УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТБОРА ПРОБЫ ВОЗДУХА В КАБИНЕ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
AIRCRAFT CABIN AIR SAMPLER

Изобретение относится к технике отбора образцов воздуха кабин летательных аппаратов (ЛА), концентрирования примесей в пробах воздуха кабин ЛА для исследования степени загрязнения воздуха вредными веществами, поступающими вместе с воздухом в систему кондиционирования воздуха (СКВ) и определения состава вредных примесей, опасных концентраций в воздухе газов и паров, повышения чувствительности их определения.
Уровень техники
Основной источник загрязнения воздуха кабин летательных аппаратов - унос смазочного масла из передних опор двигателей с его последующим полным или частичным разложением в тракте компрессора газотурбинного двигателя (ГТД) на разных режимах его работы. Сложная смесь, содержащая пары и аэрозоли смазочного масла, пары алифатических углеводородов, акролеина, формальдегида, фенола, крезолов, уксусной кислоты, бензола, трикрезилфосфата, этилового, пропилового, бутилового и изобутилового спиртов, ацетона, толуола, ксилолов, окиси и двуокиси углерода, поступает из системы кондиционирования воздуха в кабину ЛА. Кроме того, воздух кабин ЛА загрязняют выделения из отделочных материалов кабины и антропотоксины.
Предлагаемое устройство может быть использовано при заводских и сертификационных испытаниях ЛА на соответствие требованиям §831 АП-25 (Авиационные правила. Часть 25. Нормы летной годности самолетов транспортной категории. 2008 г.), аналогично АП-29 (вертолеты) и АП-23 (гражданские легкие самолеты). Отечественные требования к чистоте воздуха, отбираемого от авиационных ГТД и подаваемого для вентиляции помещений для экипажа и пассажиров, регламентированы в АП-25. В соответствии с §25.831 наряду с требованием о необходимости подачи системой вентиляции достаточного количества воздуха (a), не содержащего "вредных и опасных концентраций газов и паров" (b), установлена необходимость обеспечения следующих условий:
3
- ПДК других токсичных примесей (кроме окиси и двуокиси углерода), мг/м, (d*):
пары топлива - 300;
пары и аэрозоль минеральных масел - 5;
пары и аэрозоль синтетических масел - 2;
акролеин - 0,2;
формальдегид - 0,5;
фенол - 0,3;
бензол - 5;
трикрезилфосфат - 0,5;
диоктилсебацинат - 5,0;
окислы азота - 5.
Известны устройства для отбора и хранения проб воздуха в виде стеклянных неградуированных газовых пипеток с двумя одноходовыми кранами, выполненных по ГОСТ 18954-73 «Прибор и пипетки стеклянные для отбора и хранения проб газа”.
Аналогичные устройства выполняются в виде канистр, описанных в стандарте ASTM (2001): «Standard Test Method for Determination of Volatile Organic Chemicals in Atmospheres (Canister Sampling Methodology), West Conshohocken, PA, American Society for Testing and Materials (ASTM Standard D5466-01)». При этом канистра с запорным вентилем используется либо предварительно отвакуумированной, либо отбор производится методом газового обмена (продувка канистры большим количеством воздуха).
Различные варианты таких устройств (отбор в газовые пипетки, пластиковые мешки и т.д.) пригодны лишь для отбора проб воздуха на содержание слабоадсорбирующихся газов, а согласно российским АП в воздухе кабин ЛА нормируется содержание большого количества высококипящих соединений (масло, керосин, трикрезилфосфат и т.д.). Известен «Комплекс отбора проб воздуха», патент на изобретение №2494366, содержащий корпус, представляющий из себя соединенные между собой вертикальные панели, на которых расположены пробоотборники с адсорбционными пакетами, имеющими концентраторы, электромагнитные клапаны, фильтры-влагоотделители, датчики измерения температуры и давления, коллектор отбора проб, установленный перед испытуемым ГТД, диффузор с жиклерами, вакуумный насос и пульт управления. Однако этот комплекс используется только для стендовых испытаний двигателей. К недостаткам такой конструкции можно отнести то, что запорные устройства (электромагнитные клапаны) расположены после пробоотборников, в клапанах возможно оседание части примесей и, наоборот, сами они могут выделять посторонние примеси.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство, описанное в МУ 1.1.258-99, введено 01.07.2000 НИИСУ. Указанные недостатки здесь частично устраняются тем, что отбор проб воздуха производится за счет концентрирования примесей на адсорбенте, а вакуумированная емкость используется здесь как тарированный побудитель расхода с хорошими метрологическими характеристиками. Конструкция устройства для концентрирования примесей воздуха (пробоотборника) включает корпус и концентратор с сорбентом, выполненный из заостренной стальной трубки с боковым отверстием и толкателем с регулировочным винтом. Концентратор центруется и герметизируется в корпусе с помощью двух резиновых втулок. После отбора пробоотборник разбирается, концентратор без разборки идет на хроматографический анализ методом десорбции примесей в испаритель хроматографа, после чего он снова пригоден для отбора без специальной очистки.
