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一点红心水论坛14000局方观点:客舱空气质量相当

发布时间:2020-01-30

  2002年12月,SARS开始肆虐,长达半年之久。期间,民众普遍忧虑飞机上的空气质量,担心这种“封闭”的交通工具助长病毒的传播。秩序恢复以后,为了提振民众对于乘坐飞机的信心,民航局(当时称为“民航总局”)有关方面在《国际航空》杂志2013年第7期发表了这篇文章。

  历史以相似的方式重复发生。今天的新冠肺炎爆发以后,民众有着相同的忧虑和担心,业内也采取同样的“非常措施”。年轻人甚至可以从眼下的一切去推想17年的故事。但是何不如以史为鉴、更进一步呢?这里,我们把这篇文章推荐给今天的读者,特别是专业读者,是因为它既是很好的专业文献,也是对历史经验的事后总结。希望它不要被埋没在故纸堆里。

  针对个别可能仍不够通俗和易于理解的地方,做了注释。全文预计阅读时间较长(>30分钟),建议收藏。欢迎留言、讨论。

  原标题:客舱空气质量相当于手术室——再谈乘坐飞机为什么感染SARS的可能性很小

  随着我国SARS疫情日渐得到控制,空中旅行逐渐开始恢复,人们还是在担心,乘坐飞机感染SARS的可能性究竟有多大,飞机的乘坐环境究竟是被动的,还是可以主动控制的?本文通过对飞机客舱空气调节系统的介绍,告诉大家飞机的客舱的空气质量远远超过了人们平常活动场所的环境

  最近民航总局航空安全技术中心受民航总局有关部门的委托对我国现役飞机客舱空气质量问题进行了分析和研究,希望广大读者通过本文能消除对乘坐飞机的一些误解,解除一些不必要的忧虑。

  因为飞机的客舱是一个封闭的环境,所以飞机空调系统就成了保证客舱空气清洁,防止SARS病菌传播的关键。现代飞机的客舱空气调节系统通过引气系统、臭氧转换器、空气调节组件、混合集气环、再循环系统、客舱通风系统以及客舱压力控制系统,为乘客提供了一个既洁净又舒适的客舱环境。

  外界空气进入发动机主涵道后,随着发动机所处的不同飞行阶段,其气压可升至30个大气压力左右,温度则可以达到650℃左右。其中一部分空气从位于发动机特定压气级处的引气活门排出发动机的主涵道,进入引气系统。

  引气系统以合适的温度和压力向机上各种气动设施提供空气。这些气动设施包括空气调节组件、客舱换气系统、饮用水增压、机翼及发动机防冰、气动液压泵、货物供热以及客舱增压等。

  空调系统是引气系统的用户。“气动”是pneumatic,并不一定是以利用气体作为“动力”,空调也利用气体的非动力属性(温度)。一般也译为“气源”。

  大气层中的臭氧是氧气在太阳紫外线照射下发生光电转换而产生的。臭氧的浓度随季节、高度、纬度及天气情况的不同而变化。如果这些臭氧直接引入客舱,会导致乘客和机组人员出现胸痛、咳嗽、气急、疲劳、头痛、鼻塞、流泪等症状。因此,现代飞机都装有臭氧转换器。大气中绝大部分臭氧在通过发动机压气级、臭氧催化转换器及空气调节组件时被分解掉了。余下的在经过飞机管道及再循环系统时又得到进一步分解。臭氧转换器分解臭氧的效率在60%至95%之间。

  FAA制定的客舱臭氧浓度限制为,平均浓度为百万分之0.1;浓度峰值为百万分之0.25。大气中的臭氧在经过上述臭氧分解程序后进入客舱时,浓度约为百万分之0.09,完全能够满足乘客的生理要求。

  以A320和B737NG为例,臭氧转换器位于引气来源和空调组件之间。引气从发动机/APU出来之后,先经过臭氧发生器,才进入空调组件。

  空气通过臭氧转换器后进入空气调节组件。空气调节组件是一种空气循环冷却系统。空气调节组件以合适的温度、流速及压力向客舱提供无菌、无尘的调节空气,以满足增压和温度控制方面的要求。

