Szolnoki Tudományos Közlemények XV. Szolnok, 2011.
Kovács József1
A REPÜLŐFEDÉLZETI ÉLETKÖRÜLMÉNYEKET BIZTOSÍTÓ RENDSZEREK FIZIOLÓGIAI ALAPJAI Napjainkban mind a polgári, mind pedig a katonai repülésben nagy jelentősége van a nagy repülési magasságokon végrehajtott repüléseknek. Az ilyen repülések számos előnyük mellett néhány hátránnyal is rendelkeznek. A repülési magasság növekedésével változnak a légkör paraméterei. Ezek közül legnagyobb jelentőséggel a légnyomás- és a hőmérsékletváltozás bír. Előadásomban megvizsgálom ezen változások hatását az emberi szervezetre, különös figyelemmel a légnyomás változásából eredő hatásokra. Foglalkozom a káros hatások kiküszöbölését megvalósító fedélzeti életkörülményeket biztosító rendszerekkel, amelyeket a következő bontásban mutatok be: fedélzeti oxigénellátó rendszer, a hermetikusan zárt terek automatikus hőmérséklet-szabályozó rendszerei és a túlterhelések káros hatásai ellen védő rendszer. PHYSIOLOGICAL BASIS OF ONBOARD ENVIRONMENTAL SYSTEMS Flight on high altitudes has special significance novo days. It has its advantages but also some disadvantages. Disadvantages basically are caused by changes of characteristics of atmosphere on different altitudes. Significant effect on the environment of life and working conditions of crew have changes in the air pressure and temperature. In the article are analysed effect of these changes on the organism of the crew and system to be illuminate this effect. Environmental control systems are divided on onboard oxygen systems, automatic control systems of temperature and anti-g systems.
A nagymagasságú repülések hatásai Mind a polgári, mind pedig a katonai repülésben nagy jelentősége van a nagymagasságú repüléseknek. Nagymagasságú repüléseknél nő a repülési idő, a repülési sebesség, a repülés nem függ meteorológiai tényezőktől, valamint csökken a földi eszközökkel való megsemmisítés valószínűsége (a napjainkban fokozódó terrorizmusra való tekintettel ez utóbbi szempont sem csupán a katonai repülőgépekre érvényes). A repülési magasság növekedésével megjelenő hátrányokat elsősorban a körülmények megváltozása okozza. Ezek közül a legfontosabbak: csökken a levegő nyomása és sűrűsége, vagyis csökken a belélegzett oxigén mennyisége; csökken a levegő hőmérséklete, 11 km-es magasság felett évszaktól függetlenül -56,6 oC; 1
Zrínyi Miklós Nemzetvédelmi Egyetem,
[email protected] A cikket lektorálta: Dr. Békési Bertold ZMNE, egyetemi docens, PhD.
hirtelen csökken és 10 km felett zérus értékű a levegő páratartalma, ami nagy mértékben csökkenti a komfortérzetet. Mindezek miatt nagy repülési magasságokon a repülési feladat végrehajtása csak az életés munkakörülményeket fenntartó speciális technikai eszközök és műszaki megoldások alkalmazásával lehetséges. Ezek: a külső atmoszférától hermetikusan elzárt utastér és repülőgépvezető fülke; ennek megfelelő hőmérsékleten tartása (fűtés); a repülőgépvezető fülkében uralkodó fülkenyomás megfelelő szabályozása; a belégzésre kerülő levegő oxigéntartalmának a nyomástól (vagyis a magasságtól) függő szabályozása. A repülőgép megfelelő berendezései és rendszerei valamint a repülőgépvezető egyéni védőfelszerelése alkotják azokat a magassági berendezéseket és rendszereket, amelyek nagymagasságú repüléseknél biztosítják a megfelelő élet- és munkakörülményeket. A repülési magasságtól függetlenül repülés közben a repülőgépre, és azon keresztül a hajózó személyzetre különböző nagyságú és irányú túlterhelések hatnak. Ezek elérhetnek olyan szélsőséges értékeket, amelyek károsan befolyásolják a munkavégző képességet. A túlterhelések káros hatásait a túlterhelés ellen védő rendszer egyenlíti ki, amely így szintén a fedélzeti életkörülményeket biztosító rendszerek közé sorolható. A légzésről Az ember létezéséhez feltétlenül szükség van megfelelő mennyiségű oxigénnek a szervezetbe juttatására, illetve az oxigén elégetésekor keletkező égéstermék (széndioxid) eltávolítására. Az oxigén a szervezetbe alapvetően légzés útján, a tüdőn, az abban lévő tüdőhólyagocskákon keresztül jut be. Normális esetben az ember 15-18 belégzést végez percenként. Eközben a tüdőben lévő levegő nem teljesen, hanem csak részlegesen cserélődik ki. Fizikai terhelés esetén, a szervezet izgalmi állapotában, stresszhelyzetekben stb. az ember légzése gyakoribbá és mélyebbé válik, ezzel kerül biztosításra a nagyobb oxigénmennyiség. 