نظام التحكم البيئي

في مجال الطيران ، يُعد نظام التحكم البيئي ( ECS ) للطائرة مكونًا أساسيًا يوفر إمداد الهواء والتحكم الحراري وضغط المقصورة للطاقم والركاب . وتشمل وظائفه الإضافية تبريد إلكترونيات الطيران ، وكشف الدخان ، وإخماد الحرائق .

الأنظمة الموضحة أدناه خاصة بطائرات بوينغ التجارية الحالية ، على الرغم من أن التفاصيل متطابقة بشكل أساسي في طائرات الركاب من إيرباص وغيرها من الشركات. ويُستثنى من ذلك طائرة الكونكورد التي زُوّدت بنظام إمداد هواء إضافي نظرًا لارتفاع الارتفاعات التي كانت تحلق عليها، بالإضافة إلى ارتفاع ضغط المقصورة فيها قليلاً. ^{[ 1 ]}

في الطائرات النفاثة ، يُزوَّد نظام التحكم الإلكتروني بالهواء عن طريق سحبه من مرحلة ضاغط كل محرك توربيني غازي، قبل غرفة الاحتراق. وتختلف درجة حرارة وضغط هذا الهواء المسحوب تبعًا لمرحلة الضاغط المستخدمة ، ومستوى طاقة المحرك . ويقوم صمام إغلاق تنظيم ضغط المشعب (MPRSOV) بتقييد التدفق حسب الحاجة للحفاظ على الضغط المطلوب للأنظمة اللاحقة.

يتطلب دفع الهواء عبر النظام حدًا أدنى معينًا من ضغط الإمداد، ولكن يُفضّل استخدام أقل ضغط ممكن، لأن الطاقة التي يستهلكها المحرك لضغط هواء السحب لا تُتاح للدفع، مما يؤدي إلى زيادة استهلاك الوقود. لهذا السبب، يُسحب الهواء عادةً من منفذي سحب (أو ثلاثة في بعض الحالات، مثل طائرة بوينغ 777 ) في مواقع مختلفة من مراحل الضاغط. عندما يكون ضغط المحرك منخفضًا (دفع منخفض أو ارتفاع عالٍ)، يُسحب الهواء من منفذ السحب ذي الضغط الأعلى. ومع زيادة الضغط (زيادة الدفع أو انخفاض الارتفاع) ووصوله إلى نقطة تحول محددة مسبقًا، يُغلق صمام إغلاق الضغط العالي (HPSOV) ويُسحب الهواء من منفذ ذي ضغط أقل لتقليل فقدان كفاءة استهلاك الوقود. ويحدث العكس عند انخفاض ضغط المحرك.

لتحقيق درجة الحرارة المطلوبة، يمر هواء التنفيس عبر مبادل حراري يُسمى المبرد الأولي . يُدفع الهواء المُنزَّف من مروحة المحرك عبر المبرد الأولي، الموجود في دعامة المحرك ، حيث يمتص الحرارة الزائدة من هواء التنفيس. ويقوم صمام تعديل تدفق هواء المروحة (FAMV) بتغيير تدفق هواء التبريد للتحكم في درجة حرارة هواء التنفيس النهائية.

ومن الجدير بالذكر أن طائرة بوينغ 787 لا تستخدم الهواء المسحوب من المحرك لضغط المقصورة. بل تسحب الطائرة الهواء من فتحات مخصصة تقع أمام الأجنحة. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

المكون الأساسي لتشغيل وحدة الهواء البارد هو جهاز تبريد دورة الهواء . وقد استخدمت بعض الطائرات، بما في ذلك طائرات بوينغ 707 الأولى، نظام تبريد بضغط البخار مشابهًا لما هو مستخدم في مكيفات الهواء المنزلية .

لا يستخدم نظام تكييف الهواء (ACM) غاز الفريون ، فالهواء نفسه هو مادة التبريد . ويُفضّل نظام تكييف الهواء على أجهزة دورة البخار نظرًا لانخفاض وزنه ومتطلبات صيانته.

