直升机供氧系统的设计考虑

摘 要：直升机供氧系统的主要功用是保持飞机乘员的吸入气有足够的氧分压，以防止乘员在飞行或跳伞过程中发生缺氧，同时还可以防毒气和放射性污染，用于医疗救护等等。直升机供氧系统不同于歼击机、客机等机型的供氧系统，其功能及使用环境具有特殊性，故设计思路完全不同。本文从高空人体生理需求及直升机基本使用要求出发，具体分析了直升机供氧系统的设计要求，给出了设计思路及常规的设计方案，并展望了我国直升机供氧系统的发展趋势。

关键词：氧分压 供氧系统 直升机 人体生理

中图分类号：V2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）08（a）-0144-03

The Research of Oxygen Supply System in Helicopter

Peng Guangmei，Zhao Hongtao，Fang Ling

（Hefei Jianghang aircraft equipment Co.Ltd.Hefei Anhui，230035，China）

Abstract：The helicopter oxygen supply system’s main function is that maintains aircraft crew’s inspiration gas has the enough oxygen partial pressure to prevent the crew member has the oxygen deficit in the flight or the parachuting process ，may also the antigas and the radioactive contamination，uses in medical aid and so on。The helicopter oxygen supply system is different from the fighter plane’s， airliner’s and so on.It also determines the different design methods for oxygen supply system。In this paper， based on human physiology about altitude and the basic function of the helicopter， the design requirements were analyzed ，after that， mentality of designing ，a normal design proposal and the helicopter oxygen supply system trends were presented。

Key Words： Oxygen partial pressure；Oxygen supply system；Helicopter；Human physiology

多年来，供氧系统通常用于在5 km以上高度常规飞行的固定翼飞机上，早期设计的大部分直升机使用升限都低于3 km，因此无须考虑使用氧气。由于轻型涡轮发动机的使用，直升机的性能得到提高，现在已能安全地在3 km以上高度作常规飞行。要适应在高空、夜视等各种环境下有效地工作，直升机飞行员必须依靠氧气方能保持其工作能力。资料表明，不对飞行员补充氧气，在1.2 km的压力高度中，夜视的衰退程度是明显的；在1.5 km的压力高度下夜视力丧失约10%；在3 km的压力高度下夜视力丧失约25%；在4 km的压力高度下夜视力丧失约42%[1]。美军标规定1.5 km压力高度为夜航供氧的生理界限值，而对于直升机，由于其执行任务的特殊需要，规定1.2 km压力高度开始吸氧。今日的直升机若要在可能的任何环境中有效地工作，配备供氧系统是十分必要的。

1 设计要求

直升机供氧系统的设计要求如下。

1.1 功能要求

直升机供氧系统可根据座舱高度变化自动调节使用人员吸入气的含氧百分比，以满足人体生理卫生需要，防止高空缺氧，保证使用人员的工作功效；当有防尘、防化、防毒的需求时，可随时手动供纯氧；对具有应急供氧功能要求的，应可随时选择手动应急用氧。

1.2 环境适应性要求

直升机供氧系统的使用温度一般为-40℃～+60℃，其环境条件和环境试验方法按RTCA DO-160《机载设备的环境条件和试验程序》或GJB150-1986《军用设备环境试验方法》。

1.3 工艺布置要求

根据供氧系统的配置不同，其在机上的布置和安装及各部件的接联也不同。

2 设计方案

2.1 设计要素

氧源类型：液氧、气氧、化学制氧和分子筛制氧。

供氧方式：连续供氧、肺式供氧和加压供氧。

安装方式：固定式和便携式。

用氧人数：集体供氧和单人供氧。

2.2 基本组成

直升机飞行高度较低，通常只需配备普通供氧系统，该系统主要包括：氧源、调节部件及供氧面罩。

2.2.1 氧源

（1）氧源种类。

氧源类型有液氧、气氧、化学制氧和分子筛制氧。

①液氧。

液态氧源是在常压下，将氧气冷却成液态储存于液氧转换器内供使用。由于液氧易汽化、泄漏、贮存困难，且制造液氧转换器代价高、维护工作复杂等缺点，液态氧源在直升机上的使用很少见。

②气氧。

气态氧源是最早使用，也是使用最为广泛的一种氧源，目前直升机上主要使用的就是该类氧源。

高压氧气储存在氧气瓶中，通过与之相连的其他供氧装备向用氧人员供氧。气态氧源具有结构简单、使用方便等优点，缺点是贮氧量有限、体积大。

氧气瓶一般为圆柱形或球形，其材料可采用碳钢或合金钢、玻璃纤维或碳纤维复合材料，复合材料氧气瓶具有重量轻（比同容积的钢瓶减轻50%以上）、强度高及爆破前先泄漏的优点。

