Качество внутреннего воздуха в самолетах

T. H. Karakoc, F. Atmaca, S. Kaba, S. Toka, Школа гражданской авиации Анатолийского университета;

B. Isiki, доцент Медицинского научного центра общественного здравоохранения при Османском университете

Современные самолеты оборудованы системой контроля внутренней среды (Environmental Control System – ECS), обеспечивающей безопасный, комфортабельный и неугрожающий здоровью полет как для пассажиров, так и для экипажа.

В этой системе наружный воздух забирается силовой системой самолета, смешивается с отфильтрованным внутренним воздухом и подается в салон.

Система ECS предназначена для снижения концентрации в воздухе загрязняющих веществ, которые могут проникнуть в салон, а также для регулирования температуры, давления, влажности и вентиляции салона самолета.

Чистота воздуха в помещении определяет качество внутреннего воздуха в этом помещении.

Чистый воздух – это воздух, концентрация загрязняющих веществ в котором не превышает определенного уровня, устанавливаемого стандартами, и который не вызывает дискомфорта у людей.

В настоящей статье кратко рассматриваются современные системы ECS, отмечаются риски, связанные с загрязняющими веществами в воздухе, угрозой здоровья и снижением комфорта в контексте качества внутреннего воздуха.

Системы контроля внутренней среды и качества внутреннего воздуха в самолетах

Внутренняя среда в современных самолетах обладает физическими характеристиками, которые не позволяют людям находиться в такой среде без какой-либо защиты. Поэтому в современных самолетах используются довольно сложные системы ECS.

Эти системы предназначены для удовлетворения физиологических потребностей людей в любых условиях полета и для предоставления им определенного уровня комфорта во время полета (2).

На рис. 1 представлены основные компоненты ECS, обеспечивающие удовлетворение физиологических потребностей пассажиров и создающие определенный комфорт в салоне самолета.

Рисунок 1 (подробнее)   Типичные компоненты и схема системы 767 ECS

Конструкция системы вентиляции салона основана на подаче вентиляционного воздуха в каждый ряд кресел и на сборе и удалении отработанного воздуха из пространства того же ряда. Такой подход снижает риск распространения инфекций по всему салону самолета.

Первые реактивные самолеты не имели системы рециркуляции воздуха в салоне. Основной причиной этого было то, что двигатели этих самолетов имели низкий КПД, и весь воздух, всасываемый двигателем, использовался для создания силы тяги.

Усовершенствование технологии производства двигателей привело к созданию двигателей нового типа – так называемых турбовентиляторных двигателей. Первые турбовентиляторные двигатели имели степень двухконтурности 2:1, благодаря чему обеспечивалось более экономичное расходование топлива.

Однако такое усовершенствование, сделавшее возможным использование наружного воздуха на 100 %, не было в то время разработано до необходимой степени.

Более поздние турбовентиляторные двигатели имели степень двухконтурности 5:1. Но в этих двигателях увеличилось потребление топлива из-за отводимого воздуха.

Поскольку тогда еще не было систем рециркуляции, подача в салон только наружного воздуха вызывала значительное увеличение эксплуатационных расходов в самолетах.

Благодаря исследованиям, проведенным в этой области, была достигнута значительная экономия топлива без снижения качества внутреннего воздуха.

В самолетах начали использовать системы рециркуляции, применяющие высокоэффективные фильтры и позволяющие снизить долю отводимого воздуха. Влияние использования отводимого воздуха на потребление топлива показано на рис. 2.

Рисунок 2 (подробнее)   Влияние стравливаемого воздуха на потребление топлива

Факторы, влияющие на качество внутреннего воздуха в самолетах

Факторы, влияющие на качество внутреннего воздуха в самолетах, могут быть разбиты на пять категорий:

• давление;

• содержание кислорода;

• температура;

• влажность;

• концентрация загрязняющих веществ в воздухе.

Внезапное изменение уровня одного или нескольких из этих факторов или взаимодействие между ними могут вызвать ухудшение качества внутреннего воздуха и, следовательно, могут оказывать отрицательное воздействие на здоровье пассажиров и экипажа.