  空气调节组件具有自动控制功能,不断地监视飞机飞行参数、飞行机组对各种温度区域的温度选择、客舱区域的温度以及混合分配空气的温度,并据此来自动调节各个活门。

  空气调节组件向客舱提供的空气量很大,足以在3分钟内完成整个客舱的空气更换。这种高更换率即可以满足客舱温度梯度控制的需要,防止客舱中存在不流动的低温区域,同时,也可以保持客舱空气质量,去除客舱中的烟雾和异味。

  经过空气调节组件后,空气的温度约为16℃,气压约为0.8个大气压力,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。在混合集气环内,这部分空气与相同数量的经过过滤的再循环空气进行混合。

  “混合集气环”在A320里上是mixer unit(混合组件),在B737NG上是mix manifold(混合组件)。再循环空气经过Hepa气滤之后,由再循环风扇/客舱风扇抽入“混合集气环”;空调组件的气体经过臭氧发生器之后,也进入“混合集气环”。

  现代飞机客舱空气的35%至50%进入再循环系统,经过空气过滤后,形成洁净的空气,在混合集气环与空气调节组件送出的空气进行混合,并重新进入客舱。

  再循环系统所提供的再循环空气的洁净度很高,这主要归功于多数现代飞机都采用了的“高效微粒过滤”系统(Hepa)。这种空气滤工作效率很高。一点红心水论坛14000空气经过Hepa空气滤过滤后,99.97%的细菌和病毒群颗粒被去除掉。这种空气滤与医院、烧伤治疗等关键病房所使用的空气滤类似,其过滤效率远远高于其他运输工具和办公建筑。

  有资料显示,Hepa空气滤可以去除空气中99.97%以上的的直径为0.003微米的微粒。空气中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,而病毒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。此外,Hepa空气滤对病毒亦有抑制作用,被截留在空气滤的病毒短时间后便会丧失活力。

  再循环空气在混合集气环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的。

  风扇和组件,分别为再循环空气和新空气建立压力。增压的空气从“气源端”的管路进入 “混合集气环”,在这里混合,继续被压力推动,从而进入 “用户端”(驾驶舱和客舱各个区域)的管路。

  Hepa空气滤分等级。飞机上的可以达到这里描述的效率。病毒的典型尺寸在0.017微米至0.3微米之间,近期媒体展示的图片显示新冠肺炎病毒(2019-nCov)尺寸约为0.1微米;病毒有可能以几种形态出现在空气中:干燥的单个病毒、吸附在灰尘等其他颗粒上的病毒群(virus cluster)、飞沫中。这些形态都在Hepa气滤的作用范围内。病毒依靠内核中的遗传物质来实现自我复杂,而内核需要蛋白质外壳的保护。蛋白质是复杂而娇气的大分子。在脱离寄主以后,受到热、酸、碱、重金属盐、紫外线等的作用下,病毒的蛋白质外壳会发生不可逆转的折叠,因而不再能保护内核。一般来说,离开寄主几个小时以后,病毒就“灭活”了。

  在混合集气环内的混合空气通过提升管路自下而上输送到位于客舱顶部的客舱通风系统,并由该系统分配给每位乘客。此时的空气相对湿度约为10%至20%,温度在18℃到30℃之间。位于乘客头部上方的送气口沿机身纵向布置。与之相应的是位于客舱侧面、靠近地板的排气口也是沿机身纵向布置。

  出、入口的这种布置特点使得客舱内空气流动方向基本上是自上而下的,沿机身纵向的空气流动很小。由于大量的空气在短时间进入相对较小的客舱空间,空气流动速度相对一般建筑和医院病房要快很多。客舱空气更换速率是每小时20次以上,即不到3分钟就更新一次。医院手术室的空气更换速率是12分钟更换一次,普通建筑的更换率则更低。

