Самолет с автономной кислородной системой

Самолет с автономной кислородной системой

Реферат

Область техники

Изобретение относится к авиации, а именно к системам жизнеобеспечения экипажей высотных летательных аппаратов, более конкретно к кислородным системам самолетов, и может быть использовано с целью повышения безопасности полета и улучшения эксплуатационных характеристик маневренных самолетов: истребителей, штурмовиков, перехватчиков.

Уровень техники

Известна безбалонная кислородная система самолета - система жизненной поддержки экипажа самолета, раскрытая в европейском патенте фирмы NORMALAIR-GARRETT (HOLDINGS) LIMITED (Великобритания) ЕР 0321140, кл. МКИ B64D 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, и герметичный запасной контейнер. Концентрация кислорода в производимом газе определяется датчиком концентрации газа, вырабатывающим сигнал для электронной управляющей системы (ЭУС). ЭУС вырабатывает сигналы для переключения управляющего клапана, управляющего подачей производимого газа к дыхательному автомату от БКДУ или от запасного контейнера. ЭУС вырабатывает также сигналы для зарядного клапана, обеспечивающего зарядку запасного контейнера от БКДУ. Дыхательный командный регулятор дыхательного автомата поставляет вырабатываемый газ от БКДУ 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 БКДУ 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. Кроме того, система не обеспечивает питание члена экипажа при катапультировании.

Известна кислородная система по патенту США №5169415 (B01D 59/10, 1992 г.). Система включает устройство воздухоподготовки, выполненное в виде устройства подогрева и охлаждения воздуха, и кислорододобывающую установку, выполненную в виде воздушного сепаратора, вырабатывающего дыхательную смесь из сжатого воздуха от двигателя и набегающего воздушного потока. Однако система не содержит кислородных приборов, предназначена для подачи дыхательной смеси в кабину и не решает задачи питания члена экипажа высотного маневренного самолета.

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 (БКДУ), сообщенный с компрессором двигателя и вырабатывающий обогащенную кислородом дыхательную смесь, кабинное клапанное устройство, кислородный регулятор, связанный трубопроводом с кислородной маской члена экипажа, к которому также подсоединен трубопровод кислородной системы катапультируемого кресла, выполненной 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. Салон Ле-Бурже 2004 г.).

Система не обеспечивает летчика достаточной и достоверной информацией о работе и состоянии кислородной системы, что снижает безопасность полета и ограничивает функциональные возможности самолета.

Сущность изобретения

Задачей изобретения является разработка такого самолета с автономной кислородной системой, который обладал бы повышенной безопасностью полета за счет выработки на его борту достоверной, надежной информации для летчика о состоянии и работоспособности кислородной системы.

Кроме того, конструкция самолета должна обеспечивать максимальное расширение его функциональных возможностей за счет снятия ограничений по работе кислородной системы.

Поставленная задача достигается тем, что самолет с автономной кислородной системой, содержащий силовую установку с датчиком запуска двигателей, взлетно-посадочное устройство, системы и органы управления, планер с герметичной кабиной для экипажа, катапультируемое кресло, бортовую вычислительную машину (БЦВМ), бортовую систему индикации (МФЦИ), бортовую систему регистрации, кислородную систему, включающую устройство подготовки воздуха (УПВ), бортовую кислорододобывающую установку (БКДУ), кислородный прибор (КП), регулятор давления (РД), автомат давления (АД), датчик подачи газа на дыхание (ДПГД), аварийную кислородную систему катапультного кресла (КСКК) и датчик давления воздуха в кабине, содержит бортовую систему управления и контроля оборудования (СУОСО), выполненную в виде блока преобразований (БПВ), связанного с блоком управляющих команд (БУК), при этом входы БПВ связаны с выходами БКДУ, УПВ, ДПГД, датчика запуска двигателей и датчика давления воздуха в кабине, а БУК связан своими выходами с УПВ, КСКК, бортовой системой индикации и регистратором.

Более того, электронный блок БКДУ выполнен вырабатывающим по программе следующие сигналы:

- «КИСЛОРОД - ОТКАЗ» - при величине парциального давления кислорода в системе от 18 до 15 кПа в течение более 10 мин., или от 15 до 13 кПа в течение более 30 сек, или при достижении им величины 13 кПа, или при давлении дыхательной газовой смеси на выходе из БКДУ менее 20 кПа;

- «КИСЛОРОД- НОРМА» при парциальном давлении кислорода; более 18 кПа, или при величине его от 18 до 15 кПа в течение 10 мин, или при величине его от 15 до 13 кПа в течение 30 сек, и при избыточном давлении газовой смеси на выходе из БКДУ более 20 кПа;

- «КИСЛОРОД - ОТКАЗ» - при проверке на земле по сигналу обжатия шасси при парциальном давлении ниже 25 кПа, или при избыточном давлении газовой смеси на выходе из БКДУ менее 20 кПа.

