飛機系統 06 氣動力系統 (6) 艙壓控制

在開始談艙壓控制之前，有幾個重要的名詞要解釋：

• 客艙壓力 (cabin pressure)：客艙裡的壓力值，以磅/平方英吋 (psi, pound per square inch)表示。
• 客艙高度 (cabin altitude)：表示在標準大氣壓的環境下，客艙的壓力相當於多少的海平面高度。在標準大氣壓的環境下，海平面的壓力是14.6 psi，因此若客艙內的壓力是14.6 psi，則客艙高度為海平面0呎，這個數字與飛機的實際高度無關。
• 壓力差 (pressure differential)：客艙壓力與外界壓力的差。要注意的是這個值一定是「客艙壓力」-「外界壓力」，因此在某些情況下會是負值。壓力差常用 ΔP (念作Delta P)表示。
• 客艙垂直速度 (cabin vertical speed)：客艙高度改變的速度稱為客艙垂直速度。這個速度的大小會影響舒適性。

聽起來還是很抽象，舉個例子來說明。在平地買了一包餅乾，這時候餅乾的包裝由於包裝內和包裝外的壓力是平衡的，所以外觀上沒有變化。接下來開車去清境農場，因為海拔兩千多的氣壓明顯地比包裝內的氣壓小，想像一下裡面的氣壓往外推，外面的氣壓往內擠，但因為包裝內的壓力大，外面的壓力擠不贏它，所以包裝的外觀就澎了起來。這時候的ΔP就是正 (positive)的。

到了合歡山，麥嗑拿出在山腳下買的礦泉水，喝了幾口之後把礦泉水瓶蓋蓋上轉緊。這時候水瓶內的壓力和外面的壓力是一樣的。郊遊了一天麥嗑開車下山，到了山腳下時口渴想喝水就把礦泉水拿了出來。這時礦泉水裡的空氣壓力較小 (高山)，外界的壓力較大 (平地)，所以外觀上可以發現礦泉水瓶是向內凹的，就像下圖一樣。這時的ΔP是負的。

飛機在設計時都會有個ΔP的限制，而機體對正的ΔP耐受度要比負的ΔP來得高。飛機內的壓力要提高，就是靠氣動力系統把空氣灌進飛機裡，就像灌氣球一樣。但空氣不可能無止盡地往飛機裡灌，否則超過了限制的ΔP，飛機就會像氣球一樣被吹破。那麼，要怎麼控制飛機內的壓力在限制的ΔP範圍內呢？答案是只要開個控制閥 (outflow valve)，控制空氣排出的速度就可以了。由於客艙內的壓力會調整到比外界壓力大，因此只要打開控制閥，機內的空氣就可以排出了。

請看這張機身剖面圖。上半部是客艙，下半部是貨艙。機體的結構就像是個大燈籠，骨架外面再包上一層皮，因此坐在飛機裡面時看到的牆壁都不是真的牆壁，那只是裝潢，距離飛機真正的外皮還是有空間的，飛機的骨架間也都有空間可以讓空氣流通。接下來就靠氣動力系統來吹起飛機這顆大氣球。

前面提過空調進入客艙、貨艙等等的這些過程都是在建壓。上圖中可以看到空調進了客艙，再由客艙底部離開，一部份進了貨艙，另一部分跑回去 mixing unit (沒有畫出來)。貨艙底下的箭頭表示空氣由機腹的控制閥流出。駕駛艙可以透過設定客艙高度以及客艙垂直速度來控制這個閥開關的程度，藉此達到控制艙壓的效果。

萬一 outflow valve壞掉了，空氣沒有辦法流出/入，為了防止ΔP超過結構限制，飛機設有兩種安全閥 (safety valve)，分別是正壓閥 (positive pressure valve) 及負壓閥 (negative pressure valve)。這兩種閥和 outflow valve不同點在於，outflow valve是由電腦控制的開口，空氣可以由此進出機身；而安全閥是機械裝置，當ΔP超過了一定的壓力便能把閥門推開，使空氣進出。另外值得注意的一點是，安全閥就像是單行道一樣，positive pressure valve  只容許機內的壓力往外洩避免ΔP超過限制的正值，而 negative pressure valve 只容許外界的壓力往機身裡灌，避免ΔP超過限制的負值。負的ΔP在飛機快速下降時較容易產生。這些閥門及空氣進出方向的關係就如下圖所示：

接下來簡單地講解一下飛機在飛行途中艙壓的變化。

1. 當飛機在地面時，outflow valve是全開的，此時ΔP是0，因為內外的壓力相等。
2. 起飛前 outflow valve關閉，使客艙壓力稍大於外面壓力，正ΔP可避免此時引擎的廢氣或氣味進入機艙。
3. 爬升時 outflow valve稍微開啟，容許客艙高度隨著飛行高度增加至設定值，同時控制客艙的垂直速度。
4. 平飛巡航時， outflow valve是最接近關閉的狀態，維持一定的客艙高度。
5. 下降時隨著高度下降 outflow valve 開啟，容許客艙高度下降並避免產生負ΔP。
6. 落地後 outflow valve全開，此時ΔP回歸到0。

艙壓控制的部分大概說明完畢，下一篇討論氧氣系統。

《待續》