Kabinendruckbeaufschlagung - Cabin pressurization

"Kabinendruck" leitet hierher weiter. Für andere Verwendungen siehe Kabinendruck (Begriffsklärung) .

Ein Flugzeugrumpf wie diese Boeing 737 bildet einen zylindrischen Druckbehälter

Die Druckbeaufschlagung der Kabine ist ein Prozess, bei dem klimatisierte Luft in die Kabine eines Luft- oder Raumfahrzeugs gepumpt wird , um eine sichere und komfortable Umgebung für Passagiere und Besatzungsmitglieder zu schaffen, die in großen Höhen fliegen. Für Flugzeuge, in der Regel wird diese Luft abgezapft von den Gasturbinentriebwerken am Verdichterstufe und für Satelliten, wird durchgeführt in Hochdruck, oft kryogenen Tanks. Die Luft wird gekühlt, befeuchtet und bei Bedarf mit Umluft vermischt, bevor sie von einem oder mehreren Klimatisierungssystemen in die Kabine verteilt wird . Der Kabinendruck wird durch das Auslassventil geregelt.

Während die ersten experimentellen Druckhaltesysteme in den 1920er und 1930er Jahren zum Einsatz kamen, wurde erst 1938 mit der Boeing 307 Stratoliner das erste Verkehrsflugzeug mit Druckkabine auf den Markt gebracht. Die Praxis wurde ein Jahrzehnt später weit verbreitet, insbesondere mit der Einführung des britischen de Havilland Comet im Jahr 1949, des ersten Jetliners der Welt . Obwohl es zunächst ein Erfolg war, brachten zwei katastrophale Misserfolge im Jahr 1954 die weltweite Flotte vorübergehend zum Erliegen; Als Ursache wurde eine Kombination aus fortschreitender Metallermüdung und Flugzeughautbelastungen gefunden, von denen die Luftfahrtingenieure zu diesem Zeitpunkt nur begrenzte Kenntnisse hatten. Die vom Comet gelernten wichtigsten Konstruktionsprinzipien wurden direkt auf das Design aller nachfolgenden Düsenflugzeuge wie der Boeing 707 angewendet .

Bestimmte Flugzeuge haben ungewöhnliche Druckbeaufschlagungsszenarien präsentiert. Das Überschallflugzeug Concorde hatte aufgrund des Fliegens in ungewöhnlich großer Höhe (bis zu 60.000 Fuß (18.000 m) bei gleichzeitiger Beibehaltung einer Kabinenhöhe von 6.000 Fuß (1.800 m) einen besonders hohen Druckunterschied. Dies erhöhte nicht nur das Flugzeuggewicht , sondern führte auch zu Verwendung kleinerer Kabinenfenster als bei den meisten anderen kommerziellen Passagierflugzeugen, um die Dekompressionsrate bei einem Druckabfall zu verlangsamen Der Vorfall von Aloha Airlines Flug 243 , an dem eine Boeing 737-200 beteiligt war , die während des Fluges einen katastrophalen Kabinenausfall erlitt, wurde hauptsächlich durch was Trotz der mehr als doppelt so hohen Anzahl an Flugzyklen, für die die Flugzeugzelle ausgelegt war, konnte der weitere Betrieb fortgesetzt werden. Um den Passagierkomfort zu erhöhen , verfügen mehrere moderne Verkehrsflugzeuge wie die Boeing 787 Dreamliner und der Airbus A350 XWB auch über reduzierte Betriebskabinenhöhen wie mehr Feuchtigkeit, die Verwendung von Verbund airframes hat die Annahme eines solchen Komfort maximier Praktiken unterstützt.

Notwendigkeit einer Kabinendruckbeaufschlagung

Die Druckregler einer Boeing 737-800

In Höhen über 10.000 Fuß (3.000 m) über dem Meeresspiegel wird eine Druckbeaufschlagung zunehmend notwendig , um Besatzung und Passagiere vor dem Risiko einer Reihe von physiologischen Problemen zu schützen, die durch den niedrigen Außenluftdruck über dieser Höhe verursacht werden. Bei Privatflugzeugen, die in den USA operieren, müssen die Besatzungsmitglieder Sauerstoffmasken tragen, wenn die Kabinenhöhe (eine Darstellung des Luftdrucks, siehe unten ) länger als 30 Minuten über 12.500 ft bleibt oder wenn die Kabinenhöhe 14.000 ft at erreicht Jederzeit. In Höhen über 15.000 Fuß müssen Passagiere auch Sauerstoffmasken zur Verfügung stellen. In Verkehrsflugzeugen muss die Kabinenhöhe auf 8.000 Fuß (2.400 m) oder weniger gehalten werden. Die Druckbeaufschlagung des Laderaums ist auch erforderlich, um Schäden an druckempfindlichen Gütern zu vermeiden, die beim erneuten Druckaufbau auslaufen, ausdehnen, platzen oder zerquetscht werden können. Die wichtigsten physiologischen Probleme sind unten aufgeführt.