Давление

Так как на большой высоте плотность воздуха очень мала, действующая на самолет сила сопротивления также мала. Это обстоятельство делает эффективным полет на больших высотах.

По этой причине для обеспечения безопасности экипажа и пассажиров салоны почти всех коммерческих самолетов герметизированы. Действующий стандарт герметизации салонов самолетов определен в разделе 25.841 Федеральных авиационных предписаний (FAR) Федерального авиационного агентства (FAA).

Согласно этому стандарту, давление в салоне при нормальных рабочих условиях не должно быть выше давления на высоте 2 450 м. Если даже давление в салоне поддерживается на постоянном уровне, соответствующем 2 450 м, это давление ниже давления на уровне моря. Такое низкое давление может отрицательным образом сказываться на физиологии пассажиров. Пониженное давление вызывает расширение пузырьков воздуха, находящихся в клетках тела человека, что может быть причиной плохого самочувствия, а у людей с повышенной чувствительностью это может вызвать более серьезные угрозы здоровью.

Кислород

При установившемся состоянии атмосферы величина атмосферного давления на уровне моря равна 760 мм ртутного столба. При этом парциальное давление кислорода составляет 160 мм ртутного столба (приблизительно 21 %). Но поскольку в этих условиях процентное содержание углекислого газа и водяного пара возрастает, парциальное давление кислорода снижается приблизительно до величины 105 мм ртутного столба. Таким образом, парциальное давление, к которому привык человеческий организм, равно 105 мм ртутного столба. Если парциальное давление кислорода ниже этого уровня, поступление кислорода в кровь снижается, и обычный ритм организма человека нарушается.

Температура

Температура в салоне в большей степени влияет на комфорт летящих в самолете людей. Однако вместе с другими физическими и биологическими факторами она может оказывать отрицательное воздействие и на здоровье, т. к. влияет на интенсивность потери жидкости пассажирами и членами экипажа.

Кроме того, влажность, которая непосредственно связана с температурой, также влияет на тепловой комфорт.

Температура также влияет на восприятие качества воздуха. При росте температуры воздух в помещении ощущается находящимися там людьми как более загрязненный. Кроме этого, температура существенным образом влияет на интенсивность выделения летучих органических соединений (Volative Organic Compounds – VOC), источниками которых являются тело человека и материалы салона. Следовательно, концентрация загрязняющих веществ в воздухе салона будет также возрастать.

Влажность

Относительная влажность воздуха салона имеет две важные характеристики, имеющие отношение к качеству воздуха: комфорт пассажиров и влияние на конструкцию самолета и на безопасность полета.

Высокая относительная влажность (выше 70 %), особенно при высокой температуре, создает дискомфортную среду для пассажиров. В такой ситуации в салоне выпадает конденсат, и капли воды могут вызывать коррозию, которая может представлять опасность для конструкции самолета. Кроме того, некоторые опасные для человека биологические организмы могут размножаться в условиях повышенной влажности.

Усовершенствованные системы ECS современных самолетов осушают забортный воздух при помощи отделителей влаги.

Таким образом, основными источниками влажности в салоне являются дыхание пассажиров и испарения с поверхности человеческого тела. Смешиванием наружного и рециркуляционного воздуха из салона достигается относительная влажность около 10–20 %. Эти значения ниже показателей, задаваемых стандартами комфорта ASHRAE*.

 

* ASHRAE – Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха.

Загрязняющие вещества в воздухе салона самолета

Загрязнение внутреннего воздуха устраняется вентиляционным забортным воздухом. После того как загрязняющие вещества внутреннего воздуха разбавляются вентиляционным воздухом, внутренний воздух подается в салон. Расход наружного воздуха является важным фактором степени загрязненности воздуха в салоне. Предписания FAR 25 устанавливают, что минимальное количество забираемого свежего воздуха на одного человека составляет 12,5 м³/ч.

Основными источниками загрязнения внутреннего воздуха являются дыхание пассажиров, запахи пищи, туалет и т. д. либо источники, находящиеся вне салона.

