游炯华，马金波

（国营芜湖机械厂，安徽 芜湖 241007）

在航空领域中，缺氧是发生灾难性事故的因素之一，氧气是维持生命最重要的能源，气压高度越高空气越稀薄，氧含量越低。有关资料表明如果高度超过（7～8）km，当加压密闭舱遭到破坏时，很快就会导致严重缺氧而陷入昏迷。航空史上因缺氧问题造成的灾难事故，屡见不鲜。为此，现代飞机为飞行员提供一套氧气系统，保证飞行高度范围内飞行时，为飞行员供氧，以保证飞行员的工作能力和生产条件，在飞机进行机动飞行时，对飞行员体表进行加压保护，以提高机体的抗过载能力，减轻过载对人体造成的不利影响。飞机氧气瓶充填氧气容量一定时，氧气消耗量过大，会导致氧气瓶内氧气消耗完，飞行员面临缺氧导致意识下降，导致严重的飞行事故的可能。目前，没有资料规定某型飞机氧气消耗量要求，为此急需开展氧气消耗量研究，为客观评价氧气消耗量提供依据。

1 氧气系统组成和工作原理

氧气系统由氧气瓶、供氧调节器、供氧活门、指示器活门、氧气开关、减压器、抗荷调压器、氧气调节器、压力调节器、氧气指示器、救生用氧系统、代偿服（抗荷服）、供氧面罩等组成[1]，组成示意图见图1。

氧气瓶输出高压氧气，经减压器减压至(1±0.2) MPa，分别进入抗荷调压器入口和供氧调节器入口。

氧气进入供氧调节器，一路经减压器Ⅳ将压力从(1±0.2) MPa降到(0.28～0.38) MPa,进入供氧活门进气口。另一路氧气经过供氧调节器的高度供氧机构、大量供氧装置的连续供氧启动器输出。供氧活门的控制口同抗荷调压器的出口连接。氧气通过断接器进入氧气调节器，进入氧气面罩和高空代偿服。

供氧调节器的不同高度供氧的规律：

1）座舱高度（1.5～2） km以下不供氧

图1 飞行员用氧系统组成示意图

2）座舱高度(2～8) km，随着座舱高度的增加，提高飞行员吸气的含氧量

3）8 km以上高度供纯氧

4）(11～13) km以上高度加压连续供氧，供氧调节器限流孔向氧气调节器提供(17～23) L/min的连续供氧量

抗荷调压器根据过载大小给飞行员的抗荷服充氧。当过载大于2g时，抗荷调压器的出口压力（即供氧活门的控制口压力）增大到13kPa，供氧活门的上膜片打开，腔内压力瞬间降低，下腔膜片打开，供氧调节器经内部减压器Ⅳ直接向氧气调节器供氧。氧气调节器的空气自动吸入器关闭，实施纯氧呼吸。随着压力调节器输入端的压力增大到30 kPa，输出压力约为进气压力的1/10。该压力作用于氧气调节器的肺式活门的大膜片，使面罩建立压力[2]。

2 飞行高度与座舱高度关系

飞行高度是飞机离地面的高度，座舱高度是指飞机座舱内压力对照大气标准换算的相对高度。飞行员用氧系统供氧调节器安装在座舱内，供氧调节器实际根据座舱高度实施供氧。正常座舱为加密状态，飞行高度一般不超过15 km，现按照飞行高度15 km以下高度进行分析，在此不考虑座舱失密等异常情况。座舱压力由压力调节器、排气活门、安全活门配合工作保证。

根据大气压力与高度关系和座舱压力调节调节规律，通过飞行高度与座舱高度对应关系进行计算，对应关系见表1所示。

表1 飞行高度与座舱高度的对应关系

3 氧气消耗量分析

3.1 按飞行架次分析

按照某型飞机大修后的试飞大纲要求，完成飞行大纲的科目一般最长需要飞行1 h左右。为此，对空中飞行时间为1 h左右试飞架次氧气消耗量进行统计，统计结果见表2。

表2 飞行架次氧气消耗量统计表

表2可知，试飞科目氧气消耗量最大为3 MPa。该型机的氧气压力表最小分刻度为2 MPa，为了考虑仪表读数的准确性，试飞后检查氧气每架次的消耗量可按不大于3.5 MPa进行控制。

由于飞行时每架次的飞行高度和垂直过载存在差异，而氧气的消耗量又与飞行高度和垂直过载相关，当出现消耗异常时，应根据飞参数据确定飞行高度、时间和过载大小等进行详细分析。

3.2 不同高度氧气消耗量分析

供氧调节器根据座舱高度的变化控制输送到氧气面罩的流量见表3。

表3 供氧调节器调节输出流量要求

氧气面罩基本密封，飞行员不呼吸，氧气不消耗，所以氧气消耗与飞行员呼吸有关。1987年，Harding等应用RAF的专用试验机，在46个起落，38.4小时，4700次呼吸中测得呼吸频率为20.5次/min，飞行中肺通量（肺通过气体的流量）平均为18.8 L/min。根据表3中各高度的输出氧气流量的经验值，均小于飞行员需要的平均肺通量要求，低空氧气流量不够肺通量要求时通过氧气调节器将座舱空气进行补充，所以供氧调节器输出的流量决定氧气的消耗量。