Hypoxie
Der untere Partialdruck des Sauerstoffs in der Höhe reduziert die alveoläre Sauerstoffspannung in der Lunge und in der Folge im Gehirn, was zu träge Denken, gedimmten Vision, Verlust des Bewusstseins, und schließlich zum Tod. Bei einigen Personen, insbesondere bei Herz- oder Lungenerkrankungen, können die Symptome bereits bei 1.500 m beginnen, obwohl die meisten Passagiere Höhen von 2.400 m ohne negative Auswirkungen tolerieren können. In dieser Höhe gibt es etwa 25 % weniger Sauerstoff als auf Meereshöhe.
Hypoxie kann durch die Verabreichung von zusätzlichem Sauerstoff entweder durch eine Sauerstoffmaske oder durch eine Nasenkanüle angegangen werden . Ohne Druckbeaufschlagung kann ausreichend Sauerstoff bis zu einer Höhe von etwa 40.000 Fuß (12.000 m) geliefert werden. Dies liegt daran, dass eine Person, die es gewohnt ist, auf Meereshöhe zu leben, etwa 0,20 bar Sauerstoffpartialdruck benötigt, um  normal zu funktionieren, und dieser Druck kann bis zu etwa 12.000 m (40.000 Fuß) aufrechterhalten werden, indem der Molenbruch des Sauerstoffs in der Luft erhöht wird geatmet wird. Bei 40.000 Fuß (12.000 m) fällt der Umgebungsluftdruck auf etwa 0,2 bar, bei dem die Aufrechterhaltung eines minimalen Sauerstoffpartialdrucks von 0,2 bar das Einatmen von 100 % Sauerstoff unter Verwendung einer Sauerstoffmaske erfordert .
Sauerstoffnotversorgungsmasken im Passagierraum von Verkehrsflugzeugen müssen keine Druckbedarfsmasken sein, da die meisten Flüge unter 12 000 m (40.000 Fuß) bleiben. Oberhalb dieser Höhe sinkt der Sauerstoffpartialdruck selbst bei 100 % Sauerstoff unter 0,2 bar, und ein gewisses Maß an Druck in der Kabine oder ein schneller Abstieg sind unerlässlich, um das Risiko einer Hypoxie zu vermeiden.
Höhenkrankheit
Hyperventilation , die häufigste Reaktion des Körpers auf Hypoxie, trägt dazu bei, den Sauerstoffpartialdruck im Blut teilweise wiederherzustellen, bewirkt aber auch, dass Kohlendioxid (CO 2 ) entgast, den pH-Wert des Blutes erhöht und Alkalose induziert . Passagiere können Müdigkeit, Übelkeit , Kopfschmerzen, Schlaflosigkeit und (auf längeren Flügen) sogar Lungenödeme verspüren . Dies sind die gleichen Symptome, die Bergsteiger erleben, aber die begrenzte Dauer des Motorfluges macht die Entwicklung eines Lungenödems unwahrscheinlich. Die Höhenkrankheit kann durch einen Volldruckanzug mit Helm und Visier kontrolliert werden , der den Körper in einer druckbeaufschlagten Umgebung vollständig umhüllt; Dies ist jedoch für gewerbliche Passagiere unpraktisch.
Dekompressionskrankheit
Der niedrige Partialdruck von Gasen, hauptsächlich Stickstoff (N 2 ), aber auch alle anderen Gase, kann dazu führen, dass gelöste Gase im Blutkreislauf ausgefällt werden, was zu Gasembolien oder Blasen im Blutkreislauf führt. Der Mechanismus ist der gleiche wie bei Drucklufttauchern beim Aufstieg aus der Tiefe. Zu den Symptomen können die frühen Symptome der „Kurven“ gehören – Müdigkeit, Vergesslichkeit, Kopfschmerzen, Schlaganfall, Thrombose und subkutaner Juckreiz – aber selten die vollständigen Symptome davon. Die Dekompressionskrankheit kann ebenso wie die Höhenkrankheit durch einen Volldruckanzug kontrolliert werden.
Barotrauma
Beim Steigen oder Sinken des Flugzeugs können die Passagiere Unbehagen oder akute Schmerzen verspüren, wenn sich in ihrem Körper eingeschlossene Gase ausdehnen oder zusammenziehen. Die häufigsten Probleme treten bei Lufteinschlüssen im Mittelohr (Arotitis) oder in den Nasennebenhöhlen durch eine blockierte Eustachische Röhre oder Nebenhöhlen auf. Schmerzen können auch im Magen-Darm-Trakt oder sogar in den Zähnen auftreten ( Barodontalgie ). Diese sind in der Regel nicht schwer genug, um ein tatsächliches Trauma zu verursachen, können jedoch zu Schmerzen im Ohr führen, die nach dem Flug bestehen bleiben und bereits bestehende Erkrankungen wie Pneumothorax verschlimmern oder beschleunigen können .

Kabinenhöhe

Eine leere Flasche, versiegelt auf 11.000 m (37.000 ft), wird beim Abstieg auf Meereshöhe zerquetscht, verglichen mit einer im Originalzustand.

