飞机的空调系统

高鹏举

甲型H1N1流感病毒如今在全球都引发了恐慌。由于人们有了非典型性肺炎(SARS)的应对经验，因此，当这次甲型H1N1流感病毒在全球传播的时候，人类就能够较为从容地应对。但是，这场斗争尚未胜利，仍然不可麻痹大意。我们可以发现，当某种传染性疾病在全球爆发的时候，飞机当仁不让地充当了传播者的角色。飞机的出现为全球的某些物种(比如苍蝇、蚊子，蟑螂等，也包括病毒)的全球迁徙和融合起到了加速作用。可是苍蝇、蚊子、蟑螂等昆虫通过飞机传播到全球还不至引起公众的恐慌，但类似非典型性肺炎也就是SARS病毒和甲型H1N1流感病毒这样的微小物种通过飞机传播给公众带来的恐慌可就巨大无比。因为这种危险是隐性的，无法估计它的威力和可能造成的损失，因此当全球爆发疫情的时候，民用航空客运业务首当其冲地遭到了冲击甚至是毁灭性的打击。国人还记得2003年的SARS疫情爆发的时候吧?中国民航几乎遭到灭顶之灾，飞机大批停飞，原来很繁忙的枢纽机场变得冷冷清清。人们对机场都避而远之，因为这里是最可能带来灾难的地方。笔者当时还在白云机场工作，中国南方航空公司的波音777几乎全部停止运营，很壮观地排成一排。这也是笔者最完整的一次看到南航的波音777机队，南航仅波音777机队每天的损失就超过数百万美金。

为什么一旦发生某种疫情时，人们对乘坐飞机是最没有信心的呢?这主要是因为飞机的外观看起来所有的窗户都打不开，属于典型的“闷罐”交通运输工具而引起的误会。人们现在接受的卫生常识都普遍认为，当空气不便于流通时，是最容易传染疾病的，防治传染性疾病的最有效的方式就是建造通风环境。基于以上的因素，当“闷罐”飞机上有一个病人，他感染了某种通过空气传染的疾病，那么搭乘同一飞机的旅客和机组成员就会全部遭殃，而能够打开窗户的汽车、火车和轮船反倒没有这么危险。实际上，这是一个认识的误区，虽然在某种疾病全球性传播时飞机这种运输工具起到了作为载体的重要作用，但飞机上的空气并非是“不流通”的，相反飞机上的空气更新效率是相当高的，甚至比一般手术室要求的空气更新速度都高。因此，在飞机上发生一人得病全机遭殃的事情概率很低。

飞机空调系统的功能

既然飞机上的空气更新效率很高，那么，是飞机上什么系统来完成这项工作的呢?答案就是一飞机的空调系统。让我们先来了解一下飞机空调系统的功能，这样对我们了解飞机客舱环境的卫生情况很有好处。飞机内流通的空气几乎全部来自于飞机空调系统，这是飞机机舱环境控制系统的一个主要部分。机舱的环境控制系统提供以下三个方面的功能：客舱增压、温度调节、设备冷却。飞机机舱环境控制系统包含空调系统、增压控制系统、设备冷却系统和分配系统。现代喷气式客机一般都在平流层下部飞行，即使是近距离的支线飞行航线高度也在海拔5000米以上，但我们在乘坐飞机的时候很少感觉缺氧或者因为气压太低而难受，这就是客舱增压的作用。飞机的空调向客舱提供了大量经过调温的新鲜空气，这些空气对整个机舱(包含驾驶舱、客舱、货舱、机载设备舱)进行增压和调温，这样实际飞机机舱的高度保持在海拔2500米以下甚至是海平面的高度，在自然环境中的这个高度上大部分人是不会感觉到异样的。飞机空调调节客舱环境温度和设备冷却的功能大同小异，都是为了保证人员和设备对于生活环境或工作环境的要求。

飞机的空调和我们常见的家用空调和车载空调工作原理完全不同。前者采用开放循环条件，不停地将从气源总管引出的干净新鲜的压缩空气进行制冷，经过除水调温，最终的空调气从机舱顶部进入客舱，而后流经机身下部的机载设备舱和货舱，最后经机体尾部的外流活门排出机外。这样的过程非常高效，不仅保证了对全部机舱的增压和温度控制，还使得客舱的空气平均每2分钟全部更新一次，而飞机驾驶舱因为是单独供气，它的空气将实现每1分钟更新一次，也就是说飞机客舱至少实现每小时换气30次，而我国修订后的《综合医院建筑设计规范》一文中，关于一般手术室的通风卫生条件最终确定为：“一般手术室应采用末端过滤器不低于高中效过滤器的空调系统或全新风通风系统。室内保持正压，换气次数不得低于每小时6次”。由此可以看出飞机客舱环境是要比手术室的要求指标还要高的。