معظم الطائرات النفاثة مزودة بوحدات تكييف الهواء (PACKs ) . للاطلاع على معنى الاختصار، انظر هنا . يعتمد موقع وحدة تكييف الهواء (PACK) على تصميم الطائرة. في بعض التصاميم، تُركّب هذه الوحدات في غطاء الوصل بين الجناحين أسفل جسم الطائرة . أما في طائرات أخرى ( مثل سلسلة دوغلاس DC-9 )، فتوجد وحدات تكييف الهواء في الذيل. بينما في طائرات ماكدونيل دوغلاس DC-10 / MD-11 ولوكهيد L-1011 ، فتوجد وحدات تكييف الهواء في مقدمة الطائرة أسفل قمرة القيادة . تحتوي جميع الطائرات النفاثة تقريبًا على وحدتي تكييف هواء، بينما تحتوي الطائرات الأكبر حجمًا، مثل بوينغ 747 ولوكهيد L-1011 وماكدونيل دوغلاس DC-10/ MD-11، على ثلاث وحدات.

يتم تنظيم كمية هواء التنفيس المتدفق إلى وحدة التكييف بواسطة صمام التحكم في التدفق (FCV). يُركّب صمام FCV واحد لكل وحدة تكييف. يمنع صمام عزل مغلق عادةً وصول الهواء من نظام التنفيس الأيسر إلى وحدة التكييف اليمنى (والعكس صحيح )، مع العلم أنه يمكن فتح هذا الصمام في حالة تعطل أحد نظامي التنفيس.

بعد وحدة التحكم في تدفق الهواء (FCV)، توجد وحدة تبريد الهواء (CAU)، والتي تُعرف أيضًا بوحدة التبريد. توجد أنواع عديدة من وحدات تبريد الهواء، إلا أنها جميعًا تشترك في مبادئ أساسية مشتركة. يدخل الهواء المسحوب إلى مبادل حراري أولي يعمل بنظام الهواء المضغوط، حيث يُبرد إما عن طريق دفع الهواء أو التمدد أو كليهما. ثم يدخل الهواء البارد إلى الضاغط، حيث يُعاد ضغطه، مما يؤدي إلى إعادة تسخينه. يمر الهواء عبر مبادل حراري ثانوي يعمل بنظام الهواء المضغوط لتبريده مع الحفاظ على الضغط العالي. بعد ذلك، يمر الهواء عبر توربين يقوم بتمديده لتقليل حرارته بشكل أكبر. يعمل الضاغط والتوربين على محور واحد، على غرار وحدة الشاحن التوربيني. تُستخدم الطاقة المستخرجة من الهواء المار عبر التوربين لتشغيل الضاغط. ثم يُوجّه تدفق الهواء إلى وحدة إعادة التسخين قبل أن يمر إلى المكثف ليصبح جاهزًا لاستخلاص الماء بواسطة وحدة استخلاص الماء. ^{[ 4 ]}

يُمرر الهواء بعد ذلك عبر فاصل مائي، حيث يُجبر على الدوران حلزونيًا على طوله، وتتسبب قوى الطرد المركزي في دفع الرطوبة عبر منخل نحو الجدران الخارجية، حيث تُوجّه إلى مصرف وتُصرّف إلى الخارج. ثم يمر الهواء عادةً عبر مُجمّع فاصل مائي أو ما يُعرف بالجورب. يحتجز الجورب الأوساخ والزيوت من هواء سحب الهواء من المحرك للحفاظ على نقاء هواء المقصورة. تمنع عملية إزالة الماء هذه تكوّن الجليد وانسداد النظام، كما تمنع تكثف الضباب في قمرة القيادة والمقصورة أثناء التشغيل على الأرض وعلى الارتفاعات المنخفضة.

بالنسبة لوحدة معالجة الهواء ذات التمهيد تحت الصفر، يتم استخراج الرطوبة قبل وصولها إلى التوربين حتى يمكن الوصول إلى درجات حرارة تحت الصفر.

يتم التحكم في درجة حرارة هواء مخرج وحدة PACK عن طريق ضبط التدفق من خلال نظام الهواء المضغوط (أدناه)، وتعديل صمام التحكم في درجة الحرارة (TCV) الذي يتجاوز جزءًا من هواء التسريب الساخن حول وحدة ACM ويخلطه مع الهواء البارد في اتجاه مجرى توربين ACM.

مدخل الهواء الديناميكي عبارة عن فتحة صغيرة، تقع عادةً على غطاء الوصلة بين الجناح وجسم الطائرة. تستخدم جميع الطائرات النفاثة تقريبًا بابًا مُعدِّلًا على مدخل الهواء الديناميكي للتحكم في كمية تدفق هواء التبريد عبر مبادلات حرارة الهواء الديناميكي الأساسية والثانوية.