20-30 km-es magasságig a levegő összetétele állandónak tekinthető: 78% nitrogén, 21% oxigén, 0,03% széndioxid és 1%-nál kevesebb nemesgáz (argon, hélium, neon, kripton, stb.) A Földet körülvevő levegőrétegnek súlya van. Testünk minden négyzetcentiméterére megközelítően 10 N nyomóerő jut. Ez a súly adja a levegő nyomását, a légnyomást (SI mértékegysége a Pascal – Pa, használatos még a higanymilliméter – Hgmm). A levegő összenyomható: a felsőbb rétegek az alsókat összepréselik. A légkör össztömegének 99,8%-a az alsó 50 km-ben van. Dalton fizikából ismert törvénye szerint valamely gázkeverék nyomása az alkotó gázok résznyomásának – parciális nyomásának – összegével egyenlő, vagyis a térfogatszázalékok ismeretében az alkotó gázok résznyomása számítható. Így a levegő egyes összetevőinek résznyomása a légkörben:
pr
c% p H 100%
ahol: c – az adott alkotórész százalékos aránya; 2
(1)
pH – a légnyomás az adott magasságon. Így az oxigén résznyomása tengerszinten2: ………………………… pO2
21%1011hPa 212,3hPa ( 159 Hgmm) 100%
(2)
Az ember tüdejében állandóan megtalálhatók vízgőzök, amelyek telítik a belélegzett levegőt és állandó, pH2O = 62,51 hPa (=47 Hgmm) értékű nyomást hoznak létre, amely nem függ a magasságtól. Így a belélegzett oxigén résznyomása a tüdőben tengerszinten:
pO 2
21%(1011hPa 62,51hPa ) 199,18hPa ( 150 Hgmm) 100%
(3)
Az emberi szervezet az ezt megközelítő a parciális nyomást szokta meg. Normális élet- és munkakörülményekről 2,5 km-es magasságig beszélhetünk, ahol pH= 744,8 hPa (=560 Hgmm), pO2*= 143,64 hPa (=108 Hgmm). Ennél kisebb résznyomásnál oxigénéhség léphet fel. A nyitott repülőgépvezető fülkében megvalósított repülések 4,5 km-es magasságig történhetnek, amelyen az oxigén parciális nyomása 106,4 hPa (80 Hgmm) értékűre csökken. Fiziológiai normák alapján a belélegzett levegőben az oxigén résznyomásának legalább 130,34 hPa (98 Hgmm) értékűnek kell lennie. A szükséges parciális nyomás biztosításának módszerei A szükséges oxigén-résznyomást a tüdőben alapvetően két módszerrel biztosíthatjuk. Ezek: az oxigén százalékos arányának a légnyomás csökkenésétől függő növelése; állandó nyomás fenntartása a belégzésen, amely nem függ a repülési magasságtól, vagyis a légnyomás csökkenésétől. A gyakorlatban a két módszer kombinációja kerül alkalmazásra. A p*o2 = 199,18 hPa (150 Hgmm) értékű normális résznyomás biztosításához szükséges százalékos arány valamilyen tetszőleges pH repülési magasságon meghatározható: pO 2 100% 199,18hPa 100% c [%] . (4) p H 62,51hPa p H 62,51hPa Így a repülési magasság és a szükséges oxigén százalékos arány közötti összefüggés meghatározható. Az a repülési magasság, amelynél szükség van az oxigén százalékos arányának 100%-ra növeléséhez, vagyis a tiszta oxigénnel való táplálás megvalósítására:
pO 2 100% 199,18hPa 100% pH 62,51hPa 62,51hPa 261,69hPa ( 197 Hgmm) (5) c% 100% értékű nyomásnak felel meg, amely 10 km-es repülési magasságot jelent. Ez azt jelenti, hogy 10 km-es repülési magasságig a pO2*=150 Hgmm értékű normális résznyomás a tüdőben biztosítható az oxigén százalékos arányának növelésével a belélegzett levegőben. További magasságnövekedésnél az oxigén résznyomása a tüdőben csökkenni fog, és 12 km-es repülési magasságon, ahol pH = 192,85 hPa (145 Hgmm), eléri a minimálisan 2
A légkör paramétereinek és a magasságnak az összefüggéseit a Nemzetközi Egyezményes Légkör rögzíti, általában táblázatos vagy grafikonos formában. Ezek minden esetben statisztikus jellegű összefüggések, hiszen egy adott magasságon pl. a hőmérséklet is több tényező függvényében (évszak, napszak, stb.) változik.