而家用空调和车载空调排出的空调气都是对现有的空气进行冷却从而达到制冷效果。大部分人会在使用汽车空调时把送风模式由车外循环改到车内循环模式，这样做会比较省油，制冷效果也不错。这是一个封闭的循环，就是在一个不开放的环境里对现有的空气重复冷却，达到尽快制冷的目的。但这样做只是单纯考虑制冷效果，不考虑这个环境里的空气质量是否会变差。其实这样的环境才会使流感一类的疾病传染率增加，即使没有传染源，也会使得空气质量随着人的活动二氧化碳含量越来越多，导致空气浑浊污染。因此，在车辆的使用说明书里往往有这样的描述：“使用空调时不要长时间使用内循环模式，应注意保持通风换气。”顺便说一句，有读者可能会问开车能否采用开式循环，也就是车外循环模式，答案是肯定的，但因为家用空调和车载空调的工作原理和飞机空调不一样，冷却速度比飞机空调差得远，因此，车载或家用空调采用外循环模式时，冷却效果就会大打折扣。

飞机空调的工作原理

现在我们以波音737-300为例，来看看飞机空调的工作原理。飞机空调利用布雷顿循环为制冷的基本原理，使空气温度降低，用于客舱或电子设备舱的空气调节。主要由热交换器、空气循环机(它还要带动一个涡轮压气机)、水分离器、各种控制活门和温度传感器组成。要说明的是，飞机的空调是没有制冷剂(类似家用冰箱的那种冷媒或雪种)和制冷剂压缩机的，它的全部驱动能源和排出的空调气都来自于气源总管的压缩空气，只要飞机通电和气源总管有不低于25PSI(1PSI约合0.07个大气压)的压缩空气，飞机空调就能够正常运转。而气源总管里的压缩空气来自于三个地方：发动机压气机部分的引气、APU(辅助动力装置)压气机部分的引气、地面气源车的供气。前两种是应用最广的，第三种的功能多用于地面启动发动机，很少直接带空调。其实飞机在地面还可以使用外接的地面空调设备，这种地面支援设备一般在大的民航机场我们都能看得到。

现代民航飞机的空调系统从气源总管获得压缩空气后，首先经过初级热交换器进行第一次降温，此时大部分热量被外界冷却空气带走，气体温度从200℃左右降为150℃左右。而后进入由涡轮循环机驱动的压气机，此时气体减速，但温度和压力略微升高，经过升压减速阶段后，再次进入第二级热交换器进行第二次降温(这两级热交换器是将从气源总管引出的热压缩空气同外界自然冷空气进行的热交换，

外界的冷空气只是起到冷却压缩空气的作用，不会变成空调气，冷却过程结束就直接向外界排放)。气体温度由近150℃降至95℃左右，然后推动涡轮循环机的涡轮转动释放热量和压力，空气中热焓转变为机械功输出，空气温度进一步下降，气温由95℃降到0℃左右甚至更低。此时的空气也会变成水蒸气的过饱和气体，最后经过水分离器将多余的水分去掉，就变成了干燥且冷的空调气。这样做的目的是为了飞机结构防腐的需要，但是旅客就会觉得坐飞机空气太干，空中乘务员就会给旅客送上甜美的饮料以缓解这种不适。随着飞机制造工艺中复合材料和其它新型的耐腐蚀金属材料使用量的增加，以后的机载空调会逐渐弱化水分离器的作用，使得空调气变的湿润，令旅客乘坐舒适。此时的空调气太冷，有的时候甚至在零摄氏度以下，这样会把旅客冻坏的，不能直接用于飞机客舱，因此还需要把这个冷气和直接引自气源总管的热空气在掺混总管里面混合起来，调节成大约25℃左右让人感觉舒适(这个温度可由飞行员控制调整，有些飞机还赋予乘务员这样的权限，能够对客舱实施分段调温)。终端空调气经由机舱两侧向上输送到客舱顶部的分配总管。至此，空气调温控湿的功能就完成了，最后由分配总管把这些空调气配给到每位旅客头顶的空调出气口，于是我们的飞行旅途是舒服和愉快的。应该说，飞机机载空调的制冷效率非常的高，从气源总管出来的热空气到分配总管的时间就在几秒之内，气体温度就由200℃左右的高温变成了25℃，空调气的出口气压约为0.8个大气压，相对湿度小于5％，臭氧浓度小于百万分之0.25。空气的二氧化碳浓度没有变化，与外界相同，约为百万分之350。除了有些干燥外，其他指标和海平面空气差不多。

