سیستم‌های تحت فشار هواپیما: چگونه کار می‌کنند و چه زمانی مورد نیاز هستند؟
خوب، بیایید همه یک نفس عمیق بکشیم. صرف نظر از ارتفاع، این باید امکان پذیر باشد. چرا؟ به خاطر سیستم فشار هواپیما! انسان به طور طبیعی قرار نیست دوره‌های طولانی را در ارتفاعات سپری کند، بنابراین برای زنده ماندن به کمک کمی نیاز داریم. اینجاست که چرا ما به فشار هواپیما و نحوه کار آن نیاز داریم.
به طور کلی، سیستم‌های تحت فشار هواپیما، هوای موتور فشرده شده را به بخش مهر و موم شده هواپیما، به نام “پوسته فشار” وارد می‌کنند. فشار با کنترل مقدار هوای وارد شده و آزاد شده برای حفظ شرایط مطلوب برای سیستم تنفسی انسان حفظ می‌شود.
برای درک واقعی نحوه عملکرد فشار، باید کمی فیزیک در مورد نحوه رفتار گاز (به ویژه جو ما) تحت فشار بدانیم. نگران نباشید، بسیار آسان است!
فشار، اتمسفر؛ و چرا اکسیژن مهم است؟
در حالی که بسیاری می گویند که “هوای” ما اکسیژن است، این از نظر فنی درست نیست. در واقع، اکسیژن به هیچ وجه برجسته‌ترین گاز در جو ما نیست!
در اینجا “هوی” که ما تنفس می‌کنیم به ترتیب شیوع آن از چه چیزی تشکیل شده است: –
- نیتروژن: 78 درصد
- اکسیژن: 21%
- سایر گازها (مانند دی اکسید کربن، آرگون، متان): 1%
بدن انسان از اکسیژن موجود در این جو برای تغذیه مغز و سایر بافت‌ها استفاده می‌کند. بدون اکسیژن، مغز، ماهیچه‌ها و اندام‌های ما خیلی سریع از کار می‌افتند. هنگامی که بدن ما از اکسیژن گرسنه است، این وضعیت هیپوکسی نامیده می‌شود. می‌تواند عملکرد شناختی را به شدت در مدت زمان کوتاهی کاهش دهد.
می‌خواهید ببینید چقدر می‌تواند بد شود؟
در اینجا یک ویدیوی سریع از افرادی است که از فشار خارج می‌شوند و از آنها خواسته می‌شود کارهای ساده‌ای انجام دهند … هیپوکسی واقعاً خطرناک است!
چرا و چه زمانی فشار هواپیما مورد نیاز است؟
دو دلیل وجود دارد که هواپیماها به سیستم‌های تحت فشار نیاز دارند. اولی بر اساس موارد فوق بسیار واضح است. کاهش فشار هوا منجر به اثرات فیزیولوژیکی قابل توجهی می‌شود. دلیل دوم؟ این در واقع یک الزام قانونی برای هواپیماهای خاص است. در زیر می‌توانید در مورد این موارد بیشتر بخوانید.
اثرات فیزیولوژیکی
به طور خلاصه، افت فشار ناشی از افزایش ارتفاع، سه اثر ایجاد می‌کند که هیچ کدام برای بدن انسان خوشایند نیست. اینها هستند: –
- کاهش میزان اکسیژن قابل استفاده
- اثرات فیزیکی در نتیجه فشارهای مختلف داخل و خارج بدن
- کاهش دما
بیایید هر یک از این موارد را با جزئیات بیشتری بررسی کنیم…
اکسیژن قابل استفاده
همچنین ممکن است تعجب کنید که بدانید در ارتفاع به همان نسبت اکسیژن در سطح دریا وجود دارد. در ارتفاع 20000 فوتی، «هوا» همچنان 21 درصد اکسیژن و 78 درصد نیتروژن است. پس چرا به فشار نیاز داریم؟ به دلیل کاهش فشار، مولکول‌های کمتری در حجم هوای معین وجود دارد. از جدول ما در زیر خواهید دید که در ارتفاع 18000 فوتی، فشار هوا نصف فشار هوا از سطح دریا است.
بدون عمیق شدن بیش از حد در تئوری علمی و قانون فشارهای جزئی، این بدان معناست که بدن شما فقط نیمی از اکسیژنی را که در سطح دریا دریافت می‌کند، دریافت می‌کند. به دلایلی که در بالا توضیح دادیم، این چیز خوبی نیست.
اثرات فیزیکی فشارهای پایین‌تر
آیا تا به حال در پرواز بوده‌اید و متوجه شده‌اید که کیسه چیپس شما متورم شده است؟ این به این دلیل است که فشار داخل کیسه در سطح دریا است و فشار بیرون کیسه کمتر است؛ و موضوع اینجاست.