Der Druck in der Kabine wird technisch als äquivalente effektive Kabinenhöhe oder häufiger als Kabinenhöhe bezeichnet . Dies ist definiert als die äquivalente Höhe über dem mittleren Meeresspiegel bei gleichem atmosphärischem Druck gemäß einem Standard-Atmosphärenmodell wie der International Standard Atmosphere . Somit hätte eine Kabinenhöhe von Null den Druck auf mittlerer Meereshöhe, der mit 101,325 Kilopascal (14,696 psi) angenommen wird.

Flugzeug

Bei Verkehrsflugzeugen wird die Kabinenhöhe während des Fluges über dem Meeresspiegel gehalten, um die Belastung des unter Druck stehenden Teils des Rumpfes zu reduzieren ; diese Belastung ist proportional zum Druckunterschied innerhalb und außerhalb der Kabine. Bei einem typischen kommerziellen Passagierflug ist die Kabinenhöhe so programmiert, dass sie allmählich von der Höhe des Abflughafens auf ein regulatorisches Maximum von 8.000 Fuß (2.400 m) ansteigt. Diese Kabinenhöhe wird während des Reiseflugs des Flugzeugs in maximaler Höhe beibehalten und dann während des Sinkflugs allmählich reduziert, bis der Kabinendruck dem Umgebungsluftdruck am Zielort entspricht.

Die Kabinenhöhe unter 2.400 m zu halten, verhindert im Allgemeinen signifikante Hypoxie , Höhenkrankheit , Dekompressionskrankheit und Barotrauma . Die Vorschriften der Federal Aviation Administration (FAA) in den USA schreiben vor, dass die Kabinenhöhe unter normalen Betriebsbedingungen diese Grenze bei der maximalen Betriebshöhe des Flugzeugs nicht überschreiten darf. Diese obligatorische maximale Kabinenhöhe beseitigt nicht alle physiologischen Probleme; Passagieren mit Erkrankungen wie Pneumothorax wird empfohlen, nicht zu fliegen, bis sie vollständig geheilt sind, und Personen, die an einer Erkältung oder einer anderen Infektion leiden, können weiterhin Schmerzen in den Ohren und Nebenhöhlen verspüren. Die Änderungsgeschwindigkeit der Kabinenhöhe beeinflusst den Komfort stark, da der Mensch empfindlich auf Druckänderungen im Innenohr und in den Nebenhöhlen reagiert und dies sorgfältig gehandhabt werden muss. Scuba Taucher in der „no fly“ Zeit nach einem Tauchgang in Gefahr sind , fliegen Dekompressionskrankheit , weil die akkumulierte Stickstoff in ihren Körpern kann Blasen bilden , wenn sie zu einem reduzierten Kabinendruck ausgesetzt.

Die Kabinenhöhe der Boeing 767 beträgt typischerweise etwa 7.000 Fuß (2.100 m), wenn sie auf 37.000 Fuß (11.000 m) kreuzt. Dies ist typisch für ältere Jet-Airlines. Ein Konstruktionsziel für viele, aber nicht alle neueren Flugzeuge ist es, eine niedrigere Kabinenhöhe als ältere Konstruktionen bereitzustellen. Dies kann für den Fahrgastkomfort von Vorteil sein. Der Business-Jet Bombardier Global Express kann beispielsweise eine Kabinenhöhe von 4.500 Fuß (1.400 m) erreichen, wenn er in einer Höhe von 41.000 Fuß (12.000 m) fährt. Der Emivest SJ30 Business Jet kann eine Kabinenhöhe auf Meereshöhe erreichen, wenn er in einer Höhe von 12.000 m (41.000 Fuß) fährt. Eine Studie mit acht Flügen in Airbus A380- Flugzeugen ergab eine mittlere Kabinendruckhöhe von 6.128 Fuß (1.868 m) und 65 Flüge in Boeing 747-400- Flugzeugen ergaben eine mittlere Kabinendruckhöhe von 5.159 Fuß (1.572 m).

