Boeing/NASA-Glenn 06

OBIGGS

در زمان بی اثر سازی نیتروژن ، 4 رویکرد کلی برای سیستمOBIGGS مشخص می شود : غشاهای سرامیکی،PSA ، تفکیک برودتی  (cryogenic) ، و سیستم های Hybrid / دوگانه که البته سیستم های Hybrid / دوگانه به غشاهای سرامیکی(CM) یا سیستم هایPSA همراه با انباشت  lox و سرمایش نیز نسبت داده می شود. هدفOBIGGS در خطوط تجاری تأمین اکسیژن مورد نیاز برای تنفس بهتر مسافران در زمان کاهش فشار در کابین(در ارتفاع بالا) می باشد. چنین اتفاقات ناگهانی ای لزوم وجود مخازن اکسیژن را بیشتر روشن می کند. زیرا ژنراتورهای اکسیژن شیمیایی و سیلندرهای فشار بالا تاریخ قدیمی ای در استفاده واقع شدن برای کاربرد را دارد، وLox ذخیره شده بسیار مفید خواهد بود.

بدین ترتیب 4 سیستم شامل CM / Lox ، PSA / Lox تقطیر و ذخیره سازی Lox وTALON  مي شوند.

تمامی این سیستم ها، سیستم های نوین، و پیشرفته ای هستند و سابقه چندانی در کاربردهای هواپیمایی ندارند. سیستم AHOS-M سیستم اکسیژن پر تابل می باشد که به وسیله AFRL / HEPR برای مصارف پزشکی و عملکردهای خاص توسعه پیدا کرده است. سیستم های AHOS-M جزء سیستم OBIGGS   می باشند . اگر هوای تأمین شده برای آن از هواگیری موتور به دست آمده باشد. تمامی 4 واحد مورد نیاز برای عمل سرمایش(و رساندن دمای گاز به دمای پایین) موجب مایع شدن گاز اکسیژن می شوند .

 سیال مناسب برای عمل سرمایش نیتروژن مایع شده می باشد  در حالیکه هلیوم یا نئون یا برخی ترکیبات در کاربردهایی مثل TALON استفاده می شوند در جایی که نیتروژن محصول مایع شده است اکسیژن مورد نیاز برای استفاده در مواقع اضطراری کاهش فشار در بخش 1 گزارش  مورد بررسی قرار گرفته است مثال ، فرود اضطراری از ارتفاع 000/40 فوت تا 000/ 10 فوت . اگر کل پروسه فرود 12 دقیقه زمان مصرف کند ،دیتاهای آمده در بخش 1 نشان دهند ه  مقدار استاندارد8/20 لیتر برای هر مسافر در طول دوره فرود می باشند. در یک هواپیمای فرضی با گنجایش 182 مسافر ، اکسیژن مورد نیاز برای مسافران 182(به علاوه 100 درصد) برابر 8/20 لیتر استاندارد یا 4160 لیتر می باشد که می تواند در حدود 5 لیتر اکسیژن مایع ذخیره گردد. مشکل توزیع تبخیر است و این که توزیع اکسیژن در میزان بالا و در ابتدای فرود 757 لیتر در هر دقیقه می باشد .

این سیستم های تفکیک هوا به همراه سرما سازی های ذخیره شده در حجم ، وزن و مبنای ایمنی فعال هستند اما دارای مشکلاتی نیز هستند که می بایست به منظور  افزایش تاثیر بخش و وضعیت رقابتی برطرف شوند .

موارد خاص :

برخی موارد فرعی نیزوجود دارند که در کاربرد دستگاه های تفکیک هوا مورد توجه قرار می گیرند .

1)  مهمترین آنها پیش تصفیه هوای ورودی است و این پیش تصفیه به دستگاه های تفکیک هوای متفاوت نیاز دارد. در مورد غشاهای سرامیکی باید گفته شود که این غشاها آمادگی چندانی در حل مشکل آلودگی هوای ورودی ندارند. احتمالاً سطوح غشاء باید از قرار گرفتن در معرض مایع به هر شکلی دور باشد تا از فشارهای منطقه ای که باعث کاهش پیدا کردن سطح عملکرد و ساختار می شوند جلوگیری کند. یک نکته در مورد آمادگی غشاهای فیبر لوله ای مطرح می شود و آن تأثیرات آب به شکل مایع یا بخار  آب سنگین / غلیظ در کاهش عمر مادیول ها است.