همین اتفاق در داخل هر ناحیه‌ای از بدن شما که گاز را در خود نگه می‌دارد اتفاق می افتد. این شامل روده، سینوس‌ها و حتی گوش‌های شما می‌شود (به همین دلیل است که وقتی شما فرود می‌آیید “پاپ” می‌زنند). رفع فشار برای مدت طولانی می‌تواند بسیار ناراحت کننده و حتی خطرناک باشد. ترکیدن پرده گوش خنده ندارد!
درجه حرارت
همانطور که فشار هوا با ارتفاع کاهش می‌یابد، دما نیز کاهش می‌یابد. با چه مقدار؟ شما می‌توانید با کاهش حدود 2 درجه سانتیگراد در هر 1000 فوت کار کنید. در حالی که ممکن است زیاد به نظر نرسد، اگر در نظر بگیرید که بیشتر هواپیماهای جت تجاری در ارتفاع 35000 فوتی حرکت می‌کنند. این کاهش حدود 70 درجه است! سرد!
اعمال فشار یک الزام قانونی است
اداره هوانوردی فدرال اکسیژن تکمیلی را در ارتفاعات پروازی خاص (معمولاً بالای 10000 فوت) الزامی می‌کند. این قوانین در مورد استفاده از اکسیژن در موارد زیر قرار دارند:
- CFR 14 قسمت 91 – ارائه جزئیات قوانین پرواز و به طور کلی برای هواپیماهایی که به صورت تجاری کار نمی‌کنند قابل اجرا است.
- CFR 14 قسمت 135 – این بخش جزئیات کارهایی را که اپراتورها باید انجام دهند و بیشتر به سمت عملیات تجاری تطبیق داده می‌شود را توضیح می‌دهد.
در اینجا الزامات وجود دارد: –
| قانون | ارتفاع کابین |
| برای پروازهای بیش از 30 دقیقه، خلبان به اکسیژن اضافی نیاز دارد | 12500 – 14000 فوت (بدون فشار) |
| برای پرواز در این ارتفاع، به طور مداوم اکسیژن اضافی مورد نیاز خلبانان است | 14000 – 15000 فوت (بدون فشار) |
| 10 دقیقه اکسیژن تکمیلی برای هر سرنشین لازم است تا امکان فرود اضطراری فراهم شود. | 25000 فوت به بالا (فشار) |
| خلبانان به یک ماسک سریع نیاز دارند که بتواند در 5 ثانیه با یک دست در موقعیت قرار گیرد. همچنین به هر دو خلبان نیاز است که در کنترل‌ها بنشینند. | 35000 فوت به بالا (فشار) |
| خلبان‌ها باید همیشه در جریان اکسیژن قرار داشته باشند. | 41000 فوت به بالا (فشار) |
چرا تفاوت در زمان؟
کاملاً ساده است. هر چه در اتمسفر بالاتر می‌روید، فشار هوا کاهش می‌یابد. هرچه فشار هوا کمتر باشد، زمان هوشیاری مفید کمتری خواهید داشت. در ارتفاع 40000 فوتی، حداکثر 20 ثانیه فرصت دارید تا از هیپوکسی غش کنید… به همین دلیل است که ماسک‌ها باید از نوع «پوشش سریع» در ارتفاع باشند یا به طور دائم استفاده شوند!
چگونه فشار هوا بر اساس ارتفاع تغییر می‌کند؟
در اینجا یک جدول سریع نشان می‌دهد که چگونه فشار هوا و دما با ارتفاع تغییر می‌کند. به دما و فشار نگاه کنید. خواهید دید که برای اینکه همه چیز بسیار ناراحت کننده شود، ارتفاع خاصی لازم نیست.
| ارتفاع (بر حسب فوت) | فشار (psi) | دما (C) |
| 30.000 | 4.4 | -45 |
| 28.000 | 4.8 | -40 |
| 26.000 | 5.2 | -36 |
| 24,000 | 5.7 | -32 |
| 22,000 | 6.2 | -28 |
| 20,000 | 6.8 | -24 |
| 18,000 | 7.3 | -20 |
| 16,000 | 8.0 | -16 |
| 14,000 | 8.6 | -12 |
| 12,000 | 9.4 | -8 |
| 10,000 | 10.1 | -4 |
| 8000 | 10.9 | 0 |
| 6000 | 11.8 | 4 |
| 4000 | 12.7 | 8 |
| 2000 | 13.7 | 12 |
| 0 | 14.7 | 15 |
در حدود 10000 فوت، هوا زیر صفر خواهد بود و حتی افراد سالم نیز ممکن است متوجه اثرات هیپوکسی شوند. با توجه به تمام موارد فوق، برای پرواز در ارتفاع به راه حلی نیاز داریم. آن راه حل، سیستم فشار هواپیما است. در اینجا نحوه کار آمده است…
چگونه هواپیماها تحت فشار قرار می‌گیرند؟
سیستم‌های تحت فشار هواپیما به طور کلی دارای 3 جزء اصلی ترکیبی هستند. آنها هستند: –
بدنه فشار – این یک ظرف به خوبی مهر و موم شده است که از دیواره‌های بدنه، کف، سقف و درها تشکیل شده است. به طور معمول بسیار هوابند است، بنابراین هوا نمی‌تواند به راحتی از آن خارج شود.
