Boeing/NASA-Glenn 01

مطالعه سیستم گاز بی اثر / سیستم تولید اکسیژن (on-board) OBIGGS/OBOGS                           هدف:

مرکز تحقیقات Boeing/NASA-Glenn پیشنهاد انعقاد قراردادی را مطرح کرده است.این قرارداد در واقع برنامه ایمنی هوایی ناسا میباشد که به تحقیق در مورد تاثیر استفاده از تکنولوژیهای پیشرفته تفکیک گاز بر افزایش ایمنی هوایی می پردازد.

این تحقیق به بررسی تکنولوژیهای مرتبط با سیستم تولید گاز بی اثر  ((on-board OBIGGS (که باعث جلوگیری از فعل و انفعالات شیمیایی در مخزن سوخت میشود ونیز از مخزن در برا بر آتش سوزی محافظت میکند)ونیز سیستمهای تولید گاز اکسیژن (مورد استفاده برای خدمه) میپردازد.

به منظور پر بار نمودن این تحقیق به ترتیب 4 طرح و برنامه در نظر گرفته شده است.

1-  مشخص نمودن نیازهای سیستم هواپیمایی موجود .

2-  بررسی بر روی تکنولوژی های تفکیک گاز از نظر فنی

3-  بالا بردن سطح ویژگیها در مدل اولیه برای استفاده از سیستم تفکیک گاز OBIGGS/OBOGS

4-  پیشرفت بخش سخت افزار سیستم اولیه برای تست آزمایشگاهی.

هدف از این طرح ها توسعه سیستمهایی است که امکان تامین گاز نیتروژن بی اثر برای مخزن سوخت، بالا بردن سطح ایمنی سیستم اطفای حریق در اتاق حمل بار و تامین اکسیژن برای خدمه و مسافران را در مواقع ضروری دارا باشند.

زمینه:

سیستم های اکسیژن،همان طور که اخیرا برای هواپیمای مخصوص حمل و نقل تجاری طراحی شده است،شامل سیستمهایی برای مسافران ونیز خدمه می باشد که در مواقع ضروری کاهش فشار کابین مورد استفاده قرار میگیرد.اکسیژن مورد استفاده برای مسافران یا توسط سیلندرهای گاز اکسیژن فشرده ویا از مولدهای اکسیژن شیمیایی جامد تامین میشود .

سیستم های اکسیژن مورد استفاده برای خدمه کابین خلبان به صورت گازی شکل ذخیره شده اند .

علاوه بر این سیلندر های قابل حمل اکسیژن در کابین مسافران در دسترس می باشد .از این سیلندر ها استفاده پزشکی شده ونیز به عنوان ابزاری برای تنفس بهتر در مواقع ضروری مورد استفاده قرار میگیرند . ژنراتورهای اکسیژن (شیمیایی) برای مسافران در کابین هایی که در بالای سر آنها قرار دارند تعبیه شده اند . این ژنراتورها وظیفه تولید اکسیژن به وسیله واکنش های حرارتی /شیمیایی را برای دوره 22دقیقه ای بر عهده دارند . توصیف دقیقتر سیستم های اکسیژن در هواپیمای تجاری در بخش 1،مرجع 2 آمده است.

حمل و استفاده از اکسیژن در هواپیمای تجاری توسط FAA اجباری است . به هر صورت ،اکسیژن در هر حالت می تواند باعث خطر آتش سوزی شود زیرا مواد قابل اشتعال می توانند در اکسیژن خالص یا اتمسفر غنی شده سوخته و دمای احتراق گاز را بالا ببرند،بنابر این در نگهداری و جا به جایی مخازن این گاز باید بسیار دقت شود .

بخشی از این تحقیق شامل معرفی تکنولوژی های جدید تولید اکسیژن در هواپیما است که برای تعداد زیادی مسافر وخدمه در فرود های اضطراری قابل استفاده میباشد.تکنولوژیهای نام برده شده در تحقیق می توانند با هر 3 تکنولوژی معرفی شده در گزارش به تولید اکسیژن بپردازند :فیبر های لوله ای ،جذب سطحی و مایع کرن گاز .تکنولوژی چهارم ،جذب سطحی لرزشهای ناشی از فشار PSA به عنوان مبنای عملکرد در نظر گرفته شده  وبا تکنولوزی های نوین تفکیک گاز مورد مقایسه قرار گرفته است.