飞机空调的增压功能

我们再来看看飞机空调的增压功能，在通常条件下，波音737-300型飞机的空调每分钟会将38立方米左右完全新鲜的空调气输进客舱。我们来做一个假设，注意我们这里做的是一个最大假定。假定平均一个人肺活量最大为4000毫升，波音737-300型客机的全经济舱布局最大客载客149人，加上最大空勤人员数11人，每人每秒深呼吸1次。那么很容易计算得出，每分钟所有人需要38立方米，而飞机空调供气量完全满足需要。实际情况比上面的计算要好得多，因为一个成人每分钟正常呼吸空气约为0.01立方米，160人每分钟仅需要约1.6立方米，737-300型飞机空调每分钟正常供气量是旅客所需的近24倍。而其他机型的空调供气能量比波音737-300型大得多，有的甚至能达到全部旅客需求量的80倍。这些气体不仅保证了乘员的正常呼吸，也会保证客舱的压力稳定适宜。但是大家可以想象，一直向客舱内供气，如果没有出口，机身就会像气球一般越吹越大。因此，飞机机舱上还有出气口，称之为外流活门，专门用于放气。客舱压力的调节和换气速度的调节都由这个外流活门完成，它直接受控于机舱压力控制器。为了让旅客感到整个飞行是舒服的，当飞机起飞前还在跑道上时，机舱压力控制器就会令外流活门全部关闭，给整个机舱产生一点点正的压力，此时机舱压力比外界自然环境要高出0.1个PSI，这样在飞机抬头离地时这个姿态发生突变的情况下让乘客不至产生“压耳朵”的难受感觉。机舱压力会随着飞机的爬升而减少，但永远高于外界气压。当飞机巡航时，飞机机舱的压力比外界要高出7.45～8PSI，也就是说，飞机客舱里面的实际“气压高度”比外界环境低得多，这也就是很多乘客使用手表上自带的气压高度计来测量飞机高度才指示一千米左右，这个高度要比机组宣称的飞行高度低得多的根本原因——就是你测量的是客舱里的压力和高度值。当飞机下降时，客舱压力也随之增长。飞机落地后，座舱压力控制器会输出一个0.15PSI的偏压信号，这个信号目的是为了让机舱压力低于机场当前压力。为了达到这一“要求”，机舱压力控制器就会将外流活门全部打开，“努力”把客舱里的空气放光，当然这是不可能的。但这样做却可以使客舱压力就和外界保持一致，乘务员开关舱门就不会出现因为压力差打不开门或开门突然引起泄压的事情了。我们将客舱压力随着飞行高度变化而发生的一系列变化称之为客舱的压力制度。如果因为某种关系外流活门故障卡阻，有可能会造成飞机机舱压力过分高于外界压力或者反而低于外界压力的情况，飞机上还专门设计了安全释压活门，以便在这种情况发生时维持机舱与自然环境问的压差平衡。波音737-300上有两个正释压活门和一个负释压活门，当正释压活门在机舱压力高于外界8.5PSI时打开进行释压，而负释压活门在外界压力大于机舱压力1PSI时打开进行内外压力平衡。

当然，因为飞机空调的能量来源主要来自气源总管的压缩空气，而在正常飞行中气源总管的压缩空气来自于发动机的引气。为了减小发动机的负担，节约燃油，飞机的客舱增压气体有时并不是完全直接就排出机外，也会循环再利用一部分。这时候，就引入了再循环风扇，这个再循环风扇可以将客舱内的一部分空气收集起来，经过高精密的空气气滤，再次送入到掺混总管中，再通过分配总管从空调出气孔中流出来。现代民航客机均配备了“高效微粒过滤”系统(HEPA)。该系统由初级气滤和高效气滤及木炭气滤三部分组成，这种滤芯系统工作效率很高。空气经过过滤后，99.97％的细菌和病毒群颖粒被去除掉。研究数据表明，HEPA气滤可以去除空气中99.97％以上的直径为0.003微米的微粒。细菌的大小一般都在1微米以上，而病毒的尺寸约在0.003至0.5微米之间，而且病毒很少以单体存在，一般是以飞沫或其他病毒团(尺寸在0.01微米至0.2微米之间)形式出现在空气中。再循环空气在参混总管内与空气调节组件所提供的外界空气混合时，外界空气中残留下来的臭氧所具有的杀菌消毒作用可以将再循环空气中可能仍然存活的病毒和细菌消除殆尽。因此，最终进入客舱的空气可以说是十分洁净而且无异味的。如果您确实闻到了空调气中有异味，这说明飞机发动机或空调组件里存在油液渗漏现象，这样的情况是必须要得到修理的。这样飞机的客舱空气清洁度达到了和医院手术室供给空气一样的质量，这无疑对遏制流感的传播起到了关键和积极的作用。这些滤芯会经常更换以保证空调系统高效安全的工作。笔者每次做这样的工作时都要严格按照维护手册的要求穿戴好一次性全身型联体式防护服，带全包围护目镜、高效过滤口罩和橡胶密封手套，拆下的气滤要在第一时间放人可密封的塑胶袋中，送到专门的厂家进行报废处理。对整个再循环系统清洗消毒后换上全新的气滤，防护服等个人防护用具最后也需要密封报废。当然除此以外，飞机每个过站都会对整个客舱实施通风消毒作业，保证了旅客乘机的安全。

综上所述，我们不仅了解了飞机空调系统的工作原理和作用，同时，也让您更加清楚民航当局对飞机这种交通工具的安全品质级别要求非常高，因此飞机被当之无愧地称为最安全的交通工具。只不过飞机对于公众而言还是比较稀罕，一旦出事或者变成某种会带来危险的生物的运载工具时容易形成“新闻眼”而已。当我们拨开迷雾，了解真相，我们就会很容易做出客观的判断，大家就放心地乘坐飞机好了——因为它的确是最安全的。

责任编辑：伟翼