Druck der Atmosphäre
Die Gase der Atmosphäre (Luft) haben ein Gewicht, obwohl sie unsichtbar sind. Eine Luftsäule von einem Quadratzoll, die sich vom Meeresspiegel in den Weltraum erstreckt, wiegt 14,7 Pfund. Daher kann festgestellt werden, dass der Druck der Atmosphäre oder der atmosphärische Druck auf Meereshöhe 14,7 psi beträgt.
Der atmosphärische Druck wird auch barometrischer Druck genannt und mit einem Barometer gemessen. Diese Messungen werden auf verschiedene Weise ausgedrückt, z. B. in Zoll Quecksilbersäule oder Millimeter Quecksilbersäule, und stammen aus der Beobachtung der Quecksilberhöhe in einer Säule, wenn Luftdruck auf ein Quecksilberreservoir ausgeübt wird, in das die Säule eingesetzt ist. Die Säule muss evakuiert werden, damit die Luft im Inneren dem Aufsteigen des Quecksilbers nicht entgegenwirkt. Eine 29,92 Zoll hohe Quecksilbersäule wiegt genauso viel wie eine Luftsäule, die sich vom Meeresspiegel bis zum oberen Ende der Atmosphäre erstreckt und den gleichen Querschnitt wie die Quecksilbersäule hat.
Flieger tauschen häufig Bezugnahmen auf den atmosphärischen Druck zwischen linearer Verschiebung (z. B. Zoll Quecksilbersäule) und Krafteinheiten (z. B. psi) aus. Im Laufe der Jahre hat die Meteorologie ihre Verwendung der linearen Verschiebungsdarstellung des atmosphärischen Drucks auf Krafteinheiten verlagert. Die Einheit der Kraft, die heute fast überall verwendet wird, um den atmosphärischen Druck in der Meteorologie darzustellen, ist jedoch das Hektopascal (hPa). Ein Hektopascal ist eine metrische (SI) Einheit, die die Kraft in Newton pro Quadratmeter ausdrückt. 1.013,2 hPa entsprechen 14,7 psi.
Der atmosphärische Druck nimmt mit zunehmender Höhe ab. Die einfachste Erklärung dafür ist, dass die gewogene Luftsäule kürzer ist. Wie sich der Druck für eine bestimmte Höhe ändert, ist in Abbildung dargestellt. Der Druckabfall ist schnell und bei 50.000 Fuß ist der atmosphärische Druck auf fast ein Zehntel des Meeresspiegelwerts gefallen.
Temperatur und Höhe
Temperaturschwankungen in der Atmosphäre sind für Flieger von Bedeutung. Wettersysteme erzeugen Temperaturänderungen in der Nähe der Erdoberfläche. Auch die Temperatur ändert sich mit zunehmender Höhe. Die Troposphäre ist die unterste Schicht der Atmosphäre. Im Durchschnitt reicht es von der Erdoberfläche bis etwa 38.000 Fuß darüber. Über den Polen erstreckt sich die Troposphäre nur auf 25.000 bis 30.000 Fuß und am Äquator kann sie sich auf etwa 60.000 Fuß erstrecken.
Der größte Teil der zivilen Luftfahrt findet in der Troposphäre statt, in der die Temperatur mit zunehmender Höhe abnimmt. Die Änderungsrate ist ziemlich konstant bei etwa –2 °C oder –3,5 °F pro 1.000 Fuß Höhenzunahme. Die obere Grenze der Troposphäre ist die Tropopause. Es ist als eine Zone mit relativ konstanter Temperatur von –57 °C oder –69 °F gekennzeichnet.
Oberhalb der Tropopause liegt die Stratosphäre. Die Temperatur steigt mit der Höhe in der Stratosphäre bis nahe 0 °C an, bevor sie in der darüber liegenden Mesosphäre wieder abnimmt. Die Stratosphäre enthält die Ozonschicht, die die Erdbewohner vor schädlichen UV-Strahlen schützt. Einige zivile Flüge und zahlreiche militärische Flüge finden in der Stratosphäre statt. Abbildung zeigt die Temperaturschwankungen in verschiedenen Schichten der Atmosphäre.
Wenn ein Flugzeug in großer Höhe geflogen wird, verbraucht es bei einer bestimmten Fluggeschwindigkeit weniger Treibstoff als bei der gleichen Geschwindigkeit in geringerer Höhe. Dies ist auf einen verringerten Luftwiderstand zurückzuführen, der sich aus der Verringerung der Luftdichte ergibt. Schlechtes Wetter und Turbulenzen können auch vermieden werden, indem man in der relativ ruhigen Luft über Stürmen und konvektiven Aktivitäten fliegt, die in der unteren Troposphäre auftreten. Um diese Effizienzen zu nutzen, sind Flugzeuge mit Umweltsystemen ausgestattet, um extreme Temperatur- und Druckniveaus zu überwinden. Während zusätzlicher Sauerstoff und Mittel zum Warmhalten ausreichen, wurden Flugzeugdruckbeaufschlagungs- und Klimaanlagensysteme entwickelt, um Flüge in großer Höhe angenehmer zu machen. Abbildung zeigt die Temperaturen und Drücke in verschiedenen Höhen in der Atmosphäre.
