Kabinendrucks eines Flugzeugs

BEZUG AUF ZUGEHÖRIGE ANMELDUNGEN

Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der US Provisional

Patentanmeldung Nr. 61/246,257, eingereicht am 28. September 2009, und der deutschen Patentanmeldung Nr. 10 2009 043 323.6, eingereicht am 28. Septem- ber 2009, deren Inhalte hierin durch Referenz inkorporiert werden.

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung betrifft ein Kabinendruckregelungssystem für ein Flugzeug sowie ein Kabinendruckregelungsverfahren für ein Flugzeug.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Moderne größere Verkehrsflugzeuge erreichen im Reiseflug sehr große Flughöhen und erfordern einen druckbeaufschlagten Flugzeugrumpf, in dem das Überleben und das Wohlbefinden von Passagieren gesichert werden kann. Zum Verringern der mechanischen Belastung des Flugzeugrumpfs ist der Kabinendruck in Reiseflughöhe deutlich niedriger als am Boden und entspricht dabei einem atmosphärischen Luftdruck von Höhenlagen zwischen 2.000 m und 3.000 m. Die einem jeweiligen Kabinendruck entsprechende Höhe über dem Meeresspiegel wird häufig auch „Kabinenhöhe" genannt.

Der Kabinendruck wird in sämtlichen Operationsphasen über ein Kabinendruck- regelsystem auf einen jeweils vorbestimmten Wert gebracht, der unter der

Berücksichtigung der Belastung des Flugzeugrumpfes durch den Differenzdruck zwischen der Kabine und der Umgebung und der Sicherheit und des Wohlbefindens der Passagiere, das besonders eine ausreichende Sauerstoffversorgung betrifft, bestimmt wird. Hierzu gehört auch, dass der Kabinendruck während des Steigfluges gegenüber dem Kabinendruck am Boden abgesenkt und während des Sinkfluges auf das Druckniveau am Boden wieder angehoben wird. Im Stand der Technik ist die Annahme verbreitet, dass hierfür eine konstante Kabinendruckrate dem Optimum hinsichtlich eines Passagierkomforts entsprechen könnte. Somit basiert in gängigen Flugzeugen die durchgeführte Druckratenregelung eines Kabinendruckregelsystems im Steig- und Sinkflug auf einer Konstantdruckrate.

Es ist allerdings regelmäßig während eines Steig- und Sinkflugs in gängigen Verkehrsflugzeugen zu beobachten, dass die von Passagieren wahrgenommene Belastung des Trommelfells bzw. der Ohren an sich nicht überwiegend konstant ist, sondern dass die Kabinendruckregelung teilweise auch zu anschwellendem

Schmerzgefühl bei Passagieren führen kann.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es könnte demnach als Aufgabe anzusehen sein, ein Kabinendruckregelsystem vorzuschlagen, bei dem die Belastung eines menschlichen Ohrs während des Sinkflugs oder des Steigflugs möglich konstant ist und damit das Unbehagen der Passagiere minimiert werden kann.

Es könnte als eine weitere Aufgabe der Erfindung angesehen werden, ein derartiges Kabinendruckregelsystem vorzuschlagen, das mit der bereits vorhandenen Hardware in einem modernen Verkehrsflugzeug ohne kostenintensive Änderungsmaßnahmen durchgeführt werden kann. Die Aufgabe wird durch ein Regelsystem zum Regeln des Kabinendrucks eines Flugzeugs mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Ein erfindungsgemäßes Regelsystem zum Regeln des Kabinendrucks eines

Flugzeugs könnte eine Kabinendruckregeleinheit aufweisen, die dazu eingerichtet ist, durch Steuern einer Luftabfuhr- oder Lufteinfuhreinrichtung des Flugzeugs den momentanen Luftdruck Pc innerhalb des mit Frischluft versorgten und druckbeaufschlagten Rumpfs des Flugzeugs auf einen der Kabinendruckregeleinheit vorgegebenen Druckwert einzustellen. Diese ist dazu eingerichtet, bei

vorzunehmenden Druckänderungen den Quotienten aus der zeitlichen Änderung des Absolutdrucks Pc in der Flugzeugkabine und dem Absolutdruck P _c konstant zu halten.