همچنین این تکنولوژی ها در سیستم های دو گانه hybrid مانند USAF RESEARCH LABORATORY ADVANCED HYBRID OXYGEN SYSTEM-MEDICAL(AHOS-M)

به منظور تولید و ذخیره اکسیژن مایع برای مصرف در بیمارستان LOX ثبت شده است.

برای محافظت از مسافران در پروازهای حمل و نقل تجاری از خطر آتش سوزی در آسمان به خصوص آتش سوزی که در مناطق دور افتاده رخ میدهد (آتش سوزی در اتاق حمل بار ) سیستم های اطفای حریق و تکنیک هایی طراحی شده اند تا ایمنی هواپیما را در هنگام پرواز بالا برند .سیستم های اطفای حریق موجود از درزگیری اتاق حمل بار و در دسترس داشتن ابزار خاموش کردن آتش استفاده کرده ،Halon 1301، و آتش سوزی را مهار میکنند .

اما به صورت استفاده دائمی از Halon 1301 توسط MONTREAL PROTOCOL قدغن شده است زیرا تاثیرات مخربی بر لایه ازن می گذارد .

با این وجود بعد از 10 سال تحقیق هنوز به طور کامل به سیستم جایگزین Halon  دست نیافته اند .

تمامی طرح های جایگزین دارای مشکلاتی هستند سمی بودن ،وزن بالا ، ونداشتن گنجایش لازم تا بتواند هم ارز با Halon کاربرد داشته باشند . بخش مرکزی دانشگاه نیو مکزیکو برای تکنولوژی های محیطی به دنبال طرح های جایگزین میباشد و در کنفرانس HOTW  که سالانه در Albuguerque,NM برگزار میشود ،به دنبال تبادل اطلاعات می باشد .

دو قانون در مورد خاموش کردن آتش وجود دارند:1 – کاهش تراکم اکسیژن 2 –پاک سازی محیط از مواد قابل اشتعال . این دو روش هم برای پیشگیری و هم به منظور ایجاد سدی در برابر نفوذ آتش به کار میرود .در هواپیماهای تجاری که اخیرا تولید شدهاند سیستم اطفای حریق گاز   Halon را به درون اتاق حمل بار که درزگیری شده است رانده تا تراکم اکسیژن را کاهش دهند و به این ترتیب از نفوذ آتش جلوگیری می کنند .

پس از این مرحله Halon  اضافی در اتاق می ماند تا غلظت مورد نیاز برای خاموش کردن آتش به وسیله واکنش های شیمیایی در منطقه آتش تامین شده و مناطقی که آتش به آن ها سرایت نکرده بیشتر در امان باشند . این تکنیک هم برای شعله مستقیم آتش و هم برای آتش های عمقی که در مرحله اول قابل دسترس نیست مورد استفاده قرار گرفته و تاثیرات بسیار خوبی داشته است .این تکنیک توانسته به قوانین  FAA عمل کند حال که سیستم های جایگزین می بایست به استاندارد های Halon  به عنوان حد اقل استاندارد ها رسیده باشند .

کاهش غلظت اکسیژن در هوا در زمان آتش سوزی تا جایی صورت می گیرد که دیگر اشتعالی رخ ندهد (بعد از این مرحله اطفای آتش آغاز میشود ). بر اساس منبع اشتعال سطح کاهش اکسیژن بین 10-12%غلظت اکسیژن خواهد بود .برخی از درخواست های ارتش برای هواپیما های جنگی در خواستی است مبنی بر غلظت کمتر اکسیژن به وسیله تزریق گاز بی اثر مانند آرگون یا نیتروژن(گازهایی که نه از آتش جلوگیری میکنند و نه آن را توسعه میدهند) نیز انجام شود .آزمایش گازهایی چون هلیوم نشان داده است که این گاز از طریق بی اثر شدن میتواند در برخی موارد سرایت آتش را در فضاهای پر از اکسیژن و هلیوم سرعت بخشد .مرجع 3

این تحقیق عملی به بررسی 2 قانون کاربردی از تکنولوژی بی اثر سازی مبپردازد که در هواپیمای حمل و نقل تجاری مورد استفاده قرار می کیرد :مخازن بال مرکزی  CWTو اتاق های حمل بار . کاربردهای اخبر از بی اثر سازی واکنش های شیمیایی در تانک سوخت ،در برخی از هواپیما های نظامی استفاده شده و احتمال انفجار تانک سوخت را در مواقع نبرد کاهش میدهد .

