大型運輸機乘員連續供氧呼吸模型及試驗分析

封文春，朱永峰

1. 航空工業第一飛機設計研究院，西安 710089 2. 陜西省飛行器環境控制重點實驗室，西安 710089

航空供氧主要有兩種方式，即肺式供氧和連續供氧。連續供氧是航空上最早采用的供氧系統，雖然其耗氧不經濟，但由于其結構簡單、使用方便可靠、呼吸阻力小、可集體使用等優點，仍然用于大型運輸機旅客、傘兵或傷病員的集體供氧，以及機上走動乘員便攜式應急供氧和醫療用氧。連續供氧的供氧量取決于所配套的面罩和使用對象。不同的使用對象，參考的標準不同。民用飛機旅客和乘務員的連續供氧最小補氧量的基本依據是運輸類飛機適航標準FAR25.1443(c)或CCAR25.1443(c)，即對于旅客和客艙服務員，在不同的座艙壓力高度上每人所需的最小補氧流量，不得小于在使用氧氣設備(包括面罩)時保持下述吸氣平均氣管氣氧分壓所需的氧流量：① 座艙壓力高度超過3 000 m直到5 600 m，每分鐘呼吸15 L (Body Temperature and Pressure Saturated，BTPS)，且(保持固定呼吸時間間隔的)潮氣量為700 mL時，平均氣管氣氧分壓為100 mmHg(1 mmHg =133.3 Pa)；② 座艙壓力高度超過5 600 m 直至12 000 m，每分鐘呼吸30 L(BTPS)，且(保持固定呼吸時間間隔的)潮氣量為1 100 mL時，平均氣管氣氧分壓為83.8 mmHg[1]。對于傘兵和服務人員，供氧的標準為：① 在大約3.5 km以下，保證在肺換氣量15 L/min、潮氣量0.7 L，氣管氣氧分壓為150 mmHg；② 高度為3.5～11 km 范圍內，應保證在肺換氣量30 L/min、潮氣量1.1 L，氣管氣氧分壓不低于122 mmHg[2]。無論是適航條款，還是其他標準，最小補氧量是確保氣管氣氧分壓，并沒有給出不同高度下的供氧量。在相關標準中，如GJB1565、JSSG—2010—10等給出了不同座艙高度下的最小供氧量，但缺乏相關的理論計算模型。雖然在醫學領域建立了相對比較完善的呼吸系統模型[3-7]，主要用于呼吸機模擬和呼吸系統仿真，但在航空工程領域應用上卻沒有相關的呼吸模型。文獻[8]僅是根據供氧量利用FlowMaster對大型運輸機乘員供氧系統進行了仿真，分析了系統的流量分配。文獻[2]給出了連續供氧供氧量計算公式，但并不通用。

本文所開展的大型運輸機乘員供氧試驗在國內尚屬首次，設計了物理模擬試驗和真人試驗。物理模擬試驗是利用機械肺模擬呼吸，通過測試假人頭部口鼻型面罩內的氧濃度來判斷系統供氧是否滿足要求。真人試驗是利用真人模擬低壓情況下的供氧，通過測試心電圖、指尖血氧飽和度等生理指標判斷是否缺氧。

本文基于人體呼吸過程，建立了連續供氧呼吸模型，計算分析了不同供氧標準下不同高度的最小供氧量。介紹了大型運輸機乘員供氧試驗方法與原理，并對試驗數據進行了分析。

1 乘員供氧系統

采用氣氧方式為乘員供氧的大型運輸機乘員氧氣系統一般由高壓氣氧源、減壓器組件、氧氣調節器、面罩以及管路附件等組成。其中氧氣調節器為集體用連續供氧調節器。存儲的高壓氣氧，經減壓器減壓后輸送到氧氣調節器，由調節器根據座艙高度調整后端管內壓力，由每個供氧點的限流孔保證在不同座艙高度下的供氧流量。典型的大型運輸機乘員氣氧供氧系統如圖1所示。

