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IMPIANTI DI BORDO GIORGI GIORGIO

PRESSURIZZAZIONE 2007 1

IMPIANTO DI PRESSURIZZAZIONE

Missione dell’impianto La missione dell’impianto di pressurizzazione è quella di garantire - per quanto possibile – che la pressione dell’ambiente cabina piloti e passeggeri e zone cargo sia vicina alle condizioni ideali per il confort e la salute delle persone. Le zone cargo sono comprese sia in quanto possono stivare anche animali vivi, che per motivi di simmetria nelle sollecitazioni strutturali del velivolo. Il volo a quote elevate risponde non solo alla necessità di superare gli ostacoli orografici e di svolgere il volo in condizioni meteorologiche meno perturbate, ma anche quella di viaggiare nelle aerovie alle quote assegnate; inoltre la tendenza ad aumentare la quota nasce anche da fatti economici. Infatti la possibilità di volare ad alta velocità permette di ridurre i tempi di volo (fatto ovvio per attività di trasporto commerciale ed anche in caso di velivoli militari), ma per contenere i consumi di carburante nasce l’esigenza di aumentare la quota durante la crociera. In questo modo è possibile ottimizzare il rendimento dell’intero sistema velivolo, e quindi consumare, trasportare ed acquistare meno carburante.



Tale insieme di condizioni comporta che il velivolo operi a quote alle quali i valori della temperatura e della pressione ambiente risultano essere molto bassi.

La quota di volo e la quota cabina Le tabelle dell’atmosfera tipo - riportate nella lezione precedente - mostrano che all’aumentare della quota la pressione e la temperatura decrescono e l’umidità quasi scompare. Le quote di crociera dei velivoli commerciali sono intorno a 40/42000 ft, in corrispondenza delle quali la pressione esterna è circa 1/5 di quella esistente al livello del mare e la temperatura pari a –55°C. L’impianto di condizionamento, di cui alla lezione precedente, in tale contesto deve assolvere alla missione fondamentale di garantire alle persone trasportate il confort in termini di temperatura e ricambio dell’aria, ma non agisce direttamente sulla pressione dell’ ambiente cabina. Se immaginassimo un velivolo dotato solo di impianto di condizionamento prendere quota dopo il decollo, registrerebbe un ambiente cabina con temperature accettabili, ma con una pressione assoluta decrescente e tendente a livellarsi a quella esterna. Inoltre occorre tenere presente che per l’essere umano, oltre una certa quota sul livello del mare (vedi permanenze ad alta quota in montagna), la respirazione diventa difficile poiché la pressione totale



e quella parziale dell’ossigeno non sono compatibili con il suo organismo. Infatti, con bassa pressione parziale d’ossigeno si avrebbe: • Ipossia: mancanza di ossigeno trasportato nel

sangue dalla emoglobina. • Embolia: parte dei gas disciolti nel sangue

tornano allo stato gassoso e formano delle bollicine che entrano in circolazione.

La condizione ideale per il passeggero sarebbe quella di avere una pressione cabina uguale a quella al livello del mare a qualunque quota e per ottenere questo si dovrebbe immettere costantemente aria calda ed in pressione. In questo modo si otterrebbe che: • Il calore apportato garantirebbe il

condizionamento. • Un ricambio dell’aria nel tempo assicurerebbe una

adeguata la purezza dell’aria ambiente. • La pressione dell’aria immessa manterrebbe la

quota cabina uguale a quella al livello del mare.

Questa condizione sottoporrebbe la struttura della fusoliera a delle sollecitazioni, per effetto della pressione differenziale, tanto più alte quanto più il velivolo salisse di quota. La pressione differenziale solleciterebbe notevolmente le strutture ed i pesi delle stesse



diventerebbero proibitivi. In pratica l’altitudine massima alla quale un velivolo può volare è limitata dalla massima pressione differenziale che può sopportare. Il concetto semplice di pressione differenziale nasce dalla differenza di pressione tra la pressione dell’ambiente e quella all’interno della cabina. Per dare degli ordini di grandezza allo studente possiamo indicare per velivoli con motori alternativi circa 5.5 psi; per velivoli a turbo propulsori da trasporto civile circa 9 psi. Le differenze in termini di resistenza strutturale comportano struttura più pesante a parità di materiali disponibili.