Такое выполнение самолета позволяет летчику получать достоверную и полную информацию о состоянии и работоспособности кислородной системы и за счет этого повысить безопасность полета и расширение функциональных возможностей.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена блок-схема системы управления и контроля оборудования.

Осуществление изобретения

В соответствии с изобретением самолет с кислородной системой содержит силовую установку, взлетно-посадочное устройство, системы и органы управления, планер с герметичной кабиной для экипажа, катапультируемое кресло, бортовую систему индикации, кислородную систему.

Самолет содержит и другие известные системы и оборудование, необходимые для его функционирования.

Кислородная система 1 (см. чертеж) включает устройство подготовки воздуха (УПВ) 3 с электроприводом крана УПВ, бортовую кислорододобывающую установку (БКДУ) с электронным блоком БКДУ 2, датчик подачи газа на дыхание (ДПГД) 4, аварийную кислородную систему 5 катапультного кресла (КСКК) с электромеханизмом аварийного включения, а также кислородный прибор (КП), регулятор давления (РД), автомат давления (АД) (на схеме не показано).

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.

Электронный блок БКДУ воспринимает показания газоанализатора парциального давления кислорода и показания сигнализатора давления дыхательной газовой смеси и выдает в бортовую систему сигналы:

- «выход на режим»;

-«кислород - норма»;

- «кислород - отказ»;

- «текущее значение парциального давления кислорода».

Кроме того, самолет содержит бортовую систему управления общесамолетным оборудованием (СУОСО) 6, бортовую цифровую вычислительную машину (БЦВМ) 9, бортовую систему индикации с многофункциональным цифровым индикатором (МФЦИ) 10 и регистратор 11, выполненный в виде устройства записи параметров кислородной системы на эксплуатационный и защищенный бортовые накопители.

СУОСО выполнена в виде блока преобразований (БПВ) 7, связанного с блоком управляющих команд (БУК) 8. При этом входы БПВ связаны с выходами БКДУ, УПВ, ДПГД, датчика запуска двигателей и датчика давления воздуха в кабине, а БУК связан своими выходами с УПВ, КСКК, бортовой цифровой вычислительной машиной (БЦВМ), МФЦИ 10 бортовой системой индикации и регистратором 11.

Система управления и контроля оборудованием (СУОСО) предназначена для управления оборудованием и исполнительными устройствами самолета.

В состав СУОСО входит:

- блок преобразований и вычислений БПВ;

- блок управляющих команд БУК.

Блок БПВ принимает и преобразовывает в цифровой код дискретные и аналоговые сигналы, выдаваемые электронным блоком БКДУ, УПВ, ДПГД:

- выход на режим;

- кислород - норма;

- кислород - отказ; дискретные сигналы

- аварийный кислород;

- кран открыт;

- кран закрыт;

- парциальное давление кислорода, подача кислорода по фазам «вдох-выдох» - аналоговые сигналы;

а также сигналы других самолетных систем:

- запуск двигателей;

- высота к кабине;

- таймер;

- обжатие шасси.

Блок БУК принимает от блока БПВ необходимые сигналы, формирует их и выдает разовые команды на исполнительные механизмы изделий кислородной системы:

- электропривод крана УПВ;

- электромеханизм КСКК.

Бортовая цифровая вычислительная машина БЦВМ принимает преобразованные сигналы СУОСО (БПВ) и по программе передает их сопрягаемым системам:

- многофункциональному цифровому индикатору МФЦИ;

- регистратору.

Электронный блок БКДУ выполнен вырабатывающим по программе следующие сигналы:

- «КИСЛОРОД - ОТКАЗ» - при величине парциального давления кислорода в системе от 18 до 15 кПа в течение более 10 мин, или от 15 до 13 кПа в течение более 30 сек, или при достижении им величины 13 кПа, или при давлении дыхательной газовой смеси на выходе из БКДУ менее 20 кПа;

- «КИСЛОРОД- НОРМА» при парциальном давлении кислорода: более18 кПа, или при величине его от 18 до 15 кПа в течение 10 мин, или при величине его от 15 до 13 кПа в течение 30 сек, и при избыточном давлении газовой смеси на выходе из БКДУ более 20 кПа;

- «КИСЛОРОД - ОТКАЗ» - при проверке на земле по сигналу обжатия шасси при парциальном давлении ниже 25 кПа, или при избыточном давлении газовой смеси на выходе из БКДУ менее 20 кПа;

Такой алгоритм формирования сигналов выбран по следующим причинам.

