某型飛機氧氣系統消耗量研究

游炯華，馬金波

（國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖 241007）

在航空領域中，缺氧是發生災難性事故的因素之一，氧氣是維持生命最重要的能源，氣壓高度越高空氣越稀薄，氧含量越低。有關資料表明如果高度超過（7～8）km，當加壓密閉艙遭到破壞時，很快就會導致嚴重缺氧而陷入昏迷。航空史上因缺氧問題造成的災難事故，屢見不鮮。為此，現代飛機為飛行員提供一套氧氣系統，保證飛行高度范圍內飛行時，為飛行員供氧，以保證飛行員的工作能力和生產條件，在飛機進行機動飛行時，對飛行員體表進行加壓保護，以提高機體的抗過載能力，減輕過載對人體造成的不利影響。飛機氧氣瓶充填氧氣容量一定時，氧氣消耗量過大，會導致氧氣瓶內氧氣消耗完，飛行員面臨缺氧導致意識下降，導致嚴重的飛行事故的可能。目前，沒有資料規定某型飛機氧氣消耗量要求，為此急需開展氧氣消耗量研究，為客觀評價氧氣消耗量提供依據。

1 氧氣系統組成和工作原理

氧氣系統由氧氣瓶、供氧調節器、供氧活門、指示器活門、氧氣開關、減壓器、抗荷調壓器、氧氣調節器、壓力調節器、氧氣指示器、救生用氧系統、代償服（抗荷服）、供氧面罩等組成[1]，組成示意圖見圖1。

氧氣瓶輸出高壓氧氣，經減壓器減壓至(1±0.2) MPa，分別進入抗荷調壓器入口和供氧調節器入口。

氧氣進入供氧調節器，一路經減壓器Ⅳ將壓力從(1±0.2) MPa降到(0.28～0.38) MPa,進入供氧活門進氣口。另一路氧氣經過供氧調節器的高度供氧機構、大量供氧裝置的連續供氧啟動器輸出。供氧活門的控制口同抗荷調壓器的出口連接。氧氣通過斷接器進入氧氣調節器，進入氧氣面罩和高空代償服。

供氧調節器的不同高度供氧的規律：

1）座艙高度（1.5～2） km以下不供氧

圖1 飛行員用氧系統組成示意圖

2）座艙高度(2～8) km，隨著座艙高度的增加，提高飛行員吸氣的含氧量

3）8 km以上高度供純氧

4）(11～13) km以上高度加壓連續供氧，供氧調節器限流孔向氧氣調節器提供(17～23) L/min的連續供氧量

抗荷調壓器根據過載大小給飛行員的抗荷服充氧。當過載大于2g時，抗荷調壓器的出口壓力（即供氧活門的控制口壓力）增大到13kPa，供氧活門的上膜片打開，腔內壓力瞬間降低，下腔膜片打開，供氧調節器經內部減壓器Ⅳ直接向氧氣調節器供氧。氧氣調節器的空氣自動吸入器關閉，實施純氧呼吸。隨著壓力調節器輸入端的壓力增大到30 kPa，輸出壓力約為進氣壓力的1/10。該壓力作用于氧氣調節器的肺式活門的大膜片，使面罩建立壓力[2]。

2 飛行高度與座艙高度關系

飛行高度是飛機離地面的高度，座艙高度是指飛機座艙內壓力對照大氣標準換算的相對高度。飛行員用氧系統供氧調節器安裝在座艙內，供氧調節器實際根據座艙高度實施供氧。正常座艙為加密狀態，飛行高度一般不超過15 km，現按照飛行高度15 km以下高度進行分析，在此不考慮座艙失密等異常情況。座艙壓力由壓力調節器、排氣活門、安全活門配合工作保證。

根據大氣壓力與高度關系和座艙壓力調節調節規律，通過飛行高度與座艙高度對應關系進行計算，對應關系見表1所示。

表1 飛行高度與座艙高度的對應關系

3 氧氣消耗量分析

3.1 按飛行架次分析

按照某型飛機大修后的試飛大綱要求，完成飛行大綱的科目一般最長需要飛行1 h左右。為此，對空中飛行時間為1 h左右試飛架次氧氣消耗量進行統計，統計結果見表2。

表2 飛行架次氧氣消耗量統計表

表2可知，試飛科目氧氣消耗量最大為3 MPa。該型機的氧氣壓力表最小分刻度為2 MPa，為了考慮儀表讀數的準確性，試飛后檢查氧氣每架次的消耗量可按不大于3.5 MPa進行控制。

由于飛行時每架次的飛行高度和垂直過載存在差異，而氧氣的消耗量又與飛行高度和垂直過載相關，當出現消耗異常時，應根據飛參數據確定飛行高度、時間和過載大小等進行詳細分析。

3.2 不同高度氧氣消耗量分析

供氧調節器根據座艙高度的變化控制輸送到氧氣面罩的流量見表3。

表3 供氧調節器調節輸出流量要求

氧氣面罩基本密封，飛行員不呼吸，氧氣不消耗，所以氧氣消耗與飛行員呼吸有關。1987年，Harding等應用RAF的專用試驗機，在46個起落，38.4小時，4700次呼吸中測得呼吸頻率為20.5次/min，飛行中肺通量（肺通過氣體的流量）平均為18.8 L/min。根據表3中各高度的輸出氧氣流量的經驗值，均小于飛行員需要的平均肺通量要求，低空氧氣流量不夠肺通量要求時通過氧氣調節器將座艙空氣進行補充，所以供氧調節器輸出的流量決定氧氣的消耗量。