Druckbeaufschlagungsbedingungen
Die folgenden Begriffe sollten für die folgende Erörterung von Druckbeaufschlagungs- und Kabinenumgebungssystemen verstanden werden:
1. Kabinenhöhe – angesichts des Luftdrucks in der Kabine die Höhe an einem Standardtag, an der der gleiche Druck wie in der Kabine herrscht. Anstatt zu sagen, dass der Druck in der Kabine 10,92 psi beträgt, kann man sagen, dass die Kabinenhöhe 8.000 Fuß (MSL) beträgt.
2. Kabinendifferenzdruck – die Differenz zwischen dem Luftdruck innerhalb der Kabine und dem Luftdruck außerhalb der Kabine. Kabinendruck (psi) – Umgebungsdruck (psi) = Kabinendifferenzdruck (psid oder Δ psi).
3. Steiggeschwindigkeit der Kabine – die Änderungsrate des Luftdrucks in der Kabine, ausgedrückt in Fuß pro Minute (fpm) der Höhenänderung der Kabine.
Probleme mit der Druckbeaufschlagung
Das Unterdrucksetzen einer Flugzeugkabine trägt dazu bei, einen Flug in der feindlichen Umgebung der oberen Atmosphäre zu ermöglichen. Der Grad der Druckbeaufschlagung und die Betriebshöhe jedes Flugzeugs werden durch kritische Konstruktionsfaktoren begrenzt. Ein Kabinendrucksystem muss mehrere Funktionen erfüllen, wenn es angemessenen Komfort und Sicherheit für Passagiere gewährleisten soll. Es muss in der Lage sein, unabhängig von der Reiseflughöhe des Flugzeugs eine Kabinendruckhöhe von ungefähr 8.000 Fuß oder weniger aufrechtzuerhalten. Dadurch soll sichergestellt werden, dass Passagiere und Besatzung genügend Sauerstoff mit ausreichendem Druck haben, um eine vollständige Blutsättigung zu ermöglichen. Ein Druckbeaufschlagungssystem muss auch so ausgelegt sein, dass es schnelle Änderungen des Kabinendrucks verhindert, die für Passagiere und Besatzung unbequem oder schädlich sein können. Zusätzlich, Ein Druckbeaufschlagungssystem sollte Luft aus dem Inneren der Kabine mit einer Geschwindigkeit nach außen zirkulieren lassen, die Gerüche schnell beseitigt und verbrauchte Luft entfernt. Auch Kabinenluft muss in Flugzeugen mit Druckkabine geheizt oder gekühlt werden. Typischerweise sind diese Funktionen in die Druckbeaufschlagungsquelle integriert.
Zur Druckbeaufschlagung muss ein Teil des Flugzeugs, das Luft mit einem höheren Druck als dem atmosphärischen Außendruck enthalten soll, abgedichtet werden. Vielfältige Materialien ermöglichen dies. Zusammendrückbare Dichtungen um Türen bilden in Kombination mit verschiedenen anderen Dichtungen, Ösen und Dichtungsmitteln im Wesentlichen einen luftdichten Druckbehälter. Dazu gehören in der Regel die Kabine, der Flugraum und die Gepäckräume. Luft wird dann in diesen Bereich mit einer konstanten Geschwindigkeit gepumpt, die ausreicht, um den Druck leicht über den erforderlichen Druck zu erhöhen. Die Steuerung wird aufrechterhalten, indem die Rate eingestellt wird, mit der die Luft aus dem Flugzeug strömen darf.
Ein Schlüsselfaktor bei der Druckbeaufschlagung ist die Fähigkeit des Rumpfes, den Kräften zu widerstehen, die mit dem Anstieg des Drucks innerhalb der Struktur gegenüber dem äußeren Umgebungsdruck verbunden sind. Dieser Differenzdruck kann von 3,5 psi für ein einmotoriges Hubkolbenflugzeug bis zu etwa 9 psi bei Hochleistungsstrahlflugzeugen reichen. Wenn das Gewicht der Flugzeugstruktur keine Rolle spielen würde, wäre dies kein Problem. Ein Flugzeug stark für Druckbeaufschlagung, aber auch leicht zu machen, war eine technische Herausforderung, die seit den 1930er Jahren über viele Jahre hinweg bewältigt wurde. Die Entwicklung von Düsenflugzeugen und ihre Fähigkeit, den Flug mit geringem Luftwiderstand in größerer Höhe auszunutzen, machte das Problem noch deutlicher. Heute setzt die Verbreitung von Verbundwerkstoffen in der Flugzeugstruktur diese technische Herausforderung fort.
Zusätzlich dazu, dass es stark genug ist, um dem Druckunterschied zwischen der Luft innerhalb und der Luft außerhalb der Kabine standzuhalten, schwächt die Metallermüdung durch wiederholte Druckbeaufschlagung und -entlastung die Flugzeugzelle. Einige frühe unter Druck stehende Flugzeugstrukturen versagten dadurch und führten zu tödlichen Unfällen. Das Alterungsflugzeugprogramm der FAA wurde eingeführt, um die Inspektionsprüfung älterer Flugzeugzellen zu verstärken, die aufgrund des Druckbeaufschlagungszyklus Anzeichen von Ermüdung aufweisen können.