К недостаткам такой конструкции можно отнести то, что запорные устройства (электромагнитные клапаны) расположены после пробоотборников. Во время длительного полета, особенно на маневренных самолетах, за счет изменения давления в кабине будет происходить неучтенный отбор воздуха (прокачка через концентраторы для выравнивания давления воздуха в кабине и мертвым объемом между клапаном и концентратором). Простая перемена этих узлов местами не решает проблему, так в клапанах возможно оседание части примесей и, наоборот, сами они могут выделять посторонние примеси. Возможен и паразитный пассивный отбор на адсорбент в концентраторе, так как вход в концентратор здесь будет постоянно открыт. Кроме того, фоновое загрязнение концентраторов выделениями из резиновых втулок возможно за счет большой площади контакта их с концентратором. Все это искажает результаты последующего газохроматографического анализа в сторону их значительного завышения.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое устройство, заключается в повышении чувствительности определения опасных концентраций в воздухе газов и паров, точности анализа за счет уменьшения фонового загрязнения, уменьшение времени наземного и летного эксперимента по оценке чистоты воздуха кабин ЛА.
Существенные признаки.
Для достижения этого технического результата в устройстве для отбора пробы воздуха в кабине летательного аппарата, содержащем вакуумированную емкость как побудитель расхода воздуха, поглотительный патрон с сорбентом (концентратор), выполненный из заостренной стальной трубки с заглушками из стекловаты на концах трубки, с боковым отверстием в трубке, заполненной сорбентом и стекловатой, вакуумированная емкость выполнена в виде цилиндрического корпуса с входным и выходным патрубками, установленными в его торцах. Выходной патрубок снабжен трубкой из вакуумной резины и вводимой металлической заглушкой в свободный конец трубки после вакуумирования. Входной патрубок приварен к торцу корпуса, выполнен с внутренним диаметром большим, чем диаметр входа в корпус, и с внутренней резьбой. Поглотительный патрон с сорбентом (концентратор) установлен во входном патрубке и частично в вакуумированной емкости, которую используют так же в качестве пробоотборника на несорбирующиеся в концентраторе примеси. Запорное устройство в виде трубки с входным отверстием для прохода пробы воздуха вворачивают до плотного прижатия ее через герметизирующее кольцо к горловине поверхности вакуумированной емкости.
К запорному устройству у входа соосно прикреплена крышка с ребрами жесткости и резиновой прокладкой, с противоположной от крепления крышки стороны на устройстве шарнирно установлен рычаг с треугольным эксцентриком на конце, выполненный с возможностью при сдвигании рычага приподнимать крышку, разгерметизируя систему и производя отбор воздуха. Рычаг и крышка закреплены и выполнены с возможностью вращения в одной плоскости относительно осей вращения и крепления, между ними расположены пружины, прикрепленные с одной стороны к корпусу запорного устройства, а с другой стороны - к ребрам жесткости крышки, обеспечивая при опущенном рычаге, когда крышка лежит на внешнем катете эксцентрика рычага, положение - крышка закрыта, и - крышка открыта, когда приподнята и лежит с технологическим зазором на внутреннем катете эксцентрика, при сдвигании рычага крышка приподнимается, разгерметизируя систему и производя отбор воздуха.
