Suction – pneumatyczne zasilenie instrumentów w samolocie

Wskaźnik suction (VAC) to wskaźnik podciśnienia w instalacji zasilającej żyroskopowe przyrządy w kokpicie samolotu. Dlaczego podciśnienie? I dlaczego używa się powietrza do zasilania instrumentów?

Zacznę od strony praktycznej, czyli od tego jak „suction” (lub „VAC”) działa w małym samolocie.

Powietrze zasysane jest przez filtr (Vacuum air filter). Dalej prowadzone jest do przyrządów (Heading Indicator i Attitude Indicator) i równolegle – do wskaźnika podciśnienia (Suction Gauge). W dalszej części instalacji przewody się łączą przed regulatorem ciśnienia (Vacuum relief valve), za którym znajduje się pompa ssąca (Vacuum pump). Pompowane powietrze jest następnie odprowadzane poza samolot (Overboard vent line).

• Jak powietrze zasila instrumenty?
• Dlaczego instrumenty korzystają z podciśnienia, a nie ze sprężonego powietrza?
• Jak dokładnie system jest zbudowany i gdzie się znajduje?
• Co się dzieje kiedy ciśnienie jest zbyt duże lub zbyt małe?
• Kiedy stosuje się żyroskopy zasilane elektrycznie?
• Kiedy i dlaczego stosuje się systemy mieszane – ze wskaźnikami zasilanymi elektrycznie i pneumatycznie?
• Czy symulator lotu (FSX / P3D) symuluje działanie pompy podciśnieniowej?

Na te i na kilka innych pytań odpowiadam w tym tekście. Na końcu film pokazujący realne zagrożenie.

Przyrządy żyroskopowe – zasilane elektrycznie lub pneumatycznie

Wskaźniki żyroskopowe w samolotach general aviation to:

• sztuczny horyzont
• żyroskopowy wskaźnik kursu
• koordynator zakrętów.

Aby działały poprawnie ich główny element (czyli żyroskop)  musi wirować z dużą prędkością. A do tego potrzebuje napędu.

Obecnie stosowane są dwa rodzaje napędu. Elektryczny (silnik elektryczny podłączony jest do instalacji elektrycznej samolotu) i pneumatyczny – wirnik żyroskopu napędza powietrze doprowadzone instalacją podciśnieniową, na której końcu znajduje się pompa ssąca albo kilka takich pomp. Wskaźnik suction lub VAC (vacuum – próżnia) wskazuje podciśnienie w tej instalacji.

Zasilanie pneumatyczne – mniej skomplikowane

Skąd w ogóle pomysł, żeby tworzyć osobną instalację zasilającą instrumenty pneumatycznie?

Zanim upowszechniły się lekkie i niezawodne silniki elektryczne konstruktorzy samolotów musieli wybierać między relatywnie prostym przyrządem pneumatycznym, a cięższym, droższym i bardziej zawodnym – elektrycznym.

W przyrządach zasilanych pneumatycznie żyroskop napędzany jest powietrzem kierowanym przez dyszę na łopatki rotora. Pęd powietrza powoduje obrót w taki sposób, jak woda napędza koło młyńskie. Tylko znacznie szybciej – żyroskopy zwykle osiągają 10-15 tysięcy obrotów na minutę.

Obecnie dostępne są małe, tanie i niezawodne silniki elektryczne, ale przyrządy pneumatyczne nadal zachowują istotną przewagę – są niezależne od działania (lub nie działania) generatora i będą sprawne nawet po awarii instalacji elektrycznej. Do przyrządów elektrycznych jeszcze wrócę.

Podciśnienie – mniej zanieczyszczeń, niższa temperatura

Wiemy już dlaczego wybrano zasilanie powietrzem. Ale dlaczego instalacja korzysta z pompy ssącej zamiast sprężarki? Z dwóch powodów. Przede wszystkim trudno wyeliminować zanieczyszczenia z powietrza, które opuszcza pompę (olej z „mokrych” pomp, karbonowe opiłki z „suchych”). Nawet minimalna ilość zanieczyszczeń, nieistotna w innych zastosowaniach, w przypadku precyzyjnych i delikatnych żyroskopów spowodowałoby uszkodzenia. Drugim powodem wykorzystania instalacji ssącej jest kontrola temperatury, która podnosi się podczas sprężania. W instalacji, która opiera się na zasysaniu powietrza wzrost temperatury wystąpi dopiero w pompie podciśnieniowej – na końcu instalacji.

W typowej instalacji powietrze zasysane jest z kabiny (z wnętrza panelu) następnie jest przepuszczane przez filtr powietrza i kierowane do instrumentów oraz do wskaźnika podciśnienia (podpisanego w kokpicie jako VAC, suction lub podobnie). Za przyrządami znajduje się regulator ciśnienia. Za regulatorem, już w komorze silnika, znajduje się pompa (czasem więcej niż jedna). Ciepłe powietrze z pompy odprowadzane jest na zewnątrz. W niektórych samolotach dodatkowo do pompy doprowadzone jest zimne powietrze chłodzące (z zewnątrz).