به هر صورت برای عملکرد بهتر و بازده بیشتر می بایست هوای ورودی از ذرات و هیدرو کربن هایی با سطوح بالا *** آزاد شود تا  بتواند بر عملکرد مجموعه  فیبرهای لوله ایی تاثیر بگذارد . به دلیل تعداد زیاد اجزای پلی متری و درزگیر در  hfm  asm . ناخالصی گازها می تواند در طولانی مدت منجر به رو به زوال گذاشتن ساختار این واحدها شود . سرماسازها *** تصفیه کننده خوبی  برای هوای ورودی  به حساب می آیند زیرا دمای عملکرد  را بسیار پایین می آورند . هوای ورودی نیازمند این است که از بخار آب و هیدرو کربن های سنگین زدوده شود آنها می توانند در سرما سازها جمع شوند – احتمالا در فاز جامد . زیرا سرما سازها ی بزرگ برای چندین دهه به طور موفقیت آمیزی در صنعت و در شق کوچکتر در حمل و نقل  هوایی مورد استفاده قرار گرفته اند . به هر صورت ، بوئینگ شرکت  creare  را به خدمت گرفته تا تست های  ir * d را انجام دهند و تاثیرا ت آلودگی هوای ورودی مانند  co 2  ، هیدروکربن ها ، و رطوبت را بررسی کنند . شکل 26

2)  در مورد واحدهای  lox  باید توجهات بیشتری در مورد ناخالصی آلودگی جریانهای برگشتی مبذول شود سیلندرهای اکسیژن با فشار بالا و ژنراتورهای اکسیژن شیمیایی ضرورتا سیستم های عایق بندی شده ای هستند که مشکلات کمتری ( در مورد ایجادناخالصی) ایجاد می کنند . به دلیل نشست سیستم های گاز اکسیژن ذخیره شده می بایست  تعمییرات مرتبا انجام شود ،تا خطری بروز نکند .

مرحله انجام تعمییرات شامل حذف و جایگیزینی سیلندرهای گاز فشرده می باشد آن هم در زمانی که فشار زیر 1850 psi   باشد . سیستم تفکیک هوا  (on- board)   با مخزن اکسیژن می تواند به دلیل خشک شدن دوارهای مخزن از طریق بخش انتهایی آلوده گردد . طرح مهندسی سیستم های lox هوایی تمام  احتمالا ت بروز آلودگی را مورد توجه قرار می دهد .

3)  در اینجا نیاز به سسنسورهای گاز مطمئن و سبک وزن برای هر دو سیستم  obogs   obiggs    مورد توجه قرار می گیرد .

 این نکته برای اندازه گیری اکسیژن در مخزن سوخت نیز صحیح می باشد .

مسئله سنسور گاز بخشی از کل مونیتورینگ درمانی ، نگهداری و روش کنترل می باشد که کی بایست در ارتباط با استفاده از هر سیستم تفکیک هوا در هواپیما های تجاری سازمان دهی شود .

4)  nea   می توان دبه ثورت جایگزین برای  halon  به عنوان عامل حفاظت از اتاق حمل بار در برابر آتش عمل کند هر پیشرفتی نیز که صورت گرفته در زمینه سنسور دود و آتش ، ردیاب و سیستم های هشدار دهنده در هواپیما بوده است . میزان هشدارهای اشتباه سیستم های ردیاب دود بالا است . و این اشتباهات  باعث آزاد شدن و انتشار یافتن غیر ضروری halon ، سقوط، پاک سازی خارج از برنامه ، عصبانی شده  مسافرا ن و عصبی شده خدمه می گردد. سیستم های ردیاب و سنسورهای جدیدی روشهایی را برای محافظت کامل از هواپیما در برابر آتش سوزی و نیز ارزیابی دقیق عاملهای جایگزین halon پیاده کرده اند . خدمه های کابین خلبان  نیاز به اطلا عات بهتر در مورد وضعیت هواپیما در  هنگام بروز شرایط اضطراری دارند . هر استاندارد جدید می بایست در هر زمینه از سطح استاندارد halon بالا تر باشد .

ارزیابی تطبیقی- بی اثر سازی :

 در این زمان ،  arac 2000 به بررسی و تشریح  psa    hfm  و سیستم های برودتی برای بی اثر سازی نیتروژن پرداخته اند  که در جدول شماره 9 نشان داده شده است .  قضاوت درست در مورد این سیستم ها دشوار می باشد زیرا خصوصیا ت عملکردی آن ها با هم متفاوت می باشند .

فشار هوای ورودی ، دما و فشار عملکردی پارامترهای ابتدایی هستند که بر روی این خصوصیات و ویژگی ها تاثیر می گذارند . پارامترهای دیگر مانند قدرت الکتریکی ، وزن و میزان مواد موجود برای تقطیر مواردی هستند که می بایست مورد توجه قرار گیرند .

