Проблемы высотного полета (Инженер-майор Ю. Русянцев)

Авиационные конструкторы на всем пути развития самолетостроения стремились увеличить возможную высоту полета. Лучшие самолеты с поршневыми двигателями достигали высоты полета 11000-12000 м. Создание и освоение авиацией реактивного двигателя позволило значительно увеличить эту высоту. Современные реактивные истребители и бомбардировщики могут совершать полеты на высотах до 20000 м.

Стремление к увеличению возможной высоты полета самолетов объясняется тем, что полет на большой высоте обладает рядом серьезных преимуществ и в первую очередь тактических. Особенно выгодны они для бомбардировщиков, которые становятся менее уязвимыми для истребителей и огня зенитной артиллерии.

Однако увеличение высоты полета выдвигает ряд сложных проблем. Одна из них - поддержание нормальной жизнедеятельности организма человека на больших высотах в условиях недостатка кислорода, низкого давления и низких температур. Известно, что жизнь возможна лишь в том случае, если ткани организма получают достаточное количество кислорода. Кислород в определенных пропорциях находится в воздухе и при дыхании попадает в кровь, которая доставляет его в ткани. Проникновение кислорода воздуха в кровь через тонкие стенки альвеол легких происходит в соответствии с законами физики, согласно которым для этого необходимо определенное давление. При подъеме же на высоту это давление уменьшается, а следовательно, уменьшается и количество кислорода, получаемое тканями. В результате по мере увеличения высоты возникают все более и более серьезные расстройства организма, известные под названием "кислородного голодания".

Предотвратить эти явления можно дополнительным питанием организма кислородом от специальных приборов. На разных высотах требуется различное количество кислорода для надлежащего окисления крови. По мере увеличения высоты регулятор кислородного прибора автоматически увеличивает количество кислорода, и человек может, таким образом, достичь высоты 12000 м, не испытывая болезненных расстройств. Однако дальнейший подъем с использованием одного лишь кислородного прибора невозможен. Атмосферное давление на этой высоте недостаточно для усвоения кислорода альвеолами легких. Поэтому полеты на высотах более 12000 м требуют также увеличения внешнего давления на организм. Эта проблема в настоящее время успешно решается применением герметических кабин, в которых искусственно создается давление, близкое к нормальному, и обеспечивается необходимое количество кислорода.

Современные самолеты снабжаются одной или несколькими герметическими кабинами. В герметических кабинах всех типов поддерживается определенная температура воздуха, удаляются или поглощаются вредные примеси. В них также обеспечивается необходимая для членов экипажа свобода передвижения. Конструкции герметических кабин могут быть различными. Наиболее распространены вентиляционные герметические кабины.

Подаваемый в такую кабину воздух доставляет необходимый для дыхания членов экипажа кислород. Он же уносит из кабины влагу и углекислоту. Непрерывный сквозной поток воздуха, обеспечивающий повышенное давление, поддерживается одним или несколькими нагнетателями, имеющими привод от силовой установки самолета или от компрессора двигателя. Поэтому вентиляционные кабины часто называют "кабинами с наддувом".

Система наддува кабины должна обеспечивать подачу определенного количества воздуха. В качестве нормы принято около 0,5 м³ воздуха в минуту на одного члена экипажа. Эта норма автоматически регулируется специальным прибором, называемым регулятором подачи. В зависимости от условий полета нагнетаемый в кабину воздух нужно охлаждать или нагревать. Для этого он пропускается через специальные устройства. Управление ими может производиться вручную или автоматически. Прежде чем попасть в кабину, воздух проходит через химический фильтр, где очищается от вредных примесей, например выхлопных газов. Система наддува вентиляционной кабины может включать также специальные увлажнители и осушители воздуха.

Одним из основных приборов системы наддува вентиляционной кабины является автоматический регулятор давления, предназначенный главным образом для ограничения выпуска воздуха из кабины и изменения давления воздуха в ней по закону, учитывающему высоту полета. Простейшим типом регулятора давления может быть клапан, работающий по принципу сохранения определенной разности (перепада) давлений воздуха в кабине и в атмосфере. Существуют также регуляторы, которые поддерживают определенное заданное постоянное давление в кабине, соответствующее определенной высоте. На значительных высотах полета это приводит к большой разности между давлением в атмосфере и в кабине и заставляет увеличивать прочность кабины, а значит, и вес самолета. Вот почему за последние годы широкое распространение получили регуляторы давления, являющиеся комбинацией регулятора постоянного давления и регулятора перепада давлений.

Обычно до высоты 2000-2400 м такой регулятор давления обеспечивает лишь сквозную вентиляцию кабины. Давление в кабине при этом равно атмосферному. С увеличением высоты полета регулятор давления прерывает прямое сообщение кабины с атмосферой и наряду с вентиляцией поддерживает в кабине давление, равное атмосферному на высоте 2000-2400 м. Если высота полета продолжает увеличиваться, разность давлений воздуха в кабине и в атмосфере не остается постоянной - она возрастает и на некоторой высоте достигает определенной величины. Начиная с этой высоты, разность давлений остается постоянной, а давление в кабине начинает уменьшаться и на некоторой высоте становится равным атмосферному на высоте 4000 м. С этой высоты, как это и показано в левой части рис. 56, экипаж самолета должен обязательно начать пользоваться кислородными приборами. Следует отметить, что при давлении в кабине не менее 200 мм ртутного столба и при использовании экипажем кислородных приборов высота полета теоретически может быть любой.