Flugzeuge jeder Größe können unter Druck gesetzt werden. Gewichtserwägungen bei der Herstellung des Rumpfes, der stark genug ist, um einer Druckbeaufschlagung standzuhalten, beschränken die Druckbeaufschlagung normalerweise auf Hochleistungs-Leichtflugzeuge und größere Flugzeuge. Es gibt einige unter Druck stehende einmotorige Hubkolbenflugzeuge sowie viele unter Druck stehende einmotorige Turboprop-Flugzeuge.
Druckluftquellen
Die Luftquelle zum Unterdrucksetzen eines Flugzeugs variiert hauptsächlich mit dem Triebwerkstyp. Hubkolbenflugzeuge haben Druckbeaufschlagungsquellen, die sich von denen von Flugzeugen mit Turbinenantrieb unterscheiden. Beachten Sie, dass die Kompression von Luft ihre Temperatur erhöht. In die meisten Drucksysteme ist ein Mittel eingebaut, um die Druckluft kühl genug zu halten. Er kann in Form eines Wärmetauschers vorliegen, der kalte Umgebungsluft verwendet, um die Temperatur der Luft von der Druckquelle zu modifizieren. Es kann auch ein Klimaanlagensystem mit vollständigem Luftkreislauf mit Expansionsturbine verwendet werden. Letzteres bietet den Vorteil der Temperaturregelung am Boden und in geringen Höhen, wo die Umgebungslufttemperatur für Passagiere und Besatzung höher als angenehm sein kann.
Flugzeuge mit Kolbenmotor
Es gibt drei typische Luftquellen, die verwendet werden, um Hubkolbenflugzeuge unter Druck zu setzen: Kompressor, Turbolader und motorgetriebener Kompressor. Kompressoren und Turbolader werden an Hubkolbenmotoren installiert, um eine bessere Leistung in großer Höhe zu ermöglichen, indem die Menge und der Druck der Luft im Ansaugsystem erhöht werden. Ein Teil der von diesen erzeugten Luft kann in die Kabine geleitet werden, um sie unter Druck zu setzen.
Ein Lader wird mechanisch vom Motor angetrieben. Obwohl die Motorleistung aufgrund des höheren Ansaugsystemdrucks zunimmt, wird ein Teil der Motorleistung vom Kompressor genutzt. Außerdem haben Kompressoren eine begrenzte Fähigkeit, die Motorleistung zu steigern. Wenn sowohl der Einlass als auch die Kabine mit Luft versorgt werden, ist die Triebwerksleistungsgrenze niedriger, als wenn das Flugzeug nicht unter Druck gesetzt wäre. Supercharger müssen stromaufwärts der Kraftstoffzufuhr angeordnet sein, die für die Druckbeaufschlagung verwendet werden soll. Sie sind in älteren Flugzeugen mit Kolbenmotor zu finden, einschließlich solcher mit Sternmotoren.
Turbolader, manchmal auch als Turbosuperlader bekannt, werden durch Motorabgase angetrieben. Sie sind die häufigste Quelle der Druckbeaufschlagung in modernen Flugzeugen mit Hubkolbenmotor. Die Turboladerlaufradwelle erstreckt sich durch das Lagergehäuse, um ein Kompressionslaufrad in einem separaten Gehäuse zu lagern. Durch die Verwendung eines Teils der Druckluft des Turboladers zur Druckbeaufschlagung der Kabine steht weniger für die Ansaugladung zur Verfügung, was zu einer geringeren Gesamtleistung des Motors führt. Nichtsdestotrotz werden die ansonsten verschwendeten Abgase im Turboladerkompressor eingesetzt, was einen Höhenflug mit den Vorteilen eines geringen Luftwiderstands und Wettervermeidung bei relativem Komfort und ohne die Verwendung von zusätzlichem Sauerstoff ermöglicht.
Sowohl Kompressoren als auch Turbolader sind ölgeschmiert. Der Kompressor ist Teil des Kraftstoffansaugsystems und der Turbolader ist Teil des Abgassystems. Daher besteht die Gefahr einer Verunreinigung der Kabinenluft durch Öl, Kraftstoff oder Abgase, falls eine Fehlfunktion auftritt, ein Mangel dieser Druckbeaufschlagungsquellen.
Eine dritte Luftquelle zum Unterdrucksetzen der Kabine in einem Hubkolbenflugzeug ist ein motorbetriebener Kompressor. Ein unabhängiger, dedizierter Kompressor zur Druckbeaufschlagung, entweder riemengetrieben oder zahnradgetrieben durch den Nebenantrieb, vermeidet einige der potenziellen Verschmutzungsprobleme von Kompressoren und Turboladern. Die Kompressorvorrichtung fügt jedoch beträchtliches Gewicht hinzu. Es verbraucht auch Motorleistung, da es motorgetrieben ist.
Das Roots-Gebläse wird bei älteren, großen Kolbenmotorflugzeugen eingesetzt. Die beiden Flügel in diesem Kompressor berühren weder einander noch das Kompressorgehäuse. Während sie sich drehen, tritt Luft in den Raum zwischen den Flügeln ein und wird komprimiert und zur Druckbeaufschlagung an die Kabine geliefert. Unabhängige motorbetriebene Zentrifugalkompressoren sind auch in Flugzeugen mit Kolbenmotor zu finden. Ein Getriebeantriebssystem mit variablem Übersetzungsverhältnis wird verwendet, um eine konstante Luftströmungsrate bei Änderungen der Motordrehzahl aufrechtzuerhalten.
