用于飞机机舱压力的调节系统和用于调节飞机机舱压力的方法

摘要

一种用于调节飞机（4）的所述机舱压力PC的调节系统（2），所述调节系统具有至少一个机舱压力调节单元（6），所述机舱压力调节单元设置用于通过控制所述飞机（4）的至少一个空气输出装置（14）或空气输入装置（16）将在供应有新鲜空气和压力加载的所述机身（12）内的所述机舱压力PC调节到所述机舱压力调节单元（6）预先规定的压力值上或预先规定的机舱高度上。在所述压力值或机舱高度的待进行的改变中使在所述机舱中的机舱压力PC的关于时间的变化和所述机舱压力PC的商保持恒定。这导致在乘客的中耳中的所述气体膨胀比或气体压缩比保持恒定，从而使得在整个上升飞行或下降飞行期间乘客不发生不均匀的或增强的不适感。

说明书

相关申请参考

本申请要求申请日为2009年9月28日，申请号为No.61/246257 的美国临时专利申请的优先权和申请日为2009年9月28日，申请号为 No.102009043323.6的德国专利申请的优先权，其内容在此通过参引 并入本文。

技术领域

本发明涉及一种用于飞机的机舱压力调节系统以及一种用于飞机 的机舱压力调节方法。

背景技术

现代大型民用飞机在巡航飞行中达到非常高的飞行高度，并且需要 压力加载的飞机机身，在所述飞机机身中能够确保旅客的存活和舒适。 为了降低机身的机械负载，在巡航高度上的机舱压力比在地面上明显更 低，并且在此相应于在2000米和3000米之间的海拔高度的大气气压。 在海平面上方相应于相应的机舱压力的高度常常也称为“机舱高度”。

在所有运行阶段中，机舱压力通过机舱压力调节系统被带到相应预 先规定的值上，在考虑机身负载的情况下，所述预先规定的值通过在机 舱和周围环境之间的压力差和乘客的安全和特别是涉及足够的供氧的 舒适而确定。对此同样重要的是，在上升飞行期间相对于在地面上的机 舱压力降低机舱压力，并且在下降飞行期间再次提升到在地面上的压力 水平。在现有技术中，下述假设广泛传播，即，为此恒定的机舱压力比 可相应于关于乘客舒适度的最佳状态。因此，在常用的飞机中，在上升 飞行和下降飞行时的机舱压力调节系统所执行的压力比调节基于恒定 压力比。

但是，在上升飞行和下降飞行期间在常见的民用飞机中经常可观察 到，由乘客感知到的鼓膜或耳朵本身的负荷不是基本上恒定的，而机舱 压力调节有时也可导致乘客的增强的疼痛感。

发明内容

因此可视为任务的是，提出一种机舱压力调节系统，其中，在下降 飞行或上升飞行期间人耳的负荷是尽可能恒定的，进而可以将乘客的不 适最小化。

可视为本发明的另一任务的是，提出一种这样的机舱压力调节系 统，所述机舱压力调节系统能够在无成本高昂的改型措施的情况下借助 在现代民用飞机中已有的硬件实现。

所述任务通过用于调节具有独立权利要求1所述的特征的飞机机舱 压力的调节系统来实现。在从属权利要求中可得出有利的改进方案。

根据本发明的用于调节飞机机舱压力的调节系统可具有机舱压力 调节单元，所述机舱压力调节单元设置用于，通过控制飞机的空气输出 装置或空气输入装置，将在飞机的供应有新鲜空气且压力加载的机身内 的瞬时空气压P_C调节为机舱压力调节单元预先规定的压力值。这设置 用于，在待进行的压力改变中使在机舱中的绝对压力P_C的关于时间的 变化和绝对压力P_C的商保持恒定。

术语“空气输出装置或空气输入装置”涉及能够用于将在有规律地 输入新鲜空气并且输出已使用空气的通风的腔内的压力保持在特定水 平上的每种仪器或装置。在机舱的示例中，所述调节既能够通过调节空 气输入也能够通过调节空气输出来进行，其中，空气输出和空气输入也 可同时用于调节空气压。输出阀（所谓的“出流阀（Outflow Valves）”） 可视为特别合适的装置，同样也能够调节冲压空气输入和通过空调系统 准备的引气空气，以便影响机舱内的压力。本发明不局限于特殊的空气 输入装置或空气输出装置的应用。

