 |
Lentokoneen
paineistusjärjestelmät
Golftähti Payne Stewartin seurueen menehtyminen
Learjet-liikesuihkukoneen maahansyöksyssä 25.10.1999
nosti paineenmenetyksen suuriin otsikkoihin.
Lentomatkustajalle harvoin tulee mieleen ne
ääriolosuhteet, jotka koneen ikkunan takana vallitsevat.
Lentokoneet
ovat oikeastaan lentäviä paineastioita.
Jos sinun olisi vietettävä viisi tuntia 240 metriä sekunnissa
porhaltavassa painekammiossa, jonka ulkopuolella paukkuu n. -50
asteen pakkanen, epäröisitkö? Etenkin kun lystistä
pitäisi vielä
maksaa tuhansia markkoja. Et varmasti empisi, mikäli painekammion
kyljessä lukisi Airbus ja tuon viiden tunnin kuluttua löytäisit
itsesi jostain etelän helteestä.
Kuinkahan
moni meistä koneessa kahvia tai muuta juomaa siemaillessaan
itse asiassa muistaa tai tietää istuvansa alumiinisessa, rutkasti
insinööritunteja kuluttaneessa korkeapaineastiassa.
Silloin tällöin liikennekoneen ohjaamomiehistöä
kuulee nimitettävän
bussikuskeiksi, joskus myös joidenkin kyseisen ammattikunnan jäsenien
itsensä taholta, eikä tuo yllämainittu ilma-alusmerkki
varmasti
millään muotoa heikennä sanonnan suosiota. Kuitenkin
aivan yhtä
huonosti ohjaajat voitaisiin rinnastaa esimerkiksi sukellusveneen
kuljettajiksi. Onhan sukellusveneissä sentään vakauttimet
perässä,
ainakin bussillinen väkeä kyydissä, ja virtaviivainen,
suurta
painetta kestävä runko.
Muitakin
analogioita lentokoneen ja vedenalaisen välillä varmasti
löytyy, mutta insinöörin osalta sukellusvene saattaa
olla
lentokonetta hieman helpompi tapaus. Tämä muun muassa siksi,
että
sukellusveneen rungon pitää kestää ulkopuolella
oleva ylipaine, kun
taas lentokoneen runkoa rasittaa sisältä ulos vaihtelevalla
voimakkuudella pyrkivä ilmamassa.
Lisäksi sukellusveneen voinee rakentaa teräksestä koska
sen ei
tarvitse juurikaan lentää, jolloin paineen kestävyyttä
suunniteltaessa ei jokaista liitosta tai levynvahvuutta tarvitse
miettiä erikseen painon kannalta.
Kustannustietoinen
matkustaja kyseenalaistaakin tässä vaiheessa koko
paineistuksen. Ei insinöörituntikaan halpa ole, joten miksi
vaivautua?
Kaikki
kuitenkin perustuu matkustajakoneissa nimenomaan juuri voiton
maksimointiin. Noin karkeasti ottaen väitettä voidaan perustella
seuraavasti: Suihkumoottorin ominaispolttoaineenkulutus pienenee
ylöspäin mentäessä, mutta sen työntövoima
pysyy suunnilleen samana.
Korkeuden kasvaessa ilma ohenee ja siksi, kuin taivaan lahjana,
lentokoneen vastus pienenee ja tosi-ilmanopeus kasvaa. Tällöin
korkealla päästään samalla työntövoimalla
ja mittarinopeudella
lujempaa ja pienemmällä kulutuksella kuin matalalla ja kaiken
kukkuraksi vielä sääilmiöiden yläpuolelle,
kirkkaaseen ja enimmäkseen
tasaiseen ilmaan.
Paineita
rungon tiivistämiselle siis on. Mitä mäntäkoneisiin
tulee,
niiden kokonaistaloudellisuus puolestaan ei korkeuden myötä
paljoakaan parane, mutta niitäkin saa ostaa paineistettuna korkealle
säätä pakoon päästäkseen.
Matkustajakoneen
rungon tulee siis toimia kaiken muun lisäksi vielä
paineastianakin, koska taloudellisuuden ja mukavuuden vuoksi
kannattaa nousta sellaisiin korkeuksiin, joissa ilmakehän paine
laskee ihmiselle liian pieneksi. Paineistamattomassa koneessa suuri
korkeus johtaa vääjäämättä hapenpuutostilaan
(hypoksiaan) ja lopulta
tajuttomuuteen, mikä matkustajakoneiden lentokorkeuksilla tapahtuu
noin minuutissa.
Paineistamalla
koneen sisätilat saadaan hapen ns. osapaine keuhkoissa
nostettua riittävälle tasolle hypoksian oireiden välttämiseksi.
Happivajausta torjutaan paineistuksen lisäksi tai sijasta myös
happinaamareilla, jolloin syöttämällä puhdasta happea
suoraan
kasvoille saadaan alentunut ilmakehän oman hapen osapaine kasvatettua
keinotekoisesti.
