大型运输机乘员连续供氧呼吸模型及试验分析

封文春，朱永峰

1. 航空工业第一飞机设计研究院，西安 710089 2. 陕西省飞行器环境控制重点实验室，西安 710089

航空供氧主要有两种方式，即肺式供氧和连续供氧。连续供氧是航空上最早采用的供氧系统，虽然其耗氧不经济，但由于其结构简单、使用方便可靠、呼吸阻力小、可集体使用等优点，仍然用于大型运输机旅客、伞兵或伤病员的集体供氧，以及机上走动乘员便携式应急供氧和医疗用氧。连续供氧的供氧量取决于所配套的面罩和使用对象。不同的使用对象，参考的标准不同。民用飞机旅客和乘务员的连续供氧最小补氧量的基本依据是运输类飞机适航标准FAR25.1443(c)或CCAR25.1443(c)，即对于旅客和客舱服务员，在不同的座舱压力高度上每人所需的最小补氧流量，不得小于在使用氧气设备(包括面罩)时保持下述吸气平均气管气氧分压所需的氧流量：① 座舱压力高度超过3 000 m直到5 600 m，每分钟呼吸15 L (Body Temperature and Pressure Saturated，BTPS)，且(保持固定呼吸时间间隔的)潮气量为700 mL时，平均气管气氧分压为100 mmHg(1 mmHg =133.3 Pa)；② 座舱压力高度超过5 600 m 直至12 000 m，每分钟呼吸30 L(BTPS)，且(保持固定呼吸时间间隔的)潮气量为1 100 mL时，平均气管气氧分压为83.8 mmHg[1]。对于伞兵和服务人员，供氧的标准为：① 在大约3.5 km以下，保证在肺换气量15 L/min、潮气量0.7 L，气管气氧分压为150 mmHg；② 高度为3.5～11 km 范围内，应保证在肺换气量30 L/min、潮气量1.1 L，气管气氧分压不低于122 mmHg[2]。无论是适航条款，还是其他标准，最小补氧量是确保气管气氧分压，并没有给出不同高度下的供氧量。在相关标准中，如GJB1565、JSSG—2010—10等给出了不同座舱高度下的最小供氧量，但缺乏相关的理论计算模型。虽然在医学领域建立了相对比较完善的呼吸系统模型[3-7]，主要用于呼吸机模拟和呼吸系统仿真，但在航空工程领域应用上却没有相关的呼吸模型。文献[8]仅是根据供氧量利用FlowMaster对大型运输机乘员供氧系统进行了仿真，分析了系统的流量分配。文献[2]给出了连续供氧供氧量计算公式，但并不通用。

本文所开展的大型运输机乘员供氧试验在国内尚属首次，设计了物理模拟试验和真人试验。物理模拟试验是利用机械肺模拟呼吸，通过测试假人头部口鼻型面罩内的氧浓度来判断系统供氧是否满足要求。真人试验是利用真人模拟低压情况下的供氧，通过测试心电图、指尖血氧饱和度等生理指标判断是否缺氧。

本文基于人体呼吸过程，建立了连续供氧呼吸模型，计算分析了不同供氧标准下不同高度的最小供氧量。介绍了大型运输机乘员供氧试验方法与原理，并对试验数据进行了分析。

1 乘员供氧系统

采用气氧方式为乘员供氧的大型运输机乘员氧气系统一般由高压气氧源、减压器组件、氧气调节器、面罩以及管路附件等组成。其中氧气调节器为集体用连续供氧调节器。存储的高压气氧，经减压器减压后输送到氧气调节器，由调节器根据座舱高度调整后端管内压力，由每个供氧点的限流孔保证在不同座舱高度下的供氧流量。典型的大型运输机乘员气氧供氧系统如图1所示。

所谓连续供氧，是指不依据肺通气量和呼吸频率而连续不断地提供氧气，主要依靠面罩上的呼吸活门和储气袋调节。不同座舱高度下，每个供氧点的供氧流量要求如表1所示[9]，表中NTPD 表示正常状态，即20 ℃、760 mmHg、干燥气体条件。

图1 典型大型运输机乘员供氧系统Fig.1 Oxygen supply system for members in typical large transport aircraft表1 佩戴连续供氧面罩的每个乘客的氧气流量[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 连续供氧呼吸模型

