سیستم اکسیژن هواپیما

نویسنده: سینا سلیمانی 

طبق مقررات بین‌المللی هواپیما کلیه هواپیما هایی که بالای 10000 پا پرواز میکنند بایستی مجهز به سیستم اکسیژن باشد و این نکته هم در هواپیما های ( pressurize  )  و ( unpressurize  ) صادق می‌باشد. اکسیژن مورد استفاده از نوع طبی بوده و اکسیژن صنعتی به علت دارا بودن ناخالصی به هیچ وجه نباید استفاده شود .

چرا هواپیما نیاز به سیستم اکسیژن دارد ؟ ؟

با افزایش دانش خلبانان و پیشرفت تکنولوژی هواپیماها این قابلیت را پیدا کردند که به مقاصد دور تری سفر کنند، در ارتفاعات بالایی به پرواز ادامه دهند و سریع و سریع تر شوند. در این میان یکی از موانعی که سد راه این پروسه رو به جلو می‌شود محدودیت‌های بدن انسان است. درست است که راندمان و عملکرد هواپیماها در حال بهبودی است اما بدن انسان نیز درهواپیما همانند هرجای دیگری نیاز به اکسیژن خواهد داشت.

هواپیماهای مسافربری امروزه در ارتفاع 40.000 پایی ( 12 کیلومتری )  بدون اینکه مشکلی برای سرنشینان رخ دهد در حال پرواز هستند اما چگونه ؟ در ادامه به این سوال پاسخ کاملی خواهیم داد و سایر اطلاعات مورد نیاز را به شما خواهیم گفت.

اتمسفر :

ترکیب اتمسفر-Atmosphere ساده بوده و تقریباً به طور کامل از سه عنصر نیتروژن، اکسیژن و آرگون تشکیل شده است. غلظت برخی از مواد موجود در اتمسفر که شامل اجزای سازنده اصلی می‌شود، حداقل از نظر تغییرات کوتاه مدت ثابت است. سایر ترکیبات و خصوصاً آب، تغییرات زیادی را در دوره‌های کوتاه زمانی نشان می‌دهند. بخار آب اتمسفر زمین می‌تواند تا 4 % هم برسد.

 ترکیبات اصلی اتمسفر و درصد وزنی آن‌ها

نیتروژن       78 %

 اکسیژن       21 %

 آرگون 0.94 %

 دی اکسید کربن       0.03 %

هیدروژن      0.0005 %

اکسیژن در ارتفاعات بالا :

فشار استاندارد سطح دریا101٫325  پاسکال    760 میلیمتر جیوه  ، 14/696پوند بر اینچ مربع  29/92اینچ جیوه و..... می باشد ، از این رو در اثر افزایش ارتفاع مولکول های هوا از یک دیگر فاصله گرفته و هرچه به ارتفاع بالا تری برویم ، فشار کم شده و تنفس برای انسان با مشکل مواجه شده و به جایی خواهد رسید که انسان کم کم هوشیاری خود را از دست می دهد.

هواپیماها از هوای اطراف مقدار نامحدودی از اکسیژن دریافت می کنند. هوا از قسمت کمپرسور موتور یا هوای ( Bleed  ) موتور  تامین می شود و از طریق گروهی از ماشین آلات منتقل می شود تا در نهایت به مسافران داخل کابین برسد.

 همچنین یک دریچه خروجی معمولا در قسمت عقب هواپیما وجود دارد که هوای داخل کابین را جمع کرده و تخلیه می کند. بنابراین عرضه مداوم هوای تازه حفظ می شود.

اما چرا انسان‌ها نمی‌توانند در هر ارتفاعی زنده بمانند؟

این اتفاق از فشار هوا ناشی می‌شود. در سطح دریا، تمام وزن اتمسفر بر بدن شما فشار وارد می‌شود. هرچه از سطح دریا روبه‌بالا فاصله بگیرید، فشار اتمسفر بر بدن کاهش می‌یابد که سبب کاهش غلظت و چگالی آن می‌شود. در نهایت هوایی که در ارتفاعات استنشاق می‌شود دارای مولکول‌های اکسیژن کمتری خواهد بود. در مقطعی از ارتفاعات میزان اکسیژن به قدری کاهش می‌یابد که انسان را از  هوشیاری خارج می‌کند.

