БЕЗБАЛОННАЯ КИСЛОРОДНАЯ СИСТЕМА САМОЛЕТА

Область техники.
Полезная модель относится к системам жизнеобеспечения экипажей высотных летательных аппаратов, более конкретно, к кислородным системам, и может быть использована с целью снижения массы и улучшения их эксплуатационных характеристик на высокоманевренных самолетах: истребителях, штурмовиках, перехватчиках.
Уровень техники.
Известны «Способ и устройство для подачи дыхательного газа в аварийную кислородную систему, в частности, для самолета» Фирмы DAIMLER-BENZ AEROSPACE AIRBUS GMBH. Устройство включает газогенератор для производства обогащенного кислородом газа из окружающего воздуха, воздуха, отбираемого от двигателя, или из воды. Смесительная установка вырабатывает дыхательный газ, подаваемый в бортовую сеть, и от нее - в дыхательные маски. (См. патент США №5809999, кл. НКИ 244/118.5, 1998 г.)
Известна типовая безбалонная кислородная система самолета, раскрытая в европейском патенте фирмы THE BOEING COMPANY, выданном на «Устройство для предупреждения пилота о выходе из строя системы жизненной
поддержки», включающую бортовую кислорододобывающую установку (БКДУ), сообщающуюся через дыхательное клапанное устройство с дыхательным командным регулятором для подачи производимого обогащенного кислородом дыхательного газа. Выход дыхательного командного регулятора связан трубопроводом с масками для людей. (См. ЕР 0364283, кл. МКИ B 64 D 13/00, А 62 В 7/14, 1990 г.).
Известные системы предназначены для аварийного питания пассажиров и не приспособлены для обеспечения пилотов скоростных высотных маневренных самолетов.
Известны кислородные системы, предназначенные для обеспечения пилотов скоростных высотных маневренных самолетов. Кислородная система самолетостроительной фирмы «ОКБ «Сухой» включает бортовой комплекс кислородного прибора, кресельную систему кислородного питания, бортовой запас газообразного кислорода (обычно - в кислородных баллонах) и кислородные маски. Бортовой комплект кислородного оборудования используется в качестве аварийного средства питания экипажа кислородом в процессе снижения до безопасной высоты и кратковременно на высотах до практического потолка при катапультировании с автоматическим переключением на питание кислородом от блока кислородного оборудования кресла. При этом, кислородные баллоны соединены через кислородные приборы с кислородными масками и с камерами натяжного устройства высотно-компенсирующего костюма посредством последовательно соединенных кислородного вентиля, кислородного редуктора, автомата давления, регулятора подачи, причем полость низкого давления кислородного
прибора соединена с корпусом индикатора. (См. патент РФ №2207968, В 64 С 30/00, 2003 г.).
Вышеописанная система относится к так называемым баллонным системам, недостатками которых являются большая масса, ограниченный запас кислорода.
Известна безбалонная кислородная система самолета система жизненной поддержки экипажа самолета, раскрытая в европейском патенте фирмы NORMALAIR-GARRETT (HOLDINGS) LIMITED (Великобритания) ЕР 0321140, кл. МКИ B 64 D 13/00, 1989 г.
Система содержит бортовую кислорододобывающую установку (БКДУ), на вход которой подается сжатый воздух от компрессора двигателя, а выход - сообщен через дыхательное клапанное устройство с дыхательным командным регулятором дыхательного автомата (кислородным прибором -КП) для подачи производимого обогащенного кислородом дыхательного газа. Кроме того, дыхательный газ подается также в герметичный запасной контейнер. Как правило, БКДУ включает устройство воздухоподготовки, очищающее воздух, поступающий от компрессора двигателя.
Концентрация кислорода в производимом газе определяется датчиком концентрации газа, вырабатывающем сигнал для электронной управляющей системы (ЭУС). ЭУС вырабатывает сигналы для переключения управляющего клапана, управляющего подачей производимого газа к дыхательному автомату от БКДС или от запасного контейнера. ЭУС вырабатывает также сигналы для зарядного клапана, обеспечивающего зарядку запасного контейнера от БКДС. Дыхательный командный регулятор дыхательного автомата поставляет вырабатываемый газ от БКДС или от запасного
контейнера для смешивания с кабинным воздухом для выработки дыхательной смеси, соответствующей физиологическим требованиям во всех условиях эксплуатации, как в нормальном, так и в аварийном режимах, и, особенно, для обеспечения длительного дыхания на уровне моря от запасного контейнера, когда БКДС не работает. Выход дыхательного автомата с помощью трубопровода подсоединен к дыхательной маске члена экипажа. Кроме того, система содержит устройство индикации.