Si tenga presente che, a parità di MTOW, il peso proprio del velivolo riduce il carico pagante ed aumenta il peso ed il consumo di carburante per trasportare se stesso, con conseguenti penalizzazioni sul carico pagante e quindi con oneri sui costi di esercizio. Risulta quindi necessario raggiungere un compromesso. Un compromesso tra confort e peso delle strutture è stato convenzionalmente stimato, definito e regolamentato dalla normativa internazionale, stabilendo la pressione minima della cabina per il confort ed la pressione differenziale massima per le strutture.



Altro aspetto, correlato alla fisiologia dell’uomo, è che i velivoli moderni possono prendere quota rapidamente e la velocità di variazione della pressione cabina potrebbe causare disturbi per via del tempo d’adattamento. Questi concetti, tutti relativi alle condizioni fisiche dell’ambiente cabina, portano ad introdurre alcune terminologie importanti per la gestione della pressurizzazione: • Il concetto di quota velivolo: in base alla

pressione esterna ed entrando nelle tabelle dell’atmosfera tipo, si ricava la quota velivolo. Lo strumento che fornisce questa quota è l’altimetro

• Il concetto di quota cabina: si intende la quota dell’atmosfera standard che corrisponde alla pressione esistente in cabina, per effetto della pressurizzazione. Lo strumento che fornisce questa quota è il cabin altitude

• Il concetto di velocità di variazione quota cabina; lo strumento che misura il rateo di variazione della quota cabina – in positivo o negativo - prende il nome di variometro cabina (cabine climb).

Compromesso tra confort, pesi e costi

La necessità di pressurizzare la cabina passeggeri ha comportato la conduzione di studi, attraverso i



quali si è dimostrato che la grandissima maggioranza delle persone sane (passeggero tipo) non avverte dei disturbi purché la quota cabina non si porti oltre gli 8000 ft. L’impianto di pressurizzazione si pone quindi come obiettivo di non avere mai in cabina passeggeri una quota superiore ad 8000 ft ed un massimo della pressione differenziale tra interno ed esterno cabina è solitamente compreso intorno ai 9 psi per tutto il profilo della missione. L’impianto di pressurizzazione opera le variazioni cercando di rispettare i limiti di velocità di variazione pari a valori massimi di 500 ft/minuto a salire e 300 ft/minuto a scendere.

Sorgente della pressurizzazione I vantaggi della pressurizzazione si sono dimostrati, dalle note precedenti, sono ora evidenti ed il problema si pone “dal se conviene al come fare”. Ancora una volta la missione del velivolo è la base di tutto, in quanto da essa dipende il tipo di propulsore e le soluzioni impiantistiche.

Nella lezione viene descritto, come sistema tipo, quello più comunemente utilizzato nei velivoli da trasporto civile, che è stato ampiamente introdotto nella lezione precedente: aria spillata dai compressori motore, controllata come pressione/temperatura, divisa in due flussi, di cui uno trattato mediante ciclo frigorifero, nuovamente miscelata in base alle



esigenze di zona, con successivo scarico controllato all’esterno, per garantire adeguata pressione in cabina e ricambio con aria fresca. Si tratta di uno schema oggi prevalente, ma lo studente deve sapere che non si tratta dell’unico modo.

Da questo consegue anche che le zone pressurizzate e quelle condizionate coincidono e che nei velivoli alcune zone sono sempre non pressurizzate, a prescindere dal tipo di velivolo: zona vani carrello, zona anteriore radar, zona di coda.



Funzionamento di un impianto tipo Prendiamo il caso di un velivolo che decolli da un aeroporto ad una certa quota e che si porti alla quota massima di crociera, permanendovi per un certo tempo, per poi scendere di quota ed atterrare all’aeroporto di destinazione, che in genere avrà una quota diversa di quello di partenza. L’ambiente della cabina passeggeri, per effetto dell’impianto di pressurizzazione, presenterà un andamento della pressione interna diversa da quella corrispondente al profilo altimetrico del moto del baricentro del velivolo.

Andamento quota volo e quota cabina andamento quota/pressione esterna



Gli schemi allegati danno una prima idea di questo fenomeno, e con riferimento al grafico si ha: • La linea tratteggiata rappresenta il profilo

altimetrico del moto del baricentro ed il tratto continuo l’andamento del profilo della pressione interna, per il prefissato differenziale di pressione.