In der Nähe der maximalen Betriebshöhe leidet die Leistung jedes Kolbenmotors und des Druckkompressors. Dies ist auf den verringerten Druck der Luft in der Höhe zurückzuführen, die den Einlass von jedem versorgt. Das Ergebnis ist die Schwierigkeit, ein ausreichendes Luftvolumen zum Motoreinlass aufrechtzuerhalten, um Leistung zu erzeugen, sowie genügend Luft zum Rumpf zur Druckbeaufschlagung zuzulassen. Dies sind die einschränkenden Faktoren für die Bestimmung der Konstruktionsobergrenze der meisten Hubkolbenflugzeuge, die typischerweise 25.000 Fuß nicht überschreitet. Flugzeuge mit Turbinentriebwerk überwinden diese Nachteile und ermöglichen ihnen, in viel höheren Höhen zu fliegen.
Flugzeug mit Turbinentriebwerk
Das Hauptbetriebsprinzip eines Turbinentriebwerks beinhaltet die Verdichtung großer Luftmengen, die mit Brennstoff gemischt und verbrannt werden. Abzapfluft aus dem Verdichterabschnitt des Triebwerks ist relativ frei von Verunreinigungen. Als solches ist es eine großartige Luftquelle für die Druckbeaufschlagung der Kabine. Das Luftvolumen für die Motorleistungserzeugung wird jedoch reduziert. Die zur Druckbeaufschlagung abgezapfte Luftmenge im Vergleich zur Gesamtmenge der zur Verbrennung komprimierten Luft ist relativ gering, sollte aber minimiert werden. Moderne Turbofan-Flugzeuge mit großer Kabine enthalten Umluftventilatoren, um bis zu 50 Prozent der Luft in der Kabine wiederzuverwenden und eine hohe Triebwerksleistung aufrechtzuerhalten.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, heiße Hochdruckzapfluft zu nutzen. Kleinere Turbinenflugzeuge oder Abschnitte eines großen Flugzeugs können einen Strahlpumpen-Strömungsvervielfacher verwenden. Mit dieser Vorrichtung wird Zapfluft aus dem Verdichterabschnitt des Turbinentriebwerks abgezapft. Es wird in eine Venturi-Strahlpumpe ausgestoßen, die in einer Luftleitung montiert ist, deren eines Ende zur Umgebungsluft offen ist und deren anderes Ende in das unter Druck zu setzende Fach gerichtet ist. Aufgrund des durch den Zapfluftstrom im Venturi aufgebauten Unterdrucks wird Luft von außerhalb des Flugzeugs angesaugt. Es vermischt sich mit der Zapfluft und wird dem Druckbehälter zugeführt, um ihn unter Druck zu setzen. Ein Vorteil dieser Art der Druckbeaufschlagung ist das Fehlen beweglicher Teile. Nachteilig ist, dass auf diese Weise nur ein relativ kleines Raumvolumen unter Druck gesetzt werden kann.
Ein weiteres Verfahren zur Druckbeaufschlagung eines Flugzeugs unter Verwendung von Turbinenmaschinenkompressor-Zapfluft besteht darin, dass die Zapfluft einen separaten Kompressor antreibt, der einen Umgebungslufteinlass hat. Eine durch Zapfluft angetriebene Turbine dreht ein Verdichterrad, das auf derselben Welle montiert ist. Außenluft wird angesaugt und verdichtet. Es wird mit der aus der Turbine ausströmenden Zapfluft vermischt und dem Druckbehälter zugeführt. Turboprop-Flugzeuge verwenden häufig dieses Gerät, das als Turbokompressor bekannt ist.
Das gebräuchlichste Verfahren zur Druckbeaufschlagung von Flugzeugen mit Turbinenantrieb ist ein Luftkreislauf-Klimaanlagen- und Druckbeaufschlagungssystem. Zapfluft wird verwendet, und durch ein ausgeklügeltes System mit Wärmetauschern, einem Kompressor und einer Expansionsturbine werden die Kabinendruckbeaufschlagung und die Temperatur der Druckluft präzise gesteuert.
Kontrolle des Kabinendrucks
Druckbeaufschlagungsmodi
Die Druckbeaufschlagung der Flugzeugkabine kann über zwei verschiedene Betriebsarten gesteuert werden. Der erste ist der isobare Modus, der dazu dient, die Kabinenhöhe trotz der sich ändernden Höhe des Flugzeugs auf einem einzigen Druck zu halten. Beispielsweise kann die Flugbesatzung wählen, eine Kabinenhöhe von 8.000 Fuß (10,92 psi) beizubehalten. Im isobaren Modus stellt sich der Kabinendruck auf 8.000 Fuß ein und bleibt auf diesem Niveau, auch wenn die Höhe des Flugzeugs schwankt.
Der zweite Modus der Druckbeaufschlagungssteuerung ist der konstante Differenzmodus, der den Kabinendruck steuert, um eine konstante Druckdifferenz zwischen dem Luftdruck innerhalb der Kabine und dem Umgebungsluftdruck aufrechtzuerhalten, unabhängig von Höhenänderungen des Flugzeugs. Der konstante Druckunterschied im Differenzmodus ist niedriger als der maximale Differenzdruck, für den die Flugzeugzelle ausgelegt ist, wodurch die Unversehrtheit des Druckbehälters intakt bleibt.