所述特征的技术优点如下阐述。引起在降压期间或在升压期间乘客 的不适感觉的主要因素是人耳。中耳是人体的对压力最敏感的器官。所 述中耳如此构造，即，呈中耳形式的部分封闭的空腔的一侧由膜状的鼓 膜界定，并且另一侧通过呈耳咽管形式的管状连接与鼻喉连接。在压力 波动时，在中耳中的气体膨胀或压缩，从而使鼓膜开始隆起或压入，这 在耳蜗处由于在听小骨上的鼓膜的偏转而被感觉为不舒适的，并且有时 是疼痛的。基于解剖学事实，中耳通过耳咽管进行的相当慢的压力平衡 可通过打哈欠、吞咽和类似动作加速。通常情况下，根据波义耳定律， 包含在一定体积中的气体的相对体积膨胀与初始压力和最终压力的比 例成反比。由于存在于中耳中的水蒸气饱和，在中耳中可将水蒸气的分 压列入考虑。由此得出，在压力差相应相等的情况下，相对气体膨胀在 绝对压力水平高的情况下比在压力水平低的情况下更低。

因此，在具有在下降飞行中的线性压力变化的传统的机舱压力调节 中，由中耳包围的体积首先开始相对大幅地压缩，其中，随着绝对机舱 压力升高，压缩比降低。在上升飞行中高度增加的情况下，包围在中耳 中的体积的膨胀比同样升高。由于管理单元预先规定了关于时间的压力 变化和机舱压力的商应保持恒定，所以由中耳包围的气体体积的膨胀比 也应保持恒定，从而使得在整个上升飞行或下降飞行期间对于相关乘客 产生保持恒定的不适感，并且不出现负担的局部最大值。相应地，本发 明能够解决用于适当调节机舱压力以有效地照顾敏感的中耳的长期存 在的任务。

通过结合这种对于瞬时绝对机舱压力的关于时间的压力变化的规 定，能够相对容易地实现，例如通过调节机舱压力调节单元的相应于软 件的控制系统使之匹配，而在飞机中继续使用已有的硬件。因此，在现 代民用飞机的系统中的重大改变是不必要的，从而可节省成本。

此外，根据本发明的机舱压力调节系统可具有至少一个管理单元， 所述至少一个管理单元与机舱压力调节单元和用于检测在机舱中的绝 对压力P_C的至少一个传感器连接，其中，所述机舱压力调节单元的管 理单元预先规定待调节的压力值。所述管理单元能够与飞行管理系统 （FMS）连接，所述飞行管理系统能够传输如飞行高度或飞行速度的不 同的飞行数据，或也能够传输用于计划的时间段的数据，以提供有效的 机舱压力调节。

对于本领域技术人员不言而喻的是，机舱压力调节单元和管理单元 不必一定实现为彼此分开的功能元件，而是所述机舱压力调节单元和管 理单元也可通过唯一的单元来实现。为此提供相应的电子数据处理单元 或诸如此类。

依据根据本发明的调节系统的一个有利的改进方案，在机舱压力变 化的情况下这样调节所述机舱压力，使得空气压的关于时间的偏差 dP/dt和在机舱内的绝对空气压P_C的商（也称为“不适指数”）保持恒 定，并且所述商的导数相应地尽可能为零。由此避免增强的不适感。

此外，所述任务通过一种用于调节在机舱中的空气压的方法以及通 过一种飞机来解决，所述飞机具有机舱压力调节单元、管理单元、至少 一个空气输入装置和至少一个空气输出装置以及用于检测在飞机机身 中的瞬时绝对空气压的至少一个传感器。

附图说明

从下述实施例和附图的说明中获得本发明的其它特征、优点和应用 可能性。在此，所有已说明的和/或图示的特征也与它们在各个权利要 求中的或从属权利要求中的组成无关地以其自身和任意组合的方式构 成本发明的主题。此外，在附图中，相同的附图标记用于相同的或类似 的物体。

图1示出根据本发明的系统的示意图；

图2a到2c示例地示出飞行分布曲线、机舱高度分布曲线以及根据 本发明的机舱高度分布曲线与传统的机舱高度分布曲线的不同；

图3a和3b说明了不适指数以及不适指数的关于时间的导数。

具体实施方式

图1示例地示出根据本发明的用于调节飞机4的机舱压力的调节系 统2，所述调节系统包括机舱压力调节单元6，所述机舱压力调节单元 与管理单元8连接。传感器10将代表在飞机4的机身12内的瞬时绝对 机舱压力P_C的信号提供给管理单元8。不言而喻地，与本发明的核心思 想无关地，也能够将其它传感器10设置在飞机机身12内的多个位置和 /或相同的位置上，其中，能够将绝对机舱压力P_C的所测定的值求平均 值或出于冗余原因相互对比。所述组件的数量和多样性不应局限于本发 明的对象。此外，在此飞机4示例地包括用于控制地从机舱中输出空气 以调节机舱中的压力的两个空气输出装置14，其中，为此例如广泛使用 用于输出空气的阀（所谓的“输出阀”）。同时可调节控制地将空气输入 到机舱中的空气输入器，以便影响在机舱中的压力。

此外，传感器10也可替选地与机舱压力调节单元6连接，使得管 理单元8仅在开始下降飞行或上升飞行时预先规定压力变化比或上升阶 段或下降飞行阶段的起始。也可设想的是，通过管理单元8将当前的飞 行高度传达到机舱压力调节单元6，从而使得在那里自动地识别下降飞 行或上升飞行的开始，并且能够相应地匹配于机舱压力P_C。