Der Ausdruck„Luftabfuhr- oder Lufteinfuhreinrichtung" bezieht sich auf jegliche Art von Geräten oder Vorrichtungen, die dazu verwendet werden können, den Druck innerhalb eines belüfteten Raums, in den regelmäßig frische Luft eingeführt und aus dem verbrauchte Luft abgeführt wird, auf einem bestimmten Niveau zu halten. Beim Beispiel der Flugzeugkabine kann die Regelung sowohl durch Regelung der

Luftzufuhr als auch der Luftabfuhr erfolgen, wobei die Luftabfuhr und Luftzufuhr auch gleichzeitig zum Regeln des Luftdrucks verwendet werden können. Als besonders geeignete Einrichtungen sind Abfuhrventile (sog.„Outflow Valves") anzusehen, ebenso können auch die Stauluftzufuhr und die über Klimaaggregate aufbereitete Zapfluft geregelt werden, um den Druck innerhalb der Kabine zu beeinflussen. Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung einer spezifischen

Lufteinfuhr- oder Luftabfuhreinrichtung beschränkt. Die technischen Vorteile dieser Merkmale werden wie folgt erläutert. Das für das unbehagliche Gefühl eines Passagiers während einer Druckabsenkung oder während eines Druckaufbaus verantwortliche zentrale Element ist das menschliche Ohr. Das Mittelohr ist das druckempfindlichste Organ des menschlichen Körpers. Dieses ist derart aufgebaut, dass ein teilweise geschlossener Hohlraum in Form des Mittelohrs von einer Seite durch das membranartige Trommelfell begrenzt wird und von einer anderen Seite durch eine schlauchartige Verbindung in Form der Eustachischen Röhre mit dem Nasenrachen verbunden wird. Bei Druckschwankungen wird das im Mittelohr befindliche Gas expandiert oder komprimiert, so dass sich das Trommelfell aufzuwölben oder einzudrücken beginnt, was an der Schnecke des Ohrs durch Auslenkung des Trommelfells über das Ohrknöchelchen als unangenehm und mitunter schmerzhaft empfunden wird. Der aufgrund der anatomischen Gegebenheiten recht langsam einsetzende Druckausgleich des Mittelohrs durch die

Eustachische Röhre kann durch Gähnen, Schlucken und dergleichen beschleunigt werden. Generell verhält sich die relative Volumenexpansion eines in einem

Volumen eingeschlossenen Gases gemäß Boyle's Gesetz umgekehrt proportional zum Verhältnis aus einem Initialdruck und einem Enddruck. Aufgrund der im Mittelohr vorliegenden Sättigung mit Wasserdampf ist im Mittelohr der Partialdruck von Wasserdampf in diese Betrachtung mit einzubeziehen. Hieraus folgt, dass die relative Gasexpansion bei jeweils gleicher Druckdifferenz bei hohem absoluten Druckniveau geringer als bei niedrigem Druckniveau ist.

Das vom Mittelohr eingeschlossene Volumen wird daher bei einer herkömmlichen Kabinendruckregelung mit einer linearen Druckänderung im Sinkflug anfangs zunächst verhältnismäßig stark komprimiert, wobei die Kompressionsrate mit zunehmendem absolutem Kabinendruck abnimmt. Gleichermaßen steigert sich die Expansionsrate des im Mittelohr eingeschlossenen Volumens bei zunehmender Höhe im Steigflug. Durch die Vorgabe der Verwaltungseinheit, dass der Quotient aus der zeitlichen Druckänderung und dem Kabinendruck konstant bleiben soll, verbleibt auch die Expansionsrate des vom Mittelohr eingeschlossenen Gasvolumens gleich, so dass während des gesamten Steigflugs bzw. Sinkflugs ein gleichbleibendes Unbehaglichkeitsgefühl bei dem betreffenden Passagier entsteht und keine lokalen Maxima der Beschwerden auftreten. Die vorliegende Erfindung ist demnach in der Lage, eine lange bestehende Aufgabe zur adäquaten Kabinendruckregelung zur effektiven Berücksichtigung des empfindlichen Mittelohrs zu beheben.