Vor 1996 erhielten etwa 6.000 große Verkehrsflugzeuge eine Musterzulassung, um bis zu 14.000 m (45.000 ft) fliegen zu können, ohne besondere Bedingungen für große Höhen erfüllen zu müssen. 1996 verabschiedete die FAA die Änderung 25-87, die zusätzliche Spezifikationen für den Kabinendruck in großer Höhe für neue Flugzeugdesigns auferlegte. Flugzeuge, die für den Betrieb über 25.000 Fuß (7.600 m) zertifiziert sind, müssen so konstruiert sein, dass die Insassen nach einem wahrscheinlichen Ausfall des Drucksystems keinen Kabinendruckhöhen von mehr als 15.000 ft (4.600 m) ausgesetzt werden. Im Falle einer Dekompression, die sich aus „einem nicht als extrem unwahrscheinlichen Fehlerzustand“ ergibt, muss das Flugzeug so ausgelegt sein, dass die Insassen nicht länger als 2 Minuten einer Kabinenhöhe von mehr als 25.000 ft (7.600 m) ausgesetzt sind, noch auf eine Höhe von mehr als 40.000 ft (12.000 m) zu irgendeinem Zeitpunkt. In der Praxis , dass neue Federal Aviation Regulations erlegt Änderung eines Betriebs Obergrenze von 40.000 ft (12.000 m) auf die Mehrheit der neu gebauten kommerziellen Flugzeugen konzipiert. Flugzeughersteller können eine Lockerung dieser Regel beantragen, wenn die Umstände dies rechtfertigen. Im Jahr 2004 erwarb Airbus eine FAA-Ausnahme, damit die Kabinenhöhe des A380 bei einem Dekompressionsvorfall 43.000 ft (13.000 m) erreichen und für eine Minute 40.000 ft (12.000 m) überschreiten darf. Dies ermöglicht es dem A380, in einer höheren Flughöhe zu fliegen als andere neu entwickelte Zivilflugzeuge.

Raumfahrzeug

Russische Ingenieure verwendeten ein luftähnliches Stickstoff-Sauerstoff-Gemisch, das zu jeder Zeit auf einer Kabinenhöhe nahe Null gehalten wurde, in ihren 1961er Vostok , 1964er Voskhod und 1967 präsentierten Sojus- Raumschiffen. Dies erfordert eine schwerere Raumfahrzeugkonstruktion , da die Kabinenstruktur des Raumfahrzeugs der Belastung von 14,7 Pfund pro Quadratzoll (1 bar) gegen das Weltraumvakuum standhalten muss und auch weil eine inerte Stickstoffmasse getragen werden muss. Es muss auch darauf geachtet werden, eine Dekompressionskrankheit zu vermeiden, wenn Kosmonauten Aktivitäten außerhalb des Fahrzeugs ausführen , da derzeitige weiche Raumanzüge mit reinem Sauerstoff bei relativ niedrigem Druck unter Druck gesetzt werden, um eine angemessene Flexibilität zu bieten.

Im Gegensatz dazu verwendeten die Vereinigten Staaten eine reine Sauerstoffatmosphäre für ihre 1961er Mercury- , 1965er Gemini- und 1967er Apollo-Raumsonden , hauptsächlich um eine Dekompressionskrankheit zu vermeiden. Mercury verwendete eine Kabinenhöhe von 24.800 Fuß (7.600 m) (5,5 Pfund pro Quadratzoll (0,38 bar)); Gemini verwendet eine Höhe von 25.700 Fuß (7.800 m) (5,3 psi (0,37 bar)); und Apollo verwendete 27.000 Fuß (8.200 m) (5,0 psi (0,34 bar)) im Weltraum. Dies ermöglichte ein leichteres Design von Raumfahrzeugen. Dies ist möglich, weil bei 100 % Sauerstoff genügend Sauerstoff in den Blutkreislauf gelangt, damit Astronauten normal arbeiten können. Vor dem Start wurde der Druck leicht über dem Meeresspiegel bei konstant 5,3 psi (0,37 bar) über der Umgebung für Gemini und 2 psi (0,14 bar) über dem Meeresspiegel beim Start für Apollo) gehalten und auf die Höhe der Raumkabine umgestellt beim Aufstieg. Die unter hohem Druck stehende reine Sauerstoffatmosphäre erwies sich jedoch bei Apollo als tödliche Brandgefahr und trug bei einem Bodentest 1967 zum Tod der gesamten Besatzung von Apollo 1 bei. Danach überarbeitete die NASA ihr Verfahren, um beim Start ein Stickstoff-Sauerstoff-Gemisch bei Null Kabinenhöhe zu verwenden, behielt jedoch die Reinsauerstoff-Niederdruckatmosphäre im Weltraum bei 5 psi (0,34 bar).

Nach dem Apollo-Programm verwendeten die Vereinigten Staaten standardmäßige luftähnliche Kabinenatmosphären für Skylab , den Space Shuttle-Orbiter und die Internationale Raumstation .

Mechanik

Die Druckbeaufschlagung wird durch die Konstruktion eines luftdichten Rumpfes erreicht, der so konstruiert ist, dass er mit einer Druckluftquelle unter Druck gesetzt und von einem Umweltkontrollsystem (ECS) gesteuert wird . Die gebräuchlichste Druckluftquelle zur Druckbeaufschlagung ist Zapfluft, die aus der Verdichterstufe eines Gasturbinentriebwerks , aus einer unteren oder mittleren Stufe und auch aus einer zusätzlichen hohen Stufe entnommen wird ; die genaue Stufe kann je nach Motortyp variieren. Wenn die kalte Außenluft die Zapfluftventile erreicht, steht sie unter sehr hohem Druck und ist auf etwa 200 °C (392  °F ) erwärmt  . Die Steuerung und Auswahl von Quellen mit hohem oder niedrigem Bleed erfolgt vollautomatisch und richtet sich nach den Bedürfnissen verschiedener pneumatischer Systeme in verschiedenen Flugphasen.