Вышеупомянутая система предусматривает смешивание газа, полученного БКДУ с кабинным воздухом, что ухудшает ее характеристики.
Известна безбалонная кислородная система самолета фирмы Carleton Life Support Systems Inc., устанавливаемая на самолетах F-14, F-15, F-16, F/A-18 и др. Система включает концентратор кислорода (аналог БКДУ), сообщенный с компрессором двигателя и вырабатывающий обогащенную кислородом дыхательную смесь, кабинное клапанное устройство с запасным кислородным контейнером, кислородный регулятор, связанный трубопроводом с кислородной маской члена экипажа через согласующее устройство, к которому также подсоединен трубопровод кислородной системы катапультируемого кресла, выполненный в виде кислородного баллона, установленного на боковой поверхности катапультируемого кресла.
Система также снабжена устройством индикации, вырабатывающим предупреждающий сигнал о снижении давления в кислородной системе. (Смотри рекламное описание « F-16 OBOGS « фирмы Carleton Life Support Systems Inc.).
В известной кислородной системе отсутствует сигнализация о поступлении кислорода к маске летчика от запасного контейнера, что не позволяет летчику адекватно оценивать складывающуюся обстановку и принимать правильное решение, поскольку, как правило, запасные контейнеры рассчитаны на ограниченный срок работы, в течение которого летчик должен снизиться до безопасной высоты. Кроме того, кислородный баллон, установленный на боковой поверхности катапультируемого кресла, затрудняет катапультирование из-за увеличения габаритов кресла.
Все это приводит к ухудшению технико-эксплуатационных характеристик кислородных систем за счет снижения достоверности системы индикации о их работе, усложнения обслуживания, увеличения габаритов катапультируемого кресла.
Раскрытие полезной модели.
Задачей полезной модели является разработка такой конструкции кислородной системы самолета, которая позволила бы улучшить ее технико-эксплуатационные характеристики: повышение надежности, упрощение обслуживания, уменьшение габаритов.
Согласно полезной модели, поставленная цель достигается тем, что в безбалонную кислородную систему самолета, оборудованного гермокабиной с катапультируемыми креслами для членов экипажа и высотно-компенсирующими костюмами, содержащую бортовую кислорододобывающую установку (БКДУ), включающую газоанализатор, соединенный с
гермокабиной через штуцер кабины с помощью шланга уравнительной линии, имеющего малое гидравлическое сопротивление, сигнализатор давления и электронную управляющую систему (ЭУС); устройство воздухоподготовки, на вход которого подается сжатый воздух от компрессора двигателя; кислородный прибор (КП), связанный своим входом с выходом БКДУ, а выходом - с кислородной маской члена экипажа; кислородную систему катапультного кресла (КСКК), при этом, связь БКДУ с КП выполнена из последовательно соединенных выходного шланга БКДУ, обратного клапана, шланга, датчика подачи газа на дыхание (ДПГД), выполненного с двумя выходными штуцерами, связанными основным и дополнительным шлангами подачи кислорода к КП;
устройство воздухоподготовки, выполненное в виде автономного узла, снабженного одним входом и двумя выходами, один из которых связан трубопроводом со входом БКДУ, а другой - связан с противоперегрузочным устройством высотно-компенсирующего костюма; связь устройства воздухоподготовки с противоперегрузочным устройством высотно-компенсирующего костюма выполнена с помощью трубопровода, подключенного ко входу автомата давления, выполненного с двумя выходными штуцерами, один из которых соединен с трубопроводом противоперегрузочного снаряжения, а другой - через последовательно соединенные синхронизирующий трубопровод, регулятор давления, шланг избыточного давления связан с кислородной маской, введен дополнительный сигнализатор давления, подключенный к магистрали подачи газа на дыхание между обратным клапаном и ДПГД для выдачи на монитор летчика
сигнала о включении подачи кислорода от аварийной системы КСКК, а кислородная система катапультного кресла, выполнена установленной в профилированной подушке катапультируемого кресла.
Такое выполнение кислородной системы позволяет улучшить ее технико-эксплуатационные характеристики: повышение надежности системы индикации, упрощение обслуживания, уменьшение габаритов.
Описание чертежа.
Полезная модель поясняется чертежом, на котором представлена структурная схема кислородной системы для одноместного самолета.
Осуществление полезной модели.
В соответствии с полезной моделью безбалонная кислородная система самолета, оборудованного гермокабиной с катапультируемыми креслами для членов экипажа и высотно-компенсирующими костюмами, реализуется следующим образом.
