Sistema de inflação de escorregadores de evacuação de emergência de aeronaves: Por que uma mistura de CO2 e N2 é usada em vez de N2 puro?

Deixe-me primeiro fornecer algumas informações básicas sobre a arte de inflar um slide de evacuação. Existem duas maneiras de preenchê-los:

1. Expanda o gás de uma garrafa de alta pressão: isso esfria o gás à medida que se expande, de modo que o gelo pode se formar nas saídas do aspirador, onde o ar aspirado e o gás em expansão se misturam, bloqueando o fluxo de ar externo para a lâmina. Além disso, o armazenamento de gás comprimido precisa de embarcações de aço volumosas e pesadas.
2. Geradores de gás pirotécnico que usam uma reação exotérmica para criar uma grande quantidade de gás quente. Eles são mais compactos e mais leves que um vaso de pressão para a mesma quantidade de gás produzido, mas seu gás quente pode queimar o material da lâmina e contrai-se quando esfria após o processo de enchimento; portanto, uma lâmina preenchida por um gerador de gás pirotécnico cede depois de um tempo.

Devido às desvantagens do gás armazenado puro e dos dispositivos de inflação pirotécnica pura, os sistemas atuais de escorregadores de evacuação de emergência usam um inflador híbrido, que compreende um gás comprimido armazenado juntamente com um gerador de gás pirotécnico. O gerador de gás pirotécnico aumenta o gás comprimido armazenado, fornecendo gás adicional e calor para neutralizar os efeitos do resfriamento induzido pela expansão do gás comprimido à medida que ele se expande para fora do vaso de pressão.

Operação de um inflador híbrido

O gerador de gás típico utiliza sólidos nitrato de amônio que é inflamado eletricamente e produz óxido nitroso (N $ _2 $ O) e água (H $ _2 $ O) quando aquecido. O óxido nitroso se decompõe exotermicamente em nitrogênio e oxigênio quando aquecido acima de 650 ° C ou 1200 ° F, para que seja produzida ainda mais energia e gás. Note que a decomposição de dois moles de óxido nitroso produzirá duas moles de nitrogênio (N $ _2 $) mais uma mole de oxigênio (O $ _2 $), adicionando assim um volume de gás a mais deUMUMX. Essa mistura quente de nitrogênio, oxigênio e vapor é então canalizada para o vaso de pressão e se mistura com o gás que sai dele, aquecendo o gás emitido.

O vaso de pressão contém gases como nitrogênio ou dióxido de carbono. Outros candidatos são argônio ou hélio, mas seu preço mais alto os impediu. Para aumentar o rendimento do gás pressurizado, o truque com o óxido nitroso pode ser repetido aqui: Armazenando o óxido nitroso no vaso de pressão, novamente um volume de gás 50% mais pode ser produzido a partir do que é armazenado, enquanto a decomposição exotérmica produz calor adicional isso compensa, em certa medida, o aquecimento do gás armazenado.

O óxido nitroso também é atraente porque oferece a melhor capacidade de manufatura, armazenamento e manuseio dos possíveis materiais de fontes de gás decomponíveis. Embora classificado como oxidante, na prática é geralmente não tóxico e não corrosivo e é relativamente inerte a temperaturas de cerca de 200 ° C. Além disso, o óxido nitroso, em comparação com gases como oxigênio, nitrogênio e argônio, liquefaz relativamente fácil à temperatura ambiente - útil quando o gás no vaso de pressão é armazenado na forma liquefeita para reduzir seu volume.

Aquecido a sua temperatura de decomposição, o óxido nitroso puro passará por uma rápida dissociação reação em cadeia, a menos que um gás refrigerante seja adicionado para absorver parte do calor gerado pela reação exotérmica. Portanto, a mistura no vaso de pressão contém 50% ou mais de dióxido de carbono, que apresenta um calor latente de vaporização de aproximadamente 66 Calorias por grama. Como um gás atômico, ele é mais adequado para esta tarefa do que as alternativas atômicas. Assim, não serve como diluente (como as aeroalias afirmam incorretamente), absorve o calor e estabiliza o processo de desassociação.

Por que uma mistura de nitrogênio e dióxido de carbono

Agora podemos responder à sua pergunta: O nitrogênio é contribuído pelo gerador de gás pirotécnico e pelo gás comprimido e é produzido a partir da dissociação do óxido nitroso (N $ _2 $ O). É adicionado dióxido de carbono para amortecer a dissociação exotérmica e absorver parte do calor produzido. Sem ele, o gerador de gás experimentaria uma reação em cadeia descontrolada! Sua concentração no gás comprimido está entre 50% e 75%, portanto a concentração na mistura do gerador de gás é de cerca de 35% a 50%.