Im isobaren Modus behält das Druckbeaufschlagungssystem die von der Besatzung gewählte Kabinenhöhe bei. Dies ist die Bedingung für den normalen Betrieb. Steigt das Flugzeug jedoch über eine bestimmte Höhe hinaus, kann das Aufrechterhalten der ausgewählten Kabinenhöhe zu einem Differenzdruck führen, der über dem liegt, für den die Flugzeugzelle ausgelegt ist. In diesem Fall schaltet der Modus der Druckbeaufschlagung automatisch von isobar auf konstanten Differentialmodus um. Dies geschieht, bevor die maximale Differenzdruckgrenze der Kabine erreicht wird. Unabhängig von der gewählten Kabinenhöhe wird dann ein konstanter Differenzdruck aufrechterhalten.
Zusätzlich zu den oben beschriebenen Betriebsmodi wird auch die Änderungsgeschwindigkeit des Kabinendrucks, auch bekannt als Steig- oder Sinkrate der Kabine, gesteuert. Dies kann automatisch oder manuell durch die Flugbesatzung erfolgen. Typische Änderungsraten für den Kabinendruck sind 300 bis 500 fpm. Beachten Sie auch, dass Druckbeaufschlagungsmodi sich auch auf automatischen versus Standby- versus manuellen Betrieb des Druckbeaufschlagungssystems beziehen können.
Kabinendruckregler
Der Kabinendruckregler ist das Gerät zur Steuerung des Kabinenluftdrucks. Ältere Flugzeuge verwenden ausschließlich pneumatische Mittel zur Steuerung des Kabinendrucks. Die Auswahl für die gewünschte Kabinenhöhe, die Änderungsrate der Kabinenhöhe und die Einstellung des barometrischen Drucks werden alle direkt am Druckregler von der Druckbeaufschlagungstafel im Cockpit vorgenommen.
Anpassungen und Einstellungen am Druckregler sind die Steuereingangsparameter für den Kabinendruckregler. Der Regler steuert die Position des/der normalerweise an der Rückseite des Luftfahrzeugdruckbehälters angeordneten Auslassventils/Auslassventile. Die Ventilstellung bestimmt das Druckniveau in der Kabine.
Moderne Flugzeuge kombinieren oft pneumatische, elektrische und elektronische Steuerung der Druckbeaufschlagung. Kabinenhöhe, Kabinenänderungsrate und Luftdruckeinstellung werden am Kabinendruckwähler der Druckbeaufschlagungstafel im Cockpit vorgenommen. Vom Selektor werden elektrische Signale an den Kabinendruckregler gesendet, der als Druckregler fungiert. Es befindet sich außerhalb der Sichtweite in der Nähe des Cockpits, aber innerhalb des unter Druck stehenden Teils des Flugzeugs. Die Signale werden von elektrisch in digital umgewandelt und von der Steuerung verwendet. Kabinendruck und Umgebungsdruck werden ebenso wie andere Eingaben in die Steuerung eingegeben.
Unter Verwendung dieser Informationen liefert der Controller, der im Wesentlichen ein Computer ist, die Druckbeaufschlagungslogik für verschiedene Phasen eines Fluges. Bei vielen kleinen Transport- und Geschäftsflugzeugen treibt das elektrische Ausgangssignal des Controllers einen Drehmomentmotor im primären Auslassventil an. Dadurch wird der pneumatische Luftstrom durch das Ventil moduliert, wodurch das Ventil so positioniert wird, dass es den Druckbeaufschlagungsplan aufrechterhält.
Bei vielen Flugzeugen der Transportkategorie werden zwei Kabinendruckregler oder ein einziger Regler mit redundanter Schaltung verwendet. Sie befinden sich im Elektronikgeräteschacht und erhalten elektrische Eingaben vom Schalttafelwähler sowie Umgebungs- und Kabinendruckeingaben. Flughöhen- und Landeplatzhöheninformationen sind häufig die Wahlmöglichkeiten der Besatzung auf dem Druckbeaufschlagungs-Steuerpult. Kabinenhöhe, Steigrate und barometrische Einstellung erfolgen automatisch durch eingebaute Logik und Kommunikation mit dem ADC und dem Flight Management System (FMS). Die Steuerungen verarbeiten die Informationen und senden elektrische Signale an Motoren, die direkt das/die Auslassventil(e) positionieren.
Die moderne Druckbeaufschlagungssteuerung ist vollautomatisch, sobald variable Auswahlen auf dem Druckbeaufschlagungssteuerpult getroffen werden, falls tatsächlich welche vorgenommen werden müssen. Das Eingeben oder Auswählen eines Flugplans in das FMS einiger Flugzeuge versorgt die Druckbeaufschlagungssteuerung automatisch mit den Parametern, die zum Erstellen des Druckbeaufschlagungsplans für den gesamten Flug erforderlich sind. Es sind keine weiteren Eingaben von der Besatzung erforderlich.
Alle Druckbeaufschlagungssysteme enthalten einen manuellen Modus, der die automatische Steuerung außer Kraft setzen kann. Dies kann im Flug oder während der Wartung am Boden verwendet werden. Der Bediener wählt den manuellen Modus auf dem Druckbeaufschlagungs-Bedienfeld aus. Ein separater Schalter wird verwendet, um das Auslassventil offen oder geschlossen zu positionieren, um den Kabinendruck zu steuern.