Durch die Integration dieser Vorschrift der zeitlichen Druckänderung zum

momentanen absoluten Kabinendruck ist es relativ leicht möglich, bereits vorhandene Hardware in dem Flugzeug weiterzuverwenden, indem beispielsweise eine entsprechend softwaremäßige Ansteuerung einer Kabinendruckregelungseinheit angepasst wird. Hierdurch sind keine schwerwiegenden Eingriffe in die Systeme eines modernen Verkehrsflugzeugs notwendig, so dass Kosten gespart werden können.

Weiterhin könnte das erfindungsgemäße Kabinendruckregelsystem mindestens eine mit der Kabinendruckregeleinheit und mindestens einem Sensor zum Erfassen des Absolutdrucks Pc in der Flugzeugkabine verbundene Verwaltungseinheit aufweisen, wobei die Verwaltungseinheit der Kabinendruckregeleinheit den einzustellenden

Druckwert vorgibt. Diese Verwaltungseinheit könnte mit einem Flight Management System (FMS) in Verbindung stehen, das zur Vorbereitung einer effizienten

Kabinendruckregelung verschiedene Flugdaten wie Flughöhe oder

Fluggeschwindigkeit oder auch Daten zu geplanten Zeitabläufen übertragen kann.

Es ist für einen Fachmann selbstverständlich, dass die Kabinendruckregeleinheit und die Verwaltungseinheit nicht unbedingt als voneinander getrennte Funktionselemente realisiert sein müssen, sondern dass diese auch durch eine einzige Einheit realisiert werden könnten. Eine entsprechende elektronische Datenverarbeitungseinheit oder dergleichen würde sich hierfür anbieten.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Regelsystems wird bei Änderungen des Kabinendrucks dieser derart eingestellt, dass der Quotient der zeitlichen Abweichung dP/dt des Luftdrucks und des absoluten Luftdrucks Pc (auch als„Unbehaglichkeits-Index" bezeichnet) innerhalb der Kabine konstant bleibt und dessen Ableitung demnach möglichst Null beträgt. Dadurch wird anschwellende Unbehaglichkeit vermieden.

Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zum Regeln des Luftdrucks in einer Kabine sowie durch ein Flugzeug mit einer Kabinendruckregelungseinheit, einer Verwaltungseinheit, mindestens einer Luftzufuhreinrichtung und mindestens einer Luftabfuhreinrichtung sowie mindestens einem Sensor zum Erfassen des momentanen absoluten Luftdrucks in dem Rumpf des Flugzeugs.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich und in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung auch unabhängig von ihrer Zusammensetzung in den einzelnen

Ansprüchen oder deren Rückbeziehungen. In den Figuren stehen weiterhin gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Objekte. Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Systems.

Fig. 2a bis 2c zeigen exemplarisch ein Flugprofil, ein Kabinenhöhenprofil sowie eine Abweichung des erfindungsgemäßen Kabinenhöhenprofils von einem

herkömmlichen Kabinenhöhenprofil.

Fig. 3a und 3b demonstrieren einen Diskomfort-lndex sowie eine zeitliche Ableitung des Diskomfort-Indexes.

DETAILLIERTE DARSTELLUNG EXEMPLARISCHER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 1 zeigt exemplarisch ein erfindungsgemäßes Regelsystem 2 zum Regeln des Kabinendrucks eines Flugzeugs 4, das eine Kabinendruckregeleinheit 6 enthält, die mit einer Verwaltungseinheit 8 verbunden ist. Ein Sensor 10 liefert Signale an die Verwaltungseinheit 8, die den momentanen absoluten Kabinendruck Pc innerhalb eines Rumpfs 12 des Flugzeugs 4 repräsentieren. Selbstverständlich können auch unabhängig von dem Kerngedanken der Erfindung an mehreren und/oder gleichen Stellen innerhalb des Flugzeugrumpfs 12 weitere Sensoren 10 angeordnet werden, wobei die ermittelten Werte für den absoluten Kabinendruck Pc gemittelt oder aus Redundanzgründen miteinander verglichen werden können. Die Anzahl und

Vervielfältigung der Komponenten soll nicht den Gegenstand der Erfindung beschränken. Das Flugzeug 4 enthält hier weiterhin beispielhaft zwei

Luftabfuhreinrichtungen 14 zum kontrollierten Abführen von Luft aus der Kabine zum Regeln des Drucks in der Kabine, wobei hierfür verbreitet beispielsweise

Ventile (sogenannte„outflow valves") zum Abführen von Luft Verwendung finden. Gleichzeitig kann die Lufteinfuhr zum kontrollierten Einfuhren von Luft in die Kabine geregelt werden, um den Druck in der Kabine zu beeinflussen.

