PACK: как работает система кондиционирования воздуха в самолёте

Температура отбираемого воздуха на выходе из компрессора двигателя достигает 200–250 градусов Цельсия. Подать такой воздух в салон невозможно — он обожжёт трубопроводы, расплавит пластик обшивки и, очевидно, непригоден для дыхания. Между двигателем и вентиляционными решётками над головами пассажиров стоит система, которая превращает раскалённый сжатый воздух в прохладный, сухой и комфортный. Эта система называется PACK (Pneumatic Air Conditioning Kit) — блок пневматического кондиционирования.

PACK решает задачу, которая на первый взгляд кажется парадоксальной: охладить воздух без фреона, без электрического компрессора холодильного типа и без какого-либо хладагента. Вместо этого используется сам воздух — его сжимают, отдают тепло забортному потоку, а затем расширяют в турбине, отбирая энергию. На выходе получается воздух температурой около 2–5 градусов, который смешивается с рециркулируемым воздухом из кабины и подаётся пассажирам.

Где расположены PACK и сколько их

На большинстве двухдвигательных самолётов установлено два PACK — по одному на каждый двигатель. Они расположены в нижней части фюзеляжа, под полом пассажирского салона, между центропланом и нишей основного шасси — в зоне, которую часто называют belly fairing. Каждый PACK работает независимо и питается от «своего» двигателя, хотя при необходимости воздух можно перенаправить через перекрёстный клапан (crossbleed valve).

На Boeing 747 из-за объёма кабины устанавливалось три PACK. На большинстве современных узкофюзеляжных и широкофюзеляжных лайнеров — два. Один PACK способен обеспечить кондиционирование всего самолёта, но с ограничениями: максимальная высота полёта снижается, расход воздуха уменьшается, а температурный контроль по зонам становится менее точным.

Как устроен воздушный цикл охлаждения

Сердце каждого PACK — турбохолодильная установка (air cycle machine, ACM). Это компактный агрегат, внутри которого на одном валу закреплены компрессор, турбина и вентилятор. Ни фреона, ни хладагента — рабочим телом служит сам воздух. Принцип: воздух сжимают, заставляют отдать тепло забортному потоку, а затем пропускают через турбину — он раскручивает её, тратит на это энергию и остывает. Чтобы понять, почему это работает, проще пройти весь путь от двигателя до салона.

Горячий bleed air температурой 200–250 градусов поступает в PACK через регулирующий клапан (flow control valve), который дозирует объём в зависимости от потребностей. Первая остановка — первичный теплообменник. Горячий воздух проходит по одним каналам, а снаружи их обдувает ram air — холодный забортный воздух, поступающий через створки в нижней части фюзеляжа. На крейсерской высоте температура за бортом составляет минус 50–60 градусов, и bleed air быстро отдаёт часть тепла. После первого теплообменника температура падает примерно до 100–150 градусов — зависит от режима полёта и внешних условий.

Следующий шаг кажется нелогичным: воздух, который нужно охладить, сначала сжимают ещё сильнее. Компрессор ACM повышает давление, и воздух от этого снова нагревается. Смысл в разнице температур: чем горячее воздух внутри теплообменника относительно забортного потока снаружи, тем быстрее он отдаёт тепло. После компрессора воздух попадает во вторичный теплообменник, и ram air на этот раз снимает с него значительно больше энергии — воздух выходит уже не горячим, а тёплым.

После второго теплообменника воздух находится под высоким давлением, и здесь происходит основное охлаждение. Сжатый воздух влетает в турбину ACM — ударяет в лопатки и раскручивает их. На вращение уходит энергия — давление и температура воздуха падают. На выходе из турбины температура составляет около 2–5 градусов Цельсия, иногда опускается ниже нуля, а давление соответствует кабинному.

Энергия вращения не пропадает — через общий вал она приводит в движение компрессор из предыдущего шага. На том же валу закреплён вентилятор — он прокачивает забортный воздух через теплообменники, когда самолёт стоит на земле и набегающего потока нет. В полёте вентилятор практически не нужен: ram air поступает за счёт скорости самолёта. На современных самолётах типа Airbus A320 ACM собрана именно в такой трёхэлементной конфигурации — компрессор, турбина и вентилятор на общем валу — оптимальной по весу и надёжности.