Парциальное давление кислорода в дыхательной смеси имеет определяющее значение для жизни и работоспособности летчика. Однако летчик не в состоянии чувствовать или определить его во вдыхаемом воздухе, и при значительном снижении парциального давления потеря работоспособности летчика может произойти внезапно. Поэтому необходимо летчику иметь постоянно информацию о значении парциального давления в системе.

Установленные ограничения допустимых и предельно допустимых значений парциального давления кислорода в продуцируемой газовой смеси, используемые в алгоритме работы системы автоматического контроля БКДУ в полете, имеют физиологическое обоснование.

Величина 18 кПа соответствует нормоксическим условиям, эквивалентным высоте полета 1,5 км при дыхании окружающим воздухом (верхней границе допустимой зоны гипоксии в соответствии), признанным безопасными для дыхания в течение длительного времени.

Величина 15 кПа соответствует нижней границе предельно допустимой зоны гипоксических условий, эквивалентных высоте 3 км при дыхании окружающим воздухом, обеспечивающих безопасность экипажа в аварийных ситуациях.

Величина 13 кПа соответствует верхней границе предельно допустимой зоны гипоксических условий, эквивалентных высоте 4 км при дыхании окружающим воздухом, обеспечивающих безопасность экипажа при отказах средств защиты.

Кроме того, было установлено, что при значениях парциального давления кислорода, находящихся в диапазоне 18-15 кПа, летчик может находиться в безопасности в течение 10 мин.

Значение 13 кПа соответствует величине парциального давления на высоте ˜4 км, на которой человек не может находиться, и необходимо сразу же включать аварийную систему.

Давление газовой смеси на выходе из БКДУ менее 20 кПа также не обеспечивает потребности летчика в кислороде.

При наземной отработке, предполетном и послеполетном контроле кислородной системы в БКДУ поступает воздух с парциальным давлением кислорода 21 кПа.

Снижение на земле парциального давления кислорода ниже 25 кПа свидетельствует о неработоспособности кислородной системы. Для обеспечения контроля БКДУ на земле необходимо задать порог срабатывания системы выше 21 кПа, что достигается тем, что на земле в электронный блок поступает с концевого выключателя стойки шасси сигнал «ШАССИ ОБЖАТО», изменяющий порог чувствительности системы на 25 кПа, и формируются сигналы:

- «КИСЛОРОД- НОРМА» - при парциальном давлении >25 кПа и при избыточном давлении газовой смеси на выходе из БКДУ более 20 кПа;

- «КИСЛОРОД- ОТКАЗ» - при парциальном давлении <25 кПа или при избыточном давлении газовой смеси на выходе из БКДУ менее 20 кПа.

Работа самолетных систем осуществляется следующим образом.

Работа кислородной системы начинается с момента включения электропитания (после запуска вспомогательной силовой установки) включателем «КИСЛОРОД-ВКЛ. ОТКЛ.» (общей скобы включения всех систем), при этом происходит прогрев и юстировка газоанализатора (в течение 5 мин). На экране МФЦИ должен появиться сигнал «ВЫХОД НА РЕЖИМ» (мигающий мнемонический знак бело-голубого цвета типа «зебра»), выдаваемый через СУОСО в БЦВМ электронным блоком БКДУ. Через 0,5-1 мин после запуска двигателей (в течение этого времени происходит сброс конденсата из магистралей двигателей и вспомогательной силовой установки) СУОСО выдает сигнал на управление краном подачи воздуха на УПВ. Электропривод переводит кран УПВ из режима «дренаж» в режим подачи воздуха от двигателей в БКДУ.

Воздух от двигателей, проходя через УПВ, поступает в адсорберы БКДУ, где разделяется на смесь, обогащенную кислородом, которая поступает в кислородные маски для дыхания экипажу, и смесь, обогащенную азотом, которая сбрасывается за борт.

В полете информация о состоянии дыхательной газовой смеси от газоанализатора и сигнализатора давления БКДУ поступает в ее электронный блок, в котором она обрабатывается и передается через СУОСО в БЦВМ, в которой заложена программа для формирования на экране МФЦИ информации:

- «КИСЛОРОД- НОРМА» при достижении значений парциального давления кислорода:

а) >18 кПа;

б) от 18 до 15 кПа в течение 10 мин;

в) от 15 до 13 кПа в течение 30 сек;

и при избыточном давлении газовой смеси на выходе из БКДУ >20 кПа;

- «КИСЛОРОД - ОТКАЗ» при достижении значений парциального давления кислорода:

а) от 18 до 15 кПа в течение более 10 мин;

б) от 15 до 13 кПа в течение более 30 сек;

в) менее 13 кПа;

г)избыточное давление газовой смеси на выходе из БКДУ <20 кПа.