O fluxo de alta velocidade do gás do vaso de pressão agora é canalizado através de um aspirador, que aspira o ar ambiente usando o efeito Venturi e daí para o escorregador. Isso contribui com até três quartos do gás total no slide, portanto a maior parte do nitrogênio no slide é proveniente do ar ambiente. No slide, a concentração de dióxido de carbono é diluída para cerca de 10% a 15%.

Aspirador (do BF Goodrich's Patente dos EUA 4368009) O gás de alta velocidade do gerador de gás (setas vermelhas) entra pelo tubo angular à esquerda e puxa o ar ambiente (setas azuis) ao disparar pelos bicos à direita. Ao contrário das alegações da aeroalia, um aspirador não é apenas outro nome para um gerador de gás, é uma coisa completamente diferente.

O $ \ text {CO} _ {2} $ é usado como um diluente.

• Os vasos de pressão (para inflar as lâminas) geralmente possuem compostos de óxido nitroso (ou similar), que sofrem decomposição térmica exotérmica durante a inflação. Por exemplo, $ \ text {NO} $ atinge temperaturas de $ \ sim 650 \, ^ {\ circ} \ text {C} $ durante a decomposição térmica. Como $ \ text {CO} _ {2} $ absorve calor durante sua expansão, isso evita danos ao tecido.

• Pelo mesmo motivo, a presença de $ \ text {CO} _ {2} $ controla a taxa de reação da decomposição do óxido nitroso, pois geralmente é impossível impedir que a decomposição gere quantidades imprevisíveis de gás.

O $ \ text {CO} _ {2} $ se forma em torno de 50% a% 75 da mistura.

A quantidade de gás necessária para a inflação dos escorregadores na aeronave é bastante alta. Se tudo isso for transportado em vasos de pressão, é necessário fazer um dos seguintes

• aumentar a pressão (já $ \ sim200 $ bar) do gás no vaso (normalmente na forma líquida), o que aumenta a espessura do vaso de pressão e, consequentemente, o peso, ou

• aumentar o número ou tamanho dos vasos de pressão, o que aumenta novamente o peso.

Além disso, um gerador de gás (geralmente pirotécnico) pode ser usado, o que gera gás por reação exotérmica. Isso também tem suas desvantagens:

• O gás gerado está em alta temperatura (por reação termiônica), resultando em danos ao tecido deslizante.

• Além disso, à medida que o gás esfria, a lâmina de evacuação pode ceder (à medida que o gás se contrai). Isso não é bom, pois os slides devem atuar como botes salva-vidas.

O tamanho da garrafa de gás também pode ser reduzido usando um aspirador, que aspira o ar ambiente para misturar uma proporção de cerca de dois terços do ar para um terço do gás da garrafa.

Para superá-los, o sistema de inflação de slides da aeronave é um sistema híbrido que utiliza duas técnicas:

• Em vez de transportar o próprio gás, leve um composto capaz de sofrer decomposição térmica, de modo que o número de mols de gás produzido pelo inflador seja maior que o número de moles de gás armazenado. O óxido nitroso é usado devido a preocupações de fabricação, armazenamento e manuseio.

  Duas moles de óxido nitroso $ \ text {N} _ {2} \ text {O} $, em decomposição térmica, formam duas moles de nitrogênio diatômico ($ \ text {N} _ {2} $) e uma mole de oxigênio diatômico ($ \ text {O} _ {2} $)

$ 2 \ text {N} _ {2} \ text {O} \ = \ 2 \ text {N} _ {2} \ + \ \ text {O} _ {2} $

Como a constante universal de gás é a mesma para todos os gases, os três mols de nitrogênio e oxigênio produzidos pela decomposição de dois moles de óxido nitroso ocupam 50% mais volume do que os dois moles de óxido nitroso teriam ocupado na mesma temperatura e pressão . Assim, o tamanho do contêiner é reduzido em um terço (comparado à situação em que usamos gás não composto).

• Um gerador de gás pirotécnico (ou um aspirador) que aumenta o gás comprimido armazenado, fornecendo gás adicional.

Para mais detalhes, consulte o pedido de patente dos EUA US 6877698 B2, Sistema de inflação de escorregadores de evacuação de aeronaves usando um gás liquefeito armazenado capaz de decomposição térmica

Caso a quantidade de gás necessária seja baixa (por exemplo, em alguns helicópteros), apenas as garrafas de pressão são transportadas.