  进入客舱的空气在被排出前有2~3分钟的时间与客舱内原有的空气不断混合,其所含氧气量的0.333%在这段时间里被人体的新陈代谢所消耗,取而代之的是二氧化碳。

  另外,当人们咳嗽、打喷嚏时,细菌、病毒等微生物会附着在悬浮飞沫上随空气一同被排出客舱。被排出客舱的空气的50%至65%(因机型而定)通过位于飞机尾部的客舱压力外流活门直接排到机外,余下的35%至50%进入位于机身前部的再循环系统,经过Hepa空气滤过滤和臭氧消毒后成为十分洁净的空气,重新进入客舱。

  客舱通风系统设计时考虑的是让供给每排乘客的空气基本上在该排处排出客舱。这就使得沿客舱纵向的空气流动减至最小。控制了空气的纵向流动,也就等于最大程度地降低了由乘客产生的空气污染物质在客舱内进一步扩散的可能性。

  提升管(riser duct),以B737NG为例,其他机型的设计与此相似,参见注释图片1。

  由于组件内部“冷凝器”和“水分离器”的作用(为防止管路被冰堵塞),从组件出来的新空气比较干燥(前文提到湿度“小于5%”);而混合了再循环空气之后的客舱空气最终比较潮湿(这里提到 “10%至20%”)。然而相对于地表空气的通常状态仍然更加干燥。过度干燥影响呼吸道粘膜发挥正常功能(黏着和排出颗粒污染物),造成干咳和不舒适的感受。

  高换气率和良好的空气流动方式,建立在再循环风扇工作的基础上。假如风扇不工作,即使流量可以保证,不同区域的换气将变得不均匀,纵向流动也显著增加。仍以B737NG为例,想象任何一排座椅,附近的空气是如何流动呢?只要空调组件在工作,来自“混合集气环”的增压空气就总是从分布于整个客舱顶部和侧壁的各个出气口主动进入;当风扇工作,下沉的空气从各个地板格栅(floor grilles)被主动抽走。空气的进入和离开都是分散而主动的,因此座椅附近有着健康的、符合设计初衷的局部微循环(注释图2、3)。而当风扇关闭,地板格栅处没有负压,局部微循环就没有了:分散进入的空气主动下沉以后,会在通道方向上前后扩散、相互混合,被动地寻找离开客舱的出口,这个过程将使污染物在整个客舱传播。

  空气滤滤芯的横截面为限定尺寸的孔隙矩阵式结构。气流中尺寸大于滤芯孔隙的尺寸的微粒将全部被空气滤截留

  气流中尺寸小于孔隙,但密度大于空气的微粒在撞击空气滤固体表面或墙壁以及孔壁时会附着其上,从而也会被截留下来

  对更小的微粒,如病毒,布朗运动使这些微粒被捕捉在单个纤维和孔壁上,以有效去除0.1微米以及下尺寸的微粒

  这里提到了的“布朗运动”,是指大量空气分子的不规则随机运动(热量的体现),在微观尺度上造成病毒等颗粒也呈现不规则运动,从而容易被气滤纤维吸附。这种吸附也是微观尺度上的分子间吸引力,称为“范德华力”。被吸附的颗粒也“搭桥”,从而继续巩固吸附能力。Hepa气滤背后有一套科学理论,并非简单的一张细密的拦截网络。从无菌工厂到手术室,Hepa气滤用于过滤各类颗粒,从理论到实践都是可靠的。

  客舱压力控制系统不断监视飞机的地面和飞行模式,不断调控位于客舱地板下方机尾处的压力外流活门的大小,从而达到将客舱压力基本上控制在接近海平面压力,并且客舱内外的压差不超过0.6个大气压力的目的,使乘客始终处于非常舒适的气压环境下。

  由于客舱对空气温度、湿度、压力、含氧量以及洁净度等都有特定的要求,因此,在飞机设计和制造中,客舱相对飞机上其他空间(如货舱)是密闭的隔间,称为客舱隔间。客舱隔间包括乘客座舱、驾驶舱、厕所和厨房。