یک کمپرسور – به این ترتیب هوا به کابین اضافه می‌شود. یک سوپاپ اجازه می‌دهد تا هوای پرفشار گرفته شده از یک مرحله در موتور به داخل کابین وارد شود.
دریچه خروجی – فشار بیش از حد می‌تواند چیز بدی باشد، بنابراین ما همچنین به راهی نیاز داریم که گهگاهی هوا کمی خارج شود. شیر خروجی برای تنظیم فشار در هواپیما به صورت مرحله‌ای باز و بسته می‌شود.
چگونه همه با هم کار می‌کنند؟
هواپیماها با استفاده از یک مفهوم نسبتاً ساده تحت فشار قرار می‌گیرند. برای به دست آوردن یک ایده کلی خوب، تصور کنید که انگشت شست خود را روی انتهای پمپ دوچرخه قرار دهید و پیستون را فشار دهید. به شرطی که مهر و موم محکم داشته باشید، روی شست خود فشار احساس خواهید کرد. این به این دلیل است که هوا توسط پیستون وارد می‌شود و نمی‌تواند فرار کند. فشار داخل سیلندر افزایش یافته است. این مفهوم ساده را به خاطر بسپارید، زیرا سیستم‌های تحت فشار هواپیما دقیقاً به همین روش کار می‌کنند.
پیستون پمپ = کمپرسور
سیلندر = بدنه فشار
شست شما = دریچه خروجی
با تنظیم شدت فشار دادن پیستون، میزان هوای ورودی به سیلندر را کنترل می‌کنید. با حرکت دادن انگشت شست، میزان هوای خروجی را کنترل می‌کنید. اگر می‌توانستید این کار را با دقت فوق العاده انجام دهید، می‌توانید با متعادل کردن این دو فشار یکنواخت را حفظ کنید. این دقیقاً نحوه عملکرد یک سیستم فشار هواپیما است. بدیهی است که هیچ پیستونی و مطمئناً انگشت شست وجود ندارد. بیایید ببینیم آنها واقعاً چه شکلی هستند: –
کمپرسور – موتورهای جت
هنگام بحث در مورد موتورهای جت، به چند روش به کمپرسور اشاره می‌شود. اصطلاحاتی مانند “ماشین چرخه هوا” و به سادگی “پک‌ها” بسیار رایج هستند. موتورهای جت مدرن با فشرده سازی هوا، افزودن سوخت و احتراق آن کار می‌کنند. گازهای داغ از پشت خارج می‌شوند و هواپیما را به سمت جلو هل می‌دهند. سیستم فشار هواپیما قبل از افزودن سوخت (خوشبختانه) کمی از این هوا را می‌دزدد. این هوا در واقع بسیار گرم است، بنابراین به داخل پک‌هایی هدایت می‌شود که در آن ساخته شده است تا منبسط شود و کمی خنک شود. از آنجا و با استفاده از چند دریچه هوشمند به داخل کابین هدایت می‌شود. بسته‌ها همچنین دمای هوا را کنترل می‌کنند و هوای محیط خنک‌تری را معرفی می‌کنند.
کمپرسور – توربوپراپ
اصل هواپیماهای توربوشارژ پیشرانه عملاً مشابه موتورهای جت است. تنها تفاوت واقعی این است که برخی از سیستم‌ها به جای دریچه‌ها از چیزی به نام “ونتوری صوتی” استفاده می‌کنند. ونتوری لوله‌ای است که به تدریج باریک‌تر می‌شود. در مورد هواپیماهای توربوپراپ، این مقدار هوایی را که می‌تواند در یک زمان معین وارد شود محدود می‌کند.
بدنه فشار
ما به این بخش به عنوان بخش “فشار” هواپیما اشاره می‌کنیم. ساده‌ترین راه برای تصور آن به سادگی به عنوان یک لوله هوابند است. هوا نمی‌تواند خارج شود و حتی درها نیز مهر و موم شده‌اند. مناطق تحت فشار عبارتند از:
- The cabin
- The cockpit
- The toilets
- The cargo holds
مناطقی که تحت فشار نیستند عبارتند از:
- The wheel bays
- The tail cone
- The radome (the nose of the aircraft)
شیر خروجی
دریچه خروجی برای کنترل فشار بسیار حیاتی است (به هر حال خارج کردن هوا راحت‌تر از وارد کردن آن است). این معمولاً سوراخی است که در اطراف ناحیه دم با یک جفت در قابل آب بندی قرار دارد. وقتی این درها کاملاً باز شوند، هوای زیادی می‌تواند خارج شود. وقتی آنها بسته هستند، هیچ هوایی نمی‌تواند خارج شود. به طور کلی، این درها تا حدی باز هستند و دائماً حرکت می‌کنند تا هواپیما را در یک فشار معین تنظیم کنند.