Der Teil der Zapfluft, der zum ECS geleitet wird, wird dann entspannt, um ihn auf Kabinendruck zu bringen, der ihn kühlt. Eine geeignete Endtemperatur wird dann erreicht, indem der heißen Druckluft über einen Wärmetauscher und eine Luftkreislaufmaschine, die als PAC-System (Pressurization and Air Conditioning) bekannt ist, Wärme zugeführt wird. In einigen größeren Verkehrsflugzeugen kann heiße Trimmluft stromabwärts der klimatisierten Luft aus den Packs hinzugefügt werden, wenn sie benötigt wird, um einen Abschnitt der Kabine zu erwärmen, der kälter ist als andere.

Ablass- und Druckbegrenzungsventil an einer Boeing 737-800

Mindestens zwei Triebwerke liefern komprimierte Zapfluft für alle pneumatischen Systeme des Flugzeugs, um eine vollständige Redundanz zu gewährleisten . Druckluft wird auch von dem erhaltenen Hilfstriebwerk (APU), falls vorhanden, im Fall eines Notfalls und für die Kabinenluftzufuhr auf dem Boden , bevor die Haupttriebwerke gestartet werden. Die meisten modernen Verkehrsflugzeuge verfügen heute über vollständig redundante, duplizierte elektronische Steuerungen zum Aufrechterhalten des Drucks zusammen mit einem manuellen Reservesteuersystem.

Die gesamte Abluft wird über ein Auslassventil, normalerweise am Heck des Rumpfes, in die Atmosphäre geleitet. Dieses Ventil regelt den Kabinendruck und fungiert neben anderen Sicherheitsventilen auch als Sicherheitsventil. Wenn die automatischen Druckregler ausfallen, kann der Pilot das Kabinendruckventil gemäß der Checkliste für das Notfallverfahren manuell steuern. Die automatische Steuerung hält normalerweise die richtige Kabinendruckhöhe aufrecht, indem sie ständig die Position des Ausströmventils so einstellt, dass die Kabinenhöhe so niedrig wie möglich ist, ohne die maximale Druckdifferenzgrenze am Rumpf zu überschreiten. Die Druckdifferenz variiert je nach Flugzeugtyp, typische Werte liegen zwischen 540  hPa (7,8  psi ) und 650  hPa (9,4  psi ). Bei 39.000 Fuß (12.000 m) würde der Kabinendruck automatisch auf etwa 6.900 Fuß (2.100 m) (450 Fuß (140 m) niedriger als Mexiko-Stadt) gehalten werden, was etwa 790 hPa (11,5 psi) Atmosphärendruck entspricht.

Einige Flugzeuge, wie der Boeing 787 Dreamliner , haben elektrische Kompressoren wieder eingeführt, die zuvor bei kolbenmotorisierten Verkehrsflugzeugen verwendet wurden, um Druck zu erzeugen. Die Verwendung von elektrischen Kompressoren erhöht die Belastung der Motoren durch die Stromerzeugung und führt eine Reihe von Stufen der Energieübertragung ein; Daher ist unklar, ob dies die Gesamteffizienz des Luftbehandlungssystems des Flugzeugs erhöht. Es beseitigt jedoch die Gefahr einer chemischen Kontamination der Kabine , vereinfacht das Triebwerksdesign, vermeidet die Notwendigkeit, Hochdruckleitungen um das Flugzeug herum zu verlegen, und bietet eine größere Designflexibilität.

Ungeplante Dekompression

Hauptartikel: Unkontrollierte Dekompression
Einsatz der Sauerstoffmaske bei Passagieren

Ungeplanter Kabinendruckverlust in der Höhe/im Weltraum ist selten, hat jedoch zu einer Reihe von tödlichen Unfällen geführt . Die Ausfälle reichen von einem plötzlichen, katastrophalen Verlust der Integrität der Flugzeugzelle (explosive Dekompression) bis hin zu langsamen Lecks oder Gerätefehlfunktionen, die ein Absinken des Kabinendrucks ermöglichen.

Jeder Ausfall der Kabinendruckbeaufschlagung über 3.000 m (10.000 Fuß) erfordert einen Notabstieg auf 2.400 m oder den nächstgelegenen unter Beibehaltung der Mindestsektorhöhe (MSA) und das Aufsetzen einer Sauerstoffmaske für jeden Sitzplatz. Die Sauerstoffsysteme verfügen über ausreichend Sauerstoff für alle an Bord und geben den Piloten ausreichend Zeit, um auf unter 2.400 m abzusinken. Ohne Notfallsauerstoff kann Hypoxie zu Bewusstlosigkeit und anschließendem Verlust der Kontrolle über das Flugzeug führen. Moderne Verkehrsflugzeuge verfügen im Cockpit über einen unter Druck stehenden Reinsauerstofftank, der den Piloten mehr Zeit gibt, das Flugzeug auf eine sichere Höhe zu bringen. Die Zeit des nützlichen Bewusstseins variiert je nach Höhe. Mit sinkendem Druck kann auch die Kabinenlufttemperatur auf die Außentemperatur der Umgebung absinken mit der Gefahr von Unterkühlung oder Erfrierungen .