سیستم های  hfm      بهترین عملکرد خود را  در فشار هوای ورودی   psig  100 و بالاتر انجام می دهند . به هر صورت فشار عملکردی بالاتر از فشار هوای ناشی از هواگیری می باشد و در زمانی که هواپیما به حالت افقی در آمده است وجودش معمول تر می باشد . ( 30 تا 40  psig ). به طور کلی عملکرد غشای فیبر دمای بالاتر از دمای محیط را موجب می شود . اما دمای هواگیریf 380 تا 320  در زمان حالت افقی هواپیما برای تولید غشاء asm و کاهش عملکرد  فیبرها بسیار داغ است .  ناگفته نیست که برای فشار هوای ناشی از هواگیری در psig 30 وf دمای 130 ، نسبت  neas  به جریان هوای ورودی بین 20 تا 30 درصد است . تحت  این شرایط  neas21 bm/min  asm  را در هر lbm   100  وزن نسب شده سیستم تولید می کند .

فشار ورودی asm تا psig 30  بالا می رود ، نسبت محصول neas به جریان توده ای هوای ورودی بالا می رود . با افزایش فشار هوای ورودی از psig  به psig 45 باعث پیشرفت 20 درصدی نسبت neas به جریان  توده ای هوای ورودی می شود و 100 در صد  پیشرفت در تولید neas در وزن asm نصب شده ایجاد می کند .

واحدهای psa بهتریت عملکردهای خود را در پایین ترین فشار و دما نسبت به hfm انجام می دهند . انتظار می رود تولید neas در گستره 1 یا 2 bm/min  asm  هر lbm   100   از سخت افزار psa نصب شده باشد . نسب neas به هوای ورودی بین 10 تا 20 درصد پیش بینی می شود . با توجه به فشار هوای ورودی psa در مقایسه با hfm نسبت محصول گاز به جریان هوا ی ورودی قابل توجه و دلخواه نیست .

به هر صورت ، انعطاف psa در کنترل خلوص گاز حاصله مزیتی است برای دفع احتیاجات  بی اثر سازی گا ز در هر زمان تععین شده . به علاوه ، سیستم psa  می تواند برای تولید اکسیژن مناسب برای  تنفس بهتر در هنگام پرواز و مصارف پزشکی تنظیم شود . چنین قابلیت هایی در طول این گزارش مورد برسی قرار خواهند گرفت .

سیستم های بی اثر سازی برودتی (cryogenic)   مزیتها ومشکلاتی دارند که موجب بروز تفاوت بین psa و hfm می شوند . با سیستم های cryogenic مانند talon  safti    جریان گاز حاصله به جریان ورودی هوا به نسبت 70 درصد می باشد ، و این نسبت در مورد نیتروژن بیش از 99 درصد خلوص است گاز حاصله با خلوص بالا که موجب انعطاف پذیری بیشترnea1 می شود می تواند حجم میزان جریان را در شرایط مناسب افزایش دهد .

 به هر صورت ، افزایش یک قسمت هوا به 5  قسمت  nea  5nea1  زا به دست می دهد . نیازهوا به ساخت  nea1 چنان است که نسبت nea1 به ذخیره هوا نزدیک به 25 درصد است که این امر در نتیجه تبادل گرما در سیستم های cryogenic حاصل می شود . هوا انتقال دهنده گرما مانند هواکه در پروسه مایع شدن قرار گرفته است ، نیازی به پیش تصفیه ندارد . سیستم ابتدایی هواپیما که تحت تاثیر بی اثر سازی cryogenic  است  نیاز به قدرت الکتریکی کمپر سور های سرما ساز دارد. قدرت مورد نیاز برای کل زمان  بی اثر سازی در تمام مخازن سوخت هواپیمائی بزرگ در هر زمان kw 29 است  . وزن چنین سیستمی 350 پوند تخمین زده شده است و با اوزان سیستم های hfm  و psa  ( متقاضی بی اثر سازی در هواپیما های بزرگ ) مقایسه شده است .

سیستمی که تنها  cwt     را در هواپیمای 777 وارد می کند نیاز به kw 8 نیرو و وزن کمتری دارد. سیستم بی اثر سازی که در هواپیمای جت تجاری بر مبنای حرارتی شیمیایی ویژگیهای عملکردی بررسی نمی شود . انتخاب سیستم بر اساس 2 مورد  انجام  نمی شود : نیازمندیها ی nea  و عملکرد هواپیما و قابلیتها ی ادغام شده ، نیازمندیهای nea در گستره ای بی اثر سازی تمامی مخازن سوخت در هر زمان به علاوه مخازن حفاظت از اتاق حمل بار در برابر آتش قرار دارد .