Для очистки рециркуляционного воздуха от патогенных и опасных частиц очень важна эффективность фильтрации применяемых фильтров. В вентиляционных системах самолетов применяются HEPA-фильтры**.

Такие фильтры способны задерживать вирусы и бактериальные структуры, они характеризуются средней эффективностью 94–99,97 %. Однако для эффективной работы эти фильтры должны регулярно проверяться.

 

** HEPA-фильтры – высокоэффективные воздушные фильтры твердых частиц (НЕРА filter – High Efficiency Particulate Air Filter)

Загрязнения от наружных источников

Вентиляционный воздух, подаваемый в салон, забирается снаружи. Поэтому загрязняющие вещества, находящиеся в наружном воздухе, могут проникнуть в пассажирский салон.

Большинство аэропортов расположено вблизи больших городов, для которых характерны значительные проблемы, связанные с загрязнением воздуха.

Кроме того, еще одним источником загрязнения являются системы вывода отработанного воздуха в аэропортах. После посадки самолета выхлопные газы и пары противообледенительных химических веществ, проникающие через открытую дверь, могут создать серьезную угрозу здоровью.

Основное загрязнение наружного воздуха происходит на очень низком уровне.

На высоте полета основным загрязняющим веществом является озон (О₃). Атмосферный озон образуется в результате преобразования атмосферного кислорода под действием ультрафиолетового излучения солнца.

Стандарты, касающиеся этого вопроса, определены FAA (FAR 25.832 и FAR 121.578). Озон может служить причиной проблем с дыханием, он обостряет астматические проявления и отрицательно воздействует на иммунную систему организма человека.

Внутренние источники загрязнений

Во внутреннем воздухе салона могут находиться вирусы, бактериальные организмы и другие микроорганизмы, выделяемые членами экипажа и пассажирами. Источниками этого типа загрязнения могут быть одежда, дыхание и испарения с поверхности кожи. Пассажиры и члены экипажа являются источниками различных бактерий, вирусов и аллергенов.

Кроме того, наиболее важным источником загрязнения является углекислый газ, являющийся побочным продуктом дыхания. Чехлы сидений и коврики на полу могут содержать пыль, микроорганизмы и аллергены, поэтому они также могут быть источниками загрязнения внутреннего воздуха.

В перерывах между полетами салоны чистятся. Во время процесса чистки применяются различные чистящие и моющие средства и растворители. Эти чистящие средства при испарении создают загрязнения на поверхностях и во внутреннем воздухе.

Для защиты самолета от насекомых и прочих организмов используются различные пестициды. Во многих странах является обязательной процедура уничтожения насекомых в самолетах, прилетевших из стран, в которых распространена малярия и случаются эпидемии желтухи.

Химические вещества, используемые в ходе такой процедуры, при неправильном их применении могут представлять опасность для здоровья.

Проблемы, которые могут быть вызваны плохим качеством воздуха в салоне самолета

Гипоксия

Гипоксия – это ослабление функций организма человека, вызванное недостатком кислорода в клетках крови и тканях.

Недостаток кислорода может вызываться несколькими причинами, но основной из них является снижение парциального давления кислорода в легких, являющееся результатом уменьшения давления кислорода в окружающей среде. Гипоксия может обнаруживаться по определенным симптомам, но иногда какие-либо симптомы могут отсутствовать. Если гипоксия развивается без симптомов, это является наихудшим случаем для пассажиров, т. к. они не знают о снижении функций своего организма.

При этом могут наблюдаться следующие явления: замедление мышления и неверные вычисления, ослабление памяти, замедленная реакция, учащенное дыхание и цианоз, ослабление восприятия, ухудшение координации мышечной активности, потеря сознания.

Тромбоз глубоких вен

Тромбоз глубоких вен – это сгусток крови в глубоких венах ног, хотя он может возникнуть и в других частях тела.

Опасность заключается в том, что часть этого сгустка может оторваться (эмболия) и начать перемещаться по кровеносным сосудам легких, где она может застрять и заблокировать одну из легочных артерий. Это называется легочной тромбоэмболией. Результатом этого могут быть снижение уровня кислорода в крови, ошибки в вычислениях, упадок сил и смерть.