③化学制氧。

化学制氧又称固态氧源，是将含氧量高的固态化合物贮存在化学产氧器中，使用时通过化学反应产生氧气。化学氧源具有体积小、重量轻、结构简单、安装便利、使用方便及易于长期保存等优点，但其存在不能调节产氧率、供氧时间短、只能一次性使用等不足。这种氧源在民航客机中使用较多，而在直升机上较少见。

④分子筛制氧。

机载分子筛制氧是一种新型氧源。这种氧源具有供氧时间不受限制、安全及可靠性高，基本不需要地勤的维护和维修等优点。其不足之处是需要提供合适的引气、输出压力低、产氧速度有限，不适宜集体供氧。国外已有直升机（AH-64、MH-60K等）采用此种氧源，国内还未采用。

（2）用氧量的计算[2]。

飞机上需用氧量与在飞行状态下人体肺换气量、用氧人数、供氧装置的耗氧特性及飞行状态（飞行高度、续航时间等）有关，这些因素本身变化幅度大，存在一定的不确定性，且往往互相影响。因此，要对需氧量作精确计算很困难，仅能进行估算。通常，一定高度上的需氧量计算如下：

（1）

式中：

qh.m：供混合气时的需氧量（L/min）（NTPD）；

Qvp：肺换气量（L/min）（BTPS）；（直升机用氧人员其肺换气量可取为7L/min、15L/min、20L/min）

FO2：在高度H上的混合气含氧百分数；

PH：在高度H上的大气压力（mmHg）。

《GJB114-1986 急性缺氧防护生理要求》根据对不同高度肺内气体分压的实测值，按肺泡气氧分压方程式计算，给出4条吸入气氧浓度理想值曲线（A、B、C、D四条曲线），按此关系随高度变化提高吸入气氧浓度，即可使肺泡气氧分压保持于不同水平。按曲线A供氧即可使肺泡气氧分压保持在相当于海平面停留时的水平，即13.7 kPa（103mmHg），目前军机供氧均按此曲线进行设计；按曲线B供氧可使肺泡气氧分压保持在相当于1.5km高度呼吸空气停留时的水平，即10.7kPa（80mmHg）；按曲线C供氧可使肺泡气氧分压保持在相当于2.5km高度呼吸空气停留时的水平，即9.1kPa（68mmHg），对于非增压座舱的军用运输机和直升机在4km以上飞行，其机上乘员一般按此关系供氧；按曲线D供氧即可使肺泡气氧分压保持在相当于4km高度呼吸空气停留时的水平，即6.8 kPa（51mmHg），当运输机或旅客机密封增压座舱发生迅速减压时，对机上乘员或旅客按此关系进行应急供氧。任意高度上吸入气氧分压值根据情况等同与相应高度的氧分压值，则：

（2）

式中：

PIO2：对应高度（0、1.5km、2.5km及4km）吸入气的氧分压（mmHg）（根据用氧人员选择对应的氧分压值）。

另外，考虑到计算的修正误差及可能的泄漏因素，取安全系数1.2，作为系统供氧量的最低标准。

即：（L/min）

最后根据飞行剖面（飞行高度及时间）及总用氧人数计算总需氧量。

2.2.2 调节部件

直升机供氧系统调节部件一般包括充氧接嘴、氧气开关、氧气减压器、氧气调节器及用氧插座等。对于固定式供氧系统，各调节部件间通过供氧管路连接，对于便携式则各调节部件集于一体与氧气瓶连接。多人使用常采用固定式供氧，单人使用则选用便携式供氧。

（1）充氧接嘴。

充氧接嘴用于给氧气瓶充氧。其设计关键是保证一定的充气速率、非充气状态时的气密性及具有可靠有效的防火措施。

（2）氧气开关。

氧气开关安装在氧气管路中，起接通和断开氧源的作用。其设计关键是保证足够的供氧能力、关闭状态时的气密性及具有可靠有效的防火措施。

（3）氧气减压器。

氧气减压器将氧气管路中减压器前端高压气体减压至符合后端要求的入口压力。其设计关键是保证稳定的压力特性（动态和静态）、足够的供氧能力、气密性及具有可靠有效的防火措施。

（4）氧气调节器。

氧气调节器随高度按一定规律自动调节输出气的压力、流量和含氧百分比等参数，以满足人体呼吸要求。

氧气调节器分为连续式氧气调节器和肺式氧气调节器两类。连续式氧气调节器不受使用者的肺换气量和呼吸频率的影响，按设定流量连续供给氧气。它具有结构简单、使用方便可靠、可供集体使用等特点，但其耗氧不经济，不能适应肺换气量变化的要求。连续供氧给人一种灌气的不适感，增加氧气的消耗，易造成飞行员疲劳，严重的会影响飞行员的正常工作。肺式氧气调节器依据使用者的肺换气量和呼吸频率，供给所需流量的氧气。它具有节省氧气、结构复杂、只供单人使用的特点。

