Способ оценки градиента токсичных примесей в воздухе гермокабин летательных аппаратов и устройство для его осуществления
METHOD OF ASSESSING THE GRADIENT OF TOXIC IMPURITIES IN AIRCRAFT PRESSURIZED CABIN AIR AND THE DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Область техники.
Изобретения относятся к области исследования и анализа материалов в газообразном состоянии и могут быть использованы при оценки в полете и наземных испытаниях градиента токсичных примесей в воздухе гермокабин летательных аппаратов (ЛА) по распределению концентрации токсичных примесей в воздухе гермокабин летательных аппаратов как при заводских, так и при сертификационных испытаниях авиационной техники на соответствие требованиям §25.831 по авиационным правилам АП-25 в части проверки качества подаваемого на дыхание пассажирам и экипажу из системы кондиционирования воздуха, отбираемого от газотурбинных двигателей, и СанПиН 2.5.1.2423-08.
Уровень техники
Основной источник загрязнения воздуха кабин ЛА - унос смазочного масла из передних опор двигателей с его последующим полным или частичным разложением в тракте компрессора ГТД (в зависимости от режима его работы). Сложная смесь, содержащая по данным ЛИИ, ЦИАМ, ГОСНИИГА и НИИАКМ пары и аэрозоли смазочного масла, пары алифатических углеводородов, акролеина, формальдегида, фенола, крезолов, уксусной кислоты, бензола, трикрезилфосфата (если он есть в рецептуре масла, а также в этом случае и диоктилсебацината), этилового, пропилового, бутилового, и изобутилового спиртов, ацетона, толуола, ксилолов, окиси и двуокиси азота, окиси и двуокиси углерода, поступает из системы кондиционирования воздуха (СКВ) в кабину ЛА. Кроме того, сами пассажиры являются источниками антропотоксинов, в основном углекислого газа. Несмотря на сложные технические решения по оптимизации воздушных потоков эти примеси в воздухе кабины могут распределяться достаточно неравномерно. В воздухе кабины могут существовать зоны с пониженной вентиляцией - застойные зоны, где за счет накопления токсичных примесей уровень загрязнения воздуха может быть выше допустимого. На практике для того, чтобы оценить концентрации примесей в воздухе кабин ЛА на разных этапах полетов требуется проведение отбора и анализа большого количества проб воздуха. При этом речь в основном идет об оценке непревышения критических параметров (предельно допустимые концентрации - ПДК), и в итоге общий уровень загрязненности воздуха кабины ЛА оценивается весьма слабо, несмотря на большое количество отобранных полетных проб воздуха. Чтобы объективно оценивать загрязненность воздуха кабин предлагается до начала проверки чистоты воздуха в них выявить застойные зоны с использованием предложенного способа оценки градиента концентраций токсичных примесей.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемым изобретениям является способ, изложенный в магистерской диссертации: J«Experimental investigation of ventilation effectiveness and dispersion of tracer gas in aircraft cabin mockups» («Экспериментальное исследование эффективности вентиляции и рассеивания газа-индикатора в макете кабины самолета»), J.A. Patel, USA, Kansas State University, Manhattan, 2017 г. Основой способа является изучение распределения специально вводимого в воздух кабины самолета газа-индикатора - углекислого газа при работе штатной системы кондиционирования, остаточные количества которого определяют в нескольких точках кабины с помощью газоанализаторов.
Однако способ позволяет определить распределение токсичных примесей во времени, но не в пространстве кабины, так как количество возможных точек контроля из-за использования газоанализаторов невелико. Кроме того, большинство газоанализаторов, используемых в устройстве, имеют существенную погрешность (до 30%), которая еще более увеличивается, если проводить эксперимент в летных условиях, так как газоанализаторы чувствительны к изменению давления.
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 стандартеАБТМ (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).
Наиболее близким к предлагаемому устройству являются газовые шприцы. Использование таких устройств описано в справочнике по физико-химическим методам исследования объектов окружающей среды под редакцией Г.И. Арановича, изд-во «Судостроение», Ленинград, 1979 г., стр. 166-211. Однако для одномоментного использования таких устройств необходимо большое количество операторов, присутствие которых на борту не всегда возможно и само их присутствие может вводить дополнительные погрешности в эксперимент. Целесообразно заменить анализ концентрации углекислого газа в условиях реального времени на отбор проб воздуха в выбранных точках, количество которых будет существенно больше.
Предлагаемые изобретения направлены на достижение технического результата, заключающегося в повышении достоверности оценки распределения загрязнений воздуха кабин, оценки градиента токсичных примесей в воздухе гермокабин летательных аппаратов (ЛА) по распределению концентрации токсичных примесей в воздухе гермокабин летательных аппаратов за счет одномоментного автоматического отбора проб специально загрязненного углекислым газом воздуха в выбранных сечениях кабины.