کاهش فشار در ارتفاعات و مشکلات آن:

بیشتر سیستم های تنظیم و کنترل فشار کابین هواپیماها با توجه به این مسئله که بدن

انسان قادر است تا حدود 4psi  (افت فشار محیط )نسبت به فشار  14 / 7 psi (در سطح

آبهای آزاد) را   تحمل نماید طراحی میشوند. بنابراین مسلم است که در فشار

10 / 7 psi هیچ مشکلی برای بدن انسان به وجود نمی‌آید و به همین دلیل سیستم ها

طوری طراحی میشوند که فشار را در حد فشار معادل تا ارتفاع( 8000 پایی )10 /92 psi) )

ثابت نگه دارند . بنابراین در ارتفاع 8000 پا و بالا تر فشار هوای داخل کابین در حدود

10/92 psi است. افزایش دادن ارتفاع پرواز به بیش از 10,000 پا بدون سیستم تنظیم و

کنترل فشار و یا سیستم مناسب اکسیژن موجب بروز اشکالات تنفسی و ناراحتی های

فیزیولوژیک برای سرنشینان خواهد شد که این تنظیم و کنترل فشار در ارتفاعات بالاتر

از 10,000 پا به روش های مختلفی صورت میگیرد.

 برای مثال همانطور که اشاره شد برخی هواپیماهای

مجهز به موتور جت از هوای قسمت خروجی کمپرسور موتو و یا در هواپیماهای با موتور

پیستونی از هوای خروجی از کمپرسوری مجزا که توسط موتور می‌چرخد ، استفاده

میکنند.

در ارتفاعات بالا با کمبود و کاهش فشار

اکسیژن موجود در هوا نیز مواجه میشویم که این مسئله فوق‌العاده حائز اهمیت است،

چرا که ساده ترین تعریف برای اهمیت حیاتی بودن اکسیژن این است که انسان بدون غذا

تا یک هفته و بدون آب تا چند روز میتواند زنده بماند ولی بدون اکسیژن فقط 4 تا 5 دقیقه زنده خواهد ماند.

طبق تحقیقات به عمل آمد در فشار 14 / 7 psi( در سطح آب های آزاد) 95 درصد خون

بدن انسان از اکسیژن اشباع میشود اما در ارتفاع 10000 پایی که فشار به 10 / 11 psi

می‌رسد  90 درصد خون از اکسیژن اشباع میشود و این 5 درصد افت فشار باعث

ناراحتی های جسمی شده  ولی خطر جدی در بر ندارد.

حال در ارتفاع 18000 پایی که

فشار هوا به 7 / 34psi میرسد اکسیژن موجود فقط میتواند 70 درصد خون را اشباع

نماید. در این صورت چشم و مغز انسان که نسبت به بافت های دیگر احتیاج بیشتری به

اکسیژدارند فعالیت نسبی خود را به تدریج ازدست داده و مغز انسان مانند جعبه دنده ای

که  دنده های آن ساییده شده کار میکند و از این ارتفاع به بالا، کمبود اکسیژن خطری

جدی برای سرنشین محسوب میشود و آثار آن ابتدا عبارتاند از: سردرد، بی حالی و

بی توجهی به اتفاقاتی که در محیط اطراف رخ میدهد ، سرخوشی و... که اصطلاحاً به آن (Hypoxia   یا  Hypoxic)گفته می شود ؛

شخص اگر با خطری روبرو شود دست به اقدام های غیرطبیعی می زند ، تصور میکند که افکارش درست و

قضاوت های او منطقی است؛ تعداد تنفس بالا میرود؛ حس درد کاهش یافته و ناخن ها و لب ها

کبود میشوند و در نهایت آثار و علائم بیهوشی بدون اطلاع شخصی بر او مستولی میشود

که سرعت این بیهوشی بستگی به قدرت انسان و ارتفاع پرواز دارد.