Рис. 56. Применение высотного оборудования самолета в зависимости от высоты полета (справа летчик в высотном скафандре)

В случае выхода из строя автоматического регулятора разность давлений воздуха в кабине и снаружи ее может возрасти до опасной величины и стенки кабины разрушатся. Поэтому в вентиляционной кабине обычно устанавливается запасной ручной регулятор давления, а также предохранительный клапан избыточного давления. Последний автоматически открывается при возрастании давления выше установленной нормы и выпускает из кабины лишний воздух. При быстром снижении или порче автоматического регулятора давление в кабине может оказаться менее наружного, что может привести к сдавливанию кабины. Для предупреждения этого применяется клапан вакуума, имеющий большое проходное сечение. Этот клапан автоматически открывается и пропускает в кабину атмосферный воздух, уравновешивая тем самым давление внутри и снаружи.

Оборудование герметических кабин вентиляционного типа включает в себя также целый комплект контрольно-измерительных и сигнальных приборов и устройств. Среди них - указатели подачи воздуха в кабину, высоты и разности давлений, скорости изменения давления воздуха в кабине, сигнализаторы опасного перепада давлений, включения подачи кислорода в кислородные маски.

Одним из существенных препятствий, стоявших на пути внедрения герметических кабин на военных самолетах, была возможность резкого падения давления в кабине на больших высотах при нарушении ее герметичности от пулевых и осколочных пробоин, а также при повреждении системы наддува кабины. В связи с этим были созданы специальные аварийные костюмы для членов экипажей высотных самолетов. Эти костюмы изготовляются из специальных тканей. На голову летчика надевается предохранительный шлем. В случае прострела кабины или повреждения системы наддува в костюм и в герметизированную полость между шлемом и головой летчика автоматически подается под давлением кислород. Действующее при этом на тело летчика давление облегчает дыхание и обеспечивает правильное распределение крови по организму. Обычно к такому аварийному костюму крепится небольшой баллон с кислородом для дыхания при прыжке с парашютом с больших высот. Костюм имеет также специальный обогрев.

Иногда высотный полет связан еще с одним фактором, требующим внимания. Это холод. Дело в том, что температура сухого воздуха уменьшается на 1° с каждыми 100 м высоты. При среднем гидрометрическом состоянии атмосферы в средних широтах температура на высоте 6000 м на 30-40° ниже, чем у земли. На высоте 10000 м температура становится сравнительно стабильной: -56°. На некоторых самолетах защита от низких температур осуществляется либо подогреванием воздуха в кабине, либо с помощью греющих комбинезонов, а в случае оставления самолета с парашютом - с помощью защитных одежд, достаточно изолирующих от холода.

Описанное высотное оборудование самолетов и специальное снаряжение их экипажей обеспечивают безопасный полет на высотах до 20000 м. Однако авиационные конструкторы стремятся еще больше увеличить возможную высоту полета. Это выдвигает ряд новых сложных проблем. Одним из возможных путей их решения является создание для летчика, а на больших самолетах для всех членов экипажа специального герметического скафандра (см. рис. 56, справа). Такой скафандр представляет собой воздухонепроницаемый костюм, снабженный специальной аппаратурой, позволяющей поддерживать в нем необходимое давление воздуха и соответствующее содержание кислорода. Скафандры применялись для полетов на высотах более 12000 м, но были вытеснены герметическими кабинами из-за того, что ограничивали свободу движений членов экипажа. Даже специальные конструкции сгибов туловища и конечностей не обеспечивали полностью необходимой свободы движений человека. В последнее время в ряде стран высотным скафандрам было вновь уделено большое, внимание, как средству обеспечения полетов на высотах более 20000 м.

По сообщению иностранной прессы, один из образцов такого высотного скафандра предназначен для полетов на высотах до 30000 м. Скафандр представляет собой специальный костюм, изготовленный из резины и снабженный сферическим шлемом из органического стекла. Вес скафандра составляет около 12 кг. Он обеспечивает достаточную подвижность туловища и конечностей летчика на любой высоте. Скафандр снабжен автономной кислородной системой, автоматически вступающей в работу в случае выхода из строя самолетной кислородной системы. Если же кислородная система скафандра также выходит из строя, внутри скафандра остается достаточный запас кислорода для того, чтобы летчик успел снизить самолет до безопасной высоты. Скафандр не препятствует выбрасыванию летчика из самолета и спуску на парашюте, он также предохраняет его от низких температур на высотах до 30000 м. В процессе испытаний такого скафандра летчик поднимался в нем на экспериментальном самолете, запускаемом с самолета-матки, на высоту около 25400 м.

Все сказанное не исчерпывает (многообразия проблем, возникающих при осуществлений высотных полетов, и созданного уже высотного оборудования самолетов, тем более, что развитие современной науки и техники способствует дальнейшим успехам в овладении большими высотами.