Pompa lub pompy podciśnieniowe napędzane są przez silnik i ich obroty są proporcjonalne do obrotów silnika.

Regulator ciśnienia to zawór, który utrzymuje stałe podciśnienie po jednej stronie (po stronie przyrządów) niezależnie od podciśnienia generowanego przez pompy, które jest zwykle większe niż niezbędne do działania żyroskopów.

Pomijam tu opis systemu odwrotnego – który korzysta ze sprężarki. Systemy ciśnieniowe również są stosowane, ale są rzadkie – nie udało mi się znaleźć żadnego przykładu.

Budowa systemu

Ilustracja pokazuje typowy układ systemu podciśnienia w samolocie jednosilnikowym. Filtr (5) podłączony jest do sztucznego horyzontu (6) i wskaźnika kursu (7). Dodatkowe przewody doprowadzają powietrze do wskaźnika podciśnienia (8). Przewody wychodzące z przyrządów łączą się w regulatorze ciśnienia (9). Stamtąd przewody przechodzą przez ścianę ogniową oddzielającą kokpit od silnika (10). Nieoznaczona numerem rura to doprowadza powietrze do pompy ssącej (1). Rura numer (2) odprowadza powietrze na zewnątrz.

To samo widać na drugiej ilustracji, z tym, że ta Cessna ma dwie pompy podciśnieniowe.

Bezpieczeństwo przede wszystkim – dwie pompy, pompa elektryczna, systemy mieszane

W wielu samolotach zastosowano dwie pompy podłączone do jednego silnika. W razie awarii jednej (żywotność jest ograniczona do kilkuset godzin i nie jest to urządzenie najbardziej niezawodne) – druga nadal zasila układ.

Dzięki temu w locie IFR pilot nadal może korzystać ze sztucznego horyzontu, wskaźnika kursu (więc nie jest zdany na kompas, którego wskazania są obarczone błędem kiedy samolot jest przechylony i podczas turbulencji) i koordynatora zakrętów.

Innym (i oczywiście droższym) zabezpieczeniem jest dodanie elektrycznej pompy ssącej do układu. W razie awarii pomp mechanicznych można ją uruchomić (lub uruchomi się sama) i instrumenty będą nadal działały.

Obecnie rozwiązaniem powszechnie stosowanym w samolotach z podwójnym zestawem przyrządów jest korzystanie z instrumentów zasilanych elektrycznie i pneumatycznie. W tej sytuacji jeden sztuczny horyzont będzie zasilany układem podciśnieniowym, drugi elektrycznie. Jeden wskaźnik kursu – elektrycznie, drugi pneumatycznie…

W takiej sytuacji często instrumenty montuje się na krzyż – jeśli sztuczny horyzont na miejscu kapitana jest zasilany elektrycznie to jego wskaźnik kursu będzie zasilany pneumatycznie. Po stronie pierwszego oficera (po prawej) odwrotnie – pneumatyczny sztuczny horyzont i elektryczny wskaźnik kursu. Jeśli widzicie w kokpicie różne wskaźniki po obu stronach – całkiem prawdopodobne, że zastosowano instrumenty zasilane elektrycznie i pneumatycznie. Awaria generatora w takiej sytuacji odłączy jakieś wskaźniki, awaria pompy (lub pomp) ssących inne. Ale niezależnie od awarii – komplet wskaźników będzie dostępny.

W samolotach dwusilnikowych system może być zasilany przez pompy w obu silnikach. W takiej sytuacji może pojawić się przełącznik pozwalający odciąć jedną z pomp po awarii. System może też działać automatycznie.

Samoloty dwu i wielosilnikowe często korzystają wyłącznie z systemów elektrycznych – dwa generatory zapewniają odpowiednie zabezpieczenie na wypadek awarii jednego, a rezygnacja z układu podciśnieniowego upraszcza konstrukcję i ogranicza koszty.

„Trąbki” – układ podciśnieniowy w małym samolocie

Niektóre małe samoloty (np. niektóre Cessny 152, stare 172, itp) mają obok silnika przymocowane charakterystyczne trąbki.

(Zdjęcie: Dtom / Wikimedia / Public Domain)

Zwężka Venturiego może zastąpić pompę podciśnieniową. W takim przypadku ujście instalacji znajduje się w najwęższym miejscu zwężki (tam ciśnienie jest najniższe). Wadą takiego urządzenia jest uzależnienie działania od przepływu powietrza (i odpowiedniej prędkości przepływu). Zaletą – prostota i niska cena.

Prawidłowe wskazania

Wskaźnik „suction” powinien wskazywać podciśnienie na poziomie 4,5-5,5 cala słupka rtęci. Jeśli wskazanie jest niższe – żyroskopy mogą kręcić się zbyt wolno i wskazania instrumentów będą niewiarygodne. Jeśli podciśnienie jest wyższe – w większości instrumentów wskazania będą prawidłowe, ale może nastąpić szybsze zużycie łożysk.

