超音速客机的环境医学问题

今日大多数客机的航速仍处于亚音速阶段。第一代超音速客机(SST)，为苏联制造的图-144飞机及英、法联合研制的协和式(Concorde)飞机，在七十年代中期正式投入民航运输事业。第一代SST的航速可达2～3倍音速，巡航高度为15000～22500m，载客100～300人。SST的出现，一方面使民航运输的安全与效率进一步提高；另一方面也带来一系列引起争议的环境医学问题。英、法两国曾于1963年成立专门的航空医学组织(Anglo-FrenchConcorde Aeromedical Group)对协和式飞机的环境医学问题进行系统探讨。
座舱压力制度与应急供氧问题 协和式飞机密封增压座舱压力制度的设计标准，较亚音速客机(如DC-9、B-747等)有所提高(见表1)。在密封增压系统工作正常的情况下，飞机在18km高度上航行时，舱内高度仅为1800m，故不存在缺氧问题。但在巡航高度上发生座舱减压时，则需有特殊防护措施。为预防减压后发生严重缺氧，飞行人员所用供氧装备具有能进行余压为30mmHg的应急加压供氧性能，配备有仅用单手即能在5秒钟内迅速戴妥的面罩，并可在7.5秒内接通通讯，以保证飞行人员能在减压后迅速将飞机降至安全高度。旅客用供氧装备设计要求定得较低，属于连续型供氧系统，装在旅客座位上方小橱内（清洁间顶端小橱内亦有）。当舱内高度达到4300m左右时，便自动放下供氧面罩（另备有婴儿使用的小型面罩）供应急使用。此外，还有一定数量的携带式供氧装备供空中服务员使用。在巡航高度上发生意外减压时，根本的应急措施是立即下降到安全高度。按设计要求，当协和式飞机在空中有一个舷窗发生破损时(在19800m上空)，如能在30秒内开始应急下降，则在3分钟内座舱高度可下降至7600m以下，6.5分钟内可降至4600m。按协和式的设计要求，发生一般性减压(指座舱高度不超过4600m)的概率应为每10³～10⁵飞行小时1次；少见的减压(不超过7600m)，每10⁵～10⁷小时1次； 罕见的减压(7600m以上)，每10⁷小时不足1次。为达到这一要求，设计上着眼于减小可能发生的破孔的截面积，并减少进气渠道发生完全故障的可能性，以尽量降低减压速度。为此，采用了小尺寸舷窗(直径15.2cm)，小型复合式排气阀(small multiple discharge valve)和复合式进气道(multiple air supplies)等工程措施。
粒子辐射 银河宇宙线的剂量率相当恒定，在19800m的高纬度航线上，最大人体剂量率约为1.3mrem/h；亚音速客机在11000m的北纬45°航线上飞行时，则为0.5mrem/h。SST速度大，在航线上的时间缩短，每公里的暴露剂量实际上和亚音速客机相近。实际测量也证明SST飞行人员和旅客所接受的宇宙线剂量都不超过容许标准，与亚音速飞机相似。出现太阳耀斑时，太阳宇宙辐射可突然增强，飞机不具备防护条件，只有降低高度以保证安全。目前有三种警报系统可供使用：
❶卫星警报系统。可作出7天内的预报，并可连续进行监测，至迟在耀斑辐射粒子到达地球大气层之前20分钟即可发出警报，使SST有足够时间降至12000m安全高度。在此高度上剂量率减低6倍，即使发生特大太阳质子事件亦可保证安全。
❷空间环境预报中心，每天发布两次预报。
❸机载警报系统，在耀斑辐射干扰通讯而得不到地面发出的警报时起作用。其可靠性要求是：无故障期1年以上，精度为1±0.33mrem/h，量程为0.5～10000mrem/h。剂量率达10mrem/h(概率为10^-4)时发出警报，机长应准备好应急计划。如剂量率继续增至50mrem/h，在无其它特殊情况时必须降低高度。这是一种谨慎措施，即使将必须下降高度的报警标准再提高几百毫雷姆，机组人员和旅客仍然是安全的。

表1 环境高度与座舱高度(m)

环境高度	座舱高度
	DC-9	B-747	协和式
18500 17000 15250			1855 1675 1395
13730 13700 12800 12200		2370 2365 2125 1920	1115 1110 875 750
10650 9150 7600 6850 6100 4550	2440 1800 1055 680 275 海平面	1410 850 195 海平面	305 海平面

引自： Manual of Civil Aviation Medicine,ICAO,1974
噪声 SST发动机推力比亚音速飞机大，因此噪声也较大。SST起飞时爬升快，故对机场附近影响范围与亚音速飞机相近(见表2)，但仍比DC-10和B-747严重。第二代SST设计将采用可变机翼方案，其特点为起飞时可用较小推力产生巨大升力，从而减少噪声； 同时兼顾超音速飞行时减少空气阻力以降低飞机耗油量的要求，因此可采用噪声较小的发动机。此外，还可进一步研制推力大而噪声小的新式发动机，克服协和式飞机的缺点，并继续提高速度和载重量。
动力噪声 为速度增大时，机身表面与空气摩擦而产生的噪声。在巡航高度上，空气密度小，动力噪声也因表速受到限制而减弱，又因采用先进的隔声技术，遂使舱内动力噪声可保持在旅客舒适的水平。

表2 几种飞机噪声级的比较(单位，EPN dB)

测 量 点	B-707	DC-8	协和式
侧面噪声(与跑道垂直方向距跑道中心0.65km) 起飞噪声 (沿跑道方向距跑道前端1.85km) 进近噪声(沿跑道方向距跑道终端1.85km)	108 114 120	106 115 117	111 114 115

引自： Preston及Lavernhe,1971
动力热 飞行速度为二倍音速时，因气动力加热可使机身外驻点温度达130℃，并向舱内传递。此时仅依靠机舱空调设备已不能满足要求，可使飞机燃料流经空气压缩器进行热交换，以降低送入舱内空气的温度，使黑球温度保持在15～30℃范围，风速则不超过40m/min，舱壁各点的温度保持在15～60℃。也可设计带有夹层的舱壁结构，让气流通过夹层冷却。
臭氧 在SST巡航高度，大气中臭氧浓度约为4ppm。在爬高或以巡航速度飞行时，空调压缩系统之温度为400℃，在0.5秒钟内即可将进入舱内空气中所含之臭氧几乎全部破坏，使座舱内浓度保持在0.1ppm。降低高度时，由于压缩器温度降至300℃，臭氧解离速度减少10%，于是在开始下降之3分钟内臭氧浓度可达到0.25ppm。但这种暴露即使持续数小时，对人体也并无危害。
爆声 SST在巡航高度上作超音速飞行时所形成的激波传至地面时，会产生一种恒定的对地声压，沿航迹两侧20km范围内，可达7.5～10kg/m2。这种激波掠过地面时所引起的轰鸣声称“爆声”，或称“音爆”，虽不足以对人体造成病理性损害，但严重干扰日常生活。对此采取的主要防护措施为规定超音速飞行高度不得低于9km。