;

б) в загерметизированной кабине - высотам полета до практического потолка самолета.

В зависимости от “высоты в кабине” данный режим можно разделить на три этапа:

I этап. Работа ККО-5 на земле и до высоты 2 км. На данных высотах ККО-5 обеспечивает дыхание летчика воздухом кабины без его обогащения кислородом.

II этап. Работа ККО-5 при “высоте в кабине” от 2 до 8 км. На «высотах» в кабине от 2 до 8 км прибор КП-52М работает как легочный автомат, а РПК-52 поддерживает необходимую величину парциального давления кислорода во вдыхаемой газовой смеси за счет увеличения процентного содержания кислорода по высотам с помощью автоматического регулятора подачи кислорода.

III этап. Работа ККО-5 при “высоте” в кабине 8 - 12 км. В этом диапазоне высот прекращается подсос воздуха из атмосферы кабины, и на дыхание летчику поступает только чистый кислород.

Второй режим - разгерметизация кабины на высотах полета более 12 км.

Третий режим - аварийное покидание самолета.

 

Вывод: системы кислородного питания подразделяются на системы:

- непрерывной подачи (коллективного и индивид-го пользования );

- прерывной подачи (без избыточного Р до 12км, с избыточным давлением Н > 12км);

- комбинированной подачи (Н > 12км).