pO2 = 0,21  αO2(pH – 47) 100    + Δpм,

(3.10)

где Δp_м — величина избыточного давления кислорода во вдыхаемом воздухе, мм рт. ст.

Для установившегося режима будем считать, что избыточное давление во вдыхаемом воздухе соответственно равно избыточному давлению в кислородной маске (гермошлеме) и в легких человека.

Избыточное давление в легких определяется по уравнению

Δp = p12 – pH,

(3.11)

где p₁₂ = 145 мм рт. ст. на высоте 12 км.

Максимальная величина избыточного давления в легких достигает Δp ≤ 145 мм рт. ст. При такой величине избыточного давления кислорода в легких даже при полетах в верхних слоях атмосферы величина парциального давления кислорода будет не меньше

р₀ = 145 – 47 = 98 мм рт. ст.

{79}

Таким образом, согласно формуле (3.10) для поддержания парциального давления кислорода во вдыхаемом воздухе на уровне не ниже 98 мм рт. ст. на высотах полета, превышающих 12 км, необходимо увеличивать избыточное давление кислорода в системе питания, обеспечивая величину абсолютного давления в легких на уровне 145 мм рт. ст. При этом можно совершать полеты в разгерметизированной кабине достаточно продолжительное время. При кратковременных полетах (5—10 мин) в тех же условиях для сохранения минимальной величины парциального давления кислорода во вдыхаемом воздухе (68 мм рт. ст.) величина абсолютного давления в легких должна быть равна 115 мм рт. ст.

Допустимые нормы избыточного давления кислорода в легких человека. Создать избыточное давление кислорода в легких человека в зависимости от высоты полета с помощью технических средств не представляет труда; но при этом следует знать, что некоторые величины избыточного давления кислорода в легких человека могут вызвать ряд существенных нарушений в физиологии человека Так, например, при избыточном давлении в легких 25 мм рт. ст. ≤ Δp ≤ 40 мм рт. ст. наблюдается нарушение ритма дыхания. Вдох происходит без участия в работе двигательных межреберных мышц, выдох, наоборот, становится настолько затруднительным, что двигательные мышцы уже не могут справиться с такой нагрузкой. Ритм дыхания расстраивается, и это может привести со временем к прекращению дыхания.

Для обеспечения возможности дыхания при избыточном давлении в легких, превышающем 25 мм рт. ст., необходимо двигательным межреберным мышцам оказать помощь в виде внешнего давления на поверхность груди и живота, т. е. создать противодавление, равное по величине избыточному давлению в легких.

При избыточном давлении в легких 40 мм рт. ст. ≤ Δp ≤ 75 мм рт. ст. кровеносные сосуды конечностей (вены) не могут противостоять соответствующему повышенному давлению крови и расширяются, вследствие чего в конечностях образуется застой крови. В результате нарушается подача крови к жизненно важным органам. Кроме того, при избыточном давлении Δp > 40 мм рт. ст. на высоте более 19 км обостряется явление закипания крови человека. Для предотвращения указанного существенного расстройства кровообращения необходимо создать внешнее давление почти на всю поверхность тела человека.

---

При избыточном давлении кислорода в легких 75 мм рт. ст. ≤ Δp ≤ 145 мм рт. ст., кроме указанных выше физиологических расстройств, наступает расстройство органов зрения и слуха. Чтобы исключить данное явление, необходимо создать внешнее пневматическое давление на голову и шею человека.

Таким образом, только применение специальной компенсирующей одежды с герметическим шлемом или маской позволяет создать в легких человека избыточное давление Δp ≤ 145 мм рт. ст.  {80} 

Допустимая величина сопротивления дыханию. Параметр сопротивления дыханию имеет исключительно важное значение в системах кислородного питания, особенно при использовании принципа прерывной подачи кислорода к дыхательным путям человека.

Физиологическое исследование влияния сопротивления дыханию показывает, что при наличии сопротивления дыханию в альвеолярном воздухе уменьшается процентное содержание кислорода и, наоборот, увеличивается процентное содержание углекислого газа. Это явление объясняется тем, что отношение продолжительности вдоха к выдоху увеличивается. Такое явление приводит к тому, что частота дыхания и легочная вентиляция уменьшаются, уменьшается жизненная емкость легких, изменяются условия работы сердца. Поэтому качество работы системы кислородного питания определяется минимальной величиной сопротивления дыханию. В результате физиологических исследований было установлено, что сопротивление дыханию не должно превышать H_с ≤ 15—40 мм вод. ст.