Ram air — забортный воздух как хладагент

Теплообменники внутри PACK не работают сами по себе — им нужен холодный поток, который унесёт тепло. В полёте этот поток обеспечивает ram air — набегающий забортный воздух, который заходит через створки воздухозаборников в нижней части фюзеляжа. На крейсерской высоте его температура составляет минус 50–60 градусов, что делает теплообмен очень эффективным.

После прохождения через теплообменники ram air нагревается и выбрасывается наружу через выходные створки. Интенсивность потока регулируется автоматически: створки открываются шире, когда нужно больше охлаждения, и прикрываются, когда нагрузка снижается. Слишком широко открытые створки создают аэродинамическое сопротивление, поэтому система ищет баланс между охлаждением и расходом топлива.

На земле, когда самолёт стоит и набегающего потока нет, вентилятор ACM принудительно прокачивает воздух через теплообменники. Эффективность охлаждения при этом ниже — забортный воздух может быть +40 градусов вместо минус 50. Поэтому в жарких аэропортах салон кондиционируется хуже, и пассажиры иногда чувствуют, что в самолёте душно до момента выруливания на взлётную полосу.

Удаление влаги

Воздух, охлаждённый до температуры около нуля, содержит конденсат. Если подать его в салон без обработки, в кабине появится туман. Перед выходом из PACK воздух проходит через водоотделитель (water separator), который извлекает капли влаги из потока.

Конструкция водоотделителя зависит от самолёта, но принцип общий: воздушный поток закручивается или резко меняет направление, капли воды по инерции отделяются и собираются в дренаж. Отделённая вода сбрасывается за борт или используется для повышения эффективности теплообмена — на некоторых типах самолётов она впрыскивается в поток ram air перед теплообменником, где испаряется и дополнительно охлаждает входящий воздух.

После водоотделителя воздух сухой и холодный — около 2–5 градусов Цельсия. Дальше путь такой: холодный воздух из обоих PACK поступает в смесительную камеру, где смешивается с рециркулируемым воздухом из кабины. Оттуда — в зональные каналы, где клапаны trim air подмешивают горячий bleed air до нужной температуры. И уже потом — через вентиляционные отверстия над головами пассажиров в салон.

Смешивание: свежий и рециркулируемый воздух

Холодный воздух из обоих PACK поступает в смесительную камеру (mixing manifold или mixing unit), расположенную под полом салона перед центропланом. Здесь он смешивается с рециркулируемым воздухом — тем, который уже побывал в кабине.

Пропорция обычно составляет примерно 50/50: половина свежего воздуха от PACK, половина рециркулируемого из салона. Рециркуляция — не способ сэкономить, а инженерное решение. Использование только свежего воздуха потребовало бы вдвое большего отбора от двигателей, что увеличило бы расход топлива. Кроме того, рециркулируемый воздух теплее и влажнее — он помогает поддерживать более комфортную влажность в кабине, которая и без того составляет всего 10–20%.

Рециркулируемый воздух забирается из-под пола салона вентиляторами и перед подачей в смесительную камеру проходит через HEPA-фильтры. Эти фильтры задерживают 99,97% частиц размером от 0,3 микрона — включая бактерии, вирусы и пыль. Воздух из туалетов и кухни не рециркулируется: он забирается вытяжным вентилятором и сбрасывается за борт. Остальной отработанный воздух выходит наружу через выпускной клапан в хвостовой части фюзеляжа — тот же, который регулирует давление в кабине. Полная замена воздуха в салоне происходит каждые 2–3 минуты.

Как регулируется температура по зонам

Оба PACK настроены на выдачу самой низкой температуры, которую запрашивает любая из зон. Если кабина экипажа просит 20 градусов, а задний салон — 24, PACK будут работать на 20 градусов. Зональная подстройка выполняется отдельной системой — trim air.

На Airbus A320 салон разделён на три независимые зоны: кабина экипажа, передний салон и задний салон. Каждая зона имеет свой клапан подмешивания горячего воздуха (trim air valve). Этот клапан берёт горячий bleed air — тот самый, который ещё не прошёл через PACK — и добавляет его небольшими порциями к холодному воздуху из смесительной камеры, доводя температуру до заданного значения.