Kabinenluftdruckregler und Auslassventil
Die Steuerung des Kabinendrucks wird durch Regulierung der Luftmenge erreicht, die aus der Kabine strömt. Ein Kabinenausflussventil öffnet, schließt oder moduliert, um die in der Kabine aufrechterhaltene Luftdruckmenge herzustellen. Einige Auslassventile enthalten die Druckregulierung und den Ventilmechanismus in einer einzigen Einheit. Sie arbeiten pneumatisch in Reaktion auf die Einstellungen am Cockpit-Druckbeaufschlagungsfeld, die das Gleichgewicht zwischen Kabinen- und Umgebungsluftdruck beeinflussen.
Eine pneumatische Betätigung von Ablaufventilen ist üblich. Es ist einfach, zuverlässig und eliminiert die Notwendigkeit, Luftdruck-Betriebsvariablen in eine andere Form umzuwandeln. Membranen, Federn, Dosieröffnungen, Strahlpumpen, Faltenbälge und Tellerventile werden verwendet, um den Kabinen- und Umgebungsluftdruck zu erfassen und zu manipulieren, um das Auslassventil ohne die Verwendung von Elektrizität korrekt zu positionieren. Abflussventile, die die Verwendung von Elektrizität mit pneumatischem Betrieb kombinieren, verfügen über rein pneumatische Standby- und manuelle Modi, wie in Abbildung gezeigt.
Der Druckreguliermechanismus kann auch als separate Einheit gefunden werden. Viele Flugzeuge der Lufttransportkategorie haben ein Ausflussventil, das elektrisch arbeitet, wobei Signale verwendet werden, die von einem entfernt angeordneten Kabinenluftdruckregler gesendet werden, der als Druckregler fungiert. Die Steuerung positioniert das/die Ventil(e), um die Einstellungen an den Wahlschaltern der Cockpit-Druckbeaufschlagungstafel gemäß vorbestimmten Druckbeaufschlagungsplänen zu erreichen. Signale werden an Elektromotoren gesendet, um das Ventil nach Bedarf zu bewegen. Bei Transporten werden häufig Wechselstrommotoren mit einem redundanten Gleichstrommotor für den Standby- oder manuellen Betrieb verwendet.
Betrieb des Kabinenluftdruck-Sicherheitsventils
Flugzeug-Druckbeaufschlagungssysteme enthalten verschiedene Merkmale, um menschliche und strukturelle Schäden zu begrenzen, sollte das System versagen oder funktionsunfähig werden. Ein Mittel zum Verhindern eines Überdrucks ist eingebaut, um die strukturelle Integrität des Flugzeugs sicherzustellen, wenn die Kontrolle über das Druckbeaufschlagungssystem verloren geht. Ein Kabinenluftsicherheitsventil ist ein Druckentlastungsventil, das so eingestellt ist, dass es sich bei einer vorbestimmten Druckdifferenz öffnet. Es lässt Luft aus der Kabine strömen, um zu verhindern, dass der Innendruck die Konstruktionsbeschränkungen überschreitet. Die Abbildung zeigt Kabinenluftdruck-Sicherheitsventile in einem großen Transportflugzeug. Bei den meisten Flugzeugen sind Sicherheitsventile so eingestellt, dass sie zwischen 8 und 10 psid öffnen.
Drucksicherheitsventile werden verwendet, um eine Überdruckbeaufschlagung der Flugzeugkabine zu verhindern. Sie öffnen bei einem voreingestellten Differenzdruck und lassen Luft aus der Kabine strömen. Flugzeugkabinen der Kategorie Widebody-Transport können mehr als ein Sicherheitsventil zur Kabinendruckbeaufschlagung haben.
Einige Ablaufventile integrieren die Sicherheitsventilfunktion in ihre Konstruktion. Dies ist bei einigen Firmenjets üblich, wenn zwei Auslassventile verwendet werden. Ein Auslassventil arbeitet als primäres und das andere als sekundäres. Beide enthalten ein Vorsteuerventil, das öffnet, wenn die Druckdifferenz auf einen voreingestellten Wert ansteigt. Dies wiederum öffnet das/die Ausflussventil(e), um eine weitere Druckbeaufschlagung zu verhindern.
Kabinenhöhenbegrenzer werden ebenfalls verwendet. Diese schließen die Ausströmventile, wenn der Druck in der Kabine deutlich unter den normalen Kabinenhöhenbereich fällt, und verhindern so ein weiteres Ansteigen der Kabinenhöhe. Einige Begrenzerfunktionen sind in das/die Auslassventil(e) eingebaut. Ein Beispiel dafür ist in Abbildung zu sehen. Andere Begrenzer sind unabhängige Faltenbalgeinheiten, die Eingaben an das Auslassventil senden oder Teil der Steuerlogik für die Druckbeaufschlagung der Kabine sind.
Unter Druck stehende Flugzeuge verfügen über ein Unterdruckventil, um sicherzustellen, dass der Luftdruck außerhalb des Flugzeugs den Kabinenluftdruck nicht übersteigt. Das federbelastete Entlastungsventil öffnet sich nach innen, damit Umgebungsluft in die Kabine eintreten kann, wenn diese Situation eintritt. Zu viel Unterdruck kann beim Öffnen der Kabinentür zu Schwierigkeiten führen. Wenn er hoch genug ist, könnte er strukturelle Schäden verursachen, da der Druckbehälter für einen Kabinendruck ausgelegt ist, der höher als der Umgebungsdruck ist.