  特别要指出,再循环系统装在飞机客舱地板下方的机身前部,从厕所、厨房以及货舱排出的空气不再进入再循环系统,而是通过机身后部的外流活门直接排到机外。

  由于客舱通风系统不断地为乘客提供大量的洁净空气,每分钟所提供的氧气量约为正常人氧气需求量的280倍左右。这样一方面可以满足每位乘客新陈代谢的生理需要,另一方面也使得客舱空气更换速度大大加快了。

  具有空调设备的普通建筑内的空气更换速度为1~2.5次/小时;医院救护车和手术室约为5次/小时;现代飞机客舱空气更换速度为20~30次/小时(即不到3分钟就更换1次)。

  尽管通过空气再循环系统传播SARS的可能性基本很小,但是有些航空公司为了使旅客放心,便将再循环风扇关断,从而切断了SARS通过再循环空气传播这条途径。这种做法公司的主观愿望是出自于对旅客高度负责,但随之而来的是一个重要问题就是关闭了再循环风扇,原客舱约40%的空气将不能继续投入再循环使用,也就意味着发动机引气量要增加约60%,这无形中加大了飞机发动的工作负荷,时间长了,容易引起其他技术问题。

  另外,如果以一架在昆明巫家坝机场准备起飞的波音737-300为例,其飞机起飞条件及起飞限重如下:

  外界温度38℃,静风,襟翼5,再循环风扇开,防冰关,起飞限重:47.6吨;

  外界温度38℃,静风,襟翼5,再循环风扇关,防冰关,起飞限重:46.0吨。

  可见两者对应的起飞限重相差1.6吨,因此,在再循环风扇关断的情况下,当起飞重量接近起飞限重表中提供的重量值时,应考虑减载。如果再碰上短、湿滑跑道或复杂机场等情况,更应在此基础上做好相应的减载措施。

  由于采用Hepa空气滤的客舱空气再循环系统的飞机,空气中99.97%以上的有害微粒被去除,使得客舱的空气质量达到医院手术室的标准,远远超过普通建筑物中的空气质量,所以没有必要人工关闭再循环系统。

  确切而言,有意关闭再循环系统,不是“没有必要”而是有害。这篇文章已经指出了再循环风扇的几个作用:减少引气的使用、使Hepa气滤发挥作用、建立微循环。关闭了再循环风扇,这几个作用都没有了,结果是:引气使用量增加、Hepa气滤不起作用、通道纵向气流增加。

  案例中,B737-300关闭再循环风扇造成起飞限重减少,是由于关闭风扇以后,发动机压气机提供给空调系统的引气输出增加了,因此有效的推力减少了。再循环风扇能为发动机“减负”。

  为了把SARS的疫情的传播限制在最小范围,我国民航已经在各个环节都设置了严格的层层把关措施,但是这不能绝对排除还是会有极个别的“漏网”的带菌者登上飞机,从而对邻座的乘客和通过在通道的活动对其他乘客造成感染的可能性,这也是乘坐飞机最具威胁的SARS传播方式。对此,航空公司也已经采取了一系列特别的措施,包括:

  尽量减少旅客之间的直接接触,切断传播途径,如尽量减少乘客在客舱内的走动和乘客之间的交谈。

  随时启动应急程序。机上一旦发现非典患者或疑似病例,立即进行隔离,隔离位置选在机舱尾部,并有专人看护。

  总的来看,现代飞机的客舱空气是健康的、洁净的,客舱空气质量可达到医院手术室的标准环境。乘客应当消除对飞机客舱空气的一些不准确的理解,减少不必要的恐惧心理。特别是有些旅客在乘机时会感到不适,许多并不是客舱空气质量造成的,而是出自于其他原因。如:飞机在不同高度飞行产生的客舱压力变化、飞机的颠簸或俯仰、发动机噪音以及长时间乘机旅行等。当然,为了严防SARS在飞机上的传播,除了民航各部门和各航空公司采取的一系列应急措施之外,个人还是要自觉地采取一些必要的自我防护措施,这样乘坐飞机的安全是完全可以得到保证的。


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