旅客氧气面罩发展及适航要求介绍

旅客氧气面罩发展及适航要求介绍

谢金芬

中航通飞华南飞机工业有限公司

摘要：本文介绍了飞机旅客氧气面罩的组成结构、功能描述及发展历史。根据旅客氧气面罩历史发展情况，说明了旅客氧气面罩国内外相关技术标准规定的制定情况、技术标准中的性能要求；结合国内外产品的适航验证经验，分析了不同的适航验证方式的相关优缺点，总结了相关适航验证的难点，并提出未来旅客氧气面罩后续的发展方向。

关键词：飞机；氧气面罩；连续式供氧；发展历史；适航验证；

1  引言

在客机上，旅客氧气面罩是为乘客提供氧气的应急救生装置。如果客舱突然失去气密或遇到其他缺氧情况，旅客随时可以拿到氧气面罩补充氧气。飞机飞到一定高度后，要对客舱增压。如果飞机客舱释压，就会造成缺氧，乘客在缺氧情况下会出现头晕、失去知觉等现象，甚至危及生命。在不同的高度上发生座舱释压的情况下，人所能承受的缺氧时间是不同的。飞行高度越高，承受时间越少。正常飞机飞行高度大于4000m时，每个人座位上都装有应急时使用的个人氧气面罩。旅客氧气面罩对于保证航空乘客安全起到了重要的作用。

2  旅客氧气面罩介绍

民用客机普遍使用的旅客氧气面罩如下图1所示，这种氧气面罩属于稀释连续式的氧气面罩。氧气面罩是通过一根细长的橡胶供氧管和卡口接头连到供氧装置上。旅客氧气面罩主要由面罩壳体、呼气阀、吸气阀、空气吸入阀、储气袋、面罩固定带、氧气软管、系留绳索、流量指示器等组成。氧气连续流到面罩的储气袋里。当储气袋氧气充足时，旅客通过吸入阀吸入气袋中的氧气；当储气袋吸空时，则面罩上的空气吸气阀可以使舱内空气进入；呼气时，呼气阀打开，将呼出的二氧化碳等废气排出面罩壳体。示流器安装在氧气软管上，用于指示是否有氧气流过。该面罩对任意脸型均适应可调。

图1旅客氧气面罩

3  旅客氧气面罩发展历史

旅客氧气面罩发展到图1的状态大约经历了50年。飞机旅客氧气面罩的发展主要分为第一次世界大战、20世纪30年代至40年代、20世纪50年代至60年代、20世纪70年代至今共4个阶段。

3.1  第一次世界大战：“管杆”氧气系统

“管杆”氧气系统是第一个航空氧气输送系统。由德国人为飞船机组人员开发，这种“管杆”系统从重铁瓶中输送压缩氧气直到一个夹在牙齿之间的吹口。到战争结束时，德国和盟军的飞行员都使用早期的液体氧生成系统，携带小型的“个人”氧气供应。此时期大多数恒流的氧气排入环境空气，低温和海拔使得“管杆”系统难以长时间保持，并且水蒸气冻结在管线中阻塞氧气流动。 “管杆”系统效率低下且难以使用，但是确实提供了防止缺氧的措施。

3.2  20世纪30年代至40年代：BLB面罩和K-S一次性氧面罩

在20世纪30年代末，尽管预期引入的增压飞机使氧气的使用变得不必要，但在飞机发生减压时机组人员仍然需要一个可靠的氧气面罩系统。BLB面罩是第一个成功的，广泛使用的航空氧气面罩。由梅奥诊所开发，以其设计师名字命名，它于1939年被引入用于航空领域。BLB面罩是一种再呼吸稀释面罩设计。在吸气时，氧气通过连接管被吸入到鼻腔。呼气沿着连接管流动，其中一部分进入再呼吸袋与周围空气和进入的氧气混合，剩下的通过呼气口排出。这种面罩在实验室、高度室和飞行中进行了广泛的测试。第一次发生在1939年3月10日，在西北航空公司的14H双机动飞机上。平均海拔7010m，每小时270英里。飞行员、副驾驶和9名乘客在整个4.5h飞行过程中都戴着BLB面罩，没有缺氧造成的不适或不良影响（图2左侧）。额外的飞行试验表明，BLB面罩可以成功地维持肺分压和动脉血药饱和度水平，满足高空飞行的生理需求，并保护机组人员和乘客免受缺氧的影响。

BLB面罩有许多优点，最重要的是效率。将氧气源与呼出的空气(16%氧气）混合和环境空气（21%氧气）混合，大大减少了飞行上所需的大型气体氧气瓶的数量，从而节省了飞机的重量和空间。面罩很舒适，可以长时间佩戴，嘴巴可以自由使用，简单易于使用。BLB面罩广泛用于机组人员和乘客的商业运输飞机，二战期间也被美国和盟军飞行员使用，并成为今天军事战术氧气面罩的原型。

二战后，为了满足飞机能够在更高的高度飞行，促使《民用航空条例》修订了机组人员和乘客的氧气使用规则。1947年的规定建议，飞行在12000英尺（3658米）以上的每位乘客提供氧气和口鼻面罩。在此之前，并不是所有乘客都需要戴面罩，而是挂在机舱内，以方便乘客晕车或在飞行中“刷新”自己。