Исследования показали, что эта болезнь возникает при длительных перелетах, и особенно у пожилых пассажиров. При полетах на большие расстояния симптомы этой болезни проявляются либо в первые часы полета, сразу после взлета, либо через несколько дней после полета, в среднем через четыре дня. Тромбоз в основном зависит от таких факторов, как недостаток движения, спазмы, сидячая поза, обезвоживание и давление в салоне.

Передача инфекции

Иногда при длительных полетах некоторые люди жалуются, что пассажиры и члены экипажа заразили их инфекционной болезнью.

Многие пассажиры опасаются заразиться от соседей или из-за вдыхания рециркуляционного воздуха в салоне.

Ясно, что при длительных перелетах за границу имеется повышенный риск заразиться вирусами и патогенными организмами.

Основными источниками инфекции в салоне являются: загрязненные вода и пища, туалеты, непосредственные контакты и/или выделения тела, насекомые и возбудители болезней, распространяющиеся от человека к человеку по воздуху.

В салонах самолетов производится смешивание использованного и вентиляционного воздуха в пропорции 50 на 50 %.

Если фильтры, которые должны эффективно удалять из воздуха салона вирусы и бактерии, работают неэффективно или не подвергаются регулярному техническому обслуживанию, риск ухудшения качества внутреннего воздуха повышается. Проводя регулярную проверку фильтров, необходимо удостовериться в том, что в воздухе салона отсутствуют микроорганизмы.

Другие факторы

Вероятно, температура воздуха может оказывать воздействие на здоровье людей и качество воздуха и косвенным образом:

• Так как при высокой температуре люди обычно снижают активность, при возрастании температуры воздуха салона увеличивается риск тромбоза глубоких вен.

• Сочетание высокой температуры и влажности может повысить жизнестойкость распространяющихся по воздуху патогенных организмов и отрицательно сказаться на иммунной системе организма, противодействующей болезням.

В салонах многих самолетов, в зависимости от типа самолета, влажность может меняться в пределах от 15 до 19 %. Хотя низкая влажность не является «загрязняющим веществом» для воздуха салона, она является фактором, влияющим на самочувствие пассажиров и членов экипажа.

Недостаточная влажность может вызвать сухость поверхности тела (слизистой оболочки и кожи) и раздражение глаз. Обезвоживание слизистой оболочки глаз вызывает слезотечение и боль в глазах.

Недостаточная влажность может серьезно ухудшить самочувствие людей, страдающих астмой, респираторными заболеваниями и болезнями верхних дыхательных путей.

Нарушение суточного ритма организма, которое является обычным явлением при длительных полетах, вызывается пересечением за короткое время нескольких часовых поясов. Сбой биологического ритма обычно проявляется следующим образом: усталость, снижение внимания и ослабление концентрации, ослабление умственной деятельности, памяти, тошнота и нарушение пищеварения.

Заключение

К настоящему времени от пассажиров и членов экипажа получено множество жалоб, связанных с условиями полета, параметрами внутренней среды салона (давления и влажности), взвешенными в воздухе твердыми частицами и загрязняющими веществами (чистящие средства, гидравлическая жидкость, озон), а также с физиологическими проявлениями и неудобствами полета (усталость, шум, необходимость длительное время сидеть в замкнутом пространстве, сбой биологических ритмов).

Однако из-за того, что до сих пор не проводился централизованный сбор и анализ этих жалоб, очень трудно установить связь между факторами, влияющими на качество внутреннего воздуха, и потенциальной опасностью этих факторов.

Нет сомнения, что исследования в этой области помогут установить необходимые параметры качества внутреннего воздуха в самолетах и что эти усилия приведут к подготовке стандарта качества внутреннего воздуха для самолетов.

Кроме того, они будут способствовать обеспечению, особенно для длительных полетов, качества внутреннего воздуха, соответствующего потребностям высокого уровня комфорта и не представляющего угрозы здоровью людей и безопасности полетов.

 

Перевод с английского Л. И. Баранова.

Материал предоставлен журналом «REHVA».