 باید یادآور شد که کلیه علائم مذکور تنها در مدت 3 الی 5 دقیقه ظهور میکند و درصورتی که هیچ تدبیری

برای سرنشین صورت نگیرد، عواقب ناخوشایند خواهد بود. البته سیستم تنظیم و کنترل فشار با این خطرات

مقابله نموده و از بروز آنها جلوگیری میکند. در موارد اضطراری که نیز سیستم کنترل

فشار دچار هرگونه نقص فنی گردد، ماسک های اکسیژن درسیستم آماده به کار هستند، با استفاده از ماسک ، اکسیژن

لازم جهت تنفس سرنشینان تأمین میگردد. اغلب مسافران هواپیماها نمیدانند که به راستی چرا

حمل اسپری ها و شیشه های ادکلن، تخم مرغ خام و غیره در داخل هواپیما ممنوع است.

ولی علت واضح است، اگر فشار هوای داخل هواپیما به هر دلیلی ناگهان کاهش یابد، یک

اختلاف فشار شدید بین داخل ظروفی که با هوای فشرده پر شده اند  ( نظیر اسپری ها و ...)

محیط اطراف به وجود می آید که میتواند سبب ترکیدن بدنە فلزی آنها شود؛ تکه های

فلزی حاصل ، نظیر ترکش های کوچکی عمل نموده و برای کسانی که در اطراف آنها

نشسته اند خطرآفرین میباشند.

بنابراین تفاوتی نمی‌کند که در ارتفاعات نزدیک به ساحل باشید یا بر قله‌های اورست. در فضای کابین همیشه 21 درصد اکسیژن با فشار مناسب وجود خواهد داشت.

هواپیما چگونه اکسیژن مورد نیاز را در ارتفاعات تامین میکنند؟

برای تامین اکسیژن مورد نیاز در کابین هواپیما دو روش وجود دارد.

 روش نخست که معمولا در هواپیماهای کوچک مورد استفاده قرار می‌گیرد، با تعبیه کردن یک مخزن اکسیژن خالص در هواپیما صورت می‌گیرد که به وسیله ماسک اکسیژن مخصوص آن را به بدن وارد می‌کند.

 این روش که کمی دشوار به نظر می‌رسد در هواپیما های لوکس  مورد استفاده قرار گرفته نمی‌شود و در ازای آن از یک سیستم اکسیژن رسانی پیشرفته استفاده می‌شود که بدون نیاز به ماسک ، اکسیژن کافی در کابین را تامین می‌کند. به این صورت که خلبان می‌تواند هوای مورد نیاز خود و مسافرین را از طریق یک کنترل پنل تنظیم کند. که این سیستم (pressurize  ) نامیده می‌شود.

 بنابراین هرچقدر ارتفاع هواپیما افزایش پیدا کند میزان اکسیژن در همان میزان 10,000 پایی از سطح دریا حفظ می‌شود. البته در این روش دوم ضوابط دیگری هم وجود دارد. اگر ارتفاع هواپیما از 14000 پا بیشتر شود تمامی خدمه هواپیما باید از اکسیژن استفاده کنند و اگر این ارتفاع به 15000 پا برسد علاوه بر خدمه، مسافرین نیز موظف خواهند بود تا از اکسیژن تعبیه شده خود استفاده کنند..

با تمام این قوانین FAAیا اداره هوانوردی فدرال توصیه کرده است که خلبانان در ارتفاعات 10.000 پایی در روز و ارتفاع 5000 پایی در شب نیز از تجهیزات مخصوص به اکسیژن رسانی استفاده کنند.

نگاهی دقیق تر بر سیستم اکسیژن رسانی مدرن در هواپیما

شاید تا آلان متوجه سازوکار سیستمpressurize،   همان روش دوم و مدرنی که هواپیماها برای سفرهای خود استفاده می‌کنند شده باشید.