1947年的规定促使美国联合航空公司设计并引进了K-S一次性氧气面罩。K-S一次性面罩仅供乘客使用，是一种恒定流量的再呼吸稀释面罩，由一个轻型塑料双袋子（即袋子内的袋子）组成（图2）。这种设计满足从海平面到4267米的增压飞机的用氧需求，以及在减压高达7620米时的用氧需求，乘客很容易戴上面罩，而不需要复杂的说明，并且是一种可以用于儿童和成人的面罩形状/设计。尽管在3048米到7620米的高度飞行试验中表现良好，满足或超过所有材料和生理性能测试标准，并优于BLB面罩性能，但是机舱压力的快速减压到7620米，使K-S面罩达到了性能极限。

图2  BLB面罩（左）和K-S一次性氧气面罩（右）

3.3  20世纪50年代至60年代：喷气式飞机的新型氧气面罩设计

BLB口鼻面罩和K-S一次性面罩在海平面到4267米时提供了足够的缺氧保护。如果飞机能迅速下降到较低的高度，在高达7620米快速减压时也提供了足够的缺氧保护。然而，再呼吸稀释设计限制了这些面罩在更高海拔地区的生理有效性。呼出的空气被迫返回呼吸袋，与环境空气混合，供应氧气，尽管这节省了飞机的重量和空间，但袋内的氧气被稀释，在机舱压力高度超过7620米时，永远不会达到缺氧保护所需的100%浓度。除了生理上的性能限制外，BLB和K-S面罩的形状也引起了人们对乘客在快速减压后能够迅速戴上面罩的担忧。根据在12192m时快速减压有效意识时间的研究，在40000英尺（12192米）处的快速减压可以为乘客提供大约≤10秒的时间来戴好面罩并获得良好的密封。

随着50年代喷气式飞机的发展，促使人们开发能够在更高海拔地区提供缺氧保护的氧气系统。1954年，当彗星经历了一系列致命的爆炸减压事件，导致飞机搁浅时，这种需求就更加明显。人们意识到机舱压力减压可能是一个反复出现的危险，需要一个行业标准来规定旅客氧气面罩的使用。

SAE A-10委员会为一种新型乘客氧气面罩开发了相关的性能要求，以提供高达40,000英尺（12,192米）的短期缺氧保护。这些规范是美国国家航空航天标准（NAS）1179（1959年出版）的基础，该标准建立了稀释型面罩的材料、测试和最低性能的标准。1961年，NAS 1179标准被纳入并成为FAA TSO-C64 -连续流量乘客氧气面罩组件的基础。

50年代中期，FAA民用航空医学研究所（CARI）的研究人员进行了一系列的研究，专门关注面罩的形状、佩戴面罩的便捷性以及一种新型形状/类型的乘客氧气面罩的设计。一项后续研究包括评估一种新的杯状、粘性氧面罩。FAA的研究人员最终设计并开发了一种粘接型氧气面罩组件，由一个轻塑料杯形面罩、氧气软管附件和呼气阀组成，周围由一次性粘接锥包围。面罩抛放系统由头顶行李舱的弹簧门组成，当舱压高度增加到预定高度（理想情况为 3658m至4267m）时，弹簧门就会打开。乘客只需要伸手把面罩拉下来，面罩放在鼻子和嘴上，然后按压佩戴好。研究中参与者（100%）在10秒内成功戴上粘接型氧气面罩，相比之下，正确佩戴BLB面罩的占29%，在10秒内正确佩戴K-S面罩的只有6%。与其他面罩相比，粘接型面罩提供了优越的密封性，但担心当时可用的粘接材料的保质期，妨碍了其引入和广泛使用。后续的旅客氧面罩设计采用杯状设计和径向面罩形状，下拉型面罩抛放系统被广泛应用于第一代美国客机。新型稀释连续型面罩的基本设计来自NAS 1179标准。自20世纪50年代中期以来，小的修改和逐渐的改进使得稀释连续式氧气面罩仍然在当今使用。

3.4  从20世纪70年代至今：面罩抛放和乘客飞行前简报

自20世纪70年代以来，面罩本身几乎没有做过什么改变；然而面罩的抛放方式和乘客飞行前的简报会都发生了重大变化。在20世纪70年代中期，几次涉飞机快速减压事故，乘客未能正确使用补氧系统。对于运行在30000英尺（9144米）以上的航班，必须在座舱压力高度超过15000英尺（4572米）之前自动打开提供所需氧气流量的氧气面罩。促使在氧气管中加入一个在线流量指示器，当氧气流向储气袋时，该指示器会变成绿色。并发布详细的乘客飞行前简报，要求航空公司向空乘人员提供了有关化学氧气生成系统的强化培训，并包括在乘客飞行前简报会上进行佩戴面罩的演示。