根據飛行高度與座艙高度的關系，結合供氧調節器輸出流量的經驗值可知，飛行高度小于6.4 km，供氧調節器基本不輸出氧氣；飛行高度6.4 km，輸出氧氣流量約2 L/min；飛行高度8 km，輸出氧氣流量約3 L/min；飛行高度9.8 km，輸出氧氣流量約4 L/min；飛行高度12 km，輸出氧氣流量約5 L/min；飛行高度15 km，輸出氧氣流量約6 L/min。

氣瓶充填壓縮氣體的量與充填壓力有關，壓力越大充填量越大，壓縮氣體充填體積估算關系見公式1（忽略充填時溫度影響）：

其中：V1為P1時的換算容積（L）

V為氧氣瓶的容積（L）

P為氧氣瓶中填充的壓力

該型飛機氧氣瓶容積13L，減壓器和供氧調節器共同減壓，供氧調節器出口壓力余壓最大為0.38 MPa?，F以最大壓力進行容積折算，容積為：V0.38=[（5+8）*19]/0.38=650L，那么座艙高度對應消耗率為（L/min）：

K6.4=2/650=0.00；K8=3/650=0.005；K9.8=4/650=0.006；K12=5/650=0.008；K15=6/650=0.009。

因此，不同飛行高度氧氣最大消耗量計算公式為：

P為氣瓶充填的壓力（MPa）；T6.4、T8、T9.8、T12、T15為下標所對應飛行高度區間飛行時間。

3.3 抗荷系統氧氣消耗分析

飛機正向垂直過載飛行時，在抗荷服（代償服）內建立與過載值對應的壓力?？购烧{壓器的輸出壓力在（13～79）kPa范圍時，供氧活門處于打開狀態，供氧調節器向氧氣調節器進行純氧供氧，滿足飛行員吸氧需求，并在抗荷服（代償服）和面罩內建立與過載值相應的壓力，以保證飛機作機動飛行時最大限度地增大飛行員承受過載的能力。

當正向垂直過載大于2 g時給抗荷服（代償服）充氧，達到抗荷服（代償服）內壓力后不再消耗氧氣，過載降低后放掉抗荷服（代償服）內氧氣。按照供氧活門控制壓力可知，正向垂直過載大于3 g左右，抗荷調壓器輸出壓力才將供氧活門打開，將經氧氣調節器YTQ-31內減壓器減壓，減壓后(0.28～0.38) MPa壓力輸送到氧氣面罩。

抗荷調壓器出口壓力與垂直過載對應見表4。根據公式（1），將氧氣瓶儲存壓力19 MPa換算成過載對應出口壓力時容積，現選取各過載對應最大壓力進行計算。即：2g：25204L 4g：7878L 8g：3359L

表4 垂直過載與出口壓力關系

3g以下垂直過載時，出口壓力15 kPa左右，將氧氣瓶的高壓氧氣進行容量折算，抗荷服（代償服）內部容量在5 L左右，由此可知3 g以下垂直過載對氧氣消耗影響非常小。

3g以上垂直過載時，供氧調節器減壓器為氧氣調節器提供純氧，純氧流量大于7L/min，現選取8 L/min進行計算。4g以上還需加壓供氧，由于加壓供氧受壓力調節器開關位置控制，飛行時飛行員習慣將該開關置于“放氣”位置，這樣就不存在加壓供氧，所以此處不考慮加壓供氧情況。

由于飛行時過載大小變化過快，無法進行定量的分析。根據以上分析得出過載影響氧氣消耗量的規律如下：

a）3g以下垂直過載時氧氣消耗量較小

b）與垂直過載次數有關，垂直過載大于2g次數越多，氧氣消耗越大

c）垂直過載越大氧氣消耗就越大

3.4 飛行數據驗證

飛行高度在6.4km以下，相當于座艙高度2km以下飛行，根據理論供氧調節器是不輸氧的，只有過載時才輸氧，因此對飛行高度在6.4km以下的飛行數據按照垂直過載大小區間進行統計，數據見表5。

表5 飛行高度6.4 km以下統計數據

從表5中可以看出，在座艙高度低于2 km以下飛行時垂直過載沒有大于2 g時，氧氣不會消耗。隨著垂直過載次數越多，氧氣消耗量就越大。垂直過載越大供氧壓力越大，氧氣消耗也越大，與垂直過載持續時間關系不大。

飛行高度6.4 km以下和垂直過載3 g以下均基本不消耗氧氣，因此忽略6.4 km以下和垂直過載3 g以下影響。飛行高度6.4 km以上飛行時，既有垂直過載造成的氧氣消耗也有供氧調節器根據高度進行供氧消耗，此種情況分析比較復雜。為此，對飛行高度在6.4 km以上飛行數據根據不同飛行高度區間進行統計，統計數據見表6。

表6 飛行高度6.4km以上統計數據

由表6可知，飛行高度大于6.4 km，氧氣的消耗與高度供氧和過載供氧有關。通過表5與表6對比可知，垂直過載是影響氧氣消耗重要因素。

4 結論

當座艙艙壓正常，飛行高度在15 km以下，也就是座艙高度不大于6 km，供氧的流量很小，氧氣消耗就很小。而過載供氧時要同時給抗荷服（代償服）和氧氣面罩供氧，并且抗荷服（代償服）管路粗，壓力大，供氧流量就大。飛機機動飛行時過載大小頻繁變化，氧氣不斷為抗荷服（代償服）充填氧氣和放氣，是影響氧氣消耗量的重要因素[3]。

飛行員用氧系統的氧氣消耗量按架次進行評價非常直觀，因此后續該型飛機試飛后根據氧氣消耗量按架次分析結論進行評價，即按每架次最大氧氣消耗量不大于3.5 MPa要求進行控制。氧氣消耗量超過3.5 MPa，則根據飛參的飛行高度和垂直過載數據進行詳細分析，評定氧氣消耗量是否正常。