موتور جت هوای کم فشار محیط بیرون را به وسیله کمپرسور موتور ، تحت فشار قرار میدهد و هوای متراکم و با فشار مناسب را برای کابین هواپیما تامین میکند. این هوای متراکم و غلیط شده گرمای بسیاری دارد ، قبل از اینکه این هوای داغبه سمت کابین ها جریان داشته باشد دمای آن توسط سیستم و پکیج‌های خنک کننده متعددی به دمای مورد نظر می‌رسد و به کابین انتقال داده می‌شود .

البته سازندگان هواپیماها ازاین هوای داغ و غلیظ شده که اصطلاحاً ( bleed air ) خوانده می شود ، استفاده‌های دیگر و مهمی میکنند . هوا درست قبل از شروع فاز احتراق در موتور و وارد شدن به قسمت محفظه احتراق  موتور ( combustion chamber  ) ، بخشی از هوا را برای قسمت‌های دیگری مانند آب کردن یخ‌های سطح هواپیما ( anti Icing )

و ( De-icing ) و ... انتقال میدهد .

سیستم فشار ( pressurize )،  هوا را به طور مداوم وارد کابین‌ها می‌کند اما موضوع مهم تشخیص میزان ارتفاع کابین هواپیما از سطح دریا است که توسط نوعی شیر خروجی که outflow valve نامیده می‌شود انجام می‌گردد. از آنجایی که درب و پنجره‌های هواپیما کاملا از ورود هوا به داخل هواپیما ایمن هستند این وسیله می‌تواند با دقت بالایی کار تنظیم هوا را انجام دهد تا درصد اکسیژن نسبت به میزان ارتفاع هواپیما متناسب باشد

سیستم اکسیژن در هواپیما به سه صورت یافت می‌شود

Low pressure system_1  با فشار مخزن ( 450psi (

Hight pressure system_2 با فشار مخزن ( 1800 psi (

Liquid oxygen system _3 با فشار مخزن ( 3600 ) psi

Light aircraft oxygen system

در هواپیما های کوچک و سبک از سیستم low pressure  با فشاری حدود 450 psi استفاده می شود ، اصولا اکسیژن در سیلندر های ساخته شده از فولاد ضد زنگ ذخیره میشوند و معمولا از روی زمین قابل شارژ بوده و در غیر این صورت میتوان آن ها را تعویض کرد

به طور کلی قطعات این سیستم عبارتند از

oxygen sylinder_1

Pressure gage _2

Shott off valve _3

Relif valve_4

Pressure regulator_5

Flow Indicator_6

Oxygen mask _7

اگر حادثه‌ای رخ دهد چه اتفاقی خواهد افتاد؟

نخستین اقدامی که خلبانان در این شرایط انجام می‌دهند کاهش ارتفاع هواپیما است. زیرا با این کار آن‌ها می‌توانند دسترسی به اکسیژنرا برای خدمه و سرنشینان هواپیما افزایش دهند و همچنین در صورت نیاز ، خود را برای یک فرود اضظراری آماده کنند. البته کاهش ارتفاعهواپیما چندین دقیقه زمان خواهد برد که در این حین مسافران می‌توانند از ماسک اکسیژن که از سقف به پایین آویزان می‌شود استفاده کنند. خلبانان نیز در کابین خود همیشه دارای ماسک‌ اکسیژن هستند.

ماسک های اضطراری اکسیژن :

در مواقعی خیلی نادر اتفاقی در هواپیما رخ میدهد که مسافران را مجبور به استفاده از ماسک اکسیژن می کند. این اتفاق از «کاهش ناگهانی فشار» داخل کابین هواپیما ناشی می‌شود. در واقع در سفرهای هوایی خیلی کم پیش می آید که از این وسیله اسرار آمیز استفاده کنیم این اتفاق آنقدر نادر است که وقتی در سال ۲۰۱۵ مسافران یکی از هواپیماهای «یوناید ایرلاینز» نیاز به این ماسک پیدا کردند همه مسافران  تمایل داشتند تا با این ماسک ها سلفی بگیرند!