3
megengedett 130,34 hPa (98 Hgmm) értéket, 19 km-es magasságon pedig megközelítően 1 Hgmm értékűre csökken. Ezért 12 km feletti repüléseknél a tiszta oxigénnel való táplálás csak hermetikus fülkében (vagy hermetikus ruhában és szkafanderben) elégséges. Ha 12 km felett a fülke kihermetizálódik (ez vész üzemmódot jelent), akkor a szervezet hirtelen fellépő, erőteljes oxigénéhségnek lesz kitéve. Ekkor az oxigén a szervezetből gyorsabban válik ki a bőrön keresztül, mint ahogy pótlásra kerül a tüdőn át, aminek a következménye gyors eszméletvesztés, majd halál. A kihermetizálódástól az eszméletvesztésig rendelkezésre álló időt tartalék időnek nevezzük, ez az idő áll rendelkezésre a repülőgépvezetőnek az élete megmentéséhez szükséges intézkedések megtételére. A tartalék idő és a kihermetizálódási magasság közötti összefüggést az alábbi táblázat mutatja: Kihermetizálódási magasság, km 14 14,5 15 16 17 Tartalék idő, sec 180 60 30 12 5 A kihermetizálódásnál a további repülés úgy lehetséges, ha a tüdőbe a tiszta oxigént a légnyomást (PH) meghaladó nyomással (túlnyomással) adjuk Ennek értéke ∆p=192,85 hPa-PH [hPa]. A túlnyomás maximális értéke megegyezik a 12 km-es magasságon mérhető légnyomás értékével. Ekkor biztosítva van az oxigén pO2*= 130,34 hPa értékű résznyomása. Így a résznyomás és a repülési magasság közötti összefüggés:
A túlnyomásos lélegeztetéssel kapcsolatos egyéb problémák és megoldási módjaik A tiszta oxigénnel való túlnyomásos lélegeztetés megoldja ugyan az oxigénhiány problémáját, ugyanakkor felmerül egy sor olyan probléma, amelyek megoldása elengedhetetlen. Röviden, pontokba szedve tekintsük át ezeket a problémákat és megoldásuk lehetséges módjait! 1) A túlnyomásos lélegeztetés során az oxigénálarcot megfelelő erővel az archoz kell szorítani, hogy a túlnyomás le ne tépje azt. Ez könnyen megoldható például kompenzáló
4
kamrával ellátott speciális rögzítő egység segítségével, amely a túlnyomás függvényében növeli az álarcot rögzítő erőt. 2) Túlnyomásos oxigénadagolásnál a belégzés nyomás alatt történik, a kilégzéshez pedig a bordaközi izmok erőfeszítése szükséges. Ha Δp > 40 hPa a kilégzés már nem valósítható meg. A normális légzés biztosítására ekkor kompenzáló ruha alkalmazása szükséges, amely a tüdőben keletkező túlnyomást a has és a mell tájékára kifejtett nyomóerővel kompenzálja. 3) Ha a tüdőben túlnyomás van, akkor a vérben lévő gázok nyomása megegyezik a tüdőben lévő nyomással és a véredények nyomáskülönbségnek vannak kitéve. Δp > 53,2 hPa esetén a végtagok véredényei már nem képesek a nyomáskülönbség elviselésére és kitágulnak, aminek következtében a vérkeringés leáll. Ennek elkerülésére kiegyenlítő nyomás létrehozása szükséges csaknem a teljes testfelületen, amit szintén a kompenzáló ruha valósít meg. 4) Ha a túlnyomás értéke meghaladja a 99,75 hPa-t, akkor ezt a legérzékenyebb szervek már nem képesek elviselni, ami a hallás és a látás sérüléséhez, a szem és az agy bevérzéséhez vezethet. Ezért olyan hermetikusan zárt sisak alkalmazása szükséges, amelyben a fej külső felületére ugyanolyan túlnyomás hat, mint amekkora a tüdőben meglévő. Így a hermetikus sisak és a kompenzáló ruha együttes alkalmazása lehetővé teszi a repülést nem hermetikus fülkében 30 km-es és efölötti magasságokon is. 12 km-es magasság felett azonban a repülési idő 10-15 percben korlátozott, ami azzal van kapcsolatban, hogy a túlnyomás kompenzálása nem pontos, ami gyors izomfáradáshoz és szabálytalan légzéshez, hosszabb idő után a légzés leállásához vezet. Ezenkívül meg kell említenünk, hogy 19,2 km felett a légnyomás kisebb, mint 62,51 hPa, ami a szervezetben lévő folyadékpárák