Давление в кабине самолёта: почему на высоте 10 км можно дышать

Пассажирские самолёты летают на высоте 10–12 километров, где атмосферное давление составляет примерно четверть от земного. На такой высоте человек теряет сознание за 15–30 секунд без дополнительного кислорода. Температура за бортом опускается до минус 50–60 градусов. Условия несовместимы с жизнью — и всё же сотни миллионов людей ежегодно проводят часы на этой высоте, не испытывая никаких проблем с дыханием.

Это возможно благодаря системе наддува кабины. Она создаёт внутри фюзеляжа давление, при котором человек может нормально дышать без кислородной маски. Система работает автоматически с момента взлёта до посадки, и пассажир обычно замечает её работу только по закладыванию ушей при наборе высоты и снижении.

Почему на высоте нельзя дышать

Воздух на любой высоте содержит примерно 21% кислорода — эта пропорция не меняется. Проблема не в составе воздуха, а в его плотности. Чем выше поднимаешься, тем меньше молекул воздуха приходится на единицу объёма. На уровне моря атмосферное давление составляет около 1013 гектопаскалей (или 760 мм ртутного столба). На высоте 5500 метров давление падает вдвое, на 10 000 метров — до 260 гектопаскалей, то есть примерно в четыре раза.

При низком давлении лёгкие не могут эффективно насыщать кровь кислородом. Развивается гипоксия — кислородное голодание. Симптомы начинаются с головокружения и спутанности сознания, затем наступает потеря сознания и смерть. На высоте 12 000 метров время полезного сознания — период, в течение которого человек способен действовать осмысленно — составляет 10–15 секунд. Этого едва хватит, чтобы надеть кислородную маску.

Поэтому самолёты, летающие выше 3000 метров, оборудуются системой наддува. Она поддерживает внутри кабины давление, эквивалентное высоте 1800–2400 метров — комфортной для дыхания без дополнительного кислорода.

Откуда берётся воздух

Воздух для наддува кабины отбирается от двигателей самолёта. Реактивный двигатель работает за счёт сжатия воздуха: компрессор засасывает воздух, сжимает его, затем в камере сгорания добавляется топливо и происходит воспламенение. Для наддува кабины используется часть сжатого воздуха, отобранного из компрессора до камеры сгорания — он ещё не смешан с топливом и не содержит продуктов горения.

Этот воздух называется отбираемым воздухом (bleed air). Он очень горячий — около 200–250 градусов Цельсия после сжатия в компрессоре. Прежде чем попасть в салон, воздух проходит через систему кондиционирования. Там он охлаждается, доводится до нужной температуры и влажности, смешивается с рециркулируемым воздухом из кабины и подаётся в салон через вентиляционные отверстия над головами пассажиров.

У большинства самолётов воздух отбирается от обоих двигателей независимо — если один двигатель откажет, второй обеспечит достаточный наддув. На земле, когда двигатели ещё не запущены, воздух подаётся от вспомогательной силовой установки (APU) в хвосте самолёта или от наземного источника.

Boeing 787 Dreamliner — исключение из правила. На этом самолёте вместо отбора воздуха от двигателей используются электрические компрессоры, как на поршневых лайнерах 1940-х годов. Это позволяет двигателям работать эффективнее, а системе наддува — не зависеть от режима работы двигателей.

Как поддерживается давление

На высоте воздух разреженный — его плотности не хватает, чтобы лёгкие нормально насыщали кровь кислородом. Система наддува компенсирует это: сжатый воздух от двигателей закачивается в герметичный фюзеляж, накапливается внутри и создаёт давление, достаточное для дыхания. Принцип как у воздушного шарика — если вдувать воздух быстрее, чем он выходит, давление внутри растёт.

Фюзеляж пассажирского самолёта — это герметичная оболочка, рассчитанная на удержание давления. Воздух непрерывно поступает внутрь от системы кондиционирования. Чтобы давление не росло бесконечно, в хвостовой части фюзеляжа установлен выпускной клапан (outflow valve) — автоматически регулируемое отверстие размером примерно с портфель.

Контроллер системы наддува автоматически регулирует степень открытия выпускного клапана, поддерживая заданное давление. Если нужно увеличить давление — клапан прикрывается. Если давление слишком высокое — клапан приоткрывается, выпуская излишки воздуха наружу.

Пилоты вводят в систему только одну величину — высоту аэропорта назначения. Всё остальное система делает автоматически: плавно снижает давление при наборе высоты и плавно повышает при снижении. На крейсерской высоте 11 000 метров давление в кабине соответствует примерно 2000–2400 метрам над уровнем моря — как в горном курорте.

Почему не до уровня моря

Казалось бы, логично поддерживать в кабине давление как на земле — тогда пассажиры вообще не замечали бы разницы. Проблема в прочности фюзеляжа. Чем больше разница давлений внутри и снаружи самолёта, тем сильнее нагрузка на обшивку.

На крейсерской высоте 11 000 метров давление снаружи составляет около 230 гектопаскалей. Если внутри поддерживать давление уровня моря (1013 гПа), перепад составит почти 800 гектопаскалей — это примерно 0,8 килограмма на каждый квадратный сантиметр фюзеляжа. Площадь фюзеляжа Boeing 737 — около 300 квадратных метров. Суммарная нагрузка на обшивку при таком перепаде была бы колоссальной.