یکپارچگی هواپیما به معنای عملکرد آن با وجود محدودیت های پنوماتیک ومنابع الکتریکی ونیز رفع تمامی تقاضا ها می باشد .  این سیستم  هم به نگهداری و هم به نصب توجه می کند . موارد بحرانی و      (mel)  minimum equipmentسیستمهای دستور دهنده ای با اطمینان بالا می باشند که نیاز به نگهداری و تعمیر خارج از برنامه ندارند .

ارزیابی تطبیقی – اکسیژن

در حالی که تقاضاها برای بی اثر سازی بستگی به سطوح مناسب و خواسته شده برای حفاظت در برابر آتش دارند که تا به حا ل تخمین زده نشده است : نیاز به اکسیژن در زمان کاهش فشار در هواپیما  مشخص است .

تکنیک های مربوط به جداسازی از هوا  شامل  seos(cogs) psa  و جداسازی cryogenic می شوند . psa روش بسیار مناسبی است که نیازهای هواپیما را رفع می کند زیرا تعداد زیادی هواپیمای نظامی از واحدهای کوچک psa برای تولید اکسیژن مورد نیاز خدمه استفاده می کنند . اگر چه کاهش فشار و نیاز  به اکسیژن  در هوا نوردی شهری به ندرت اتفاق می افتد اما میزان بالایی از اکسیژن برای همین موارد ر هواپیما قرار داده شده است . بنابراین ، پس از جدا سازی هوا از طریق psa یا غشاء سرامیکی ، محصول اکسیژن می بایست مایع و ذخیره شود ، زیرا انتظار می رود در آینده هواپیما ها بیش از اکسیژن مایع استفاده کنند . پرو تو تايپ  usaf   ahos-m  شامل واحد psa و واحد مایع سازی ( که 99 درصد اکسیژن خالص مایع تولید می کند ) می شود و نماینده نوعی از سیستم  hybrid است که در هوانوردی از آن استفاده می شود .

واحدای psa که 93 درصد اکسیژن خالص  – گازی شکل – (مثال ، آرگون موجود در هوا از اکسیژن جدا نمی شود ) تولید می کنند به طور کلی برای هر لیتر در دقیقه تولید اکسیژن 1 پوند وزن دارند . این برای 1lbm/lpm ثابت است و به عنوان وزن کل محاسبه می شود . هر ستون  ah os – m    برای حذف نیتروژن از پوشش ها و کنترل کننده ها ی آن ها lbm 226 وزن دارند و قابلیت تولید lpm 30  از 99 درصد اکسیژن خالص می باشد . فاکتور وزن  در حدود 7 می باشد. اکسیژن مایع شده برای lbm ahos- m   492 وزن دارند و این در حالی است که وزن کل سیستم lbm 718 می باشد . استفاده از این اعداد منجر به فاکتور وزن 24 می شود . وزن در خواست شده برای بخش مایع کننده سرماسازkm 5 می باشد .

وزن هر سرما ساز talon  lbm 380 می باشد و قدرت مورد نیاز برای هر کدام kw 7/19 تخمین زده شده است .

ژنراتور اکسیژن cryogenic lbm 900 وزن دارد و lpm 190 از اکسیژن خالص 99 درصد را تولید می کند ( به شکل مایع ) . پس فاکتور وزن 4/7 است . فاکتور وزن غشاهای سرامیکی در حدود 7 است . آن ها برای تولید هر لیتر اکسیژن خالص 100% در دقیقه نیاز به 100 وات نیرو دارند و این امر در مورد انرژی مورد نیاز برای مایع کردن اجزای اکسیژن  از هوا  و خالص کردن 99 درصدی آن از راه تقطیر ، یکسان است .

مزیت مربوط به روش های جدا سازی هوا در انتهای مرحله تولید اکسیژن کنترل می شوند . اگر در فشارهای محیطی اکسیژن با خلوص 93 در صد محصول خواسته شده باشد ، واحدهای  psa با فاکتورهای وزنی دستگاههای قابل قبولی می باشند . اگر اکسیژنی با خلوص  99 درصدی خواسته شده باشد ، فاکتورهای وزنی برای psa و seos cogs   یکسان می باشند و این امر که آیا محصول به دست آمده در فشار پایین psa)) یا به دست آمده  در فشار بالا مورد علاقه (seos cogs   ) خواسته شده است . انرژی مورد نیاز در seos cogs    بسیار قابل توجه می باشد و در کمپرس کردن محصول گازی psa در فشار خواسته شده نسبت به استفاده از غشای سرامیکی  بسیار مقرون به صرفه می باشد . اگر خلوص بیولوژیکی کامل از محصول اکسیژن ضروری باشد پس اغشای سرامیکی بهترین انتخاب خواهد بود .