تکنولوژی های استفاده شده برای تفکیک گاز اکسیژن و نیتروژن از هوا ،غشای تراوا (فیبر های سرامیکی و پلی مری ) ،جذب سطحی لرزش ناشی از فشار و ستونهای تقطیر هوا می باشند که در این گزارش به آن پرداخته شده است . ابزار تفکیک گاز قابلیت تفکیک بخار ورودی هوا به بخارهای خروجی ،هوای غنی شده نیتروژن(95%نیتروژن و5% اکسیژن) و هوای غنی شده اکسیژن را دارا می باشند .

به تازگی این نوع ابزار در خطوط ترانزیتی و کشتی ها به منظور پوششی برای تازه نگه داشتن میوه ها و سبزیجات به مدت طولانی (استفاده از گاز نیتروژن) به کار گرفته شده است .اکثر هواپیماهای نظامی نیز چنین تکنولوژی تفکیک گازی را برای تولید گاز نیتروژن به منظور بی اثر کردن مخزن سوخت و اکسیژن برای تنفس خدمه به خدمت گرفته اند،اگر چه برخی از هواپیماهای نظامی قدیمی تر مجبور به استفاده از اکسیژن مایع ذخیره شدهLOX برای مصرف خدمه هستند. .هواپیماهایی که از چنین سیستم هایی استفاده میکنند به این عنوان خوانده میشوند :سیستم تولید گاز بی اثر(on- board)  OBIGGS  و سیستم تولید اکسیژن OBOGS

تکنولوژی رایج دیگر در زمینه تولید شیمیایی گاز بی اثر ،تکنولوژی باد شدن خودکار کیسه های هوا و ژنراتورهای گاز نیتروژن می باشد . اینها ابزاری آتشکاری با فتیله فعال هستند که واکنش های شیمیایی ایجاد کرده و گاز های مورد نیاز را به سرعت تولید می کنند .چنین سیستم هایی قابلیت تولید مقدار زیادی گاز در زمان کوتاه و فعال شدن در لحظه را دارا مبباشند .ما در این گزارش به طور کامل به بحث راجع به این ابزار نپرداخته ایم اما به کاربردهای آنها در انتشار N2 در یک محفظه یا تحریک واسط های دیگر مانند آب یا ابزار باد کننده اشاره میشود .

رویکرد تکنیکی :

رویکرد تکنیکی در به انجام رساندن بخش 2 از این تحقیق مشخص نمودن شرکت های متعددی است که با تکنولوژی های پیشرفته تفکیک گاز سرو کار دارند .در این زمینه بحث های زیادی بین شرکت های استفاده کننده از این تکنولوژیها وجود دارد. این امر فرصتی را فراهم می سازد تا اطلاعات دست اول از تکنولوژی در حال پیشرفت بدست آید و امکانات آزمایشگاهی و صنعتی /کارخانه ای مربوط به آنها مورد ارزیابی قرار گیرد .شرکتهایی را که بدان جا مراجعه کردیم و اشخاصی را که با آن ها ملاقات کردیم در پشت صفحه عنوان لیست شده است .

تمامی این شرکت ها اطلاعات کافی و کاملی را در زمینه پروژه های تحقیقاتی خود (دارای پشتوانه مالکیتی یا جواز) در اختیار ما گذاردند.در جایی که آن ها علاقه مند به افشای اطلاعات ما از شکل هل و دیتاهای تکنیکی استفاده کردیم .در اینجا میبایست تشکر و قدر دانی خود را از مهمان نوازی آن ها و نیز اشتیاقشان در سهیم کردن ما با اطلاعات مربوط به پروژه های بسیار مهم ابراز کنیم .

تکنولوژی تفکیک گاز :

این تکنولوژی شامل یک سری روشها ،علوم و کاربردها میباشد که تعداد زیادی از آن ها به خوبی سازمان یافتهو برای چندین دهه مورد استفاده قرار گرفته اند .