Система включает (см. Фиг.1):
- бортовую кислорододобывающую установку (БКДУ) - 1;
- устройство воздухоподготовки (УВП) - 2;
- штуцер кабины - 3;
- кислородный прибор (КП) - 4;
- регулятор давления (РД) - 5;
- кислородную систему катапультного кресла (КСКК) - 6;
- датчик подачи газа на дыхание (ДПГД) - 7;
- шланг подачи кислорода к КП - 8;
- шланг избыточного давления - 9;
- шланг ДПГД - 10;
- автомат давления (АД) - 11;
- Сигнализатор давления - 12;
- обратный клапан - 13;
- входной шланг БКДУ - 14;
- выходной шланг БКДУ - 15;
- сливной шланг БКДУ - 16;
- шлаг уравнительной линии - 17;
- трубопровод противоперегрузочного снаряжения - 18;
- синхронизирующий трубопровод - 19;
- штуцер сброса - 20;
- трубопровод - 21.
Кроме того, система содержит: кислородные маски членов экипажа, электрическую систему управления агрегатами, бортовую систему индикации, другие необходимые для функционирования соединительные трубопроводы, арматуру, крепежные, монтажные устройства и элементы (на черт. не показано).
Бортовая кислорододобывающая установка (БКДУ) - 1 предназначена для приготовления обогащенной кислородом дыхательной смеси из забортного воздуха, отбираемого от компрессоров самолетных двигателей. БКДУ обеспечивает дыхание двух членов экипажа на всех режимах полета, в том числе с перегрузками до 9 единиц, и при снижении в режиме планирования.
Принцип действия БКДУ основан на использовании специальных синтетических сорбентов - цеолитов, способных
в циклическом процессе поглощать из пропускаемого через них сжатого воздуха азот, влагу, и вредные примеси, и очищаться от этих компонентов за счет периодического соединения с более разреженной забортной атмосферой, и за счет периодической обратной продувки частью продуцируемой газовой смеси. Наполненные сорбентом патроны - адсорберы поочередно соединяются с линией подачи сжатого воздуха и с окружающей средой. В определенные моменты цикла из них отбирается продуцируемая газовая смесь, - обогащенная кислородом.
Контроль содержания кислорода в продуцируемой дыхательной смеси осуществляет входящий в БКДУ газоанализатор, использующий метод измерения парциального давления кислорода с применением твердоэлектролитной ячейки на основе двуокиси циркония.
Контроль избыточного давления продуцируемой дыхательной смеси осуществляет входящий в состав БКДУ сигнализатор давления. Сигнализатор БКДУ выдает информацию об отказе, если избыточное давление ниже установленного уровня.
Электронный блок БКДУ обеспечивает выдачу электрокоманд в виде периодических импульсов постоянного тока на электромагниты блока распределительных клапанов для управления процессом. (На чертеже не показано).
Электронный блок воспринимает показания газоанализатора парциального давления кислорода и показания сигнализатора давления дыхательной газовой смеси и выдает в бортовую систему индикации сигналы:
- «выход на режим»;
- «кислород - норма»;
- «кислород - отказ»;
- «текущее значение парциального давления кислорода».
Для различения электронным блоком наземных и полетных условий в БКДУ от ботовой системы выдается сигнал «земля». Газоанализатор должен измерять парциальное давление кислорода при абсолютном (барометрическом) давлении в измерительной камере датчика, соответствующем давлению воздуха в кабине. Поэтому, газоанализатор соединяется с гермокабиной через штуцер кабины - 3 с помощью шланга уравнительной линии - 17, который должен иметь малое гидравлическое сопротивление. С этой же линией соединяется статическая полость сигнализатора избыточного давления (На чертеже не показано).
Устройство воздухоподготовки (УВП) - 2 выполнено в виде автономного узла и предназначено для очистки сжатого воздуха, поступающего от компрессоров двигателей и подводимого к бортовой кислорододобывающей установке и к автоматам давления противоперегрузочного устройства. УВП снабжен одним входом и двумя выходами, один из которых связан трубопроводом со входом БКДУ, а другой - связан с противоперегрузочным устройством высотно-компенсирующего костюма через автомат давления- 11. УВП состоит из крана сброса конденсата с электроприводом и фильтра (на черт. не показано). Кран сброса конденсата установлен на входе УВП, связанном с трубопроводом подачи сжатого воздуха от двигателя. Два выхода крана сброса конденсата сообщаются соответственно с дренажным трубопроводом со штуцером сброса - 20 и входом фильтра. Электромеханизм привода сброса конденсата состоит из электродвигателя, редуктора и блока микровыключателей,
служащего для автоматического отключения электродвигателя после поворота крана и для выдачи сигналов в крайних положениях выходного вала. Кран сброса конденсата по командам от бортовой автоматики обеспечивает переключение подачи сжатого воздуха с дренажного трубопровода на вход фильтра и обратно. Воздух поступающий в фильтр очищается от капельной влаги и аэрозолей, в том числе от отравляющих веществ. Очищенный воздух через выход фильтра поступает во входной шланг БКДУ 14 и трубопровод противоперегрузочного устройства (ППУ) -18 через автомат давления(АД) - 11. Капельная влага дренируется из фильтра через штуцер сброса.