• La linea continua rappresenta l’andamento della pressione dell’ambiente esterno in funzione della quota.

Mentre l’aria trattata per temperatura, pressione e volume di ricambio è immessa nella cabina passeggeri in continuazione per motivi di condizionamento, l’impianto di pressurizzazione, mediante apposite valvole di scarico (Out Flow Valves) governate da un calcolatore di processo (Cabin Pressure Controller), ne dosa lo scarico verso l’esterno.



Si tratta quindi di dosare lo scarico di aria in modo da: • Garantire la temperatura cabina in quota ………….

(effetto condizionamento) • Garantire il ricambio di aria…………………………

(effetto confort) • Garantire una pressione cabina adeguata …………

(effetto pressurizzazione) • Controllare la massima pressione differenziale ……

(rispetto limiti strutturali) • Controllare il rateo quota cabina ……………………

(effetto confort) Il computer di processo, che recepisce le indicazioni dei piloti, quali la quota dell’aeroporto di partenza ed arrivo e che conosce le caratteristiche dinamiche del velivolo, funziona in genere in tandem con un altro computer d’emergenza. In genere gli impianti di pressurizzazione dispongono di una coppia di calcolatori di controllo che si alternano e che garantiscono una forma di ridondanza. In caso di avaria totale del computer il personale di condotta può usare un comando manuale per agire sulle valvole di scarico, e verificare sugli strumenti di bordo la citazione in termini di quota cabina e rateo cabina.



Dispositivi di protezione L’impianto di pressurizzazione deve anche proteggere la struttura da eventuali avarie del sistema di controllo e per questo è dotato di valvole di sicurezza che possono presidiare vari aspetti. • Valvole di sicurezza massima pressione

differenziale: servono ad evitare che, andando a quote molto alte, si abbia un’eccessiva pressione interna cabina e quindi una pressione differenziale. Queste valvole confrontano il valore della pressione cabina con quello della pressione esterna e mettono in relazione il differenziale ad un valore fisso di riferimento. Agiscono in modo automatico e tramite opportuni circuiti avvisano il personale di condotta. La loro apertura causa una caduta quasi istantanea della pressione e quindi una forte salita della quota cabina. L'equipaggio attua in questi casi una discesa di emergenza ed intervengono in automatico le maschere ossigeno

• Valvole anti vuoto: in caso di cattivo funzionamento della pressurizzazione durante la discesa, la quota cabina potrebbe rimanere al di sopra di quella velivolo ed a terra aversi una pressione interna cabina inferiore a quella esterna (Vacuum Relief Valves)

• Valvole di equalizzazione: nel velivolo pressurizzato non sono accettabili differenze di pressione - ad esempio, tra cabina passeggeri e zona cargo – dunque queste valvole si aprono



automaticamente quando tra i due ambienti viene superato un valore di taratura (circa 1.5 psi).

In alcuni velivoli le valvole della pressurizzazione, pur comandate tramite computer, dispongono di comandi meccanici manuali per le condizioni di emergenza e di handling (vedi figura allegata).

Dispositivi controllo/i indicazione ed avvisi Altro aspetto importante nell’impianto di pressurizzazione sono gli strumenti ed i circuiti di avviso. • Altimetro di cabina • Indicatore di pressione differenziale • Variometro di cabina • Circuito avviso quota cabina



L’ altimetro di cabina e pressione differenziale è un unico strumento a doppia scala, che funziona ricevendo i segnali di pressione cabina e pressione statica esterna. Il variometro di cabina serve ad indicare il rateo di salita o discesa della quota cabina. In entrata riceve il valore della quota cabina e ne misura nel tempo le variazioni (Cabin Alt Rate ft/m). Il sistema avviso di alta quota cabina: questo sistema dispone di un sensore denominato Cabin Alt Warning Switch, tarato in genere al valore di 10.000 ft. Quando interviene, attiva un sistema di avvisi in cabina piloti sia luminoso che sonoro (sirena).

Sistemi di gestione della pressurizzazione Il funzionamento dell’impianto di pressurizzazione è basato su una logica di preselezione, impostata dai piloti in base al profilo di volo tra i due aeroporti ed è poi gestito in automatico. La gestione automatica è garantita da un calcolatore (cabin pressure controller), che riceve informazioni dagli altimetri sulla quota di volo ed esegue un programma ottimizzato in funzione del profilo standard di volo. I dati degli aeroporti di arrivo e di partenza sono impostati dall’equipaggio su un pannello di controllo.