تفکیک برودتی یا تقطیر هوا برای مدت زیادی روش تهیه نیتروژن به عنوان گاز کالایی در صنعت شیمیایی بوده است . برای چندین دهه.هواپیمای باربری NAVY از اکسژن مایع LOX ،تولید شده به وسیله فنون تفکیک هوای برودتی ،که در کناره های کشتی مورد استفاده قرار میگرفت،استفاده میکرد . این روش شامل ستون های تقطیر خاصی است که برای فشار های وارده بر کناره کشتی و نیز حرکت های گردشی و دورانی نرمال در کشتی طراحی شده است .سیستم جذب سطحی لرزش های ناشی از فشار PSA برای از بین بردن گازهای آلوده و بخار های گاز غنی شده توسط اکسیژن و نیتروژن مدت هاست که به خدمت گرفته شده است . در دهه گذشته ،تکنولوژی غشای فیبر لوله ای HFMشاهد رشد چشمگیر در استفاده از منبع(در محل)برای هوای غنی شده نیتروژن NEA به منظور کاربرهای شیمیایی-پترو شیمی ،آماده سازی و نگهداری غذا و حمل و نقل بوده است مرجع 4.

فروشندگان و متخصصان زیادی با تواناییهای تکنیکی کلی یا اختصاصی دست به طراحی سیستم های تفکیک هوا زده اند که این طرح ها می توانند بخش زیادی از در خواست های غیر معمول و متنوع مشتری را پاسخ گویند .حتی در تجارت هوایی نیز واحدهای PSA وجود دارند که اکسیژن مورد نیاز برای خدمه جنگنده ها را تامین کرده و جزء مجموعه تولید کننده مدل های هواپیما می باشند .

در کنار این تکنولوژی های تفکیک هوا که به صورت تجاری امروزه مورد استفاده قرار می گیرند تکنولوژهای کامل و بسیار جدید دیگری در این زمینه نیز وجود دارند که در کاربردهابی هوا و فضا به خدمت گرفته میشوند .

3 تکنولوژی توسط NASA برای ارزیابی تکنیکی مشخص شده اند تا مناسب بودن آن ها برای استفاده در صنعت هواپیمایی آینده مورد بررسی قرار میگیرد .تکنولوژی تفکیک برودتی هوا به اکسیژن و نیتروژن ،تفکیک گاز با استفاده از غشای فیبر لوله ای ، و تکنولوژی استفاده از لایه های سرامیکی برای تفکیک اکسیژن از هوا با روش کاتالیزوری تقسیم میشود . هر کدام از این روشها دارای محاسنی است و تکنولوژی  PSA میتواند به عنوان تکنولوژی پایه برای اهداف تطبیقی مورد استفاده قرار گیرد .

روش های تفکیک در زمینه پروسه های شیمیایی و فیزیکی (که در هر کدام از آن ها نقش مهمی ایفا میکنند )با یکدیگر متفاوتند .در تکنولوژی  PSAاز  ویژگی جاذب بودن یک گاز خاص در سطوح جامد برای تفکیک استفاده شده است . غشا های سرامیکی از سطوح با دمای بالا (نقش کاتالیزوری) برای تفکیک اکسیژن از هوا استفاده میکنند .تکنولوژی HFM بر تفاوتهای موجود در ضرایب حل شوندگی Ostward در اجزائ تشکیل دهنده هوا تکیه دارند ،تا بتوانند انواع گاز را از بخار هوا جدا کنند . تفکیک برودتی بر مراحل کلاسیک ترمودینامیکی برای مایع کرن گاز و تقطیر استوارند.

تکنولوژی جذب سطحی لرزش ناشی از فشار :

از این تکنولوژی در مرحله تفکیک هوا استفاده میشود . هوا از درون یک ستون پوشیده شده با لایه ای از ساچمه یا پودر که شامل سطح وسیعی برای هر واحد وزن از لایه مواد می باشد عبور میکند . اگر این لایه مواد شامل بخشی از زیولیت ،سیلیکات-آلومینیوم باشند ،نیتروژن از بخار هوای ورودی جذب سطح زیولیت میشود ،مرجع 5.

و گاز خروجی تقریبا جدا از نیتروژن باقی می ماند تا تمام بخش های موجود بر روی سطوح زیولیت به وسیله مولکول های نیتروژن اشغال شوند .شکل شماره 1.