آیا همه هواپیماها تحت فشار هستند؟
همه هواپیماها تحت فشار نیستند. به طور کلی، تنها هواپیماهایی که گواهینامه پرواز بالای 10000 فوت را دارند، نیاز به سیستم‌های فشار دارند. هر عملیاتی در زیر این ارتفاع به این معنی است که هوا به اندازه کافی متراکم است که به اکثر افراد سالم اجازه تنفس می‌دهد. هواپیماهای جت و توربوپراپ های تجاری در ارتفاعات بالاتر بسیار کارآمدتر هستند؛ بنابراین، آنها باید یک سیستم تحت فشار هواپیما کارآمد داشته باشند.
آیا می‌توانید بدون فشار بالاتر از 10000 فوت پرواز کنید؟
کاملاً. به شرطی که به قوانین ارائه شده توسط FAA در CFR 14 فصل 91 و 135 پایبند باشید، می‌توانید بالاتر از 10000 فوت پرواز کنید؛ اما برای انجام این کار (هم از نظر قانونی و هم بدون خطر)، به اکسیژن مکمل نیاز دارید. نوع مورد استفاده بیشتر خلبانان هوانوردی عمومی، سیستم‌های اکسیژن گازی قابل حمل است.
این به سادگی یک بطری کوچک است و بخشی جدایی ناپذیر از طراحی یا ساختار هواپیما نیست. آنها کاملاً شبیه به نوع استفاده شده توسط پزشکان اورژانس و اولین پاسخ دهندگان هستند. آنها از 4 بخش اصلی تشکیل شده‌اند:
- یک بطری – برای ذخیره و نگهداری ایمن اکسیژن
- یک تنظیم کننده – برای کنترل جریان ارائه شده استفاده می‌شود
- ماسک – معمولاً با یک بند الاستیک روی بینی و دهان بسته می‌شود
- گیج فشار – این امکان را به شما می‌دهد تا به سرعت مقدار اکسیژن باقیمانده را ارزیابی کنید.
“ارتفاع کابین” چیست؟
ارتفاع کابین اصطلاحی است که به فشار هوای معادل هوا در داخل هواپیما در یک زمان معین داده می‌شود. اگر ارتفاع کابین مثلاً 4000 پا باشد، این بدان معناست که فشار هوا برابر با ایستادن روی یک کوه در ارتفاع 4000 فوتی است. هدف هواپیماهای تجاری عادی معمولاً حفظ ارتفاع کابین در حدود 7000 فوت است (به همین دلیل کیسه چیپس شما متورم می‌شود).
چرا این کار را می‌کنند؟
همه اینها به چیزی به نام دیفرانسیل فشار مربوط می‌شود. در اصل، این تفاوت بین فشار هوای داخل هواپیما و جهان خارج است.
با نزدیک‌تر کردن فشار هوای داخل هواپیما به فشار بیرون، بدنه فشار تحت فشار کمی قرار می‌گیرد، زیرا دیفرانسیل پایین‌تری دارد. کمی اینطور در نظر بگیرید. فرض کنید مدام بادکنکی را باد کرده و باد می‌کردید. اگر هر بار آن را به طور کامل منفجر کنید (دیفرانسیل فشار بالا) یا فقط آن را تا نیمه باد کنید (دیفرانسیل فشار کمتر) بیشتر دوام می‌آورد؟
وقتی بدنه های فشار بیش از حد باد می شوند، اتفاقات بسیار بدی رخ می دهد.
نتیجه گیری
به طور کلی، به غیر از گوش‌های گهگاهی، اکثر مردم متوجه فشار هواپیما نمی‌شوند (این چیز خوبی است، یعنی کار می‌کند!). با این حال، هواپیماها به سطح دریا فشار نمی‌آورند، بلکه به ارتفاع کابین فشار می‌آورند.
در حالی که در هواپیماهایی که در ارتفاعات پرواز می‌کنند حیاتی است، سیستم‌های فشارآوری هواپیما از نظر مفهومی ساده هستند. هوای پرفشار از موتورها خارج می‌شود و قبل از خروج از دریچه خروجی به داخل کابین وارد می‌شود. این باعث افزایش فشار در کابین می‌شود و از هر گونه عوارض جانبی در ارتفاع جلوگیری می‌کند.
دفعه بعد که کیسه چیپس شما در پرواز باد می‌شود، اکنون می‌دانید چرا!