Weiterhin kann der Sensor 10 auch alternativ mit der Kabinendruckregeleinheit 6 verbunden sein, so dass die Verwaltungseinheit 8 lediglich bei Einleitung des

Sinkflugs oder des Steigflugs eine Druckänderungsrate oder den Beginn einer Steigoder Sinkflugphase vorgibt. Es ist auch denkbar, dass durch die Verwaltungseinheit 8 die derzeitige Flughöhe an die Kabinendruckregeleinheit 6 übermittelt wird, so dass dort selbsttätig die Einleitung des Sinkflugs oder des Steigflugs erkannt und der Kabinendruck Pc entsprechend angepasst werden kann.

Gemäß dem dargestellten Ausfuhrungsbeispiel wird durch die Verwaltungseinheit 8 stets der momentan erfasste absolute Kabinendruck Pc innerhalb des Rumpfs 12 über den Sensor 10 erfasst, so dass beispielsweise bei Einleitung eines Steigflugs oder eines Sinkflugs nach den erfindungsgemäßen Kriterien eine Änderung des

Kabinendrucks Pc in der Kabine vollzogen werden kann. Die Verwaltungseinheit 8 könnte hierfür dazu eingerichtet, der Kabinendruckregelungseinheit 6 permanent einen solchen einzustellenden Luftdruck vorzugeben, dass der Quotient der zeitlichen Abweichung dPc/dt des Kabinendrucks und des absoluten Kabinendrucks Pc innerhalb der Kabine 12 konstant bleibt: dP„

= const.

Alternativ können die Verwaltungseinheit 8 und die Kabinendruckregeleinheit 6 in Form einer einzelnen Regeleinheit 16 integriert sein. Weiter alternativ könnten die wesentlichen oder sämtliche vorgenannten Funktionen auch durch die

Kabinendruckregeleinheit 6 selbständig vollzogen werden. In Fig. 2a wird ein exemplarisches Flugprofil gezeigt, bei der die Flughöhe in ft („Fuß") gegenüber der Zeit in s aufgetragen ist. In einem ersten Zeitabschnitt 18 steigt das Flugzeug bis zu einer Reiseflughöhe auf und sinkt in einem zweiten Zeitabschnitt 20 auf Bodenniveau. Zum Verringern der mechanischen Belastung des Flugzeugrumpfs 12 ist der absolute Kabinendruck P _c innerhalb des Flugzeugrumpfs 12 im Reiseflug niedriger als am Boden, so dass die Druckdifferenz und damit die auf den Rumpf 12 einwirkende mechanische Kraft verringert wird. Wie eingangs geschildert, kann der jeweilige absolute Kabinendruck Pc in den Rumpf mit einer zugehörigen„Kabinenhöhe" repräsentiert werden. Es hat sich herausgestellt, dass eine Kabinenhöhe von ca. 2.000 m - 3.000 m einen guten Kompromiss zwischen dem Wohlbefinden der Passagiere und der mechanischen Belastung des

Flugzeugrumpfs 12 darstellt, wobei mit„Wohlbefinden" besonders eine

ausreichende Sauerstoffversorgung und eine geringe Verursachung von Müdigkeit gemeint ist.