机体与外界环境之间和机体内部进行气体交换的过程，称为呼吸[10]。人类的呼吸过程必须经历3个基本环节，即外呼吸、气体运输和内呼吸。针对航空供氧系统来说，主要关心外呼吸过程。外呼吸包括外界空气与肺泡之间的气体交换以及肺泡与毛细血管中血液之间的气体交换，即肺通气和肺换气两个过程。肺泡气氧分压水平决定着动脉血被氧合的程度，因此，可通过肺泡气氧分压来判断是否缺氧。简化的肺泡气氧分压方程为[11]

(1)

式中：PAO2为肺泡气氧分压；PIO2为气管气氧分压；PACO2为肺泡二氧化碳分压；FIO2为气管气氧浓度；RA为肺泡气交换率，其表达式为

(2)

其中：FACO2、FAO2分别为肺内二氧化碳和氧气的浓度。

由式(1)可以看出，在假定肺泡二氧化碳分压不变的情况下，肺泡气氧分压主要取决于气管气氧分压和气管气氧浓度。气管气压力在体温恒定的条件下与座舱高度相关，气管气氧浓度与吸入气成分相关。

高空供氧，一般都是通过氧气面罩来为乘员补充氧气。对运输类飞机的乘员供氧来说，采用的面罩一般为罩住口、鼻的口鼻型连续供氧面罩，由面罩主体、活门、面罩悬挂装置、储气袋、供氧软管等组成[12-14]。有开式稀释再呼吸式面罩、活门或节流式时相稀释再呼吸式面罩、活门或节流式时相稀释储气式面罩等形式。在航空中应用较多的是采用储气袋的活门或节流式时相稀释储气式面罩。在面罩主体和储气袋之间装有控制活门，用于阻止呼出气进入储气袋，以保证储气袋内是纯氧。在吸气相后期，随着储气袋内纯氧的消耗使环境空气活门受载开启，引入环境空气完成稀释。呼气时，空气活门和供氧活门关闭，呼出气通过呼气活门排出。在呼吸过程中，由于无效腔的存在，呼出气并不是完全排出的，无效腔内有一定的残留量。图2是佩戴该型氧气面罩的呼吸过程简化模型。

实际的呼吸过程比较复杂，为了简化计算，模型的建立基于如下假设：

1) 体温恒定为37 ℃。

2) 忽略面罩死腔的影响，并假定吸入气在面罩内充分混合后再被吸入气管。

3) 忽略座舱空气中水蒸气和二氧化碳的影响，吸入气仅由氧气和氮气组成。

4) 忽略吸入气和呼出气在呼吸无效腔残留的影响。

根据上述假设，吸入气含氧体积百分比为

(3)

式中：QO2、Qa分别为单次吸气时系统提供的氧气量和吸入的空气量，应等于潮气量VT(单位为L)，即

QO2+Qa=VT

(4)

吸入的空气量Qa与潮气量和供氧量有关，一般是在吸气末通过面罩的吸气活门吸入。吸入空气量可以根据面罩呼吸活门的设计参数和吸入气压力及座舱压力进行计算，在本文中是将式(4)代入式(3)消去了Qa，在求得供氧量后再由式(4)求得吸入空气量。常数项0.21是座舱空气中氧气的体积百分比，试验证明，空气中恒定组成部分的体积百分比在距离地面100 km高度以内几乎是不变的[15]。

吸入气由于在进入气管后被水蒸气稀释，因此气管气各组分体积百分比与吸入气不同。基于体温恒定时气管气为饱和湿气，水蒸气含量不变的条件下，同时忽略呼出气在气管内的残留，气管气主要有氧气、氮气和水蒸气组成。气管气氧组分体积百分比FIO2可由式(5)～式(6)计算，其中含湿量可由饱和水蒸气压和吸入气压力求得[16]。

图2 连续供氧呼吸模型Fig.2 Respiration model for continuous oxygen supply

(5)

(6)

式中：d为气管气含湿量，kg/kg(干空气)；Pa为吸入气压，mmHg；Ps为体温时的饱和水蒸气压，mmHg；Ra、RI分别为吸入气和气管气气体常数，可由各组分质量百分比计算。根据气管气含湿量恒定的条件，气管气各组分质量百分比计算表达式为

(7a)

(7b)

(7c)

式中：gaO2、gaN2为吸入气中氧气和氮气的质量百分比，由吸入的座舱空气、系统供应的纯氧组成，可根据吸入气各组分的体积百分比计算，即

(8)

其中：Fai为吸入气组分i的体积百分比；Mi为组分i气体摩尔质量；n为组分数量。吸入气仅由氧气和氮气组成，因此可得

FaN2=1-FaO2

(9)