Допустимые колебания давления альвеолярного воздуха в легких при смене фаз дыхания. Колебания давления альвеолярного воздуха в процессе дыхания порождаются разрежением, возникающим в системе питания при вдохе, и избыточным давлением — при выдохе. Указанные колебания влекут за собой дополнительные нагрузки на двигательные межреберные мышцы.

При использовании системы кислородного питания амплитуда колебаний давления альвеолярного воздуха в легких при смене фаз дыхания (вдоха и выдоха) не должна превышать ±100 мм вод. ст.

§ 3.2. КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ КИСЛОРОДНОГО ПИТАНИЯ

Согласно техническим требованиям системы кислородного питания должны состоять из целого ряда специальных устройств, решающих в комплексе основную задачу надежного обеспечения человека кислородом при высотном полете. По принципу подачи системы кислородного питания можно разделить на три группы: системы кислородного питания непрерывной подачи; системы кислородного питания прерывной подачи; системы кислородного питания комбинированной подачи.

Блок-схема системы кислородного питания непрерывной подачи показана на рис. 3.4. Данная система по принципу работы является разомкнутой системой регулирования расхода кислорода. Количество подаваемого кислорода к дыхательным путям человека меняется в зависимости от высоты: чем больше высота, тем больше будет подача кислорода потребителю. Максимальная величина подачи кислорода обычно соответствует средней легочной вентиляции (порядка 20 л/мин).  {81} 

---

Блок-схема состоит из следующих элементов: элемента ЗК, предназначенного для хранения необходимого запаса кислорода в системе питания, редуктора РК, регулятора непрерывной подачи кислорода РНП и кислородной маски КМ.

Рис. 3.4. Блок-схема системы кислородного питания непрерывной подачи: ЗК — необходимый запас кислорода: РК — кислородный редуктор; РНП — регулятор непрерывной подачи; КМ — кислородная маска

Редуктор служит для понижения и поддержания необходимого давления кислорода перед регулятором подачи. Регулятор непрерывной подачи кислорода обеспечивает потребный расход чистого кислорода, необходимого для дыхания, в зависимости от высоты. Кислородная маска предназначается для подачи кислорода к дыхательным путям. Система непрерывной подачи кислорода Может быть использована для питания кислородом одновременно нескольких человек. Однако данная система является неэкономичной по расходу кислорода; кроме того, в этой системе питания отсутствует необходимая органическая связь между потребной легочной вентиляцией и фактическим расходом кислорода O₂.

Рис. 3.5. Блок-схема системы кислородного питания прерывной подачи: ЗК — необходимый запас кислорода; РК — кислородный редуктор; РПП — регулятор прерывной подачи; КМ — кислородная маска; МИД — механизм малого избыточного давления: ЛПВ — автомат подсоса воздуха; КО — компенсирующая одежда

Блок-схема системы кислородного питания прерывной подачи изображена на рис. 3.5. Данная система является замкнутой системой регулирования расхода кислорода. В отличие от системы непрерывной подачи кислород подается к дыхательным путям  {82}  только во время вдоха и в соответствии с потребной величиной легочной вентиляции.

Необходимым условием нормальной работы системы прерывной подачи является ее достаточная герметичность. Если система подачи будет негерметична, то на высотах более 3 км организм начнет испытывать кислородное голодание. 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 40 мм вод. ст., исключающее подсос воздуха в кислородную маску, а на H > 12 км

Рис. 3.6. Блок-схема системы кислородного питания комбинированной подачи (позиции те же, что и на рис. 3.5; РНП — регулятор непрерывной подачи)

обеспечивает большое избыточное давление. Автомат подсоса воздуха, предусмотренный в блок-схеме, обеспечивает в системе кислородного питания необходимую концентрацию кислорода во вдыхаемом воздухе. Система кислородного питания прерывной подачи является достаточно экономичной по расходу кислорода.

На рисунке 3.6 дана схема системы кислородного питания комбинированной подачи, представляющая собой комбинацию двух только что рассмотренных систем подачи кислорода.

---

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

§ 3.3. ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМ КИСЛОРОДНОГО ПИТАНИЯ

Системы хранения химически чистого кислорода на борту летательного аппарата. В системах кислородного питания экипажей самолетов используется как газообразный, так и жидкий кислород. Подробное описание систем хранения кислорода на борту летательных аппаратов и их характеристики даны в § 5.7, 5.8.  {83} 

Степень использования газообразного кислорода в баллонах характеризуется следующим выражением:

ηб = 0,21  pбмакс – pбмин pбмакс  · 100 [%],

(3.12)

где p_бмакс — максимальное давление кислорода в баллоне;

p_бмин — минимальное остаточное давление кислорода в баллоне.