Einige Flugzeuge sind mit Druckbeaufschlagungsventilen ausgestattet. Dies sind im Wesentlichen Sicherheitsventile, die automatisch oder manuell durch einen Schalter im Cockpit betätigt werden. Sie werden verwendet, um schnell Luft und Luftdruck aus der Kabine zu entfernen, normalerweise in einer anormalen, Wartungs- oder Notfallsituation.
Bei einigen Flugzeugen ist ein Notfall-Druckbeaufschlagungsmodus eingebaut. Ein Ventil öffnet sich, wenn die Klimaanlagen ausfallen oder vom Cockpit aus die Notdruckbeaufschlagung gewählt wird. Es leitet ein Gemisch aus Bleed Air und Ram Air in die Kabine. Dies kombiniert mit vollständig geschlossenen Auslassventilen, um eine gewisse Druckbeaufschlagung im Flugzeug aufrechtzuerhalten.
Druckmessgeräte
Während sich alle Druckbeaufschlagungssysteme geringfügig unterscheiden, informieren normalerweise drei Cockpit-Anzeigen zusammen mit verschiedenen Warnleuchten und Warnungen die Besatzung über Druckbeaufschlagungsvariablen. Dies sind der Kabinenhöhenmesser, die Kabinensteiggeschwindigkeits- oder Vertikalgeschwindigkeitsanzeige und die Kabinendifferenzdruckanzeige. Diese können separate Messgeräte sein oder zu einem oder zwei Messgeräten kombiniert werden. Alle befinden sich normalerweise auf der Druckbeaufschlagungstafel, obwohl sie sich manchmal an anderer Stelle auf der Instrumententafel befinden. Positionsanzeiger für Auslassventile sind ebenfalls üblich. Bei modernen Flugzeugen, die mit digitalen Flugzeugüberwachungssystemen mit LCD-Anzeigen wie dem Engine Indicating and Crew Alerting System (EICAS) oder dem Electronic Centralized Aircraft Monitor (ECAM) ausgestattet sind, enthält das Druckbeaufschlagungsfeld möglicherweise keine Messgeräte. Die Seite des Umweltkontrollsystems (ECS) des Überwachungssystems wird ausgewählt, um ähnliche Informationen anzuzeigen. Die verstärkte Verwendung von automatischer Redundanz und fortschrittlicher Betriebslogik vereinfacht den Betrieb des Druckbeaufschlagungssystems. Es ist fast vollständig automatisch. Das Kabinendruckbeaufschlagungsfeld verbleibt hauptsächlich zur manuellen Steuerung im Cockpit.
Druckbeaufschlagung
Der normale Betriebsmodus für die meisten Druckregelungssysteme ist der automatische Modus. Ein Standby-Modus kann ebenfalls ausgewählt werden. Dies bietet auch eine automatische Steuerung der Druckbeaufschlagung, normalerweise mit verschiedenen Eingängen, einer Standby-Steuerung oder einem Standby-Auslassventilbetrieb. Ein manueller Modus ist verfügbar, falls der automatische und der Standby-Modus versagen. Dadurch kann die Besatzung das Auslassventil je nach System pneumatisch oder elektrisch direkt ansteuern.
Die Koordination aller Druckbeaufschlagungskomponenten während verschiedener Flugsegmente ist unerlässlich. Ein am Fahrwerk angebrachter Schalter für das Gewicht auf den Rädern (WOW) und ein Schalter für die Drosselklappenposition sind integrale Bestandteile vieler Druckregelsysteme. Während des Bodenbetriebs und vor dem Start steuert der WOW-Schalter typischerweise die Position des Druckbeaufschlagungs-Sicherheitsventils, das in der offenen Position gehalten wird, bis das Flugzeug abhebt. In einem fortschrittlichen System kann der WOW-Schalter Eingaben an die Druckbeaufschlagungssteuerung geben, die wiederum die Positionen und den Betrieb aller Druckbeaufschlagungskomponenten steuert. In anderen Systemen kann der WOW-Schalter direkt das Sicherheitsventil oder ein pneumatisches Quellenventil steuern, das bewirkt, dass das Sicherheitsventil offen gehalten wird, bis die Quelle beim Start unterbrochen wird, wenn der WOW-Schalter öffnet.
Drosselklappenstellungsschalter können verwendet werden, um einen reibungslosen Übergang von einer drucklosen Kabine zu einer druckbeaufschlagten Kabine zu bewirken. Ein teilweises Schließen des/der Auslassventil(e), wenn der WOW-Schalter geschlossen ist (am Boden) und die Drosseln vorgeschoben werden, leitet allmählich eine Druckbeaufschlagung während des Ausrollens ein. Beim Start erfordern die Steiggeschwindigkeit und der Druckbeaufschlagungsplan, dass das/die Auslassventil(e) vollständig geschlossen werden. Die Passagiere spüren kein raues Gefühl von den vollständig geschlossenen Ventilen, da die Kabine bereits begonnen hat, sich leicht unter Druck zu setzen.