4  旅客氧气面罩性能要求及适航验证

4.1  旅客氧气面罩性能要求

FAA在1961.8.23日发布了TSO-C64技术标准规定，制定了基于旅客氧气面罩NAS 1179标准的旅客氧气面罩的最低性能标准。随着旅客氧气面罩的发展，产品成熟度提高，技术要求的逐步稳定，SAE A-10委员会在1988.2.24日发布了SAE AS8025 旅客氧气面罩的标准，FAA在1989.8.25日对应发布了TSO-C64a技术标准规定，TSO-C64a中明确旅客氧气面罩应满足SAE AS8025中相关要求。EASA则在2003.10.24日发布了ETSO-C64a技术标准规定。FAA在2008.5.21日发布了TSO-C64b技术标准规定，EASA在2016年发布的ETSO-C64b技术标准规定。目前民用飞机上的主流旅客氧气面罩为取得TSO-C64a技术标准认证的产品。根据FAA和EASA公布的消息可知，目前取得TSO-C64b认证的旅客氧气面罩仅有赛峰公司（原Avox Systems Inc.）件号为289-301-( ) 的系列产品。

TSO-C64b与TSO-C64a主要的技术要求差异为TSO-C64b文件中增加了对1999-01版本的SAE AS8025的修订说明。1989-08与1999-01版本的SAE AS8025相关技术要求本质上无差异，更改主要为书写模版格式的变化。相关差异体现在TSO-C64b中附录1的修订内容上。附录1，针对3.3.1明确阻燃性能不仅应符合FAR 25.853，还应满足附录F，第一部分(a)(1)（ii）和/或第一部分(a)(1)（iv）的要求；针对3.3.3条进一步明确清洁和消毒的要求，要求在CMM中包括清洗和消毒程序；而 3.3.4条增加要求，即在CMM中包括橡胶件寿命限制和检查程序； 3.11条说明标记要求按TSO执行；4.5.2条更新适用流量指示器引用文件的版本。根据修订说明可知两个版本的性能要求差异微小，TSO-C64b稍微提高了阻燃的要求。

我国的旅客氧气面罩技术标准规定为2003.4.30发布的CTSO-C64a，相关要求与TSO-C64a一致。SAE AS8025文件中对旅客氧气面罩的通用要求、结构要求、性能要求及性能试验等方面均有详细的说明。旅客氧气面罩主要的性能试验有泄漏量、呼/吸气阻力、呼吸机性能试验、高空生理性能试验等。其中的呼吸机性能试验和高空生理试验为取证的重难点。

4.2  旅客氧气面罩适航验证

飞机为了验证对FAR或CCAR 25中25.1443（c）条最小补氧量的要求，表明旅客氧气面罩在飞机上适航性，旅客氧气面罩需要通过适航验证。在适航验证过程中产品也应符合相应技术标准规定的要求。

对应的适航验证方式分为独立取证和随机取证两种。独立取证指零部件供应商制定符合性计划，单独申请对应技术标准规定的认证，开展设备鉴定试验表明对技术标准规定的符合性，最终自己持证，取得设计和生产的双重认证。随机取证指随民用航空产品一起得到适航批准，自己不持证、仅作为航空器最终持证人的供应商。但是随机取证过程，仍然需要参考技术标准规定的要求，进行设备鉴定试验，表明对相关适航要求的符合性。考虑随机适航涉及的研发成本高且试验投入较大，飞机研发生产制造商通常采用已经独立取证的产品。我国民用航空产品大部分也是采购的独立取证的TSO件，航空器适航验证过程中只需补充少量的环境鉴定试验即可。

5  结论

目前独立取证的TSO件均由欧美研发设计。随着我国对氧气面罩标准、结构和材料的不断研究，国内已有多家公司设计并开发出匹配的旅客氧气面罩。目前国内民用飞机零部件适航取证已经累积了丰富的经验，独立取证流程也很清晰，某型号的旅客氧气面罩已经顺利通过呼吸机性能试验和高空生理试验。我国的旅客氧气面罩也将通过独立取证获得CTSO-C64a的认证。未来将打破欧美对民用飞机上旅客氧气面罩的垄断局面。

目前旅客氧气面罩已经是非常成熟的一款产品。虽然面罩有相关的耐久性试验，由于完全是非金属材料组成的，面罩在抗霉菌和耐久性方面相对会差一点点，因此未来旅客氧气面罩的研发方向可能更侧重于降低检查维护周期及延长使用寿命。

参考文献

1.CCAR-25-R4 运输类飞机适航标准[S].北京:中国民用航空局,2011

2.CTSO-C64a.旅客连续供氧面罩组件[S]. 2003-4-30

3.DOT/FAA/AM-21/11Passenger Oxygen Mask Design Study [R].2021-03

4.TSO-C64.Oxygen Mask Assembly, Continuous Flow, Passenger [S].1961-08

5.TSO-C64a.Oxygen Mask Assembly, Continuous Flow, Passenger [S]. 1989-08

6.TSO-C64b Passenger Oxygen Mask Assembly, Continuous Flow[S]. 2008-05

7.SAE AS 8025Passenger Oxygen Mask（1988-02）

8.SAE AS 8025Passenger Oxygen Mask（1999-01）

作者简介

谢金芬女，本科，工程师。主要研究方向：民用飞机氧气系统设计及验证。