تا به حال فکر کرده اید که این ماسک های اکسیژن به چه صورت کار می کنند؟

تحت چه شرایطی باید به کار بروند؟ و چقدر اکسیژن در درون هر کدام از آن هاست؟

ماسک های اکسیژن در محفظه هایی در بالای صندلی ها هستند تا ایمنی شما را در طول پرواز تامین کنند. همانطور که قبل از پرواز و در طول پرواز مهمانداران در مورد نحوه کارکرد و استفاده از آن توضیح می‌دهند .

این ماسک ها راه حلی برای تامین اکسیژن در هنگام کم شدن فشار داخل کابین و کمبود اکسیژن هستند. هوا در ارتفاعات بالا  رقیق است؛ معنی این جمله دقیقا این است که در ارتفاعات بالا سطح اکسیژن کم می شود. کمبود فشار در هواپیما یک مشکل بزرگ به حساب می آید که می تواند بسیار خطرناک باشد.

تا به حال خیلی کم پیش آمده که در اثر مشکلات فشار آسیب جدی به کسی برسد. اگر فشار کابین از یک حد معینی کم تر شود ماسک های اکسیژن بالای سر مسافران به صورت اتوماتیک باز می شوند اما خوشبختانه هواپیما خیلی زود به ارتفاع امن برمی گردد و دوباره مسافران می توانند بدون هیچ مشکلی از اکسیژن طبیعی داخل کابین تنفس کنند.

 تا به حال به این فکر کردید که چند دقیقه می توان از اکسیژن این ماسک ها استفاده کرد؟

شاید فکر کنید می توانید با خیال راحت به صندلی هواپیما تکیه دهید و چندین ساعت از این اکسیژن استفاده کنید اما واقعیت این است که دقایق استفاده از این اکسیژن بسیار کمتر از آن چیزی است که شما تصور می کنید. در طراحی این ماسک ها این طور فرض شده که هواپیما به سرعت به ارتفاع امن (10000 پا )برمی گردد و دیگر نیازی به استفاده از این ماسک ها نیست. هر سیلندر اکسیژن حداقل 15 دقیقه اکسیژن تولید می‌کند و این زمان کافی است تا خلبانان ارتفاع هواپیما کاهش دهند تا هواپیما در ارتفاعی باشد که توانایی تنفس طبیعی برای مسافران فراهم شود...

در هر ردیف یک عدد ماسک بیشتر وجود دارد و دلیل آن این است که شاید نوزادی که صندلی برایش در نظر گرفته نشده در پرواز حضور داشته باشد، البته نگرانی خاصی راجع به مصرف بیهوده اکسیژن توسط این ماسک‌ها نداشته باشید چراکه مکانیزم کار تمام ماسک ها بصورت demand valve است، یعنی فقط با انجام عمل دم در داخل این ماسک ها اکسیژن خارج می‌شود. ....

اکسیژن ماسک های اضطراری چگونه تامین می‌شود ؟؟

شاید برای شما هم جالب باشد که ماسک های اضطراری اکسیژن از هیچ گونه کپسول و مخزنی استفاده نمیکند !

بلکه نحوه کارکرد این سیستم بدین صورت است که در بالای هر ردیف صندلی یک سیلندر طراحی شده که درون آن دو ماده شیمیایی وجود دارد ، که با کشیدن ماسک رو به پایین ، چاشنی سیلندر فعال شده و در اثر برخورد و سوختن این دو ماده با یکدیگر ، اکسیژن تولید خواهد شد....

به همین دلیل است ، زمانی که از ماسک اضطراری هواپیما استفاده میکنیم ، کمی بوی سوختگی و دود را حس میکنیم ، و این به دلیل سوخته شدن دو ماده شیمیایی میباشد ....

این مکانیزم به این دلیل استفاده میشود که هواپیما دیگر نیازی به حمل مخزن بزرگ و سنگین اکسیژن نداشته باشد و در مصرف سوخت و ... صرفه‌جویی شود ...