Im Flug steuert die Druckbeaufschlagungssteuerung automatisch die Betriebsfolge der Druckbeaufschlagungskomponenten, bis das Flugzeug landet. Wenn der WOW-Schalter bei der Landung wieder schließt, öffnet er das/die Sicherheitsventil(e) und in einigen Flugzeugen macht das/die Auslassventil(e) eine Druckbeaufschlagung am Boden im automatischen Druckbeaufschlagungsmodus unmöglich. Wartungstests des Systems werden im manuellen Modus durchgeführt. Dadurch kann der Techniker die Position aller Ventile vom Cockpit aus steuern.
Luftverteilung
Die Verteilung der Kabinenluft in druckbeaufschlagten Flugzeugen wird mit einem System von Luftkanälen verwaltet, die von der Druckbeaufschlagungsquelle in und durch die Kabine führen. Typischerweise wird Luft zu Deckenlüftungsöffnungen geleitet und aus diesen freigesetzt, wo sie zirkuliert und aus bodennahen Lüftungsöffnungen herausströmt. Die Luft strömt dann nach hinten durch die Gepäckfächer und unter den Bodenbereich. Es verlässt den Druckbehälter durch das (die) Ausflussventil(e), das unten, auf oder in der Nähe des hinteren Druckschotts montiert ist. Der Luftstrom ist kaum wahrnehmbar. Je nach Flugzeug- und Systemdesign sind die Kanäle unter dem Kabinenboden und hinter Wänden und Deckenverkleidungen verborgen. Ventile zur Auswahl der Druckluftquelle, Ventilationsluft, Temperaturregelungsluft sowie Inline-Lüfter und Strahlpumpen zur Erhöhung des Durchflusses in bestimmten Bereichen der Kabine sind alle Komponenten des Luftverteilungssystems.
Bei Flugzeugen mit Turbinenantrieb ist temperaturgeregelte Luft aus der Klimaanlage die Luft, die verwendet wird, um die Kabine unter Druck zu setzen. Die endgültige Regulierung der Temperatur dieser Luft wird manchmal als Teil des Verteilungssystems angesehen. Durch das Mischen von klimatisierter Luft mit Zapfluft in einem Kanal oder einer Mischkammer kann die Besatzung die exakte gewünschte Temperatur für die Kabine auswählen. Das Ventil zum Mischen wird im Cockpit oder in der Kabine durch einen Temperaturwähler gesteuert. Zentralisierte Verteiler, von denen Luft verteilt werden kann, sind üblich.
Große Flugzeuge können zur Luftverteilung in Zonen unterteilt werden. Jede Zone hat ihren eigenen Temperaturwähler und ein zugehöriges Ventil zum Mischen von konditionierter und abgezapfter Luft, so dass jede Zone unabhängig von den anderen auf einer Temperatur gehalten werden kann.
Das Luftverteilungssystem der meisten Flugzeuge sorgt für die Leitung und Zirkulation von Kühlluft zu den Buchten für Elektronikgeräte. Es enthält auch ein Gasper-Luftsystem. Hierbei handelt es sich um Luft, die vom Kaltluftverteiler oder -kanal zu einer darüber liegenden einstellbaren Abgabedüse an jeder Passagierstation geleitet wird. Ein vom Cockpit aus gesteuerter Inline-Lüfter liefert einen stetigen Luftstrom, der mit der/den Abgabedüse(n) reguliert oder abgeschaltet werden kann.
Wenn sich ein Flugzeug am Boden befindet, ist der Betrieb der Triebwerke oder der APU zur Bereitstellung von Luft für die Klimatisierung teuer. Es erhöht die Betriebszeit dieser teuren Komponenten und beschleunigt teure obligatorische Überholungen, die in festgelegten Zeitintervallen durchgeführt werden. Die meisten leistungsstarken, mittelgroßen und größeren turbinengetriebenen Flugzeuge sind mit einem Behälter im Luftverteilungssystem ausgestattet. Daran kann über einen Leitungsschlauch eine Bodenquelle für klimatisierte Luft angeschlossen werden. Die Kabine kann durch die Luftverteilungsleitung des Flugzeugs unter Verwendung von Luft von der Bodenquelle geheizt oder gekühlt werden. Dies begrenzt die Betriebszeit an Triebwerken und APU. Sobald die Vorkampfkontrollen und das Einsteigen der Passagiere abgeschlossen sind, kann der Leitungsschlauch für Rollen und Flug getrennt werden.
Fehlerbehebung bei der Kabinendruckbeaufschlagung
Während Drucksysteme in verschiedenen Flugzeugen ähnlich mit ähnlichen Komponenten arbeiten, kann nicht davon ausgegangen werden, dass sie gleich sind. Sogar solche Systeme, die von einem einzelnen Hersteller konstruiert wurden, weisen wahrscheinlich Unterschiede auf, wenn sie in verschiedenen Flugzeugen installiert werden. Bei der Fehlersuche am Druckbeaufschlagungssystem ist es wichtig, die Serviceinformationen des Flugzeugherstellers zu prüfen. Ein Fehler, wie z. B. Druckbeaufschlagung oder Druckbeaufschlagung, kann viele verschiedene Ursachen haben. Es wird dringend empfohlen, die Schritte in den Fehlerbehebungsverfahren eines Herstellers einzuhalten, um mögliche Ursachen nacheinander zu bewerten. Testkits für Druckbeaufschlagungssysteme sind verfügbar, oder das Flugzeug kann während der Fehlersuche durch seine normalen Quellen unter Druck gesetzt werden. Nach der Wartung kann ein Testflug erforderlich sein.