Кроме того, устройство является эргономичным при совершении процедуры отбора пробы летчиком в защитном снаряжении, в тесной кабине маневренного самолета за счет минимизации количества действий при пробоотборе.
На фиг.1 представлен чертеж предлагаемого устройства для отбора проб воздуха кабин ЛА.
На фиг.2, 3 представлены чертежи корпуса запорного устройства с опущенным рычагом, треугольным эксцентриком на конце и поднятым в моменты закрытия и открытия крышки.
Устройство, выбранное в качестве прототипа, содержит вакуумируемую емкость, концентратор.
Предлагаемое устройство, см. фиг.1, содержит цилиндрическую вакуумируемую емкость 1, во входной патрубок 2 устанавливают концентратор 3 через кольцевое резиновое уплотнение 4, которое уплотняется вворачиванием в горловину патрубка 2 корпуса запорного устройства в виде трубки 5 с нарезной горловиной 6. На входе трубки 5 по разные стороны крепятся крышка 7 с ребрами и резиновой прокладкой и рычаг 8 с треугольным эксцентриком на конце. Они закреплены и свободно вращаются в одной плоскости с помощью осей 9 и 11. Между ними расположены пружины 10, закрепленные с одной стороны на корпусе запорного устройства 5, а с другой стороны - на ребрах крышки 7, которые обеспечивают постоянное закрытие крышки 7 при опущенном рычаге 8. С противоположного конца емкости 1 выполнен выходной патрубок 12 с резиновой муфтой 13 и заглушкой 14, служащие для вакуумирования и определения остаточного давления до и после отбора проб воздуха.
Работа устройства
Устройство работает следующим образом. У входа в цилиндрическую вакуумируемую емкость 1 установлено запорное устройство 5 с рычагом 8, обладающим двумя устойчивыми подпружиненными положениями - закрыто, когда крышка 7 лежит на внешнем катете эксцентрика рычага, и - открыто, когда крышка приподнята и лежит с технологическим зазором на внутреннем катете эксцентрика, см. фиг.2 и 3.
Поглотительный патрон с сорбентом (концентратор) 3 установлен во входном патрубке 2 и частично в вакуумированной емкости 1, которую используют так же в качестве пробоотборника на несорбирующиеся в концентраторе примеси. При закрытом положении крышки устройство собирают и вакуумируют через второй выходной патрубок 12 с трубкой из вакуумной резины (резиновой муфты) 13, который далее заглушается введением в трубку металлической заклепки 14 большего диаметра. При открытом положении (рычаг вверх) происходит отбор пробы. После отбора (1-2 мин) устройство одним движением руки летчика закрывается (рычаг вниз). При этом до и после отбора пробы загрязнение концентратора исключено, что существенно снижает погрешность определения концентрации вредных примесей в воздухе кабин ЛА. Кроме того, то, что запорное устройство 5 выполнено с крышкой 7 и прокладкой без какой-либо смазки и с большим проходным сечением, а не в виде игольчатого или шарового вентиля или клапана, позволяет избежать оседания примесей в самом запорном устройстве 5 до концентратора 3 и в тоже время не загрязняет пробу смазкой или другими выделениями из клапанов. Устройства для отбора проб воздуха кабин ЛА достаточно компактны.
3
Для достоверного анализа воздуха кабин согласно требованиям АП, согласно существующим методикам достаточно прокачать воздух через концентраторы 0,1-0,2 дм (при условии, что фоновое загрязнение концентраторов достаточно мало, что и обеспечивается предлагаемой конструкцией устройства). Если закрепить на вакуумированной цилиндрической емкости 1 эластичную кольцевую ленту с «липучкой», то с ее помощью можно крепить такие устройства в потребном количестве к подголовникам кресел кабины ЛА, располагая заборное устройство в зоне дыхания пассажиров. Проходя по салону, инженер-экспериментатор одним движением открывает нужные устройства, а на обратном пути закрывает их (время отбора не более 1-2 мин). Это позволяет существенно сократить время и количество летных экспериментов по оценке чистоты воздуха кабин ЛА. Для маневренных самолетов также очень выгодна компактность и простота эксплуатации предложенного устройства. Операции по открыванию и закрыванию их летчик может выполнять даже в защитном снаряжении (для других конструкций этот процесс весьма затруднен).