Со штуцером сброса - 20 связан также сливной шланг БКДУ - 16.
Кислородный прибор (КП) - 4 выполнен в виде легкосъемного блока, установленного на разъеме коммуникаций катапультного кресла летчика, и связан трубопроводом с кислородными масками экипажа. КП-4 представляет собой регулятор, обеспечивающий подачу в кислородную маску дыхательной газовой смеси пропорционально фазам дыхания. КП- 4 также обеспечивает давление в кислородной маске, компенсирующее снижение содержания кислорода во вдыхаемой среде при разгерметизации кабины самолета, и в камерах высотного снаряжения - избыточного давления газа на большой (стратосферной) высоте - более 12км. КП выполнен в виде легкосъемного блока, устанавливаемого на разъеме коммуникаций катапультного кресла летчика.
К КП - 4 от БКДУ - 1 подводится дыхательная газовая смесь по двум (основной и дополнительный) шлангам подачи
кислорода к КП - 8 через датчик подачи газа на дыхание - 7. Два шланга используются для обеспечения необходимой их гибкости при требуемом суммарном проходном сечении и минимальных потерях давления.
Кроме того, КП - 4 связан магистралью с - кислородной системой катапультного кресла - 6, содержащей аварийный баллон с запорно-пусковым устройством, и установленной в профилированной подушке катапультируемого кресла. При этом, шланги подачи кислорода - 8 от ДПГД и от магистрали КСКК-6 подсоединены к согласующему устройству КП - 4,
Такое выполнение шлангов позволяет уменьшить потери давления при подаче дыхательной газовой смеси при минимальном и диаметре самих шлангов, что обеспечивает надежную подачу дыхательной смеси при минимальных значениях подводимого от двигателей сжатого воздуха, имеющих место при минимальных режимах работы двигателей. При этом достигается требуемая гибкость шлангов (за счет меньшего диаметра шлангов), что обеспечивает свободу движений летчика.
Датчик подачи газа на дыхание - 7 предназначен для регистрации наличия расхода обогащенного кислородом воздуха, подаваемого из БКДУ в высотное снаряжение для дыхания члена экипажа самолета. ДПГД включает в себе корпус с входным и двумя выходными штуцерами, струйный генератор расхода кислорода, пьезоэлектрический датчик давления и электронный преобразователь. Струйный генератор формирует колебания струи, частота которых пропорциональна расходу. Пьезоэлектрический датчик преобразует колебания струи в частоту генерируемого электрического сигнала, а электронный преобразователь
усиливает электрический сигнал с пьезодатчика и преобразует частоту в напряжение.(На чертеже не показано). Входной штуцер ДПГД-7 связан с выходным шлангом БКДУ - 15 через шланг ДПГД - 10 и обратный клапан - 13. ДПГД - 7 выдает в бортовую систему индикации сигнал, пропорциональный расходу дыхательной газовой смеси, являющийся более надежным показателем для летчика о поступлении дыхательной смеси в КП и работоспособности системы. Между ДПГД - 10 и обратным клапаном - 13 к магистрали подачи дыхательной газовой смеси подключен дополнительный сигнализатор давления - 12. Дополнительный сигнализатор давления - 12 предназначен для выдачи на монитор летчика сигнала о включении подачи кислорода от аварийной системы КСКК-6, свидетельствующего о том, что у летчика остается ограниченное время для изменения режима полета.