Чтобы снизить нагрузку, конструкторы идут на компромисс: давление в кабине поддерживается не на уровне моря, а на уровне 1800–2400 метров. Это снижает перепад давлений до 540–650 гектопаскалей (7,8–9,4 psi) — величины, которую алюминиевый фюзеляж выдерживает без проблем на протяжении десятков тысяч циклов наддува и сброса давления.

Каждый взлёт и посадка — это цикл: фюзеляж надувается и сдувается, как воздушный шар. Со временем это приводит к усталости металла. Именно поэтому возраст самолёта измеряют не только в годах, но и в циклах наддува. Катастрофы De Havilland Comet в 1954 году произошли из-за усталостных трещин в обшивке — тогда инженеры ещё не понимали до конца механику циклических нагрузок на герметичный фюзеляж.

Что чувствует пассажир

Система наддува работает плавно, но не мгновенно. При наборе высоты давление в кабине постепенно снижается — примерно на 150–300 метров в минуту в пересчёте на эквивалентную высоту. При снижении давление так же плавно растёт. Именно эти изменения вызывают знакомое закладывание ушей.

Среднее ухо соединено с носоглоткой евстахиевой трубой, которая выравнивает давление по обе стороны барабанной перепонки. При быстром изменении внешнего давления труба не успевает пропустить воздух, и возникает ощущение заложенности. Глотание, зевание или приём Вальсальвы (выдох с закрытым носом и ртом) помогают открыть евстахиеву трубу и выровнять давление.

Ещё один побочный эффект — сухость воздуха. Воздух на крейсерской высоте практически не содержит влаги: относительная влажность в кабине составляет 10–20%, тогда как комфортный уровень — 40–60%. Это вызывает сухость кожи, глаз и слизистых. На длинных перелётах рекомендуется пить больше воды и избегать алкоголя, который усиливает обезвоживание.

Пониженное давление также снижает восприятие вкуса и запаха — по некоторым данным, до 30%. Поэтому еда в самолёте кажется более пресной, и авиакомпании добавляют в бортовое питание больше специй и соли.

Boeing 787 и Airbus A350: улучшенный комфорт

Современные широкофюзеляжные самолёты Boeing 787 Dreamliner и Airbus A350 поддерживают в кабине более высокое давление, чем их предшественники. Вместо эквивалента 2400 метров они обеспечивают 1800 метров — разница ощутима на длинных перелётах.

Это стало возможным благодаря композитному фюзеляжу. Углепластик прочнее и легче алюминия при той же толщине, а главное — не подвержен коррозии и лучше переносит циклические нагрузки. Композитный фюзеляж выдерживает больший перепад давлений без увеличения веса конструкции.

Помимо давления, на этих самолётах выше влажность воздуха в кабине — до 25% вместо 10–15% на алюминиевых лайнерах. Раньше повышенная влажность была нежелательна: конденсат мог вызывать коррозию алюминия. Композиты этой проблемы лишены. Пассажиры отмечают, что после длительного перелёта на 787 или A350 чувствуют себя менее уставшими, чем после аналогичного рейса на самолётах предыдущего поколения.

Что происходит при разгерметизации

Разгерметизация — это потеря давления в кабине. Она может быть медленной (из-за неисправности клапана или небольшой трещины) или взрывной (из-за разрушения иллюминатора или обшивки). При медленной разгерметизации экипаж может не сразу заметить проблему — давление падает постепенно, симптомы гипоксии развиваются незаметно.

При быстрой разгерметизации давление в кабине выравнивается с забортным за секунды. Из салона вырывается туман — это конденсируется влага из-за резкого падения температуры. Автоматически выпадают кислородные маски из панелей над головами пассажиров. Экипаж немедленно начинает экстренное снижение до высоты 3000 метров или ниже, где можно дышать без маски.

Кислородные маски в пассажирском салоне работают на химических генераторах кислорода. При натягивании маски активируется химическая реакция, которая выделяет кислород в течение 12–22 минут — достаточно для снижения на безопасную высоту. У пилотов маски подключены к отдельной системе с баллонами сжатого кислорода, обеспечивающей подачу на несколько часов.

Инциденты с разгерметизацией случаются редко и обычно заканчиваются благополучно. Самолёты проектируются с расчётом на эту ситуацию: даже при полной потере давления конструкция остаётся целой, двигатели продолжают работать, а экипаж обучен действовать быстро и по чёткому алгоритму.

Как контролируется система наддува

На современных самолётах система наддува полностью автоматизирована. Пилоты задают высоту аэропорта назначения перед вылетом, и контроллер сам рассчитывает график изменения давления на протяжении всего полёта. На дисплеях в кабине отображается текущая высота в кабине, скорость её изменения и перепад давлений.

Для защиты от отказов предусмотрено несколько уровней резервирования. Два независимых автоматических контроллера могут заменять друг друга. Если оба откажут, пилот может управлять выпускным клапаном вручную. Предохранительные клапаны автоматически сбрасывают давление, если оно превысит допустимый перепад, и впускают воздух внутрь, если давление снаружи станет выше, чем внутри — такое возможно при резком снижении.

Система наддува — одна из тех технологий, которые работают настолько надёжно, что пассажиры о ней не задумываются. Она позволяет летать на высоте, где человек не выжил бы без защиты, и при этом чувствовать лишь лёгкое закладывание ушей при взлёте и посадке.