機艙加壓

機艙為何要加壓 ?

我們知道高度越高, 空氣越稀薄. 一般國際航線的巡航高度約在 35000 英呎左右, 大氣壓力只有平地的四分之一. 而人在稀薄的空氣中, 會產生缺氧的狀況, 輕則影響行動能力, 重則昏迷甚至喪命. 因此在高空飛行, 機艙就必須加壓, 保持一定的壓力.

為何機艙壓力比平地小

隨著飛機越飛越高, 外界大氣壓力越來越低, 機艙內外的壓差也越來越大. 如果要把機艙壓力保持跟平地一樣, 機身結構就要跟著強化, 連帶就會增加很多重量, 不但增加飛機製造成本, 也會增加燃油的消耗.

為了減少飛機重量, 在機上人員不致產生缺氧的情況下, 機艙雖然會加壓, 但壓力比平地小一些. 所以飛行爬升後, 你會看到零食袋脹大, 寶特瓶鼓起, 有些人(尤其小嬰兒)可能會感到不適.

機艙壓力有多大 ?

如果機艙壓力不會跟平地一樣, 那壓力要加到多大? 在回答這問題之前, 我們必須先了解衡量機艙壓力的單位 : Cabin Altitide (直譯為 "客艙高度", 但個人覺得 "艙壓高度" 比較易於了解).

原本壓力的標準單位, 應該是 "力/單位面積 " (每平方厘米公斤力), 或是 "毫米水銀柱"等等, 但在航空界為了易於溝通與了解,引進了 "艙壓高度" 的觀念. ( "高度" 在航空界是很常用的單位, 對一般人也比較有感覺)

在標準大氣情況下, 每個高度各自有對應的壓力值 (如圖), 因此只要說出高度, 自然能找到對應的壓力值. 例如我們說 "艙壓高度一萬呎", 表示目前機艙的壓力相當於 "高度1萬英呎時的大氣壓力" (依圖對應約69.7 千帕(kPa)).

1萬英呎的高度是甚麼概念 ? 換算成公尺是 3,000公尺 (中橫武嶺高度海拔 3,275公尺), 大部分人在這高度下, 都還能行動自如. 目前的民航法規也多規定 : 沒有機艙加壓設備的飛機, 飛行高度必須在 1萬英呎以下 . 而現代民航機的機艙加壓系統, 則都會控制在艙壓高度 7~8千英呎以下 (大約是阿里山的高度), 基本上就更不影響機上人員活動了.

機艙如何加壓 ?

大部分的飛機, 都是利用引擎的壓縮器加壓段, 引出高壓空氣進到機艙內 (因為壓縮器在燃燒室之前, 所以不必擔心吸到引擎廢氣). 不過引擎出來的高壓氣體, 溫度太高壓力也太大, 必須經過一連串的降溫及減壓過程, 才會送進機艙內.

備註 : 目前個人所知唯一例外的是Boeing B787, 她直接利用飛行時的衝壓原理(風所產生風壓), 將外界空氣加壓送進機艙.

加壓的空氣經過客艙上方的管路分配到各客艙(含駕駛艙)內, 再由座位下方兩側客艙壁上的排氣孔, 進入下層的貨艙, 之後再由機身上的 Outflow Valve (外流閥), 排出機外.

機艙壓力如何調節 ?

由於進入機艙的加壓空氣流量在設計上是固定的, 所以調節壓力的功能就靠調整 Outflow Valve 的閉合程度來控制.

在地面上, Outflow Valve 會全開, 讓機艙內外界壓力平衡. 當飛機起飛開始爬升後, 會稍微關閉Outflow Valve 讓機艙開始加壓, 但壓力不會像平地一樣, 而是逐步降壓 (升高艙壓高度). 飛機到達巡航高度後, 艙壓高度會維持在 8,000英呎. 當飛機開始下降時, 也會逐步將艙壓高度慢慢從 7,000英呎下降(升壓), 直到跟降落機場的大氣壓力相同為止.

艙壓失效處置

遇到艙壓失效, 例如Outflow Valve 故障, 或是電影上常看到的機身破了洞, 機艙內壓力會快速降低到跟外界大氣壓力相同(低壓), 機上人員會出現缺氧現象. 因此飛行員首要步驟就是戴上氧氣面罩. (先求自保, 就跟飛機上宣導影片一樣, 先照顧好自己, 再照顧同行小朋友)

接下來就是盡快下降高度, 到達外界大氣可以正常呼吸的高度 (通常就是1萬英呎左右). 飛機下降的速率會非常快, 最高可能會超過 5,000 呎/每分鐘, 甚至到8,000 呎/每分鐘 (一般正常下降速率約 1,500 ~3,000 ). 當然下降前要先通知航管, 以免與下方的飛機發生碰撞.

https://www.flickr.com/photos/stswilliams/9627890717/ by Stewart Williams

氧氣面罩何時會落下 ?

下降期間如果艙壓高度超過 14,000呎, 艙內空氣過於稀薄, 乘客頭頂上方的氧氣面罩就會自動落下, 供乘客使用 (如果自動功能失效, 飛行員也可以手動操作). 一般乘客用的氧氣可以持續供應12-15分鐘, 足夠有時間讓飛行員將飛機降到1萬英呎以下.

如果萬一當時飛在高原地區, 山脈高度超過 1萬英呎怎麼辦 ? 這時飛機就必須規劃好下降的路徑脫離高原地區, 同時要考量乘客的氧氣供應時間, 是否足夠應付多出來的航程時間. 所以飛入高原(山)地區的飛機, 行前的飛行計畫就要考量艙壓失效的脫離路徑, 甚至要配備能供氧15分鐘以上的乘客氧氣系統.

https://www.flickr.com/photos/miikkah/5067446540 by Miikka H

飛行員故意讓機艙失壓?

你知道在特殊情況下, 飛行員可能會故意讓機艙失壓嗎 ?

答案是 "全貨機的上層貨艙失火".

Yamaguchi Yoshiaki from Japan, CC BY-SA 2.0 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0>, via Wikimedia Commons

一般客機在下層貨艙才有載貨或行李. 若發生火警時, 會以海龍滅火器滅火, 而且為了避免火勢復燃, 第一批滅火劑快速噴灑後, 第二批會持續少量的釋放, 讓滅火劑充滿整個貨艙中.

文章前面曾提到, 加壓空氣是由客艙上方供應, 再由地板附近流入貨艙. 再加上排氣孔有單向活門 (只能由客艙流向貨艙), 所以貨艙內的滅火劑不會擴散至客艙內. 但全貨機的上層貨艙即是原本客艙, 與駕駛艙是連通的, 因此無法在上貨艙內噴灑滅火劑.

所以當上貨艙失火時, 滅火的程序就是打開 Outflow Valve 讓機艙失壓 (當然此時飛行高度要夠高, 飛行員必須先戴上氧氣面罩). 一方面降低空氣中的含氧量, 讓火勢無法延燒, 另一方面讓機艙內的煙, 可以由 Outflow Vale 排出機外.