Rakenteet
lujilla
Paineistus
aiheuttaa lentokoneinsinöörille huomattavan määrän
lisäpäänvaivaa kaikessa hienoudessaan. Ensinnäkin
kaikkien tiiviin
rungon liitosten tulee olla mahdollisimman ilmatiiviitä - jopa
niittiliitokset tiivistetään. Kaikki johdotusten läpiviennit,
ikkunat
ja luukut on suunniteltava paljon kattavampien vaatimusten pohjalta
kuin "tavallisessa" koneessa. Esimerkiksi varauloskäynnit
aukeavat
painerungossa aina sisäänpäin.
Paineistetun
lentokoneen lentäessä lakikorkeudellaan paine-ero
ulkoilman ja rungon sisällä olevan ilman välillä
on tyypillisesti n.
4 p.s.i:stä (mäntäkoneet) aina 9,4 p.s.i:hin asti (liikesuihkukone).
P.s.i on amerikkalaisten suosima yksikkö ja tulee sanoista 'pounds
per square inch', eli naulaa per neliötuuma. Toisin sanoen, 9,4
p.s.i:n paineessa 2,54 neliösentin kokoiselle alueelle vaikuttaa
4,26
kilon kuorma. Vastaavasti neliömetrin kokoista ovea työntää
auki 6603
kilogrammaa suuruinen voima!
Paineistuspaineita
Kun
tällainen paine kuormittaa runkoa tasaisesti joka puolelta on
selvää, että rungon rakenteen tulee olla sitä varten
vahvistettu.
Mikäli joku haluaisi modifioida paineistamattoman lentokoneen
paineistetuksi, voisi sen tehdä vaikkapa seuraavasti.
Ensin kiinnitettäisiin rungon pintalevyihin lisää pituus-
ja
poikittaisjäykisteitä, jotta olemassa oleviin niittiriveihin
kohdistuvaa kuormaa saataisiin pienennettyä ja estettäisiin
pintalevyjen pullistelu.
Samalla
pyöristettäisiin kaikki kulmikkaat, repeämien syntyä
edistävät kulmat, esim. ikkunoiden karmit, ovi- ym. aukot
ja kaikki
rungon pienimmätkin reiät tiivistettäisiin. Ovea tulisi
vahvistaa ja
muuttaa se mielellään sisäänpäin aukeavaksi
tai vaihtoehtoisesti
varustaa se muhkeilla lukitustapeilla.
Perärunkoon,
välittömästi matkustamon taakse tulisi tehdä iso
muutos,
sillä sinne pitäisi asentaa puolipallon muotoinen paineseinä,
jotta
koko perärunkoa ei tarvitsisi tilkitä normaalia tiiviimmäksi.
Jossain vaiheessa projektia olisi tietysti hyvä arvioida vähän
lujuuttakin (mieluummin ennen aloittamista), jotta saataisiin arvio
siitä millaisen paine-eron runko kestää. Se onkin jo
pitempi juttu,
joten sivuutamme sen yksityiskohdat tässä.
Lopuksi
pitäisi vielä arvioida putken väsymiskestävyys,
joka sekin
asettaa insinöörille paineita, sillä joka kerta kun kone
paineistetaan korkealle mentäessä, se myötää
hieman joistain
kohdista, ja kun paine taas tasaantuu alaspäin tullessa runko
muotoutuu takaisin paineettomaan olotilaansa.
Kun tätä pientä "elämistä" tapahtuu
parhaimmillaan useita kertoja
päivässä, rakenne väsyy ja saattaa jossain vaiheessa
jopa pettää.
Onneksi
koneet tarkastetaan säännöllisin väliajoin tätäkin
silmälläpitäen.
Kun
runko on saatu asianmukaisesti vahvistettua, voidaan asentaa
varsinainen paineistusjärjestelmä. Aloitetaan homma tekemällä
suihku-
tai potkuriturbiinimoottorin kylkeen reikä ahtimen taakse ja
kiinnitetään siihen kuumaa, muutama sata-asteista
korkeapaineista ilmaa kestävä putki.
Tämä putki vedetään yhden tai useamman lämmönvaihtimen
kautta
ilmastointijärjestelmään, missä lämmintä,
moottorista tullutta ilmaa
sekoitetaan kylmään sisäilman halutun lämpötilan
aikaansaamiseksi.
Siitä mukavan lämmin ilma johdetaan normaalien ilmastointiventtiilien
kautta matkustamoon sekä ohjaamoon. Näin alkaa yksinkertainen
versio
paineistusjärjestelmästä olla kasassa. Mikäli modifikaation
kohteena
olisikin mäntäkone, voitaisiin paine ahtimen sijasta ottaa
turbolta
ja/tai ali- tai ylipainejärjestelmästä.