连续式氧气调节器的设计关键是保证稳定的高度――压力特性、足够的高度供氧量及气密性；肺式氧气调节器的设计关键是保证合适的吸气阻力、足够的供氧能力及气密性等。

（5）用氧插座。

用氧插座是供氧面罩与氧气调节器的连接部件。其设计关键是保证足够的供氧能力、气密性及操作使用便捷。

2.2.3 供氧面罩

面罩的功用是将飞行员面部的呼吸道与周围的大气隔绝开来，保证吸入气氧浓度，实现正常呼吸功能。当飞行员吸气时，氧气通过面罩吸气活门供飞行员在飞行中用氧；当飞行员呼气时，通过面罩呼气活门将废气排出体外；另外，必要时面罩还具有通讯功能。

面罩的设计关键是保证合适的呼吸气阻力、气密性（气密面罩）及佩戴的舒适性。

2.3 工艺布置

充氧接嘴一般设置在机身侧面便于充氧操作和不被污染的密封盒内；高压氧气瓶用卡箍固定，橡皮垫防震。如果装有两个或两个以上氧气瓶，它们应尽量分散，离开易燃易爆物，且不能设置在高速旋转平面内；高压开关设置在便于人员操作的地方；氧气减压器到氧气调节器的管路应保持最短；氧气调节器设置在不易被损坏的地方，并尽量靠近使用人员，便于操作使用。

系统各部件如需安装在燃油、滑油和液压系统上方，则应至少保持150 mm间距，以避免污染。系统各部件与机上活动机件之间的间隙应不小于8 mm（局部允许不小于5 mm）；与机上固定部件之间的间隙应不小于5 mm（局部允许不小于3 mm）；与机上所有的导线、高温导管和散热的设备之间的距离不小于150 mm。

3 示例

20世纪70年代，美国卡尔松直升机研制了四种氧气装置，分别用于AH-1G“眼镜蛇”武装攻击直升机、OH-58“Kiowa”轻型侦察直升机 、UH-I“huey”多用途直升机、CH-47“支奴干”中型运输直升机。美国黑鹰直升机的供氧方式为固定式集体连续供氧，能同时为17人供氧，最短供氧时间为4 h。其供氧系统由高压氧气瓶、高压表、氧气开关、氧气减压器、快插式接头、管路及供氧面罩组成。米-17B-7直升机是俄罗斯米里设计局研制的单旋翼带尾桨式中型通用运输直升机。该直升机的供氧系统为单人氧气设备，供氧方式为肺式供氧，每架配备6套，最短供氧时间为3.5 h。其供氧系统由超高压氧气瓶、氧气调节器、管路及供氧面罩组成。

国内直升机为飞行员和乘员配备的供氧系统有集体连续式、单人连续式及单人肺式。例如，直八、直九等多种机型配备的供氧系统均是由氧气调节器（包括氧气瓶）和供氧面罩组成的便携式供氧装置；直五型直升机配备的是单人肺式固定式供氧系统，包括氧气开关、氧气减压器、氧气示流器、氧气调节器、跳伞氧气调节器、氧气面罩及软管、球形氧气瓶等组成；国内使用的“米17B-7”直升机供氧系统进行过改装，改装后的供氧系统可供14人在任务飞行包线内同时用氧，该供氧系统由氧气减压器、氧气调节器、氧气开关充氧装置、20L的高压氧气瓶、用氧插座和供氧面罩等组成，供氧方式为连续式。

综上所述，目前常见直升机供氧系统的配置主要有两类，如图1、图2所示。图1为单人肺式便携式供氧装置（也可配备连续式氧气调节器），图2为多人用固定式供氧系统。

4 结语

以上分析了直升机供氧系统的设计考虑及配套现状。从航空供氧技术发展来看，将机载分子筛制氧技术应用于直升机上，可以解决用氧时间受限制的问题，国外直升机（例如1981年“阿帕奇”武装直升机AH-64、1998年“黑鹰”MH-60K等）已有运用，国内目前还是空白。目前，将机载分子筛制氧技术应用于直升机，为直升机配备简捷、实用、安全、可靠、调节灵活、维护安装方便的供氧装备，是我国直升机供氧的发展方向。

参考文献

[1]肖华军.航空供氧防护装备生理学[M].军事医学科学出版社，2005：78.

[2]南京航空学院，北京航空学院.航空个人防护装备[M].北京：国防工业出版社，1982：173.

[3]陆军直升机用氧气系统[J].科技情报，1980（11）：23.