由式(3)～式(9)，按照供氧标准即可计算不同高度下的供氧量。

3 试 验

3.1 试验原理及方法

试验是验证供氧系统是否满足生理需求的重要手段。本文所开展的大型运输机乘员供氧试验在国内尚属首次，为了保证参试人员的安全，试验分为物理模拟试验和真人试验。

虽然工程上是按照相关标准设计供氧流量，由调节器根据座舱高度调节供氧口前端压力，结合供氧口的限流孔实现按高度调节供氧流量。但在试验中仅测试流量不能验证供氧生理要求。肺泡气氧分压或血氧饱和度是判断是否缺氧的直接依据，然而在试验中直接进行真人试验具有一定的风险。根据适航条款和相关标准，可用气管气氧分压判断是否缺氧，气管气氧分压计算表达式为

PIO2=(Pa-Ps)FIO2

(10)

考虑到物理模拟试验中所用机械肺并没有增加水蒸气，吸入气和气管气的成份一致，因此，在物理试验中可通过测试面罩内的氧浓度来判断系统供氧是否满足生理要求。

首先进行物理模拟试验，利用机械肺模拟呼吸，测试假人头部供氧面罩内的氧浓度来判断系统供氧是否满足要求。然后进行真人试验。测试者进入低压舱并坐下，然后上升高度至3 050 m和4 575 m，分别在此高度稳定停留3 min，测量被试者血氧饱和度，建立对应于平均气管气氧分压分别为100 mmHg和83.8 mmHg的血氧饱和度基准线，血氧饱和度分别为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，通过测试心电图和指尖血氧饱和度判断供氧是否满足生理要求。

物理模拟试验又分为两个阶段，即机械肺模拟试验和多点测试。在测试中，供氧点的前端按照飞机实际装机状态由氧气调节器和座舱高度传感器及激励器按照不同座舱高度调节输出压力。机械肺模拟试验的原理如图3所示，通过测试佩戴在假人头部面罩内的氧浓度来初步判断系统的供氧是否满足要求。

由于受到试验条件的限制，不可能模拟全乘员状态。在试验时，选择系统的一个典型支路，按照实际装机状态连接，测试32个供氧点，其中2个 测试点利用机械肺模拟肺通气量。另外的30个测试点利用压差模拟吸气过程，但是不能模拟呼气过程。在每个面罩上打孔用细管抽取面罩内的气体利用质谱仪进行氧浓度的测试，试验原理如图4所示。系统管路、调节器、假人头模型等放在低压舱内，模拟不同的座舱高度。通过高度传感器和激励器给氧气调节器发送座舱高度信号，氧气调节器按照座舱高度调节输出压力，达到在不同的座舱高度下供氧量的调节。

图3 机械肺测试原理图Fig.3 Test schematic of mechanical lung

图4 氧浓度测试原理图Fig.4 Test schematic of oxygen concentration

3.2 试验数据

机械肺模拟试验的数据如表2所示，肺通气量为20 L/min。多点测试试验主要以肺通气量为20 L/min为主，试验的部分数据如图5所示，图中所示面罩腔内氧浓度为测试数据的最小值和最大值的均值，其中测试点31和32为机械肺，其余各点是通过压差来模拟吸气量，没有呼气。肺通气量为30 L/min(呼吸频率为每分钟25次)时仅利用机械肺测试，试验数据如表3所示。真人测试的试验数据如表4所示。

表2 机械肺两点测试面罩内氧浓度Table 2 Two-point test measured oxygen concentrations in mask with mechanical lung

图5 多点测试数据(肺通气量：20 L/min)Fig.5 Multi-point test datas (pulmonary ventilation: 20 L/min)表3 面罩内氧浓度(肺通气量：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 被试者指尖血氧饱和度Table 4 Testers’ oxygen saturation of blood at fingertip

4 理论计算与试验数据分析

4.1 理论计算

供氧标准仅给出了最小补氧量应满足平均气管气氧分压的要求，并没有给出不同高度上的供氧量大小。虽然相关标准[9,17]给出了不同高度的最小供氧量，但无理论计算依据。文献[2]基于连续供氧要求，给出了在各高度上系统应向每个用氧者供应的氧气量：

QO2=1.57×10-3[PIO2-0.21(PH-47)]VA

(10)