لزيادة استعادة الهواء المضغوط، تستخدم جميع الطائرات النفاثة تقريبًا ريشًا مُعدِّلة على مخرج الهواء المضغوط. وتوفر مروحة الهواء المضغوط داخل نظام الهواء المضغوط تدفقًا للهواء المضغوط عبر المبادلات الحرارية عندما تكون الطائرة على الأرض. وتستخدم جميع الطائرات الحديثة ذات الأجنحة الثابتة تقريبًا مروحة على عمود مشترك مع وحدة تكييف الهواء، تعمل بواسطة توربين وحدة تكييف الهواء.

يُوجَّه هواء العادم من وحدة تكييف الهواء إلى جسم الطائرة المضغوط، حيث يُخلط مع الهواء المُرشَّح من مراوح إعادة التدوير، ثم يُضخ إلى مشعب الخلط. في معظم الطائرات النفاثة الحديثة، يكون تدفق الهواء بنسبة 50% هواءً خارجيًا و50% هواءً مُرشَّحًا.

تستخدم الطائرات النفاثة الحديثة مرشحات HEPA عالية الكفاءة لالتقاط الجسيمات ، والتي تحجز أكثر من 99٪ من جميع البكتيريا والفيروسات المتجمعة .

يُوجَّه الهواء من مشعب الخلط إلى فوهات التوزيع العلوية ^{[ 5 ]} في مختلف مناطق الطائرة. ويمكن ضبط درجة الحرارة في كل منطقة بإضافة كميات صغيرة من هواء الضبط، وهو هواء منخفض الضغط وعالي الحرارة يُسحب من وحدة تكييف الهواء (AC PACK) قبل صمام التحكم في درجة الحرارة (TCV). كما يُزوَّد الهواء إلى فتحات التهوية الفردية. ^{[ أ ]} يمكن تدوير مقبض التحكم الموجود على فتحة التهوية لضبط التهوية بين انعدام تدفق الهواء تمامًا وتدفق هواء قوي نسبيًا.

^{تستمد أنظمة تزويد الهواء المضغوط (} Gaspers ⁾ عادةً الهواء من وحدات تكييف الهواء (AC PACKs) الموجودة على متن الطائرة، والتي بدورها تتلقى هواءً مضغوطًا ونظيفًا من مراحل ضغط محركات الطائرة النفاثة ، أو من وحدة الطاقة المساعدة (APU) أو مصدر طاقة أرضي عند وجود الطائرة على الأرض . يوجد جهاز تحكم رئيسي لأنظمة تزويد الهواء المضغوط في قمرة القيادة؛ وغالبًا ما يتم إيقاف تشغيل هذه الأنظمة مؤقتًا خلال مراحل معينة من الطيران (مثل الإقلاع والصعود) عندما يكون من الضروري تقليل الحمل على المحركات الناتج عن طلب الهواء المضغوط .

يكون تدفق الهواء إلى جسم الطائرة ثابتًا تقريبًا، ويتم الحفاظ على الضغط عن طريق تغيير فتحة صمام تصريف الهواء. تحتوي معظم الطائرات النفاثة الحديثة على صمام تصريف هواء واحد يقع بالقرب من الجزء الخلفي السفلي من جسم الطائرة، على الرغم من أن بعض الطائرات الأكبر حجمًا مثل بوينغ  747 و777 تحتوي على صمامين.

في حالة فشل صمام OFV في الإغلاق، يتم توفير صمامين لتخفيف الضغط الإيجابي (PPRV) على الأقل وصمام واحد لتخفيف الضغط السلبي (NPRV) على الأقل لحماية جسم الطائرة من الضغط الزائد والضغط الناقص.

يُضبط ضغط مقصورة الطائرة عادةً على ارتفاع يعادل ارتفاع 8000  قدم أو أقل. وهذا يعني أن الضغط يبلغ 10.9 رطل لكل بوصة مربعة (75 كيلو باسكال) ، وهو الضغط الجوي المحيط على ارتفاع 8000 قدم (2400 متر) . يُلاحظ أن انخفاض ارتفاع المقصورة يعني ارتفاع الضغط. ويتم التحكم في ضغط المقصورة وفقًا لجدول زمني خاص، يربط كل ارتفاع للطائرة بارتفاع محدد للمقصورة. تتميز الطائرات الحديثة، مثل إيرباص A350 وبوينغ 787، بانخفاض أقصى ارتفاع ممكن للمقصورة، مما يُسهم في تقليل إرهاق الركاب أثناء الرحلات.  

