Meccanica del volo - l'impianto di pressurizzazione e condizionamento del velivolo

Impianto di Pressurizzazione e

Condizionamento del velivolo

Generalità e funzionamento

1. Introduzione

La respirazione è un processo fisiologico di vitale importanza per il corpo umano: respirando noi

possiamo assumere ossigeno e restituire anidride carbonica.

L'O presente nell'aria giunge agli alveoli attraverso le vie respiratorie e viene a contatto con i

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capillari alveolari, dove il sangue, povero di O ma ricco di CO , si equilibria rapidamente con l'aria

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respirata cedendo anidride carbonica e acquisendo ossigeno.

Per far si che questo processo di osmosi avvenga l'aria deve trovarsi all'interno dei polmoni ad una

certa pressione (o meglio ci si riferisce in genere alla pressione parziale dell'ossigeno). Se l'apporto

di ossigeno all'organismo scende sotto un certo limite o viene a mancare si verifica un'ipossia: i

primi a risentirne sono i tessuti nervosi del cervello, causando un senso di confusione e debolezza

paragonabile all'ubriachezza, con successiva perdita di conoscenza.

Oltre una certa quota sul livello del mare la respirazione per l'uomo diventa difficile poiché il livello

di pressione dell'aria sarebbe troppo basso: la condizione ideale per il passeggero sarebbe quella di

avere una pressione in cabina uguale a quella al livello del mare a qualunque quota. A questa

esigenza risponde l'Impianto di Pressurizzazione e Condizionamento del velivolo.

1.1 Premesse

L'Impianto di Pressurizzazione e Condizionamento ha il compito di mantenere a bordo del velivolo

delle condizioni ambientali confortevoli per l'uomo durante tutte le fasi del volo e quindi di regolare

la temperatura, la pressione, l'umidità e la composizione chimica dell'aria da immettere in cabina.

Al salire di quota la pressione e la temperatura dell'aria decrescono e, come già detto, tali condizioni

rendono impossibile respirare all'uomo, che può sopportare variazioni di temperatura e di pressione

molto modeste oltre le quali si generano condizioni di malessere anche gravi.

Per poter quindi assicurare la giusta condizione ambientale in cabina a qualunque quota si può agire

in due modi differenti:ale di ossigeno presente nell'aria mantenendo costante la pressione.

Il metodo in assoluto più usato è il primo, aumentando la pressione all'interno della fusoliera

rispetto a quella esterna. Tuttavia, per ridurre i carichi strutturali dovuti alla differenza di pressione

esterna/interna, negli attuali aerei passeggeri la pressione nella cabina non viene mantenuta ai valori

al livello del mare, ma bensì ad una pressione minima più bassa equivalente a quella di un altitudine

di 8000 ft (circa 2400 m), con una variazione massima in salita di 500 ft/min e in discesa di

250 ft/min. Una variazione di pressione più rapida può causare disturbi legati alla lentezza

dell'adattamento fisiologico dell'uomo.

Per aerei militari invece, dove l'equipaggio indossa maschere ad ossigeno e mantiene posizioni

fisse, la pressione minima viene ridotta all'equivalente di quota 20000 ft (ca 6000 m).

Per quanto riguarda la gli altri fattori di regolazione, si ritengono in genere accettabili valori di

temperatura compresi tra i 20 – 24 °C in estate e 18 – 22 °C in inverno, con umidità relativa tra il

30 – 70 %. Un continuo ricambio d'aria assicura infine la sua purezza.

Tali condizioni devono essere mantenute nel velivolo in ogni circostanza.

2. La Pressurizzazione

L'impianto di pressurizzazione risponde esattamente alla necessità di controllare la pressione nella

fusoliera: viene gestito da una centralina di controllo che monitora costantemente la pressione

esterna ed interna e agisce di conseguenza.

La pressurizzazione viene ottenuta immettendo nella fusoliera aria spillata dal compressore del

motore o da un compressore apposito: quest'aria viene elaborata dall'impianto di condizionamento

prima di essere immessa nella fusoliera. La regolazione della pressurizzazione avviene controllando

la quantità d'aria interna che viene scaricata in atmosfera attraverso una o più valvole di efflusso con

apertura variabile: questa quantità viene rimpiazzata, con una portata controllata, da aria trattata

proveniente dall'esterno. Naturalmente la portata in uscita dipende non solo dall'apertura delle

valvole di efflusso, ma anche dalla differenza di pressione tra cabina e atmosfera.

Come già detto una centralina di controllo gestisce l'impianto. Questa centralina ha un

funzionamento completamente automatico tranne che per l'inserimento di alcuni dati da parte del

pilota in fase di decollo, basati sulla quota di volo prevista e sulla velocità di salita, e in fase di

atterraggio, ossia la pressione nella località dell'aeroporto e la velocità di discesa.

Nei sistemi moderni la centralina rileva questi parametri automaticamente con appositi sensori e

regola la pressione di conseguenza.

Il sistema di regolazione più elementare sarebbe quello di mantenere in fase di decollo la pressione

interna uguale alla pressione esterna fino a raggiungere il valore di pressione minimo ammissibile e

poi mantenerlo: questo può però causare forti disagi ai passeggeri. Per migliorare il comfort a bordo

si imposta allora la salita fino al raggiungimento della quota cabina nello stesso tempo del

raggiungimento della quota di crociera: ossia la cabina viene sottoposta ad un incremento graduale

della pressione, fino a raggiungere il valore da mantenere, nello stesso tempo in cui il velivolo

raggiunge la quota reale di crociera.