Обратный клапан предотвращает истечение кислорода от КСКК в сторону БКДУ
Два выходных штуцера ДПГД подсоединены к двум шлангам подачи кислорода к КП - 8. Автомат давления - 11 представляет собой клапанный механизм с управляющим элементом, реагирующим на изменение линейной перегрузки в полете. Пропорционально линейной перегрузке АД-11 создает давление в камерах противоперегрузочного снаряжения летчика. АД-11 выполнен с входным штуцером, связанным трубопроводом противоперегрузочного снаряжения - 18 с УВП-2, и двумя выходными штуцерами, связанными соответственно с противоперегрузочным снаряжением летчика гибким трубопроводом противоперегрузочного снаряжения - 18 и с
регулятором давления (РД)-5 синхронизирующим трубопроводом - 19. РД-5 в свою очередь шлангом избыточного давления -9 связан с кислородной маской.
РД-5 подает сжатый воздух в кислородную маску, и выполнен таким образом, что обеспечивает заданное соотношение давлений в кислородной маске и камерах противоперегрузочного устройства.
Кислородная система катапультного кресла (КСКК) - 6 включает в себя аварийный источник кислорода (баллон с сжатым кислородом) и запорно-пусковое устройство и смонтирована в профилированном сидении катапультного кресла (на чертеже не показано). Включение подачи кислорода от КСКК производится автоматически при катапультировании, или вручную летчиком в случае отказа БКДУ
Система работает следующим образом.
Включение системы производится после запуска вспомогательной силовой установки самолета выключателем кислородной системы скобы включения всех систем (на черт. не показано). После включения системы включается электропитание БКДУ-1, осуществляется его прогрев и юстировка. На экране бортовой системы индикации появляется сигнал «выход на режим»
После запуска основных двигателей самолета происходит сброс воздуха от двигателей и вспомогательной силовой установки. По сигналу от бортовой системы управления УВП - 2 переключается из состояния дренажа в режим подачи сжатого воздуха в БКДУ -1 и в автомат давления АД - 8 через фильтр, очищающий воздух от пыли аэрозолей и капельной влаги. Капельная влага выбрасывается за борт, а очищенный
воздух поступает на вход БКДУ-1 и АД-8. Внутри БКДУ воздух через редуктор попадает в блок распределительных клапанов и далее в абсорберы, где разделяется на обогащенную кислородом дыхательную газовую смесь (ДГС) и на смесь обогащенную азотом. ДГС поступает через ДПГД-7 и кислородный прибор КП-4 в кислородную маску летчика, а смесь, обогащенная азотом сбрасывается в негерметичный отсек самолета.
Контроль парциального давления кислорода в ДГС осуществляется входящим в состав БКДУ-1 газоанализатором. Контроль избыточного давления газа на выходе БКДУ осуществляется сигнализатором давления. Информация о состоянии ДГС от газоанализатора и от сигнализатора давления поступает в электронный блок БКДУ-1, который выдает в бортовую систему индикации сигналы:
- «выход на режим» - в течение определенного времени, после включения электропитания БКДУ - 1;
- «кислород - норма» - при нормированном парциальном давлении кислорода в ДГС на земле и в полете;
- «кислород - отказ» - при выходе значения парциального давления кислорода из нормированного диапазона в течении установленного промежутка времени.
Сигнал о наличии подачи ДГС к кислородным приборам поступает от датчика ДПГД-7. При нормальной работе «легочного автомата» кислородного прибора - 4 и расходе ДГС через него ДПГД-7 выдает изменяющийся по фазам дыхания сигнал, отображаемый бортовой системой индикации. При отказе легочного автомата в открытом положении или при включении непрерывной подачи(с помощью рукоятки кислородного прибора) ДПГД-7 выдает непрерывный сигнал
максимального уровня. При отказе легочного автомата в закрытом положении, или при отсутствии подачи ДГС - выдается непрерывный сигнал минимального уровня.
Кислородная система катапультного кресла КСКК-6 обеспечивает как ручное так и автоматическое включение - от бортовой системы управления:
- в случае разгерметизации кабины с понижением в ней барометрического давления до уровня, соответствующего «высоте» в кабине более 8км. и получении при этом от БКДУ сигнала «кислород - отказ»;
- при высоте в кабине более 10 км.
Одновременно с включением КСКК бортовая автоматика выдает в систему индикации сигнал «аварийный кислород».
При катапультировании подача кислорода от КСКК включается автоматически с помощью механического устройства.
После завершения полета и остановки двигателей бортовая система управления обеспечивает обратное переключение крана сброса конденсата УВП - 2 в положение дренажа.
Такое выполнение бортовой кислородной системы позволяет получить по сравнению с существующими балонными системами следующие преимущества:
- отсутствуют бортовые кислородные баллоны и соответственно, не требуется заправка системы кислородом перед полетом;
- продолжительность полета не ограничивается запасом кислорода в системе;
- уменьшение массы, габаритов и трудоемкости оперативного обслуживания системы.