Yksinkertainen
toimintaperiaate
Paineistusjärjestelmän
toiminta perustuu siis siihen, että moottorit
puhaltavat painerunkoon enemmän ilmaa kuin sieltä vuotaa ulos,
jolloin paine sisällä kasvaa. Jotta paine ei kuitenkaan nousisi
liian
suureksi tulee takaseinään kiinnittää ainakin kaksi
venttiiliä,
joista toinen säätää paine-eroa halutun suuruiseksi
päästämällä
tarvittavan määrän ilmaa vuotamaan harakoille, ja toinen
puuttuu
peliin, mikäli paine kuitenkin jostain syystä kasvaa vaarallisen
suureksi.
Korkealla
lennettäessä matkustamon ilmanpainetta ei yritetäkään
pitää
merenpinnan paineen tasolla, vaan ns. kabiinin korkeuden annetaan
nousta, eli ilman paineen sisätiloissa annetaan laskea siten, että
se
vastaa lentämistä ilman paineistusta tyypillisesti n. 8000
jalan
korkeudella.
Oleellista
on, että kabiinin ja ohjaamon ilmanpaine pysyy riittävänä,
jotta hapen osapaine koneessa olijoiden keuhkoissa säilyy riittävän
suurena. Käytännössä siis kabiinin korkeuden tulee
olla aina alle
10000 jalkaa, vaikka kone lentäisi 50 000 jalassa.
Yleensä
takaseinässä sijaitsevan paineensäätöventtiilin
toiminnan
seuraamiseksi ja ohjaamiseksi lentäjillä on käytössään
kabiinin
korkeusmittari, josta nähdään mitä korkeutta painerungon
sisällä
oleva paine vastaa, ja kabiinin variometri joka näyttää
mihin
suuntaan ja millä vauhdilla korkeus muuttuu, jos muuttuu.
Yleensä
kabiinin korkeudenmuutokset pyritään pitämään
alle 500 jalan
minuuttivauhdissa säätämällä paineensäätöventtiilin
ulosvuotoa
erillisellä säätönupilla. Ennen korkeuden muutoksen
aloittamista
järjestelmälle tulee kertoa myös määräkorkeus,
jotta systeemi tietää
aloittaa ja lopettaa kabiinin paineen muutoksen uutta korkeutta vastaavaksi.
Tällöin
kabiinin korkeus alkaa joko nousta tai laskea kohti uutta
kabiinin korkeutta ohjaajien säätämällä pystynopeudella.
Riittävän
korkealla paine-ero kasvaa maksimiinsa, jonka jälkeen järjestelmä
säilyttää sen määräkorkeuteensa, eli paineistusjärjestelmän
lakikorkeuteen saakka.
Golftähden kohtalo
Hiljattain
lähes koko USA:n halki autopilotin varassa lentäneen
Learjetin miehistön epäillään tuupertuneen äkillisen
paineen
alenemisen aiheuttamaan välittömään hapenpuutteeseen.
Learjet onkin eräs korkeimmalle pääsevistä siviilikoneista,
sillä
esim 31A:n, 45:n ja 60:n lakikorkeudet ovat huimat 51 000 jalkaa, eli
15,5 km, missä paineistamattomalla koneella keuhkot eivät
saisi
happea enää ollenkaan. Tuommoisilla korkeuksilla miehistöllä
on
painerungon pettäessä todella kiire.
Ensimmäinen
toimenpide matkustamon ja ohjaamon paineen äkisti
laskiessa on pistää happinaamari päähän välittömästi.
Tämän jälkeen
tehdään ns. emergency descent: kaarretaan poispäin väylästä,
vedetään
tehot tyhjäkäynnille ja otetaan kaikki jarruttavat osat ulos
(telineet, laipat,
spoilerit, potkurikoneessa potkurit pienille lapakulmille), ja lähdetään
alaspäin,
yleensä maksimitelinenopeudella, kunnes on saavutettu n. 10 000
jalkaa.
Kaikki
tuo edellä mainittu tulisi aloittaa lähes samanaikaisesti
ja
kestää todellakin vain hetken, joten pilottien (ali) paineensietokyky
lienee tilanteessa koetuksella.
Ei
niin kuin elokuvissa
Elokuvista
joutuu joskus huvittuneena seuraamaan vastaavia
tilanteita, missä paineistushäiriötilanteessa suihkumatkustajakone
joutuu hurjaan syöksyyn mäntämoottorit ulvoen, miehistön
yrittäessä
kiskoa konetta vaakalentoon viimeisillä voimillaan. Tilanne ei
voisi
olla harhaanjohtavampi, sillä kyseisessä tilanteessa kone
nimenomaan
ohjataan mahdollisimman jyrkkään liukuun.
Learjet-onnettomuus
oli surullinen esimerkki siitä kuinka kaukana oikea
elämä voi olla elokuvan ulvovista moottoreista ja kirkuvista
matkustajista:
taivaalta liiteli alas todennäköisesti hyvinkin hiljainen
kone.
|