Для обеспечения нормальной работы регулятора подачи в системе кислородного питания остаточное давление кислорода в баллоне должно соответствовать условию

pбмин ≥ (2 ÷ 2,5) pр.п.,

(3.13)

где p_р.п. — установочное давление кислорода в редукторе регулятора подачи (кислородном редукторе).

Установочное давление p_р.п. для различных регуляторов подачи кислорода находится в пределах от 3 до 12 ат, поэтому практически η_б ≈ 80%.

Если в процессе работы системы кислородного питания будет нарушаться неравенство (3.13), то из-за уменьшения остаточного давления кислорода в баллоне произойдет уменьшение необходимого установочного давления в полости редуктора регулятора подачи. В результате этого уменьшится необходимая величина подачи кислорода к потребителю.

Кроме сказанного, остаточное давление кислорода препятствует проникновению влажного воздуха в баллоны и, следовательно, препятствует возникновению коррозии их внутренних стенок.

Необходимый запас жидкого кислорода хранится в самолетных кислородных газификаторах. Применение в системах кислородного питания газификаторов позволяет уменьшить габариты аппаратуры для хранения необходимого запаса кислорода в пять-шесть раз. Это обусловлено тем, что 1 л жидкого кислорода при переходе в газообразное состояние занимает объем 790 л при давлении 760 мм рт. ст. и 0°С, тогда как 1 л газообразного кислорода высокого давления (150 атм для применяемых в настоящее время баллонов) при приведении к нормальным условиям будет занимать объем 150 л. Кроме сказанного, применение кислородных газификаторов позволяет использовать на самолете кислородные питающие магистрали низкого давления до 8—10 ат, что способствует повышению герметичности кислородной системы.

---

Степень использования жидкого кислорода на борту самолета также далека от полной вследствие естественной утечки кислорода, так как невозможно создать идеальную теплозащиту емкости для хранения жидкого кислорода. В существующих газификаторах в результате естественного испарения теряется приблизительно 25% кислорода по весу в сутки. Помимо естественного испарения, при заправке газификаторов теряется около 50—60% жидкого  {84}  кислорода. Исходя из этого, системы кислородного питания на жидком кислороде по экономичности значительно уступают системам на газообразном кислороде, но последние имеют неблагоприятные весовые и габаритные характеристики. Поэтому используется и жидкий, и газообразный кислород, например, на транспортных самолетах.

Рис. 3.7. Принципиальная схема рычажного редуктора: 1 — пружина задатчика давления; 2 — мембрана; 3 — пружина клапана подачи; 4 — клапан подачи

Рис. 3.8. Принципиальная схема безрычажного редуктора: 1 — пружина задатчика давления; 2 — мембрана; 3 — пружина клапана подачи; 4 — клапан подачи; 5 — толкатель

Кислородные редукторы. Кислородные редукторы (КР) служат для понижения и поддержания необходимого давления в магистрали системы кислородного питания. Понижение давления кислорода в редукторе обеспечивается протеканием его через замкнутые полости с последовательно возрастающими проходными сечениями. По принципу поддержания заданного давления на входе регулятора подачи кислорода редукторы являются регуляторами давления прямого действия.

В системах кислородного питания нашли применение две схемы редукторов (рычажных и безрычажных), принцип построения которых показан на рис. 3.7 и 3.8.

Работа редукторов сводится к следующему. При отсутствии давления кислорода на входе редуктора (p_вх = 0) клапан подачи 4 всегда находится в открытом положении, так как усилие, развиваемое регулирующей пружиной 1, больше усилия пружины 3. При наличии давления на входе редуктора клапан подачи 4 будет находиться в открытом положении до тех пор, пока усилие, заставляющее клапан находиться в этом положении, не будет скомпенсировано давлением кислорода в полости  {85}  редуктора. Давление кислорода действует на мембрану 2, и толкателем 5 клапан подачи кислорода закрывается. При уменьшении давления в полости редуктора клапан подачи вновь открывается под действием усилия пружины 1 (рис. 3.7).

При непрерывном расходе кислорода из полости редуктора; клапан подачи занимает такое положение, при котором обеспечивается условие баланса между подачей и расходом кислорода при определенном давлении кислорода на выходе КР.

Задатчиком рабочего давления в полости редуктора является пружина 1. При увеличении ее жесткости будет увеличиваться величина рабочего давления редуктора.

---

Смотрите также файлы

• 149835_kestelman_v_n_fedorov_a_v_mehanizmy_upravleniya_samoletom.pdf

• Bezopasnost_vzleta_v_uslovijah_obledenenija.pdf

• dorfman_pogovorim_o_shassi.pdf

• Панель_3.pdf

• Панель_3-1.pdf