nyomása. Ilyenkor fellép a bőr alatti folyadék felforrása, a szervezetből a folyadék gyorsan elpárolog illetve a szervezet folyadékaiban hidrogénbuborékok keletkeznek. Mindez azt jelenti, hogy hosszú idejű repülés nagy magasságban csak olyan hermetikus fülkében vagy szkafanderben lehetséges, amelyekben a fenntartott nyomás legalább 145 Hgmm, vagyis nem szükséges túlnyomásos lélegeztetés. Az oxigénnyomás-változás kompenzálásának technikai eszközei Az oxigén százalékos arányának magasság függvényében való növelését és vész üzemmódban (12 km feletti kihermetizálódáskor) a túlnyomásos lélegeztetésre való áttérést, valamint a túlnyomás értékének szabályozását zárt pneumatikus szabályozó rendszer valósítja meg. A fedélzeti oxigénellátó rendszer legfontosabb elemei az oxigén tárolására szolgáló tartályok (oxigénpalackok), az automatikus oxigénadagolás-szabályozó és a lélegeztető készülék (nevezik még oxigénműszernek vagy műtüdőnek is). A rendszer 2-3 km-es repülési magasságig csak külső levegőt szív be, ez kerül belégzésre. Efölött a magasság fölött működésbe lép az oxigénadagolás szabályozó, amely a tartályokban lévő oxigénnel dúsítja a beszívott levegőt. Így a belégzésre kerülő gázban az oxigén százalékos aránya, és így a résznyomása is megnő. Ennek mértéke a repülési magasság függvényében változik. A tiszta oxigénnel való lélegeztetésre való áttérés normál esetben 1012 km-es repülési magasságon valósul meg. A repülési magasság további növekedésével a külső légnyomás (pH) tovább csökken. A hermetikusan zárt terek nyomását (pf) azonban a hermetikus terek automatikus 5
nyomásszabályozó rendszere továbbra is a 10-12 km-es repülési magasságnak megfelelő értéken tartja. Ennek következtében pf > pH, vagyis a hermetikus terekben túlnyomás kerül létrehozásra. Ez biztosítja, hogy normál repülési üzemben 12 km felett is elegendő a tiszta oxigénnel történő lélegeztetés. Vész üzemben, ha a repülőgép zárt terei 12 km felett kihermetizálódnak, túlnyomásos lélegeztetésre van szükség, amikor a belégzésre kerülő tiszta oxigén a külső nyomást meghaladó nyomással kerül adagolásra. A túlnyomásos lélegeztetés az oxigénrendszer vész üzemmódja és csak rövid ideig (a biztonságos magasságra való süllyedésig) alkalmazható. A túlnyomásos lélegeztetésnél fellépő problémákat a fedélzeti oxigénellátó rendszer a repülőgépvezető egyéni védőfelszerelésével együttműködve oldja meg. Ezek közül a legfontosabbak a hermetikus sisak vagy oxigénálarc és a magassági nyomáskiegyenlítő (kompenzáló) ruha. A hermetikus repülőgépvezető-fülke hőmérséklet-szabályozó rendszere A repülési magasság növekedésével a levegő hőmérséklete folyamatosan csökken, 11 km-es magasságon eléri a -56,6 oC értéket és a magasság további növekedésekor nem változik. Az alacsony hőmérsékletnek az emberi szervezetre, az élet- és munkakörülményekre gyakorolt hatása ismert. Ezen hatások kiküszöbölésére a hermetikusan zárt terek hőmérsékletét állandó értéken kell tartani. Ezt a feladatot a hermetikus terek hőmérsékletszabályozó rendszerei oldják meg. A hőmérsékletszabályozó rendszer olyan zárt követő szabályozási rendszer, amelynek alapjelét (a kívánt hőmérsékletet) a repülőgépvezető adja meg, a rendszer feladata ennek a beállított hőmérsékletnek az állandó értéken tartása a külső zavaró hatások kiküszöbölésével. A zárt terek pillanatnyi hőmérsékletét bimetall vagy hőellenállás érzékeli, ezek jele alapján kerül kidolgozásra az ellenőrző jel, amely az alapjellel kerül összehasonlításra. A szabályozás az összehasonlítás eredményétől függően valósul meg. Maga a fűtés lehet villamos fűtés vagy légfűtés. Villamos fűtés ritkábban, főleg kisebb