Wyższe wskazanie podciśnienia oznacza awarię regulatora ciśnienia.

Niższe wskazanie może mieć kilka powodów:

• niskie obroty silnika – pompa nie generuje odpowiedniego podciśnienia
• awaria pompy
• nieszczelność układu
• niedrożność układu

W przypadku niskich obrotów nie ma mowy o awarii. W zależności od konstrukcji systemu może on osiągać sprawność już przy niskich obrotach (to widać na filmach zrobionych w nowych Cessnach 172 – wskaźnik osiąga wartości prawidłowe już na obrotach jałowych). Starsze systemy mogą potrzebować wyższych obrotów (spotkałem się z informacją, że nawet 1500 obr/min).

Co w razie awarii silnika?

Sprawność systemu zależy od rodzaju awarii silnika i od konstrukcji samego systemu. Przede wszystkim trzeba pamiętać, że pompa ssąca jest podłączona do silnika. Aby działała – silnik musi się kręcić. Kręcić – niekoniecznie działać. Jeśli po awarii silnika śmigło się nadal kręci (a zatem – silnik również się kręci) – pompa powinna pracować. I tu sporo zależy od jej wydajności. Jeśli silnik się kręci pod wpływem opływu powietrza wokół śmigła – wskaźniki żyroskopowe mogą działać (za Richard L. Collins, „When things Go Bumps in the Clouds”, Flying Magazine, Lis 2005). „Mogą”. Choć trzeba tu pamiętać, że im wyższe obroty po awarii silnika tym większy opór – a więc krótszy czas lotu.

A co na to symulator?

Na ogół – nic. Sprawdziłem kilka płatnych samolotów dla P3D (i FSX) – wskaźnik suction jest wyłącznie elementem graficznym. Animacja odpowiada uruchomieniu silnika, ale to wszystko. Zależności między działaniem przyrządów a wskazaniem trudno się dopatrzyć. Nie będę się pastwił nad autorami samolotów, więc testowanych maszyn nie wymienię.

Wyjątkiem jest (jakoś mnie to nie dziwi) A2A Simulations. Instalacja jest symulowana. W Cessnie 172 i w Piperze Comanche’u uruchomienie silnika daje prawidłowe (lub bliskie – najniżej miałem 4.2inHg w Comanche’u) wskazania w zakresie obrotów od idle do pełnej mocy. Nie jestem w stanie zweryfikować wskazań w zakresie od kilkuset do 1000 obrotów na minutę. Widziałem kilka filmów z C172 i jeden z Comanche’a, na których widać próbę silnika i w zakresie 1000-2000 obrotów wskazania były takie jak w samolotach A2A (czyli odpowiednie ciśnienie dla żyroskopów).

Nieco inaczej wygląda sytuacja w Cessnie 182. Tu wskazanie jest zależne od obrotów w przedziale 1.9-5.3inHg (dla obrotów od 430 obr/min do pełnej mocy). Nie zauważyłem żadnych problemów z działaniem wskaźników przy wskazaniach poniżej 4.5inHg. Ale też nie wiem jak szybko takie problemy stają się zauważalne. Niestety nie zapala się lampka ostrzegawcza VAC przy niskim wskazaniu. To wygląda na drobny bug.

Sprawdziłem też działanie instrumentów przy wskazaniu 0.0 (zero). W cessnie 172 po zatrzymaniu śmigła instrumenty napędzane pneumatycznie przestają działać, ale dopiero kiedy prędkość spadnie poniżej 40 węzłów. Ta logika jest nieprawidłowa (nie powinno być powiązania z prędkością). Z drugiej strony – zatrzymanie śmigła powyżej 40 węzłów jest bardzo trudne i podejrzewam, że to mogło po prostu umknąć testerom. Jeśli śmigło znów się kręci (rozpędziłem samolot) i wskaźnik podciśnienia pokazuje wartości na zielonym polu – instrumenty „ożywają”. Tak powinno być.

W C182 i Comanche’u „wyłączenie” wskaźników przez brak ciśnienia ładowania wymaga bardzo radykalnego obniżenia prędkości (w okolice zera). Czyli podobne powiązanie prędkości i awarii jak w C172. Przywrócenie działania tutaj jednak wymaga uruchomienia silnika. Samo przywrócenie podciśnienia dzięki obrotom śmigła nie wystarcza. To jest bug.

Opisane błędy to jednak zjawiska z gatunku raczej niespotykanych, więc nie traktujcie tego komentarza jak krytyki. Wszystkie trzy sprawdzone przeze mnie samoloty A2A mają instalację podciśnieniową symulowaną nieporównywalnie lepiej niż którykolwiek inny samolot w moim P3D!

Awaria pompy ssącej w IMC

Na zakończenie polecam Wam film opisujący rzeczywiste zdarzenie – awarię pompy ssącej w locie według przyrządów. Dramatyczna historia, ale zakończenie szczęśliwe.