所謂連續供氧，是指不依據肺通氣量和呼吸頻率而連續不斷地提供氧氣，主要依靠面罩上的呼吸活門和儲氣袋調節。不同座艙高度下，每個供氧點的供氧流量要求如表1所示[9]，表中NTPD 表示正常狀態，即20 ℃、760 mmHg、干燥氣體條件。

圖1 典型大型運輸機乘員供氧系統Fig.1 Oxygen supply system for members in typical large transport aircraft表1 佩戴連續供氧面罩的每個乘客的氧氣流量[9]Table 1 Oxygen flow of each passenger with continuous oxygen supply mask[9]

Cabin altitude/kmCabin pressure/mmHgFlow/(L·min-1)(NTPD)3525.820.74.5432.960.76353.852.07.5286.882.909230.563.6210198.264.2512144.854.70

2 連續供氧呼吸模型

機體與外界環境之間和機體內部進行氣體交換的過程，稱為呼吸[10]。人類的呼吸過程必須經歷3個基本環節，即外呼吸、氣體運輸和內呼吸。針對航空供氧系統來說，主要關心外呼吸過程。外呼吸包括外界空氣與肺泡之間的氣體交換以及肺泡與毛細血管中血液之間的氣體交換，即肺通氣和肺換氣兩個過程。肺泡氣氧分壓水平決定著動脈血被氧合的程度，因此，可通過肺泡氣氧分壓來判斷是否缺氧。簡化的肺泡氣氧分壓方程為[11]

(1)

式中：PAO2為肺泡氣氧分壓；PIO2為氣管氣氧分壓；PACO2為肺泡二氧化碳分壓；FIO2為氣管氣氧濃度；RA為肺泡氣交換率，其表達式為

(2)

其中：FACO2、FAO2分別為肺內二氧化碳和氧氣的濃度。

由式(1)可以看出，在假定肺泡二氧化碳分壓不變的情況下，肺泡氣氧分壓主要取決于氣管氣氧分壓和氣管氣氧濃度。氣管氣壓力在體溫恒定的條件下與座艙高度相關，氣管氣氧濃度與吸入氣成分相關。

高空供氧，一般都是通過氧氣面罩來為乘員補充氧氣。對運輸類飛機的乘員供氧來說，采用的面罩一般為罩住口、鼻的口鼻型連續供氧面罩，由面罩主體、活門、面罩懸掛裝置、儲氣袋、供氧軟管等組成[12-14]。有開式稀釋再呼吸式面罩、活門或節流式時相稀釋再呼吸式面罩、活門或節流式時相稀釋儲氣式面罩等形式。在航空中應用較多的是采用儲氣袋的活門或節流式時相稀釋儲氣式面罩。在面罩主體和儲氣袋之間裝有控制活門，用于阻止呼出氣進入儲氣袋，以保證儲氣袋內是純氧。在吸氣相后期，隨著儲氣袋內純氧的消耗使環境空氣活門受載開啟，引入環境空氣完成稀釋。呼氣時，空氣活門和供氧活門關閉，呼出氣通過呼氣活門排出。在呼吸過程中，由于無效腔的存在，呼出氣并不是完全排出的，無效腔內有一定的殘留量。圖2是佩戴該型氧氣面罩的呼吸過程簡化模型。

實際的呼吸過程比較復雜，為了簡化計算，模型的建立基于如下假設：

1) 體溫恒定為37 ℃。

2) 忽略面罩死腔的影響，并假定吸入氣在面罩內充分混合后再被吸入氣管。

3) 忽略座艙空氣中水蒸氣和二氧化碳的影響，吸入氣僅由氧氣和氮氣組成。

4) 忽略吸入氣和呼出氣在呼吸無效腔殘留的影響。

根據上述假設，吸入氣含氧體積百分比為

(3)

式中：QO2、Qa分別為單次吸氣時系統提供的氧氣量和吸入的空氣量，應等于潮氣量VT(單位為L)，即

QO2+Qa=VT

(4)