Существенные признаки.
Для достижения названного технического результата в предлагаемом способе оценки градиента токсичных примесей в воздухе гермокабин летательных аппаратов, предусматривающий одномоментный впрыск в систему кондиционирования углекислого газа в концентрации ниже предельно допустимой 0,3-0,5 об. % в течение одной минуты с последующей оценкой его концентрации в нескольких точках кабины летательного аппарата, после впрыска углекислого газа производят одномоментный отбор проб воздуха кабины по выбранному сечению сетки, содержащей пронумерованные пробоотборные узлы, каждые состоящие из двух шприцов-пробоотборников с обратным клапаном и шприца-пневмопривода, размещенного по выбранному сечению сетки, причем для повышения достоверности его проводят в каждой точке сетки параллельно в два пронумерованных шприца-пробоотборника. Оператор приводит их в действие дистанционно с помощью шприца, используемого в качестве пневмопривода. При этом для оценки распределения углекислого газа в каждом сечении могут располагаться несколько пробоотборных сеток с замедлением срабатывания при подаче воздуха в пневмоприводы от баллона с редуктором не только по выбранному сечению, но и во времени - через одну, 5 и 10 минут. Затем сетки демонтируют, и воздух из шприцов анализируют в лаборатории газохроматографически на содержание углекислого газа, при этом для уменьшения потерь пробы открытие обратного клапана анализируемого шприца происходит в момент подсоединения шприца-пробоотборника к крану-дозатору хроматографа, затем оценивают распределение воздушных потоков внутри кабины по градиенту концентраций углекислого газа и выявляют застойные зоны кабины, где эти концентрации максимальны (контроль концентрации)
Для достижения названного технического результата в предлагаемом устройстве для отбора проб воздуха кабины, включающем медицинские одноразовые шприцы, шприцы выполнены объединенными в рабочие газоотборные узлы по три шприца в одной плоскости на специальной планке-держателе и скреплены вместе концевиками штоков. Два боковых шприца с обратными клапанами выполнены в виде пробоотборников, а центральный шприц выполнен в виде шприца-пневмопривода с пружиной для возвратного движения поршня, вход которого подсоединен к выходу воздуховода пневмосистемы, состоящей из баллона со сжатым воздухом, вентиля и редуктора. При этом внутри кабины самолета пробоотборные узлы по три шприца в одной плоскости крепятся на сетке, а в выбранном сечении кабины одномоментно может находиться несколько таких сеток, так как их толщина невелика и равна толщине медицинского шприца на 5-10 мл. Срабатывание такой сетки (пробоотбор) происходит одновременно для всех ее узлов при подаче сжатого воздуха от баллона по параллельным трубопроводам. Воздух из шприцов анализируется в лаборатории газохроматографически посредством крана-дозатора с газохроматографом, что позволяет при последующем газохроматографическом анализе отобранных проб точно определить градиент концентрации углекислого газа не только по выбранному сечению, но и во времени, для этого в входной патрубок пробоотборника в момент подсоединения шприца с патрубком крана-дозатора хроматографа вводят капилляр. Капилляр вмонтирован в патрубок крана-дозатора для отжатия обратного клапана и перемещения пробы из шпица-пробоотборника в кран-дозатор.
Предлагаемые изобретения иллюстрируются чертежами, на которых изображены: на фиг. 1 показан рабочий газоотборный узел устройства для отбора проб воздуха в кабинах ЛА, а на фиг. 2 - приспособление для ввода отобранных проб в кран-дозатор хроматографа без потерь и изменения состава пробы.
Предлагаемый способ осуществляют в следующей последовательности. Внутри кабины самолета монтируются сетки, в узлах которых находятся шприцы-пробоотборники с обратным клапаном и пневмопроводом. Трубки пневмопривода подводятся к баллону, открытие и подача давления через редуктор от которого в дальнейшем производится оператором для разных сеток пробоотборников в заданной последовательности. После выхода системы кондиционирования (СКВ) на заданный режим во входной трубопровод СКВ под давлением в течение минуты впрыскивается углекислый газ с расходом, контролируемым по манометру, в количестве, чтобы итоговый воздух содержал его на уровне 0,3-0,5 об. %. Отборы проб воздуха с помощью предварительно подготовленных сеток с пробоотборниками производятся оператором подачей воздуха в пневмоприводы от баллона с редуктором через 1, 5 и 10 минут после начала впрыска углекислого газа. После отключения баллона отобранный воздух запирается в шприцах обратным клапаном, а пружина в шприце-пневмоприводе обеспечивает избыточное давление в отобранных пробах, препятствуя разбавлению пробы при изменении давления в кабине. Все временные характеристики оговариваются в специальной программе, в зависимости от целей проводимых исследований. Интервалы между отборами и их количество может быть увеличено. В одном сечении возможно до 10 сеток с разным временем срабатывания. После эксперимента сетки демонтируются, и воздух из шприцов анализируется в лаборатории газохроматографически на содержание углекислого газа, при этом для уменьшения потерь пробы открытие обратного клапана анализируемого шприца происходит в момент отбора пробы, что проиллюстрировано на фиг. 2.
