机载制氧技术

本人从事过制液氧分队的组建和培训工作,那时是铁路移动制氧站,给DF-2导弹提供液氧,一套设备由若干节车箱组成,每小时可生产750公斤液氧。但机载制氧设备还是第一次听说




在传统的飞行中,作战飞机的飞行员都组建是自带氧气的,但那一般只能维持两个小时左右的飞行。而现代战争常需要一些飞机连续飞行10多个小时执行任务,而且飞得很高。如美国的 B-2,它的几次使用都是从远离战区的美国本土起飞,连续飞行10多个小时。这些飞机上的飞行员是如何获得足够的氧气的?


高空飞行 不可缺氧


通常条件下,人往高处走,就会感到呼吸越来越困难。当然,在海拔3000米以下,这种感受不会太明显。但超过3000米,这种感受就会非常明显。这是因为,尽管高处空气中各种气体的比例不变,但压力低了。越往上空气越稀薄。


现代飞机的飞行往往都在高空中进行(7000-1.5万米为高空,1.5万米以上为超高空),受气压的影响非常大。在飞行中,有个问题是必须考虑到的,那就是如果飞机一旦发生故障,使机舱内外压差消失,就需要有及时的专用氧气供应才能保证舱内人员的安全。科学试验表明,人暴露在一万米高空的有效意识是一分钟左右,而在1.4万米以上高度人的有效意识只有12-15秒。在常态时,民航飞机通常是不需要使用专门的供氧设施的。以波音客机为例,它通过发动机将空气进行增压后供入机舱。即使飞机飞行在万米高空,机舱内的大气环境也和在海拔1500米左右相似。但如果发生事故,比如一个窗口破裂,舱内大气环境发生改变,这时,每个乘客的头顶就会自动落下一个备用的氧气面罩。它可供乘客使用几分钟,因为客机不像作战飞机,发生这种事故,它可以尽快落地或者下降到舱内人员可以适应的高度。因此,备用几分钟的应急氧气供应就足够了。


作战飞机不能像民航机那样营造一个飞行员能适应的舱内大气环境,有时如果发生座舱盖爆破这类特情,也得在高空坚持战斗,因此,就必须自始至终地、分秒不离地有专门的氧气供应。一为满足常态飞行,二为满足座舱盖爆破等特殊情况下的飞行员用氧需求。因此,它需要长时间地对飞行员进行纯氧或富氧供应。


气氧液氧 局限性多


军用飞机的供氧系统走过了3个发展阶段。第一个阶段是气氧供氧,目前许多国家仍采用这一方法。第二个阶段是采用液氧供氧,主要是美、英等西方国家走了这一过程。第三个阶段就是分子筛供氧。


西方一些国家,主要指美、英、法等国,在第二次世界大战以后开始研制和使用液氧。使用液氧的飞机航程要比使用气氧大一些,一般都是两个小时左右。一公斤液氧可以获取360-850升气氧。但液氧有一个明显的不足,那就是蒸发率为 5%-20%,头天充了氧气,第二天飞行时还得充。一旦战争爆发,这是一个制约持续作战的重要因素。


另外,制造液氧对许多国家来说,成本高,难度大。目前只有美国在全国各地都有液氧制造点,其他国家都不能作到这一点。有一个国家的一次飞行就很说明问题。这是一次使用液氧的飞行。飞机飞到一个离基地较远的地方后,第二天没法起飞返回了。为什么呢?就是飞行员使用的液氧没有了,而这个国家只有一个制造液氧的地方。为了使这架执行任务的飞机顺利返回,军事指挥机关只得另派飞机为这架执行任务的飞机送去飞行员使用的液氧才使它得以返回。假如战时出现这种情况,其结果不堪设想。


分子筛制氧解难题


随着科技的发展,分子筛制氧技术出现了。它可以使作战飞机去全球任一地方。


分子筛是一种与氧分子大小相当的多微孔有极性的材料。分子筛对空气中的氮气有很大的吸附力,而对氧分子的吸附力很小。这种吸附气体分子的作用力被称为范德华力。由于这种吸附是物理性的,当外界压力变化时,分子筛材料中的氮分子就可以重新分离出来。利用飞机发动机或空调系统补充进来的空气产生含氧浓度较高的气体,供飞行员呼吸。几块分子筛板通过微机调节,变换压力,周而复始地工作,便可源源不断地产出富氧气体供飞行员呼吸。飞机原来有限的机载氧就成了无限的供氧气源。


分子筛最早在20世纪60年代被德国用于净化空气,而用于军事上的研究始于 20世纪70年代末。当时,美国的战略轰炸机 B-1出现后,常常有远距离作战的需要,但传统的为飞行员供氧的方法制约了它执行远距离的飞行任务。美国陆海空三军迫切希望采用先进的机上制氧技术取代对任务时间有限制的液氧系统。经过对电解水制氧、氟矿物制氧及电化学制氧等技术的比较后,美国海军航空兵首先对分子筛制氧系统给予极大的关注。经过20多年的研究和发展,这项技术日趋成熟,已经成功地运用于高性能的作战飞机上。


机载制氧的发展趋势


分子筛制氧机的使用是一个航空供氧总的发展趋势。在美、英、法等国,已经在一些战机上使用了分子筛供氧技术。一是美国的 F系列,像 F-15、 F-16、 F-18以及最新研制成功的 F-22,还有 F-35都使用了这一技术。另外, E F-20 00、 J A S-39也列装了这一技术。日本是亚洲拥有这项技术比较早的国家之一。日本人嗅觉很灵敏,反应也很快,在20世纪80年代中期就买了美国的这项技术,用于 T4飞机上。我国在分子筛制氧技术方面的研究有自己的独到之处。我国科研工作者通过一系列的基础实验,提出了分子筛高空供氧生理等效应理论,为我国机载分子筛的研制与发展奠定了理论基础。


未来战争正在一步步向无人化发展,像无人侦察机、无人战斗机将大量投入到未来战场。那么,分子筛供氧技术能走多远?它是否会走向航天运用之路?制氧技术前景如何?


专家们认为未来战争的无人化是一个趋势,但不会绝对无人化。且相对无人化也不会在近20年大量出现。即使在未来军事运用领域越来越小,分子筛机载制氧技术还有广阔的民用前景。科学家们现在又在跟踪关注一个更先进的制氧技术,就是“高效陶瓷制氧技术”。尽管这种技术还非常朦胧,但它的可行性一旦得到证实,就是极有前途的技术。因为它能利用废气制氧,这是分子筛制氧不能相比的。这种制氧方式尤其适合航空航天条件及空间站。




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