Per le applicazioni militari, negli aerei che raggiungono quote molto più elevate, in alcuni casi non

si utilizza l'impianto di pressurizzazione oltre una certa quota, dove la pressione interna sarebbe

tanto alta da compromettere la struttura del velivolo, e si fa affidamento alle maschere ad ossigeno.

3. Dispositivi di sicurezza ed emergenza

In volo potrebbero verificarsi guasti o incidenti legati alla pressurizzazione che

comprometterebbero la sicurezza dell'aereo: per fortuna si parla di incidenti molto rari, ma che è

buona norma prevenire.

Il rafforzamento della struttura della fusoliera è importantissimo, poiché vi sono numerose aperture

nelle paratie dovute ad esempio ai finestrini e alle porte: le micro-lesioni che potrebbero verificarsi

potrebbero causare la disintegrazione della fusoliera per una decompressione rapidissima: questi

incidenti vengono detti decompressioni esplosive.

In caso di avaria dell'impianto pneumatico, ossi l'impianto che fornisce aria in pressione a diverse

utenze (tra cui anche il motore, l'impianto avviamento motore e all'impianto inversori di spinta), le

valvole di efflusso si chiudono completamente per mantenere la pressione in cabina: in questo modo

la quantità di ossigeno diminuisce, poiché i passeggeri respirando la trasformano in anidride

carbonica, ma viene comunque garantito un tempo di respirazione sufficiente a portare il velivolo

ad una quota dove la pressurizzazione non è più necessaria. Sono presenti inoltre altre valvole di

sicurezza: alcune di queste intervengono quando la differenza di pressione tra quella esterna ed

interna è più alta del valore di dimensionamento della fusoliera; altre quando la pressione interna e

inferiore a quella esterna. Questi dispositivi sono quindi delle valvole di sfiato.

4. L'Impianto di Condizionamento

Come precedentemente accennato, l'impianto di condizionamento ha la funzione di trattare l'aria

prima che venga immessa nella cabina dall'impianto di pressurizzazione.

Per prima cosa deve agire sulla temperatura, sottraendo o introducendo calore; l'impianto deve

essere progettato tenendo conto di alcuni fattori, ossia:

condizioni climatiche esterne;

– scambi di calore per irraggiamento e tra le pareti della fusoliera per conduzione e

– convezione;

aumento della temperatura della superficie esterna per attrito con l'aria;

– aumento della temperatura interna dovuto alle apparecchiature di bordo e ai passeggeri.

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Ottenere aria calda non è difficile, poiché lo stesso impianto pneumatico preleva l'aria direttamente

dal compressore e quindi ad una temperature piuttosto elevata; ma proprio per la temperatura troppo

alta (a meno che le condizioni climatiche di cui sopra lo richiedono), normalmente l'aria viene

raffreddata prima di essere immessa. Il fattore temperatura risulta problematico per il velivolo molte

apparecchiature devono essere tenute entro una certo range di temperatura; inoltre, nei mezzi

militari, lo smaltimento del calore fondamentale vista la vasta superficie vetrata che sottopone

l'equipaggio ad un forte irraggiamento.

4.1 Impianti di Condizionamento: funzionamento

L'aria spillata dal compressore viene solo in parte trattata in un ciclo frigorifero: con l'abbassamento

della temperatura il vapore condensa, con l'effetto di ottenere così aria fredda e secca.

Questa, miscelata opportunamente con la percentuale non trattata (calda), raggiunge valori di

temperatura e umidità corretti. Quindi l'aria viene immessa in cabina e poi scaricata di nuovo in

atmosfera attraverso le valvole di efflusso.

L'impianto è quindi a ciclo aperto (non c'è ricircolo dell'aria); tuttavia esistono sistemi a ciclo

chiuso, quindi con ricircolo dell'aria in cabina dopo il passaggio in uno scambiatore di calore e in

appositi filtri. Tale sistema richiede però una migliore tenuta della cabina ed è più pesante di quello

a ciclo aperto: per questo viene utilizzato quasi esclusivamente nei veicoli extra-atmosferici, dove è

l'unica soluzione. 5. Distribuzione dell'aria

Per effettuare la distribuzione dell'aria l'impianto prevede dei condotti principali con una serie di

diramazioni e bocchette di aerazione in punti diversi della cabina, per garantire una temperatura

uniforme. Generalmente, negli aerei passeggeri vengono distesi due condotti principali.

Nel progettare la rete di distribuzione occorre tenere conto delle perdite di carico distribuite

all'interno dei condotti e a quelle dovute alle diramazioni, ai raccordi e alle variazioni di sezione del

condotto. Normalmente la pressione dell'aria scende lungo il condotto principale dato che ad ogni

bocchetta ne esce una certa portata, che sarà quindi sempre più piccola man mano che ci si allontana

dall'ingresso del condotto principale. Per compensare questa irregolarità nel flusso vengono

aggiunte delle strozzature alle bocchette dove esce una portata maggiore, in modo da avere una

perdita di carico relativa ad ogni bocchetta uguale all'altra (poiché a maggiore portata corrisponde

maggiore perdita di carico, ossia l'energia persa da un fluido per spostarsi tra due sezioni di un

condotto). Si