Wie in Fig. 2b gezeigt, wird die Kabinenhöhe in ft parallel zur Flughöhe angepasst. Die in Fig. 2b gezeigte gestrichelte Linie 22 entspricht dabei einem

Kabinenhöhenprofil, wie es mit einem Regelsystem 2 gemäß der vorliegenden Erfindung realisiert wird. Die durchgezogene Linie 24 entspricht einem mit einem herkömmlichen Regelsystem erzeugten Profil. Aufgrund der global betrachtet recht ähnlichen Kabinendrücke bzw. der sehr ähnlichen Kabinenhöhen wird in Fig. 2c zusätzlich die Differenz zwischen den Verläufen von Pc mit einem

erfindungsgemäßen Regelsystem 2 und einem herkömmlichen Regelsystem gewonnen diagrammatisch dargestellt. Dort wird in dem ersten Zeitabschnitt 18, der dem Steigflug entspricht, eine maximale Differenz von exemplarisch ca. 2,5 mbar zwischen dem herkömmlichen Kabinenhöhenprofil 24 und dem durch das erfindungsgemäße Regelsystem 2 realisierte Kabinenhöhenprofil 22 erreicht. Diese Differenz gleicht die ungleichmäßige Belastung eines Ohrs während des Steigflugs aus und ist für das menschliche Ohr deutlich wahrnehmbar. In dem zweiten

Zeitabschnitt 20, der dem Sinkflug entspricht, werden noch weitaus höhere

Differenzen bis zu exemplarisch 5,5 mbar erreicht, was sich gemäß Boyle's Gesetz durch den hohen Initialdruck beim Einleiten des Sinkflugs ergibt.

Durch diese angepasste Druckratenregelung gemäß der vorliegenden Erfindung wird erreicht, dass das vom Mittelohr eingeschlossene Gas während des gesamten

Steigflugs, bis auf exemplarisch dargestellte Plateaus im Höhenprofil, kontinuierlich expandiert. Analog gilt dies auch für den Sinkflug. Es werden keine lokalen Maxima einer Gasexpansion im Mittelohr erreicht, so dass das Unbehaglichkeitsgefühl während bestimmter Phasen des Steig- oder Sinkflugs nicht übermäßig steigt und keinen Schwankungen unterworfen ist.

In Fig. 3a wird ein sogenannter Unbehaglichkeits-(„Diskomfort")-Index Id(t) gezeigt, der sich durch die Gleichung

P _r (t)

IA ^t ) =— ¹

P _c (t + dt) definieren lässt, wobei Pc(t) für den absoluten Kabinendruck zur Zeit t steht und dt ein Zeitinkrement ist. Die gestrichelte Linie 26 zeigt den Unbehaglichkeits-Index, der mit einem erfindungsgemäßen Regelsystem 2 zum Regeln des Kabinendrucks eines Flugzeugs erreicht wird, während die durchgezogene Linie 28 auch hier den mit einem herkömmlichen Regelsystem erreichten Unbehaglichkeits-Index darstellt. Es fällt bereits augenscheinlich auf, dass sich in keinem der Bereiche des Steigflugs und des Sinkflugs zwischen den beispielhaft vorhandenen Flughöhenprofilplateaus steigende oder fallende Werte für den Unbehaglichkeits-Index ergeben, sondern dass bei ansteigenden oder fallenden Kabinendrücken P _c in dem Rumpf 12 des Flugzeugs 4 ausgewogene, gleichmäßige Werte ergeben. Anschaulich wird dies weiter durch Fig. 3b dargestellt, in der die zeitliche Ableitung des Unbehaglichkeits-Indexes präsentiert wird. Dieser ist bis auf Unstetigkeiten direkt beim Start und bei der Landung Null, d.h. es werden durch das erfindungsgemäße Regelsystem 2 keine anschwellenden Beschwerden bei den Passagieren verursacht.

Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass„aufweisend" keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und„eine" oder„ein" keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als

Einschränkung anzusehen.

BEZUGSZEICHEN

2 erfindungsgemäßes Regelsystem

4 Flugzeug

6 Kabinendruckregeleinheit

8 Verwaltungseinheit

10 Sensor für P _c

12 Flugzeugrumpf

14 Luftabgabeeinrichtung

16 Regeleinheit

18 erster Zeitabschnitt (Steigflug)

20 zweiter Zeitabschnitt (Sinkflug)

22 Kabinenhöhenprofil erfindungsgemäß

24 Kabinenhöhenprofil herkömmlich

26 Unbehaglichkeits-lndex erfindungsgemäß

28 Unbehaglichkeits-lndex herkömmlich