repülőgépeken kerül alkalmazásra, jelentős hátránya hogy nagy teljesítményt vesz fel a gép villamos rendszeréből. A légfűtés lényege, hogy a kívülről beszívott hideg levegőt megfelelő arányban összekeverjük a hajtóműtől elvezetett meleg levegővel és az így létrejövő, megfelelő hőmérsékletű levegőt áramoltatjuk a zárt terekbe. A túlterhelések káros hatásai ellen védő rendszer Nagy sebességű, nagy manőverező képességgel rendelkező repülőgépeken a személyzet munkavégző képességét nagyban befolyásolják a repülés közben fellépő túlterhelések. Ezeket a repülőgép tengelyeihez kapcsolt test koordináta rendszer tengelyei mentén szokás értelmezni. Megkülönböztetünk hossz- és keresztirányú, valamint függőleges irányú túlterhelést. A hossz- és keresztirányú túlterhelések kisebb értékűek lehetnek, a szervezetre gyakorolt hatásuk nem jelentős. A függőleges (fej-láb) irányú túlterhelések nagyobb értékűek lehetnek (~ 10 g értékig), és a szervezetre gyakorolt hatásuk is jelentősebb. Nagyobb értékű túlterhelés eszméletvesztéshez is vezethet. A repülés közben fellépő túlterhelések káros hatásai ellen a személyzet szervezetét a túlterhelés ellen védő (g-) ruha és a működét biztosító nyomásautomata valósítja meg.
6
A rendszer rendeltetése a repülőgépvezető szervezetének védelme a függőleges (láb-fej irányú) túlterhelések káros hatásai ellen. A repülőgépvezető egyéni védőfelszerelését képező ruha a fedélzeti berendezések közül a normális működést biztosító nyomásautomatával működik együtt. A ruha pneumatikus rendszerének táplálása általában a hajtómű kompresszorától elvezetett sűrített levegővel történik. A ruha, amely nem az egész testet fedi, hanem csak a törzs alsó részét és a lábakat, gyakorlatilag mechanikai nyomást hoz létre az alsó végtagokra, ellensúlyozva ezzel a vér hidrosztatikus nyomásának növekedését a fellépő túlterheléseknél. A ruhában alkalmazott tömlők lehetnek hengeresek vagy laposak, esetleg egy adott ruhán belül vegyesek, és gyakran a magassági nyomáskiegyenlítő ruha kompenzáló tömlőivel közösen vannak elhelyezve. A nyomásautomata fej-láb irányú túlterhelésnél késleltetés nélkül, automatikusan biztosítja a ruha tömlőiben a kompenzáló nyomás megfelelő értékét. Szerkezetét tekintve házból és a benne elhelyezett szelepből áll. A szelepet egyensúlyi helyzetében rugókkal megtartott tehetetlenségi tömeg nyitja illetve zárja, amely a túlterhelést érzékeli. Túlterhelés megjelenésekor a szelep nyitásának mértéke a túlterhelés nagyságától és a ruhában kialakuló nyomás értékétől (negatív visszacsatolás) függ. A nyomásautomata különböző túlterhelésekre felvett nyomáskarakterisztikái a legtöbb esetben változtathatók, így egy adott nyomásautomata több ruhatípushoz is alkalmazható lesz. Az automata normál működésének és a ruhatömlők épségének biztosítására az automatába kerülő levegőt szűrik a mechanikus szennyeződésektől. FELHASZNÁLT IRODALOM [1] NEMES István: Fedélzeti műszerek és műszerrendszerek II. kötet Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1979, 127-155. o. [2] HORVÁTH Dezső: Oxigénberendezések elméleti alapjai – Légijárműveken alkalmazott fedélzeti oxigénberendezések I.-II. kötet SzRF főiskolai jegyzet, 1994. [3] DR. TAKÁTS László: Kézikönyv repülőknek. Sky Home Service kiadvány, 1992, 41-50. o. [4] Gripen – Technical Description Overview, SAAB-British Aerospace, 1998, pp. 34. [5] The F/A-18 Hornet International Multimission Strike Fighter, McDonnell Douglas Aerospace, 1996, pp. 15-1 – 15-4. [6] J.N. KIRILLOV: Szisztyémi obezpecsenyija zsiznyegyejátyelnosztyi ekipázsej letatyelnih apparatov, Kievszkoe Viszsee Voennoe Aviacionnoe Ucsiliscse, Kiev, 1979.
7