吸入的空氣量Qa與潮氣量和供氧量有關，一般是在吸氣末通過面罩的吸氣活門吸入。吸入空氣量可以根據面罩呼吸活門的設計參數和吸入氣壓力及座艙壓力進行計算，在本文中是將式(4)代入式(3)消去了Qa，在求得供氧量后再由式(4)求得吸入空氣量。常數項0.21是座艙空氣中氧氣的體積百分比，試驗證明，空氣中恒定組成部分的體積百分比在距離地面100 km高度以內幾乎是不變的[15]。

吸入氣由于在進入氣管后被水蒸氣稀釋，因此氣管氣各組分體積百分比與吸入氣不同?；隗w溫恒定時氣管氣為飽和濕氣，水蒸氣含量不變的條件下，同時忽略呼出氣在氣管內的殘留，氣管氣主要有氧氣、氮氣和水蒸氣組成。氣管氣氧組分體積百分比FIO2可由式(5)～式(6)計算，其中含濕量可由飽和水蒸氣壓和吸入氣壓力求得[16]。

圖2 連續供氧呼吸模型Fig.2 Respiration model for continuous oxygen supply

(5)

(6)

式中：d為氣管氣含濕量，kg/kg(干空氣)；Pa為吸入氣壓，mmHg；Ps為體溫時的飽和水蒸氣壓，mmHg；Ra、RI分別為吸入氣和氣管氣氣體常數，可由各組分質量百分比計算。根據氣管氣含濕量恒定的條件，氣管氣各組分質量百分比計算表達式為

(7a)

(7b)

(7c)

式中：gaO2、gaN2為吸入氣中氧氣和氮氣的質量百分比，由吸入的座艙空氣、系統供應的純氧組成，可根據吸入氣各組分的體積百分比計算，即

(8)

其中：Fai為吸入氣組分i的體積百分比；Mi為組分i氣體摩爾質量；n為組分數量。吸入氣僅由氧氣和氮氣組成，因此可得

FaN2=1-FaO2

(9)

由式(3)～式(9)，按照供氧標準即可計算不同高度下的供氧量。

3 試 驗

3.1 試驗原理及方法

試驗是驗證供氧系統是否滿足生理需求的重要手段。本文所開展的大型運輸機乘員供氧試驗在國內尚屬首次，為了保證參試人員的安全，試驗分為物理模擬試驗和真人試驗。

雖然工程上是按照相關標準設計供氧流量，由調節器根據座艙高度調節供氧口前端壓力，結合供氧口的限流孔實現按高度調節供氧流量。但在試驗中僅測試流量不能驗證供氧生理要求。肺泡氣氧分壓或血氧飽和度是判斷是否缺氧的直接依據，然而在試驗中直接進行真人試驗具有一定的風險。根據適航條款和相關標準，可用氣管氣氧分壓判斷是否缺氧，氣管氣氧分壓計算表達式為

PIO2=(Pa-Ps)FIO2

(10)

考慮到物理模擬試驗中所用機械肺并沒有增加水蒸氣，吸入氣和氣管氣的成份一致，因此，在物理試驗中可通過測試面罩內的氧濃度來判斷系統供氧是否滿足生理要求。

首先進行物理模擬試驗，利用機械肺模擬呼吸，測試假人頭部供氧面罩內的氧濃度來判斷系統供氧是否滿足要求。然后進行真人試驗。測試者進入低壓艙并坐下，然后上升高度至3 050 m和4 575 m，分別在此高度穩定停留3 min，測量被試者血氧飽和度，建立對應于平均氣管氣氧分壓分別為100 mmHg和83.8 mmHg的血氧飽和度基準線，血氧飽和度分別為90%～93%和83%～ 86%。吸氧排氮30 min后上升至12 000 m高度，然后每下降1 524 m高度停留3 min，通過測試心電圖和指尖血氧飽和度判斷供氧是否滿足生理要求。