Предлагаемое устройство для отбора проб состоит из скрепленных по три в одной плоскости одноразовых медицинских шприца, объединенных в рабочие газоотборные узлы по три в одной плоскости (фиг. 1), при этом крайние шприцы-пробоотборники содержат цилиндрический корпус 1, с поршнем 2, штоком 3 и концевиком 4, входным патрубком 5 и обратным клапаном 6. В центре находится шприц-пневмопривод. Он отличается от пробоотборника отсутствием обратного клапана 6. Внутри корпуса шприца-пневмопривода между поршнем 2 и шпилькой-ограничителем 7 расположена пружина 8. На фиг. 1 изображен рабочий узел пробоотборной сетки в сборе. В центре находится шприц-пневмопривод, а по краям - шприцы-пробоотборники. Концевики поршней шприцов в одном узле закреплены на жесткой рейке -планке-держателе 9 с помощью винтов 10, а сами корпуса шприцов жестко скреплены хомутом 11. Входы шприцов-пневмоприводов подсоединены к выходам воздуховода 12 пневмосистемы, сосотоящей из баллона с сжатым воздухом с вентилем 14 и редуктором 15. Каждая сетка соединена со своим баллоном.
На фиг. 2 изображен ввод отобранной пробы из шприца-пробоотборника в входной патрубок 16 крана-дозатора хроматографа для последующего анализа. В патрубок 16 вмонтирован капилляр 17, выходящий за несколько миллиметров от среза патрубка, и отжимает обратный клапан в момент подсоединения шприца- пробоотборника с патрубком для количественного перемещения пробы воздуха в кран-дозатор хроматографа.
Устройство работает следующим образом.
До начала полета в выбранном одном или нескольких сечениях кабины размещают сетки с закрепленными в одной плоскости пробоотборниками. Через 1, 5 и 10 минут оператор открывает вентиль 14 баллона 13 выбранной сетки пробоотборников. Воздух с заранее отрегулированным редуктором 15 давлением через выходы пневмосистемы попадает на входные патрубки шприцов-пневмоприводов, заставляя сжиматься пружины 8, перемещая поршни шприцов в крайнее положение, зависящее от давления воздуха и сопротивления пружины. Достаточен отбор половины емкости шприца. После отбора вентиль баллона закрывается, и давление в системе сбрасывается отсоединением воздуховода 12 от редуктора 15. Пружины 8 начинают возвратные движения поршней 2 в шприцах 1 патрубком крана-дозатора устройства, которые останавливаются после определенного сжатия воздуха в шприцах-пробоотборниках в их подпоршневым пространстве за счет отсекания расхода воздуха в них обратными клапанами 6 (лепесток мягкой резины, приклеенный с одного края к внутренней торцевой поверхности шприца-пробоотборника). Отобранные таким образом пробы воздуха находятся под избыточным давлением, что позволяет сохранить их с неизменным составом до проведения анализа. Пронумерованные пробоотборные узлы, состоящие из 3 шприцов каждый, демонтируют из сеток и доставляют в лабораторию. В лаборатории эти узлы разбирают, и поочередно входные патрубки 5 шприцов-пробоотборников подключают к входному патрубку 16 крана-дозатора хроматографа, внутри которого вмонтирован выходящий за несколько миллиметров от среза патрубка капилляр, нажатием конца которого на клапан 6 тот открывается, и проба воздуха под нажатие концевика шприца переходит в кран ^дозатор хроматоргафа, который и производит его анализ по стандартной методике на содержание углекислого газа.
Полученные результаты оформляют в виде таблиц, по которым можно оценить распределение воздушных потоков внутри кабины по градиенту концентраций углекислого газа и выявить застойные зоны кабины, где эти концентрации максимальны. В дальнейшем предлагается при проведении испытаний по оценке чистоты воздуха кабин ЛА основные пробы воздуха отбирать именно в этих точках, что позволяет увеличить точность оценки качества воздуха кабин ЛА и сократить время испытаний за счет уменьшения общего количества проб воздуха.