При отказе БКДУ на высоте >8000 м в СУОСО поступает сигнал Н_к>8000 м и сигнал «КИСЛОРОД - ОТКАЗ», которые преобразуются в цифровой код, и через БУК выдается электрокоманда на включение аварийной подачи кислорода от КСКК.

При разгерметизации на «высоте» в кабине ≥10000 м происходит автоматическое включение КСКК независимо от сигнала «КИСЛОРОД - ОТКАЗ» или «КИСЛОРОД - НОРМА».

При включении КСКК в СУОСО формируется сигнал «АВАРИЙНЫЙ КИСЛОРОД», который индуцируется на экране МФЦИ.

При необходимости летчик по вызову может получить полную информацию о состоянии кислородной системы, которая по сигналам, выдаваемым БКДУ, формируется в БЦВМ и через СУОСО передается на экран МФЦИ.

После остановки обоих двигателей БЦВМ через СУОСО выдает сигнал на управление краном подачи воздуха на УПВ, при этом кран переводится из режима подачи воздуха от двигателей в режим «дренаж». На экране МФЦИ появляется текстовое сообщение «БКДУ ОТКЛЮЧЕНА».

Такое выполнение самолета с автономной кислородной системой позволяет получить следующие технико-экономические преимущества:

- повышение безопасности полета за счет выдачи пилотам надежной информации о поступлении дыхательной смеси с определенным значением парциального давления кислорода;

- контроль за состоянием кислородной системы на всех этапах полета, а также при предполетной и послеполетной подготовках;

- сокращение времени предполетной подготовки за счет отсутствия заправки кислородом.

1. Самолет с автономной кислородной системой, содержащий силовую установку с датчиком запуска двигателей, взлетно-посадочное устройство, системы и органы управления, планер с герметичной кабиной для экипажа, катапультируемое кресло, бортовую вычислительную машину, бортовую систему индикации, бортовую систему регистрации, кислородную систему, включающую устройство подготовки воздуха, бортовую кислорододобывающую установку, кислородный прибор, регулятор давления, автомат давления, датчик подачи газа на дыхание, сигнализатор давления, аварийную кислородную систему катапультного кресла, и датчик давления воздуха в кабине, отличающийся тем, что содержит бортовую систему управления и контроля оборудования, выполненную в виде блока преобразований, связанного с блоком управляющих команд, при этом входы блока преобразований связаны с выходами бортовой кислорододобывающей установки, устройства подготовки воздуха, датчика подачи газа на дыхание, датчика запуска двигателей и датчика давления воздуха в кабине, а блок управляющих команд связан своими выходами с устройством подготовки воздуха, аварийной кислородной системой катапультного кресла, бортовой системой индикации и регистратором.

2. Самолет с автономной кислородной системой по п.1, отличающийся тем, что электронный блок бортовой кислорододобывающей установки выполнен вырабатывающим сигнал «КИСЛОРОД - ОТКАЗ» при величине парциального давления кислорода в системе от 18 до 15 кПа в течение более 10 мин, или от 15 до 13 кПа в течение более 30 с, или при достижении им величины 13 кПа, или при давлении дыхательной газовой смеси на выходе из бортовой кислорододобывающей установки менее 20 кПа.

3. Самолет с автономной кислородной системой по п.1, отличающийся тем, что электронный блок бортовой кислорододобывающей установки выполнен вырабатывающим сигнал «КИСЛОРОД - НОРМА» при парциальном давлении кислорода: более 18 кПа, или при величине его от 18 до 15 кПа в течение 10 мин, или при величине его от 15 до 13 кПа в течение 30 с, и при избыточном давлении газовой смеси на выходе из бортовую кислорододобывающую установку более 20 кПа.

4. Самолет с автономной кислородной системой по п.1, отличающийся тем, что электронный блок бортовой кислорододобывающей установки выполнен вырабатывающим при проверке на земле по обжатию шасси сигнал «КИСЛОРОД - ОТКАЗ» - при парциальном давлении кислорода ниже 25 кПа, или при избыточном давлении газовой смеси на выходе из бортовой кислорододобывающей установки менее 20 кПа.