物理模擬試驗又分為兩個階段，即機械肺模擬試驗和多點測試。在測試中，供氧點的前端按照飛機實際裝機狀態由氧氣調節器和座艙高度傳感器及激勵器按照不同座艙高度調節輸出壓力。機械肺模擬試驗的原理如圖3所示，通過測試佩戴在假人頭部面罩內的氧濃度來初步判斷系統的供氧是否滿足要求。

由于受到試驗條件的限制，不可能模擬全乘員狀態。在試驗時，選擇系統的一個典型支路，按照實際裝機狀態連接，測試32個供氧點，其中2個 測試點利用機械肺模擬肺通氣量。另外的30個測試點利用壓差模擬吸氣過程，但是不能模擬呼氣過程。在每個面罩上打孔用細管抽取面罩內的氣體利用質譜儀進行氧濃度的測試，試驗原理如圖4所示。系統管路、調節器、假人頭模型等放在低壓艙內，模擬不同的座艙高度。通過高度傳感器和激勵器給氧氣調節器發送座艙高度信號，氧氣調節器按照座艙高度調節輸出壓力，達到在不同的座艙高度下供氧量的調節。

圖3 機械肺測試原理圖Fig.3 Test schematic of mechanical lung

圖4 氧濃度測試原理圖Fig.4 Test schematic of oxygen concentration

3.2 試驗數據

機械肺模擬試驗的數據如表2所示，肺通氣量為20 L/min。多點測試試驗主要以肺通氣量為20 L/min為主，試驗的部分數據如圖5所示，圖中所示面罩腔內氧濃度為測試數據的最小值和最大值的均值，其中測試點31和32為機械肺，其余各點是通過壓差來模擬吸氣量，沒有呼氣。肺通氣量為30 L/min(呼吸頻率為每分鐘25次)時僅利用機械肺測試，試驗數據如表3所示。真人測試的試驗數據如表4所示。

表2 機械肺兩點測試面罩內氧濃度Table 2 Two-point test measured oxygen concentrations in mask with mechanical lung

圖5 多點測試數據(肺通氣量：20 L/min)Fig.5 Multi-point test datas (pulmonary ventilation: 20 L/min)表3 面罩內氧濃度(肺通氣量：30 L/min)Table 3 Oxygen concentration in mask (pulmonary ventilation: 30 L/min)

Cabin altitude/kmOxygen concentration/%No.1 mechanical lungNo.2 mechanical lungMean peak value3.023-2523-2525.04.025-2624-2726.54.527-2825-2828.06.033-3629-3636.07.539-4536-4746.08.153-5955-5959.09.058-6459-6765.510.060-7060-7170.511.066-7665-7977.5

表4 被試者指尖血氧飽和度Table 4 Testers’ oxygen saturation of blood at fingertip

4 理論計算與試驗數據分析

4.1 理論計算

供氧標準僅給出了最小補氧量應滿足平均氣管氣氧分壓的要求，并沒有給出不同高度上的供氧量大小。雖然相關標準[9,17]給出了不同高度的最小供氧量，但無理論計算依據。文獻[2]基于連續供氧要求，給出了在各高度上系統應向每個用氧者供應的氧氣量：

QO2=1.57×10-3[PIO2-0.21(PH-47)]VA

(10)

式中：VA為肺換氣量，L/min(BTPS)；PH為在高度H上的大氣壓力，mmHg。

按照本文建立的呼吸模型，根據民機適航條款旅客最小補氧量計算的供氧量以及按照文獻[2] 計算的最小供氧量的對比如表5所示。依據傘兵供氧標準計算的補氧量和文獻[10]給出的供氧量的對比如表6所示。

表5 民機旅客連續供氧流量Table 5 Continuous oxygen supply flow of civil aircraft passengers

注：① 按照現行適航標準計算；② 計算時供氧系統的溫度按15 ℃計，座艙空氣溫度為相應高度上的環境溫度；③ 在11.0 km的高度已到最大供氧量。

表6 傘兵連續供氧流量Table 6 Continuous oxygen supply flow of paratroops

注：① 按照文獻[2]的供氧標準計算。

從表5中數據可以看出，文獻[2]給出的公式按照現役適航標準(CCAR25-R4)計算民機旅客的供氧量明顯偏小，與連續供氧標準的要求偏差較大。按照傘兵供氧標準，文獻[2]公式計算的數據與本文的計算數據基本上都位于文獻[10]給出的供氧量區間內。通過與標準和相關文獻的對比表明，所建的連續供氧呼吸模型可以作為連續供氧系統不同高度供氧流量的計算理論依據。