Gli impianti sono dotati di sistemi ridondanti, per cui, in caso di avaria di uno dei calcolatori, si ha la commutazione automatica sul secondo calcolatore, che era in stato di “stand by”.

Componenti fondamentali • Valvole di efflusso: sono le valvole a luce

variabile (outflow valves), poste sul rivestimento della fusoliera. Tali valvole sono comandate - in condizioni normali - da un attuatore elettrico, ma si può intervenire anche con un comando meccanico, gestibile dalla cabina piloti. Su ogni velivolo è installata più di una valvola. Tali valvole in condizioni di terra sono aperte, per avere il massimo ricambio d’aria. Nelle condizioni di volo si parzializzano, in modo da regolare la quantità di aria che il velivolo scarica all’esterno. La modulazione gestisce sia il valore che il gradiente di pressione (funzione pressurizzazione) che il ricambio di aria (funzione di condizionamento con ricambio di aria e controllo temperatura)

• Valvole di sicurezza /antivuoto/equalizzazione: la valvola di sicurezza è stata illustrata in precedenza. Le valvole antivuoto intervengono dopo l’atterraggio, se la pressione cabina risultasse più bassa di quella esterna per difetto della regolazione della pressurizzazione. Le



valvole di equalizzazione intervengono qualora in una zona della fusoliera pressurizzata si dovesse verificare uno sbilanciamento di pressione che deformerebbe la struttura (ad esempio tra cabina passeggeri e vani bagagliai).

• Pannello di controllo: questo pannello, posto in cabina piloti, consente l’inserimento dei parametri base ai quali si atterrà il sistema di controllo automatico: selezione automatica o manuale, selezione stand by, quota cabina, quota aeroporto arrivo, rateo cabina, avvisi e luci di status

• Variometro di cabina : lo strumento indica la rapidità di variazione di quota cabina che - a sua volta - è legata alla velocità di salita o di discesa del velivolo.

• Indicatore quota e press. differenziale: trattasi di uno strumento a scala multipla, con indicazione della pressione differenziale, della quota e della correzione barometrica.

• Avviso quota cabina: un interruttore a pressione, tarato a 10,000 ft, interviene con avvisi sonori e luminosi quando la quota cabina raggiunge questo limite.

• Calcolatore pressione cabina: il calcolatore della pressurizzazione (Cabin Pressure Controller) riceve le indicazioni del pannello di controllo ed anche i valori di pressione esterna e pressione di cabina. Il suo compito è di governare le valvole controllo flusso.



Logica di funzionamento dei calcolatori La logica di funzionamento può rispondere a due filosofie di funzionamento: possono permettere una condotta operativa dell’impianto in modo automatico, oppure in modo semi-automatico. - Modo automatico • Il calcolatore dispone di una logica di riferimento

che è basata sulle prestazioni tipo del velivolo. • Riceve dal pannello di controllo azionato dai piloti le

indicazioni di quota dell’aeroporto di destinazione. • Riceve il segnale della pressione statica esterna

legata alla quota istantanea del velivolo. • Riceve il segnale della quota istantanea cabina. • Tiene conto dei valori ottimali dei ratei di salita e

discesa cabina. • Tiene conto dei limiti della pressione differenziale

massima Quando questa selezione viene fatta il calcolatore elabora in tutte le condizioni la gestione dell’impianto dalle condizioni di terra con motori spenti, a quelle di terra con motori in moto durante la corsa di decollo, ecc fino all’atterraggio. - Modo semiautomatico Il calcolatore ha sempre una funzione importante e di correlazione tra comandi ricevuti dal pannello di comando, stato degli attuatori e condizioni della



cabina, ma la sua logica di funzionamento è di supporto agli interventi continui dell’equipaggio. Infatti l’equipaggio deve: • Selezionare il funzionamento semiautomatico • Selezionare la quota cabina desiderata tramite il

pomello alt select • Selezionare il rateo di cabina tramite il pomello rate

limit Il sistema – pur continuando a tenere conto della massima pressione differenziale accettabile – insegue i comandi ricevuti nelle fasi successive del volo e mette in azione la valvola di controllo flusso. Funzionamento impianto pressurizzazione MD80