 در زمانی که اکسیژن مایع با خلوص  99 درصدی لازم است ، انتخاب برتر تقطیر cryogenic است . فاکتور وزنی برای سیستم جداسازی اکسیژن به روش cryogenic کمتر از محصول گازی با 99  درصد  خلوص به دست آمده از psa یا seos cogs    می باشد .

نیروی الکتریکی برا ی جدا کننده اکسیژن مایع  talon    در حدود این نیرو در سیستم تولید گاز seos cogs     می باشد و یا انرژی مورد نیاز در   ahos – m   مقایسه می شود .

 در بیان جریان های هدر رفته ، برخی اعداد ثبت شده اند . psa با تولید اکسیژن با خلوص 93 درصد ، به هوای ورودی 20 تا 25 برابر گاز اکسیژن تولید شده نیاز دارد . ahos – m    به 40 برابر اکسیژن تولید شده خالص برای جریان هوای ورودی نیاز دارد . زیرا غشا های سرامیکی به تغییر مقدار اکسیژن حساس نیستند ، میزان هوایی که آن ها بدان احتیاج دارند  10 برابر بیشتر از اکسیژن تو لید شده در هر دقیقه است . واحد های تفکیک  هوای cryogenic  ،  15  تا 20 برابر بیشتر به جریان هوا نسبت به جریان اکسیژن نیاز دارند .

 ahos – m     تنها برای اثبات مفهوم پرو توتایپ بدون توجه به وزن یا بازده پیشرفت پیدا کرده است . غشاهای سرامیکی عملکرد اختصاصیو ایجاد فضای رقابتی تکنولوژی را ایجاد می کنند .

 نمونه کوچک جدا کنننده هوای cryogenic  به عنوان دلیلی برای اثبات سیستم به کار می رود . به علا وه ،پیشرفتهای تکنیکی هم در تکنو لوژِ های غشای سرامیکی و هم  در psa رخ داده است .

تقاضاهای مربوط به نصب :

 در زمان انتخاب سیستم جداسازی  گاز و بررسی  نیازها  و تقاضاها ی مربوط به نصب ، می بایست حداقل استاندارد عملکرد به انجام برسد . قوانین فورال به طراحان هواپیما اجازه می دهد که بهترین و موثرترین سیستم را برای هواپیما طراحی کند .

 در حالیکه وزن ، حجم و فضا  هم از نظر طراحان و هم عمل کنندگان مورد توجه قرار می گیرد ، آنچه مهم است سیستم هایی هستند که نیازهای را بر طرف سازند .اگر می خوای چیزی در هواپیما قرار دهی نباید وزنی داشته باشد ، نباید فضایی را  اشغال کند  یا حجمی را پر کند ، هزینه ایی در بر نگیرد و نیاز به نگهداری نداشته باشد .

 آنچه مهم است اطلاع از نیازهاو راه ها ی  رفع آن ها است . در مورد سیستم بی اثر سازی مخازن سوخت ، تخمین پارامترها بر اساس قضاوت مهندسی ، قوانین  پیش بینی شده ، حس جمعی در مور هواپیما و قوانین فیزیکی می باشد که به بررسی خاصیت گازها و مواد نیز می پردازد .

برای مثال ، – به منظور تعریف نیازها ی طرح برای سیستم بی اثر سازی می بایست آنچه را که می خواهیم بی اثر کنیم تعریف کنیم  مثلا تمامی مخازن سوخت  ا فقط مخزن بال مرکزی : و اینکه در چه سطحی مخازن یا مخزن  نیاز  به بی اثر شدن پیدا می کند مثلا : چه سطعی از غلظت اکسیژن ضروری است ، سوم ، و از همه مهم تر این که ر چه زمانی مخزن  می بایست بی اثر شود ؟ آیا این امر پیش از آنکه  هواپیما از زمین بلند شود  می بایست رخ دهد ؟  آیا این کار در حالیکه  هنوز هواپیما  در  gate   است انجام  می شود ، تنها  apu است که در این موقعیت عمل نمی کند . ممکن است نیاز به این باشد که بی اثر سازی پیش از  take – off  انجام شود . اگر این کار صورت گیرد دوباره سوالاتی مطرح می شوند .