式中：VA为肺换气量，L/min(BTPS)；PH为在高度H上的大气压力，mmHg。

按照本文建立的呼吸模型，根据民机适航条款旅客最小补氧量计算的供氧量以及按照文献[2] 计算的最小供氧量的对比如表5所示。依据伞兵供氧标准计算的补氧量和文献[10]给出的供氧量的对比如表6所示。

表5 民机旅客连续供氧流量Table 5 Continuous oxygen supply flow of civil aircraft passengers

注：① 按照现行适航标准计算；② 计算时供氧系统的温度按15 ℃计，座舱空气温度为相应高度上的环境温度；③ 在11.0 km的高度已到最大供氧量。

表6 伞兵连续供氧流量Table 6 Continuous oxygen supply flow of paratroops

注：① 按照文献[2]的供氧标准计算。

从表5中数据可以看出，文献[2]给出的公式按照现役适航标准(CCAR25-R4)计算民机旅客的供氧量明显偏小，与连续供氧标准的要求偏差较大。按照伞兵供氧标准，文献[2]公式计算的数据与本文的计算数据基本上都位于文献[10]给出的供氧量区间内。通过与标准和相关文献的对比表明，所建的连续供氧呼吸模型可以作为连续供氧系统不同高度供氧流量的计算理论依据。

利用所建的连续供氧呼吸模型，按照适航供氧标准计算的民机旅客不同高度的供氧流量和吸入气氧浓度曲线如图6所示。从图中可以看出，在10.5 km处供氧流量出现下降，是由于计算的精度所致。吸入气氧浓度在5.5 km处出现了拐点，这是由于肺通气量和平均气管气氧分压改变所致。

图6 不同高度下供氧流量和吸入气氧浓度Fig.6 Oxygen supply flow and inhaled oxygen concentration at different altitudes

4.2 试验数据分析

在进行试验时，一般先采用机械肺来替代人员模拟呼吸过程。机械肺使用一个匀速旋转的凸轮，带动活塞在套筒中往复运动来模拟人的呼吸。由于这种呼吸不包含水蒸气，也无肺泡二氧化碳分压，气管气与吸入气的气体组分基本一致。吸入气氧分压等于气管气氧分压，通过测试面罩腔内的浓度即可判断供氧是否满足生理需求。

在试验中，机械肺的肺通气量和旋转频率是固定，主要有两种肺通气量，即15 L/min和20 L/min (NTPD)。供氧系统的供氧量按照标准根据高度进行调节，实际供氧量一般大于标准要求值。从表3的数据可以看出，系统按高度提供的供氧流量能够满足吸入气氧浓度的要求。从图5 多点测试的氧浓度数据可以看出，除了两个测试点氧浓度有较大偏差外，其余各点的变化趋势基本是一致的，说明所设计的物理试验方法是可行的。由所测得面罩内的氧浓度可换算出各测试点的氧分压。图7给出了座舱高度为4.0、7.5、 9.0和12.0 km下各测试点的氧分压。

图7 不同座舱高度下各测试点的氧分压(通气量： 20 L/min)Fig.7 Oxygen partial pressure at each test point at different cabin altitudes(ventilation： 20 L/min)

由试验测试结果可见，在通气量为20 L/min的情况下，12 km及其以下高度各测试点的氧分压均达到100～83.8 mmHg，满足供氧防护生理要求。通气量为15 L/min时，12 km及其以下高度各测试点的氧分压也满足供氧防护生理要求，其测试结果不再具体给出。

但是，从试验数据还可以看出，测试点的氧分压值基本上均大于标准值的要求，这与连续供氧系统的供氧特点有关。实际上，在实际的呼吸过程中，只有1/4到1/3的吸入氧被吸入进血液，其余的被呼出浪费[18]。试验表明，人体呼吸纯氧时，从呼吸气中吸收的氧仅占消耗量的1/4～1/23[2]。为了克服连续供氧系统耗氧量大的缺点，目前正在研究电子脉冲肺式供氧系统(EDS)，并已在B787飞机和A350XWB飞机旅客氧气系统上得到应用。效率测量表明，EDS输送的氧气有90%直接进入血液，仅利用典型恒定流量系统1/10的氧气，即可维持高于90%的血氧饱和度。

5 结 论

1) 所建连续供氧呼吸模型可以计算不同供氧标准在不同高度下的供氧流量，为乘员连续供氧流量标准提供了理论计算依据。

2) 理论计算结果表明，根据所建模型计算所得的供氧流量与标准值基本一致。

3) 试验结果表明，在通气量为15 L/min和20 L/min，座舱高度12 km及其以下，各测试点氧分压满足供氧生理要求。