Il funzionamento del sistema automatico di pressurizzazione sarà descritto con riferimento al velivolo MD80 e nella ipotesi di un profilo di volo dall’aeroporto di Los Angeles (quota 126 ft) a quello di Denver (quota 5654 ft). L’impianto è riportato in allegato e si compone di: • Un pannello di comando e selezione • Due calcolatori di controllo identici (automatic cabin

pressure controller) • Due attuatori elettrici identici che azionano una

scatola ingranaggi • Una scatola ingranaggi che con delle leve aziona la

valvola di efflusso



• Un comando meccanico posto in cabina piloti che aziona direttamente la valvola

• La valvola di efflusso installata sul rivestimento di fusoliera

La gestione dell’impianto dipende da un solo calcolatore e l’inserimento del secondo avviene automaticamente quando il primo presenta delle anomalie predefinite o quando il pilota comanda la commutazione dal pannello di selezione. Il pannello di selezione riporta – in particolare – la selezione della quota dell’aeroporto di arrivo ed il selettore di rateo di salita e discesa della quota cabina. Il comportamento dell’impianto nelle varie fasi del volo corrispondono varie azioni dei componenti : • Funzionamento a terra • Decollo da 126 ft • Salita …..a 27000 ft • Crociera a 27000 ft • Nuova salita….. a 37000 ft • Discesa • Atterraggio a 5654 ft I grafici rappresentano le varie fasi del volo e le correlazioni tra le variabili:



Funzionamento a terra: il segnale fornito dal carrello anteriore indica la condizione di terra al calcolatore, che comanda in totale apertura la outflow valve. Questo permette la massima ventilazione della cabina durante l’imbarco/sbarco passeggeri: in tale situazione il velivolo è condizionato, ma la pressurizzazione è interdetta. L’equipaggio seleziona sul pannello la quota dell’aeroporto di destinazione ed il rateo di salita desiderato tramite il rate limit, tarato a 700 ft a salire e 300 ft a scendere. Fase di decollo: dopo la chiusura porte e l’avviamento dei motori il calcolatore comanda in chiusura la outflow valve e realizza una pre-pressurizzazione ed il rateo a scendere sarà di 300 ft. Tale funzione è caratteristica solo di alcuni aerei e serve a garantire il confort dei passeggeri da fenomeni causati dalla interferenza aerodinamica tra installazione della outflow valve e l’aerodinamica alla rotazione velivolo.



La discesa della quota cabina (300 ft/min.) perdurerà per tutta la corsa di decollo fino al distacco dal suolo. Non tutti i velivoli hanno questa funzionalità. Fase di salita: la fase di salita inizia al momento della rotazione del velivolo e da questo momento la quota velivolo dipenderà dalle prestazioni e dai comandi ricevuti, mentre la quota della cabina comincerà a crescere, ma con un gradiente ridotto rispetto al velivolo stesso: in questo caso aumenterà di 350 ft/min e tenderà a portarsi alla quota selezionata dell’aeroporto di destinazione meno 100 ft, sempre mantenendo questo gradiente ridotto per motivi di confort dei passeggeri. Fase di crociera: con velivolo stabilizzato a 27000 ft la cabina si stabilizzerà a 5554 ft e rimarrà tale per tutto il tempo che il velivolo non esegue nuove manovre. Variazioni di quota di volo: se ipotizziamo che il velivolo – per motivi di traffico aereo – debba portarsi a 37000 ft il calcolatore terrà conto del fatto che la pressione differenziale limite deve essere rispettata (circa 8psi) e pertanto inizierà a far salire la cabina sempre con un rateo controllato, portandosi nel nostro caso ad 8000ft. Fase di discesa: quando la quota velivolo comincia a scendere da 37000ft verso la quota dell’aeroporto di destinazione (5654 ft) anche la quota cabina prenderà a scendere sempre con un rateo di 300 ft ed il calcolatore la porterà – nel caso di questo velivolo – a 100ft sotto la quota dell’aeroporto di destinazione. Questa sovrappressione permette di contrastare le



pressioni causate dall’impianto di inversione spinta durante la frenata. Fase di atterraggio: dopo che il velivolo ha toccato la pista il calcolatore comanderà l’equalizzazione della pressione interna con quella esterna, con un rateo di 400 ft/min fino a portare la out flow valve in totale apertura.

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