عادةً ما يكون الجو على ارتفاعات تحليق الطائرات النفاثة جافًا وباردًا جدًا؛ فالهواء الخارجي الذي يُضخ إلى المقصورة خلال الرحلات الطويلة قد يُسبب تكثفًا للرطوبة ، مما قد يؤدي بدوره إلى التآكل أو الأعطال الكهربائية، ولذلك يتم التخلص منه. ونتيجةً لذلك، عندما يُصادف الهواء الرطب على ارتفاعات منخفضة ويُسحب إلى المقصورة، يقوم نظام التبريد والتدفئة بتجفيفه من خلال دورة التسخين والتبريد وفاصل الماء المذكور سابقًا، بحيث لا تتجاوز الرطوبة النسبية داخل المقصورة عادةً 10% حتى مع ارتفاع الرطوبة النسبية الخارجية.

على الرغم من أن انخفاض رطوبة المقصورة له فوائد صحية تتمثل في منع نمو الفطريات والبكتيريا ، إلا أنه يُسبب جفاف الجلد والعينين والأغشية المخاطية، ويُساهم في الجفاف ، مما يؤدي إلى التعب والشعور بعدم الراحة ومشاكل صحية. في إحدى الدراسات، أبلغت غالبية المضيفات الجويات عن شعورهن بعدم الراحة ومشاكل صحية نتيجة انخفاض الرطوبة. ^{[ 6 ]} وفي بيانٍ قُدِّم إلى الكونجرس الأمريكي عام 2003، قال أحد أعضاء لجنة جودة الهواء في مقصورات ركاب الطائرات التجارية: "قد يُسبب انخفاض الرطوبة النسبية بعض الانزعاج المؤقت (مثل جفاف العينين والممرات الأنفية والجلد)، ولكن لم يتم تحديد الآثار الأخرى المحتملة قصيرة أو طويلة المدى". ^{[ 7 ]}

قد يُضاف نظام للتحكم في رطوبة المقصورة إلى نظام التحكم البيئي لبعض الطائرات للحفاظ على الرطوبة النسبية ضمن مستوياتها الطبيعية، بما يتوافق مع ضرورة منع التكثف. ^{[ 8 ]} علاوة على ذلك، يمكن لطائرتي بوينغ  787 وإيرباص  A350، بفضل استخدامهما مواد مركبة أكثر مقاومة للتآكل في تصنيعهما، العمل برطوبة نسبية داخل المقصورة تبلغ 16% خلال الرحلات الطويلة.

يأتي هواء السحب من المحركات، ولكنه يُسحب من المحرك قبل غرفة الاحتراق. لا يمكن للهواء أن يتدفق عكسيًا عبر المحرك إلا أثناء توقف الضاغط (وهو ما يشبه انفجارًا عكسيًا في محرك نفاث)، لذا يجب أن يكون هواء السحب خاليًا من ملوثات الاحتراق الناتجة عن التشغيل العادي لمحركات الطائرة.

مع ذلك، قد تتسرب الزيوت (التي تحتوي على مواد كيميائية خطرة محتملة) من موانع التسرب الكربونية في بعض الأحيان إلى هواء التنفيس، فيما يُعرف في هذا المجال بظاهرة انبعاث الأبخرة . ^{[ 9 ]} وعادةً ما يتم التعامل مع هذه المشكلة بسرعة لأن تلف موانع التسرب الزيتية يُقلل من عمر المحرك.

أدى تلوث الزيت من هذا المصدر وغيره داخل حجرة المحرك إلى مخاوف صحية لدى بعض جماعات المناصرة، وحفز إجراء بحوث من قبل العديد من المؤسسات الأكاديمية والهيئات التنظيمية. ومع ذلك، لم تُسفر أي دراسة موثوقة عن دليل على وجود حالة طبية ناجمة عن حوادث استنشاق الأبخرة. ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}

• مجلد تطبيقات التدفئة والتهوية وتكييف الهواء من دليل ASHRAE ، الجمعية الأمريكية لمهندسي التدفئة والتهوية وتكييف الهواء ( ASHRAE )، أتلانتا، جورجيا، 1999.