根据飞行高度与座舱高度的关系，结合供氧调节器输出流量的经验值可知，飞行高度小于6.4 km，供氧调节器基本不输出氧气；飞行高度6.4 km，输出氧气流量约2 L/min；飞行高度8 km，输出氧气流量约3 L/min；飞行高度9.8 km，输出氧气流量约4 L/min；飞行高度12 km，输出氧气流量约5 L/min；飞行高度15 km，输出氧气流量约6 L/min。

气瓶充填压缩气体的量与充填压力有关，压力越大充填量越大，压缩气体充填体积估算关系见公式1（忽略充填时温度影响）：

其中：V1为P1时的换算容积（L）

V为氧气瓶的容积（L）

P为氧气瓶中填充的压力

该型飞机氧气瓶容积13L，减压器和供氧调节器共同减压，供氧调节器出口压力余压最大为0.38 MPa。现以最大压力进行容积折算，容积为：V0.38=[（5+8）*19]/0.38=650L，那么座舱高度对应消耗率为（L/min）：

K6.4=2/650=0.00；K8=3/650=0.005；K9.8=4/650=0.006；K12=5/650=0.008；K15=6/650=0.009。

因此，不同飞行高度氧气最大消耗量计算公式为：

P为气瓶充填的压力（MPa）；T6.4、T8、T9.8、T12、T15为下标所对应飞行高度区间飞行时间。

3.3 抗荷系统氧气消耗分析

飞机正向垂直过载飞行时，在抗荷服（代偿服）内建立与过载值对应的压力。抗荷调压器的输出压力在（13～79）kPa范围时，供氧活门处于打开状态，供氧调节器向氧气调节器进行纯氧供氧，满足飞行员吸氧需求，并在抗荷服（代偿服）和面罩内建立与过载值相应的压力，以保证飞机作机动飞行时最大限度地增大飞行员承受过载的能力。

当正向垂直过载大于2 g时给抗荷服（代偿服）充氧，达到抗荷服（代偿服）内压力后不再消耗氧气，过载降低后放掉抗荷服（代偿服）内氧气。按照供氧活门控制压力可知，正向垂直过载大于3 g左右，抗荷调压器输出压力才将供氧活门打开，将经氧气调节器YTQ-31内减压器减压，减压后(0.28～0.38) MPa压力输送到氧气面罩。

抗荷调压器出口压力与垂直过载对应见表4。根据公式（1），将氧气瓶储存压力19 MPa换算成过载对应出口压力时容积，现选取各过载对应最大压力进行计算。即：2g：25204L 4g：7878L 8g：3359L

表4 垂直过载与出口压力关系

3g以下垂直过载时，出口压力15 kPa左右，将氧气瓶的高压氧气进行容量折算，抗荷服（代偿服）内部容量在5 L左右，由此可知3 g以下垂直过载对氧气消耗影响非常小。

3g以上垂直过载时，供氧调节器减压器为氧气调节器提供纯氧，纯氧流量大于7L/min，现选取8 L/min进行计算。4g以上还需加压供氧，由于加压供氧受压力调节器开关位置控制，飞行时飞行员习惯将该开关置于“放气”位置，这样就不存在加压供氧，所以此处不考虑加压供氧情况。

由于飞行时过载大小变化过快，无法进行定量的分析。根据以上分析得出过载影响氧气消耗量的规律如下：

a）3g以下垂直过载时氧气消耗量较小

b）与垂直过载次数有关，垂直过载大于2g次数越多，氧气消耗越大

c）垂直过载越大氧气消耗就越大

3.4 飞行数据验证

飞行高度在6.4km以下，相当于座舱高度2km以下飞行，根据理论供氧调节器是不输氧的，只有过载时才输氧，因此对飞行高度在6.4km以下的飞行数据按照垂直过载大小区间进行统计，数据见表5。

表5 飞行高度6.4 km以下统计数据

从表5中可以看出，在座舱高度低于2 km以下飞行时垂直过载没有大于2 g时，氧气不会消耗。随着垂直过载次数越多，氧气消耗量就越大。垂直过载越大供氧压力越大，氧气消耗也越大，与垂直过载持续时间关系不大。

飞行高度6.4 km以下和垂直过载3 g以下均基本不消耗氧气，因此忽略6.4 km以下和垂直过载3 g以下影响。飞行高度6.4 km以上飞行时，既有垂直过载造成的氧气消耗也有供氧调节器根据高度进行供氧消耗，此种情况分析比较复杂。为此，对飞行高度在6.4 km以上飞行数据根据不同飞行高度区间进行统计，统计数据见表6。

表6 飞行高度6.4km以上统计数据

由表6可知，飞行高度大于6.4 km，氧气的消耗与高度供氧和过载供氧有关。通过表5与表6对比可知，垂直过载是影响氧气消耗重要因素。

4 结论

当座舱舱压正常，飞行高度在15 km以下，也就是座舱高度不大于6 km，供氧的流量很小，氧气消耗就很小。而过载供氧时要同时给抗荷服（代偿服）和氧气面罩供氧，并且抗荷服（代偿服）管路粗，压力大，供氧流量就大。飞机机动飞行时过载大小频繁变化，氧气不断为抗荷服（代偿服）充填氧气和放气，是影响氧气消耗量的重要因素[3]。

飞行员用氧系统的氧气消耗量按架次进行评价非常直观，因此后续该型飞机试飞后根据氧气消耗量按架次分析结论进行评价，即按每架次最大氧气消耗量不大于3.5 MPa要求进行控制。氧气消耗量超过3.5 MPa，则根据飞参的飞行高度和垂直过载数据进行详细分析，评定氧气消耗量是否正常。