利用所建的連續供氧呼吸模型，按照適航供氧標準計算的民機旅客不同高度的供氧流量和吸入氣氧濃度曲線如圖6所示。從圖中可以看出，在10.5 km處供氧流量出現下降，是由于計算的精度所致。吸入氣氧濃度在5.5 km處出現了拐點，這是由于肺通氣量和平均氣管氣氧分壓改變所致。

圖6 不同高度下供氧流量和吸入氣氧濃度Fig.6 Oxygen supply flow and inhaled oxygen concentration at different altitudes

4.2 試驗數據分析

在進行試驗時，一般先采用機械肺來替代人員模擬呼吸過程。機械肺使用一個勻速旋轉的凸輪，帶動活塞在套筒中往復運動來模擬人的呼吸。由于這種呼吸不包含水蒸氣，也無肺泡二氧化碳分壓，氣管氣與吸入氣的氣體組分基本一致。吸入氣氧分壓等于氣管氣氧分壓，通過測試面罩腔內的濃度即可判斷供氧是否滿足生理需求。

在試驗中，機械肺的肺通氣量和旋轉頻率是固定，主要有兩種肺通氣量，即15 L/min和20 L/min (NTPD)。供氧系統的供氧量按照標準根據高度進行調節，實際供氧量一般大于標準要求值。從表3的數據可以看出，系統按高度提供的供氧流量能夠滿足吸入氣氧濃度的要求。從圖5 多點測試的氧濃度數據可以看出，除了兩個測試點氧濃度有較大偏差外，其余各點的變化趨勢基本是一致的，說明所設計的物理試驗方法是可行的。由所測得面罩內的氧濃度可換算出各測試點的氧分壓。圖7給出了座艙高度為4.0、7.5、 9.0和12.0 km下各測試點的氧分壓。

圖7 不同座艙高度下各測試點的氧分壓(通氣量： 20 L/min)Fig.7 Oxygen partial pressure at each test point at different cabin altitudes(ventilation： 20 L/min)

由試驗測試結果可見，在通氣量為20 L/min的情況下，12 km及其以下高度各測試點的氧分壓均達到100～83.8 mmHg，滿足供氧防護生理要求。通氣量為15 L/min時，12 km及其以下高度各測試點的氧分壓也滿足供氧防護生理要求，其測試結果不再具體給出。

但是，從試驗數據還可以看出，測試點的氧分壓值基本上均大于標準值的要求，這與連續供氧系統的供氧特點有關。實際上，在實際的呼吸過程中，只有1/4到1/3的吸入氧被吸入進血液，其余的被呼出浪費[18]。試驗表明，人體呼吸純氧時，從呼吸氣中吸收的氧僅占消耗量的1/4～1/23[2]。為了克服連續供氧系統耗氧量大的缺點，目前正在研究電子脈沖肺式供氧系統(EDS)，并已在B787飛機和A350XWB飛機旅客氧氣系統上得到應用。效率測量表明，EDS輸送的氧氣有90%直接進入血液，僅利用典型恒定流量系統1/10的氧氣，即可維持高于90%的血氧飽和度。

5 結 論

1) 所建連續供氧呼吸模型可以計算不同供氧標準在不同高度下的供氧流量，為乘員連續供氧流量標準提供了理論計算依據。

2) 理論計算結果表明，根據所建模型計算所得的供氧流量與標準值基本一致。

3) 試驗結果表明，在通氣量為15 L/min和20 L/min，座艙高度12 km及其以下，各測試點氧分壓滿足供氧生理要求。