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飞机客舱如何保持安全：增压、氧气和备用系统详解
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要点
飞机客舱被人工增压至大约6000-8000英尺的模拟高度，即使飞机巡航高度为35000英尺或更高。这是通过发动机"放气"和由阀门控制实现的，并由氧气面罩和严格的美国联邦法规作为备份，这些法规在气压丧失时启动。
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在巡航高度，飞机外面的空气太稀薄，无法呼吸，而且在没有保护的情况下太冷无法生存。客舱通过在密封机身内创建人工的、较低的"客舱高度"来解决这个问题，使用从发动机吸取的空气，并由阀门系统控制，如果出现问题，还有氧气面罩和严格的法规作为备份。
客舱空气的来源
根据飞行培训资源Boldmethod，在大多数喷气式飞机上，增压空气从发动机的压缩机级"放气"。根据维基百科关于客舱增压的条目，这种放气离开发动机时温度很高——约200°C——然后通过热交换器冷却，并与再循环的客舱空气混合，随后通过管道推入客舱。
进入的空气的供应速度意图快于排出速度。客舱通过位于机身后部的一个或多个出流阀排空，这些阀门开闭来微调气压：当飞机爬升时它们略微关闭以保持更多压力，当飞机下降时开启更多。根据Boldmethod。
为什么客舱没有增压至海平面
根据通过eCFR数据库总结的FAA监管文本，美国联邦航空管理局(FAA)法规要求运输类飞机的客舱气压保持在或低于8000英尺高度的相当值。将气压增压至海平面需要更重的机身，能够承受舱内外之间远大得多的气压差——这种权衡航空制造商通常都避免了。
维基百科的客舱增压文章指出，大多数老型宽体飞机的巡航客舱高度约为7000-8000英尺，以波音767为例接近7000英尺。较新的复合材料飞机高度更低：波音在其官方网站上表示，787梦幻客机的客舱高度保持在6000英尺——比传统铝制喷气式飞机低约2000英尺——因为其复合材料机身能够抵抗较高的气压差对金属结构造成的疲劳和腐蚀风险。波音还表示，787提高了客舱湿度，旨在帮助乘客在长途飞行后感到"更精神焕发"。
气压丧失时会发生什么
根据通过康奈尔法学院法律信息研究所的法规文本，根据14 CFR 121.333下的FAA法规，在减压事件后，客舱气压高度在10000-14000英尺之间时，至少要向10%的乘客提供氧气，对于高度超过8000英尺的较小比例的乘客，还需要额外的急救氧气。实际上，AOPA引用的航空公司培训材料描述，一旦客舱高度达到约13000-14000英尺，面罩会自动展开。
根据通过康奈尔法学院法律信息研究所的法规汇总，FAA法规14 CFR 121.333要求在10000英尺以上高度为每名机组人员提供两小时的氧气供应，涵盖从最大运营高度下降到10000英尺用时10分钟，随后在该高度停留110分钟。在飞行高度250以上，至少有一名飞行员必须在控制处佩戴和使用氧气面罩，除非可以使用快速戴上的面罩——要求在五秒钟内固定并输送氧气。
速度为什么重要：有用意识时间
这些法规背后的紧迫性归结为机组人员反应时间有多短。航空安全媒体AVweb发布了一个常被引用的"有用意识时间"表——一个人在缺氧影响判断力之前仍能有效行动的时间窗口。在18000英尺时，这个窗口大约是20-30分钟；在25000英尺时降至约3-5分钟；在30000英尺时约为1-2分钟；在40000英尺时缩短至约15-20秒，根据AVweb的数据。AVweb指出，突然、快速的减压——而不是缓慢泄漏——会进一步缩短这些时间，因为当吸入的氧气减少时，身体同时通过肺部向外失去氧气。
这也是为什么飞行员被训练在任何减压事件后立即戴上氧气面罩并开始紧急下降，而不是先诊断原因。
内置冗余
增压系统被设计具有备份。维基百科的客舱增压条目指出，至少两个发动机通常提供放气，以便系统能够容忍发动机故障，而且大多数现代喷气式飞机运行重复的电子压力控制器，带有手动备份模式。出流阀本身也作为安全泄压阀，防止客舱与外界空气之间的气压差超过结构极限——通常在7.8-9.4 psi范围内，取决于飞机类型。
历史教训塑造了这些保护措施。同一维基百科条目指出1954年的德哈维兰彗星事故，其中重复的增压循环导致了金属疲劳和机身故障，是一个转折点，导致了改进的检查规程、射线照相测试方法和设计变更——包括现在在增压喷气式飞机上标准的椭圆形客舱窗户。
一览关键数字
| 指标 | 数值 | 来源 |
|---|---|---|
| 运输类飞机允许的最大客舱高度 | 8,000英尺 | 通过eCFR的FAA规则 |
| 787梦幻客机客舱高度 | 6,000英尺 | Boeing.com |
| 乘客需要氧气的高度范围 | 客舱高度10,000-14,000英尺 | 通过康奈尔LII的14 CFR 121.333 |
| 实际中面罩约在以下高度下降 | 13,000-14,000英尺 | AOPA |
| 10,000英尺以上需要的机组氧气供应 | 每名机组人员2小时供应 | 通过康奈尔LII的14 CFR 121.333 |
| 25,000英尺处的有用意识时间 | 约3-5分钟 | AVweb |
| 40,000英尺处的有用意识时间 | 约15-20秒 | AVweb |
常见问题
- 为什么飞机客舱没有增压至海平面气压？
- 将气压增压至海平面需要更坚固、更重的机身来处理与稀薄外部空气的更大气压差，因此监管机构改为根据通过eCFR总结的FAA规则将客舱高度上限设定为8000英尺。
- 氧气面罩在什么高度自动下降？
- 实际上，根据AOPA，面罩被设计为在客舱高度达到约13,000-14,000英尺时展开。根据康奈尔法学院法律信息研究所，FAA规则在14 CFR 121.333下单独要求在减压事件后，在10,000-14,000英尺的客舱高度范围内为乘客提供氧气。
- 什么是"有用意识时间"？
- 这是氧气丧失后的一个时期，在缺氧影响判断力之前，一个人仍能有效地思考和行动——根据AVweb发布的数据，从18,000英尺时的约20-30分钟到40,000英尺时的仅15-20秒不等。
- 为什么787等较新飞机感觉不那么疲劳？
- 波音表示，787的复合材料机身允许更低的6,000英尺客舱高度和比老型铝制喷气式飞机更高的客舱湿度，制造商表示这有助于减少与长途飞行相关的疲劳。
来源
- Boldmethod — How Airplane Cabin Pressurization Works
- Wikipedia — Cabin pressurization
- AOPA — Oxygen masks 101
- Cornell Law School LII / eCFR — 14 CFR 121.333, Supplemental oxygen for emergency descent and first aid
- Simple Flying — How Do Aircraft Oxygen Masks Work?
- AVweb — Every Breath You Take: Danger Lurks at High Altitude
- Boeing — 787 Dreamliner By Design
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