Für Flugzeuge, die über Gelände fliegen müssen, das es nicht erlaubt, die sichere Höhe innerhalb von maximal 30 Minuten zu erreichen, sind Sauerstoffdruckflaschen obligatorisch, da die in den meisten Flugzeugen eingebauten chemischen Sauerstoffgeneratoren nicht genügend Sauerstoff liefern können.

Bei Düsenjägern bedeutet die geringe Größe des Cockpits , dass jede Dekompression sehr schnell erfolgt und dem Piloten keine Zeit lässt, eine Sauerstoffmaske aufzusetzen. Daher müssen Kampfjetpiloten und das Flugpersonal jederzeit Sauerstoffmasken tragen.

Am 30. Juni 1971 wurden die Besatzung von Sojus 11 , die sowjetischen Kosmonauten Georgy Dobrovolsky , Vladislav Volkov und Viktor Patsayev getötet, nachdem sich das Kabinenentlüftungsventil versehentlich vor dem atmosphärischen Wiedereintritt geöffnet hatte.

Geschichte

Cessna P210 - Erstes kommerziell erfolgreiches einmotoriges Druckflugzeug

Zu den Flugzeugen, die Pionierarbeit bei Druckkabinensystemen geleistet haben, gehören:

  • Packard-Le Père LUSAC-11 , (1920, ein modifiziertes französisches Design, nicht wirklich unter Druck gesetzt, aber mit einem geschlossenen, sauerstoffangereicherten Cockpit)
  • Engineering Division USD-9A , eine modifizierte Airco DH.9A (1921 – das erste Flugzeug, das mit einem Druckcockpitmodul fliegt)
  • Junkers Ju 49 (1931 – ein deutsches Versuchsflugzeug, das speziell gebaut wurde, um das Konzept der Kabinendruckbeaufschlagung zu testen)
  • Farman F.1000 (1932 – ein französisches Rekord- Druckcockpit , Versuchsflugzeug)
  • Chizhevski BOK-1 (1936 – ein russisches Versuchsflugzeug)
  • Lockheed XC-35 (1937 – ein amerikanisches Druckflugzeug. Anstelle einer das Cockpit umschließenden Druckkapsel war die Monocoque- Rumpfhaut der Druckbehälter.)
  • Renard R.35 (1938 – das erste Druckkolben-Flugzeug, das beim Erstflug abstürzte)
  • Boeing 307 (1938 – das erste unter Druck stehende Verkehrsflugzeug, das in den kommerziellen Dienst ging)
  • Lockheed Constellation (1943 – das erste Druckflugzeug im breiten Dienst)
  • Avro Tudor (1946 – erstes britisches Druckflugzeug)
  • de Havilland Comet (britisch, Comet 1 1949 – der erste Jetliner, Comet 4 1958 – Lösung der Comet 1-Probleme)
  • Tupolev Tu-144 und Concorde (1968 UdSSR bzw. 1969 englisch-französisch – zuerst in sehr großer Höhe operieren)
  • Cessna P210 (1978) Erstes kommerziell erfolgreiches einmotoriges Druckflugzeug
  • SyberJet SJ30 (2005) Erster ziviler Business-Jet, der ein 12,0-psi-Druckbeaufschlagungssystem zertifiziert, das eine Kabine auf Meereshöhe in einer Höhe von 41.000 ft (12.000 m) ermöglicht.

In den späten 1910er Jahren wurde versucht, immer größere Höhen zu erreichen. 1920 erreichte der Testpilot Lt. John A. Macready erstmals Flüge von weit über 37.000 ft (11.000 m) in einem Packard-Le Père LUSAC-11 Doppeldecker im McCook Field in Dayton, Ohio . Der Flug war möglich, indem gespeicherter Sauerstoff in das Cockpit abgegeben wurde, der direkt in eine geschlossene Kabine und nicht an eine später entwickelte Sauerstoffmaske abgegeben wurde. Mit diesem System waren Flüge in der Nähe von 40.000 ft (12.000 m) möglich, aber der Mangel an atmosphärischem Druck in dieser Höhe führte dazu, dass sich das Herz des Piloten sichtbar vergrößerte, und viele Piloten berichteten von Gesundheitsproblemen bei solchen Höhenflügen. Einige frühe Verkehrsflugzeuge hatten Sauerstoffmasken für die Passagiere für Routineflüge.