根据所示出的实施例，管理单元8总是通过传感器10检测在机身 12内的瞬时检测的绝对机舱压力P_C，从而能够例如在开始上升飞行或 下降飞行时按照根据本发明的标准执行在机舱中的机舱压力P_C的改变。 为此，管理单元8能够设置用于为机舱压力调节单元6持续地预先规定 这样的待调节的空气压，使得在机舱12内的机舱压力的关于时间的偏 差dP_C/dt和绝对机舱压力P_C的商保持恒定：

$\frac{\frac{{\mathrm{dP}}_C}{\mathrm{dt}}}{P_C}=\mathrm{const}.$

替选地，管理单元8和机舱压力调节单元6能够以唯一的调节单元 16的形式集成在一起。此外替选的是，主要的或者所有前述功能也能够 通过机舱压力调节单元6自动执行。

在图2a中示出示例的飞行分布曲线，其中，将以ft（“英尺”）为单 位的飞行高度相对于以s为单位的时间进行绘制。在第一时间段18中， 飞机上升直至巡航高度，并且在第二时间段20中下降到地平面上。为 了降低飞机机身12的机械负载，在飞机机身12内的绝对机舱压力P_C在巡航中与在地面上相比更低，从而使得压力差降低进而作用在机身12 上的机械力降低。如开始所说明的，在机身中的相应的绝对机舱压力 P_C能够借助所属的“机舱高度”来表示。已确定的是，约2000米-3000 米的机舱高度表现出在乘客的舒适和机身12的机械负载之间的良好的 折衷，其中，“舒适”特别是意味着足够的供氧和减少的疲劳因素。

如在图2b中示出的，以ft为单位的机舱高度调整为平行于飞行高 度。在此，在图2b中示出的虚线22相应于借助根据本发明的调节系统 2实现的机舱高度分布曲线。实线24相应于借助传统的调节系统产生的 分布曲线。由于全局考虑非常相似的机舱压力或非常相似的机舱高度， 在图2c中附加地以图表的方式示出在借助根据本发明的调节系统2的 分布曲线和借助传统的调节系统的P_C的分布曲线之间的差。在那里， 在相应于上升飞行的第一时间段18中达到在传统的机舱高度分布曲线 24和通过根据本发明的调节系统2实现的机舱高度分布曲线22之间的 例如约为2.5mbar的最大差。所述差平衡了在上升飞行期间耳朵的不均 匀的负荷，并且对于人耳而言可明显感知。在相应于下降飞行的第二时 间段20中，达到还要高得多的、直至例如5.5mbar的差，这根据波义 耳定律由在开始下降飞行时的高初始压力获得。

通过根据本发明的匹配的压力比调节可实现，由中耳包围的气体在 整个上升飞行期间持续地膨胀，直至在高度分布曲线中示例地示出的稳 定水平。这类似地也适用于下降飞行。在中耳中的气体膨胀的局部最大 值不会达到，从而使得在上升飞行或下降飞行的特定的阶段期间，不适 感不会过度地提高，并且不会出现波动。

在图3a中示出所谓的不适（“Diskomfort”）指数I_d(t)，所述不适指 数通过如下方程限定，

$I_d\left(t\right)=\frac{P_C\left(t\right)}{P_C(t+\mathrm{dt})}-1$

其中，P_C(t)用于在时间t上的绝对机舱压力，并且dt是时间增量。虚线 26示出借助根据本发明的用于调节飞机机舱压力的调节系统2达到的 不适指数，而实线28在这里也示出借助传统的调节系统达到的不适指 数。显而易见的是，在上升飞行和下降飞行的区域中，在示例地存在的 飞行高度分布曲线稳定水平之间对于不适指数得不到升高或降低的值， 而是在飞机4的机身12中的机舱压力P_C升高或降低的情况下得到适度 的、均匀的值。这进一步通过图3b清楚地示出，在所述图3b中示出不 适指数的关于时间的导数。除了不连续点之外，所述时间指数在起飞和 着陆时直接为零，也就是说，通过根据本发明的调节系统2不导致乘客 增强的负担。

此外应指出的是，“具有”不排除其它元件或步骤，而“一个”不 排除多个。另外应指出的是，参考上述实施例之一说明的特征或步骤也 可与其它上述说明的实施例的其它特征或步骤相组合地应用。在权利要 求中的附图标记不视为限制。

附图标记

2根据本发明的调节系统

4飞机

6机舱压力调节单元

8管理单元

10用于P_C的传感器

12飞机机身

14空气排放装置

16调节单元

18第一时间段（上升飞行）

20第二时间段（下降飞行）

22根据本发明的机舱高度分布曲线

24传统的机舱高度分布曲线

26根据本发明的不适指数

28传统的不适指数