Контроллер системы кондиционирования (ACSC на Airbus, или аналогичный блок на Boeing) непрерывно сравнивает показания температурных датчиков в каждой зоне с заданными значениями и регулирует положение trim air valve. Если солнце нагревает одну сторону салона, а другая остаётся в тени, система реагирует автоматически. Пилоты задают температуру на панели в кабине, а дальше всё работает без их участия.

Воздух подаётся в салон через вентиляционные отверстия в верхней части — над головами пассажиров. Отработанный воздух опускается вниз и уходит через решётки на уровне пола. Такая схема «сверху вниз» предотвращает горизонтальное перемешивание воздуха вдоль салона: каждый ряд кресел фактически получает свою порцию. Индивидуальные насадки (gaspers) над каждым креслом позволяют пассажиру направить поток воздуха на себя и регулировать его интенсивность.

PACK на земле

До запуска двигателей PACK получают сжатый воздух от APU или от наземного источника. Многие крупные аэропорты предоставляют pre-conditioned air (PCA) — уже охлаждённый воздух, который подаётся через шланг прямо в смесительную камеру, минуя PACK. Это позволяет не запускать APU, экономя топливо и снижая шум на перроне.

Когда PCA недоступен, а двигатели ещё не запущены, APU берёт на себя функцию источника bleed air. Один PACK, питаемый от APU, обычно справляется с кондиционированием всего салона — хотя в жаркую погоду эффективность заметно ниже, чем в полёте. На земле нет ram air с температурой минус 50 — вентилятор ACM прогоняет через теплообменники тёплый аэродромный воздух, и охлаждение получается менее глубоким.

Именно поэтому на стоянке в жарком аэропорту в салоне бывает некомфортно. После начала руления ситуация улучшается: двигатели дают больше bleed air, а движение самолёта создаёт начальный поток ram air. К моменту отрыва от земли оба PACK выходят на полную мощность.

Отказы и резервирование

Каждый PACK — автономная система. Отказ одного не влияет на работу второго. При полёте на одном PACK самолёт полностью работоспособен, но с ограничениями. На A320 максимальная высота полёта снижается, расход подаваемого воздуха уменьшается, а зональное регулирование температуры через trim air может стать менее точным.

На дисплеях ECAM (Airbus) или EICAS (Boeing) отображается состояние обоих PACK: температура на выходе, положение клапанов, режим работы. При отказе система выводит предупреждение и чеклист действий. Типичная причина отключения PACK — перегрев: если температура в канале превышает допустимую (около 88°C на A320), контроллер автоматически закрывает клапан подачи воздуха и отключает блок.

Потеря обоих PACK — ситуация крайне редкая, но предусмотренная. В этом случае экипаж открывает аварийный воздухозаборник ram air, который подаёт забортный воздух напрямую в смесительную камеру, минуя оба PACK. Воздух при этом не охлаждается и не нагревается — его температура зависит от высоты полёта. Экипаж выполняет снижение на высоту, где забортный воздух пригоден для дыхания без дополнительной обработки. Система наддува при этом теряет источник сжатого воздуха, поэтому перепад давлений в кабине контролируется вручную через выпускной клапан.

Boeing 787: кондиционирование без bleed air

Boeing 787 Dreamliner полностью отказался от традиционной пневматической архитектуры. Вместо отбора горячего воздуха от двигателей на 787 используются электрические компрессоры, которые забирают воздух снаружи и сжимают его электромотором. Дальнейший путь воздуха аналогичен: теплообменники, охлаждение, водоотделение, смешивание.

Главное преимущество электрической схемы — двигатели не теряют часть сжатого воздуха и работают эффективнее. Кроме того, электрические компрессоры не зависят от режима работы двигателей: на малом газу при рулении кондиционирование работает так же стабильно, как на крейсерском режиме. Риск попадания паров масла в салон тоже исключён — воздух забирается из атмосферы, а не из контура двигателя.

Airbus A350 сохранил классическую схему с bleed air, но с доработками: более эффективные теплообменники, улучшенная электроника управления, оптимизированные режимы работы. Полный отказ от bleed air в гражданской авиации остаётся пока особенностью одного типа — 787.