Im Jahr 1921 wurde ein Wright-Dayton USD-9A-Aufklärungsdoppeldecker mit einer vollständig geschlossenen luftdichten Kammer modifiziert, die durch kleine externe Turbinen mit Luft unter Druck gesetzt werden konnte. Die Kammer hatte eine Luke mit einem Durchmesser von nur 22 Zoll (0,56 m), die vom Piloten bei 3.000 ft (910 m) abgedichtet wurde. Die Kammer enthielt nur ein Instrument, einen Höhenmesser, während die herkömmlichen Cockpitinstrumente alle außerhalb der Kammer angebracht waren, sichtbar durch fünf kleine Bullaugen. Der erste Versuch, das Flugzeug zu betreiben, wurde erneut von Lt. John A. McCready unternommen, der entdeckte, dass die Turbine die Luft schneller in die Kammer drückte, als das kleine Ablassventil sie freigeben konnte. Infolgedessen wurde die Kammer schnell unter Druck gesetzt und der Flug wurde abgebrochen. Ein zweiter Versuch musste abgebrochen werden, als der Pilot auf 910 m feststellte, dass er zu klein war, um die Kammerluke zu schließen. Der erste erfolgreiche Flug wurde schließlich von Testpilot Lt. Harrold Harris durchgeführt und war damit der weltweit erste Flug mit einem Druckflugzeug.

Das erste Verkehrsflugzeug mit einer Druckkabine war die Boeing 307 Stratoliner , die 1938 vor dem Zweiten Weltkrieg gebaut wurde , obwohl nur zehn produziert wurden. Die 307 der „Drucckammer wurde von der Nase des Flugzeugs zu einem Druckschott in den Achtern gerade Vorwärts des horizontalen Stabilisators.“

Flughelm und Sauerstoffmaske aus der Zeit des Zweiten Weltkriegs

Der Zweite Weltkrieg war ein Katalysator für die Flugzeugentwicklung. Anfangs wurden die Kolbenflugzeuge des Zweiten Weltkriegs, obwohl sie oft in sehr großen Höhen flogen, nicht unter Druck gesetzt und waren auf Sauerstoffmasken angewiesen. Dies wurde mit der Entwicklung größerer Bomber unpraktisch, bei denen sich die Besatzung in der Kabine bewegen musste, und dies führte zum ersten Bomber mit Kabinendruck (obwohl auf Besatzungsbereiche beschränkt), der Boeing B-29 Superfortress . Das Steuerungssystem dafür wurde von der Garrett AiResearch Manufacturing Company entwickelt , die sich teilweise auf die Lizenzierung von Boeing-Patenten für den Stratoliner stützt.

Nachkriegs-Kolbenverkehrsflugzeuge wie die Lockheed Constellation (1943) weiteten die Technologie auf den Zivildienst aus. Die kolbengetriebenen Verkehrsflugzeuge verließen sich im Allgemeinen auf elektrische Kompressoren, um unter Druck stehende Kabinenluft bereitzustellen. Triebwerksaufladung und Kabinendruckbeaufschlagung ermöglichten Flugzeugen wie der Douglas DC-6 , der Douglas DC-7 und der Constellation zertifizierte Dienstobergrenzen von 24.000 ft (7.300 m) bis 28.400 ft (8.700 m). Einen druckbeaufschlagten Rumpf zu konstruieren, um diesen Höhenbereich zu bewältigen, lag im damaligen technischen und metallurgischen Wissen. Die Einführung von Düsenflugzeugen erforderte eine deutliche Erhöhung der Reiseflughöhen auf den Bereich von 30.000 bis 41.000 Fuß (9.100 bis 12.500 m), wo Düsentriebwerke treibstoffeffizienter sind. Diese Zunahme der Reiseflughöhen erforderte eine viel strengere Konstruktion des Rumpfes, und am Anfang waren nicht alle technischen Probleme vollständig verstanden.

Das erste Verkehrsflugzeug der Welt war die britische de Havilland Comet (1949), die mit einer Flughöhe von 36.000 ft (11.000 m) konstruiert wurde. Es war das erste Mal, dass ein druckbeaufschlagter Rumpf mit großem Durchmesser mit Fenstern in dieser Höhe gebaut und geflogen wurde. Anfangs war das Design sehr erfolgreich, aber zwei katastrophale Flugzeugzellenausfälle im Jahr 1954 führten zum Totalverlust des Flugzeugs, der Passagiere und der Besatzung, was damals die gesamte Weltflugzeugflotte war. Umfangreiche Untersuchungen und bahnbrechende technische Analysen des Wracks führten zu einer Reihe von sehr bedeutenden technischen Fortschritten, die die grundlegenden Probleme des druckbeaufschlagten Rumpfdesigns in der Höhe lösten. Das kritische Problem erwies sich als eine Kombination aus einem unzureichenden Verständnis der Auswirkungen der fortschreitenden Metallermüdung, da der Rumpf wiederholten Belastungszyklen ausgesetzt ist, verbunden mit einem Missverständnis, wie die Spannungen der Flugzeughaut um Öffnungen im Rumpf wie Fenster und Nietlöcher herum verteilt werden.

Die aus dem Comet 1-Programm gelernten kritischen Konstruktionsprinzipien bezüglich der Metallermüdung wurden direkt auf die Konstruktion der Boeing 707 (1957) und aller nachfolgenden Düsenflugzeuge angewendet . So wurden z. B. detaillierte Routineprüfverfahren eingeführt, zusätzlich zu gründlichen Sichtprüfungen der Außenhaut wurden von den Betreibern routinemäßig vorgeschriebene Strukturbemusterungen durchgeführt; die Notwendigkeit, mit bloßem Auge nicht leicht zu erkennende Bereiche zu inspizieren, führte zur Einführung einer weit verbreiteten Röntgenuntersuchung in der Luftfahrt; dies hatte auch den Vorteil, Risse und Fehler zu erkennen, die zu klein waren, um sonst gesehen zu werden. Ein weiteres sichtbar auffälliges Erbe der Comet-Katastrophe sind die ovalen Fenster an jedem Düsenflugzeug; Die Metallermüdungsrisse, die die Kometen zerstörten, wurden durch die Ecken mit kleinem Radius an den fast quadratischen Fenstern des Kometen 1 ausgelöst. Der Comet-Rumpf wurde neu gestaltet und die Comet 4 (1958) wurde zu einem erfolgreichen Verkehrsflugzeug, das den ersten transatlantischen Jet-Dienst leistete, aber das Programm erholte sich nie wirklich von diesen Katastrophen und wurde von der Boeing 707 überholt.

Selbst nach den Comet-Katastrophen gab es mehrere katastrophale Ermüdungsausfälle, die auf den Kabinendruck zurückzuführen waren. Das vielleicht prominenteste Beispiel war der Flug 243 der Aloha Airlines mit einer Boeing 737-200 . Im vorliegenden Fall war die Hauptursache der Weiterbetrieb des spezifischen Flugzeugs trotz der vor dem Unfall angesammelten 35.496 Flugstunden, davon über 89.680 Flugzyklen (Starts und Landungen), aufgrund seines Einsatzes auf kurzen Flügen; dies entsprach mehr als der doppelten Anzahl von Flugzyklen, für die die Flugzeugzelle ausgelegt war. Die Aloha 243 konnte trotz der erheblichen Schäden durch die Dekompression, die zum Verlust eines Kabinenpersonals geführt hatte, landen; Der Vorfall hatte weitreichende Auswirkungen auf die Flugsicherheitspolitik und führte zu Änderungen der Betriebsabläufe.

Das Überschallflugzeug Concorde hatte mit besonders hohen Druckunterschieden zu kämpfen, weil es in ungewöhnlich großer Höhe (bis zu 18.000 m) flog und eine Kabinenhöhe von 1.800 m beibehielt. Trotzdem wurde die Kabinenhöhe absichtlich auf 6.000 Fuß (1.800 m) gehalten. Diese Kombination sorgte zwar für mehr Komfort, machte die Concorde jedoch zu einem deutlich schwereren Flugzeug, was wiederum zu den relativ hohen Flugkosten beitrug. Ungewöhnlicherweise war die Concorde mit kleineren Kabinenfenstern ausgestattet als die meisten anderen kommerziellen Passagierflugzeuge, um die Dekompressionsrate im Falle eines Versagens einer Fensterdichtung zu verlangsamen. Die hohe Reiseflughöhe erforderte auch den Einsatz von Hochdrucksauerstoff- und Bedarfsventilen an den Notfallmasken im Gegensatz zu den in herkömmlichen Verkehrsflugzeugen verwendeten Dauerstrommasken . Die FAA, die Mindestabstiegsraten für Flugzeuge durchsetzt, hat festgestellt, dass in Bezug auf die höhere Betriebshöhe der Concorde die beste Reaktion auf einen Druckverlustvorfall darin besteht, einen schnellen Sinkflug durchzuführen.

Die geplante Betriebskabinenhöhe für neue Flugzeuge sinkt, und es wird erwartet, dass dies alle verbleibenden physiologischen Probleme verringert. Sowohl der Boeing 787 Dreamliner als auch der Airbus A350 XWB haben solche Modifikationen für erhöhten Passagierkomfort vorgenommen. Der Kabineninnendruck der 787 entspricht einer Höhe von 6.000 Fuß (1.800 m), was zu einem höheren Druck führt als für die Höhe von 8.000 Fuß (2.400 m) älterer konventioneller Flugzeuge; Laut einer gemeinsamen Studie von Boeing und der Oklahoma State University verbessert ein solches Niveau den Komfort erheblich. Airbus hat angegeben, dass die A350 XWB eine typische Kabinenhöhe von oder unter 6.000 Fuß (1.800 m) bietet, zusammen mit einer Kabinenatmosphäre von 20 % Luftfeuchtigkeit und einem Luftstrommanagementsystem, das den Kabinenluftstrom mit zugfreier Luftzirkulation an die Passagierbelastung anpasst . Die Verwendung von Verbundwerkstoffrümpfen beseitigt die Bedrohung durch Metallermüdung , die durch die höheren Kabinendrücke moderner Verkehrsflugzeuge verschlimmert worden wäre, und beseitigt auch das Korrosionsrisiko durch die Verwendung höherer Feuchtigkeitsgehalte.

Siehe auch

Fußnoten

Allgemeine Referenzen

Externe Links