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硬核科普 | 疫情之下 看飞机如何制造洁净空气

来源:民航资源网 作者:ZHCH21G 2020-02-10 11:47:00 我来说两句(4)

专业分类机务维修 文章编号】2-2020-0010

  

  随着各地相继公布复工时间,各位小伙伴也即将开始返程之路,机票虽然可以免费退改,但回去的路总归还是要自己走,不论采取什么样的交通方式返程,都希望本文能对大家有帮助。

  国内航班平均的飞行时间大多在120到200分钟之间,加上登机和滑行时间,在机舱内的时间往往在三小时以上。这不免让人担心,如此长的时间,又在狭小的机舱内,会加剧交叉感染的风险。

  图:在空气不流通的情况下 距离患者座位感染概率的热力图(PIC@二手工程师)

  说结论:在做好个人防护,与有疑似症状的旅客相距3排以上的距离,即便机上有感染者,被传染的风险依然是非常低的。

  我们首先来看看病毒是如何传播的

  与有着完整细胞结构,可以自我分裂的细菌不同,病毒需要侵入细胞核内部,借助宿主细胞的转录蛋白质完成自己的增殖。

  图:病毒的结构大多是蛋白质裹着一段遗传物质 这层外壳是其传播的关键

  侵入的过程并不顺利,在穿过皮肤和粘膜组成的第一道屏障后,病毒需要碰到自己能感染的特定细胞。而大分子在进出细胞膜的过程中,需要一把钥匙打开细胞膜,此次冠状病毒的钥匙只可以打开表达具有ACE2受体的II型肺细胞,并引发肺部炎症;而像大名鼎鼎的艾滋病毒,只能感染人体免疫系统的细胞,病毒大部分存在于血液中,无法通过空气飞沫传播。

  图:病毒上的凸起是开启细胞膜大门的关键(PIC@BBC)

  在顺利进入细胞后,仍被细胞膜包裹着的病毒还需要经过核内体的再次检验才能完全进入细胞液中,挺过了这轮考核的病毒才刚刚开始踏上自己的细胞核之旅。不幸的是(对人来说是万幸),没有动力源的病毒需要借助体内的马达蛋白搬运自己,可病毒寻找马达蛋白全靠运气,只有极少数能获得动力顺利的进入细胞核内部开始自己的增殖。后面的过程就比较顺利了,劫持了细胞核的病毒会操控细胞全力复制自身,最终撑破细胞向周围扩散,逐渐使正常的组织失去功能。不同病毒的复制过程可能会有所不同,此次肆虐的2019-nCov是RNA病毒,不需要进入细胞核即可完成自我复制,传染性更强。

  图:病毒操控马达蛋白努力向细胞核移动的场景(PIC@BBC)

  细胞在临死前会释放信号让体内的白细胞来吞噬自己,发现了非正常死亡细胞的免疫系统迅速提高白细胞数量,加速血液循环。闻风而来的大量白细胞会大量吞噬病毒,甚至无差别的攻击感染病毒细胞附近的正常细胞。此时人体开始表现出发热、咳嗽,被感染部位出现炎症。如果自身免疫力足够强,人体能在器官衰竭前产生抗体,或者在病毒扩散前消灭病毒,并恢复到正常状态。

  所以,任何病毒的传播都需要足够的数量和正确的方式进入宿主,才能实现人与人之间的传染。

  平时用来防雾霾的口罩,怎么摇身一变就成了抗病毒利器了呢?

  图:喷嚏的气体动力学和传播范围(PIC@Lydia Bourouiba From MIT)

  人打一次喷嚏,在2米半径的扇形区域内,能产生10000+的飞沫,这些富含病毒的体液飞沫体积大多在4微米以上,也是传播病毒的主力军。咳嗽甚至是说话也会产生飞沫,不过数量和传播距离都更弱。更糟糕的是,这些飞沫因为体积过于微小,由于布朗运动的作用,会加长其滞空时间,变相的加强了病毒的传播能力。根据国标GB2626-2006对KN95口罩的要求,气体以85 L/min穿过时,要能过滤掉95%以上质量中位直径0.6微米的颗粒,对付感染者的飞沫完全足够,采用GB19803-2010要求的医用N95口罩主要是增加了对飞溅液体的防护需求(就是那层蓝色涂层),并无其他神奇的功效。

  图:首选GB2626-2006/美国NIOSH标准 请把GB19083-2010捐给医院

  所以,口罩既不能灭菌,也不能杀毒,它能做的,是把富含飞沫的病毒拦截在口罩滤网上。与KN95相似的,还有KN90和KN99,主要是在过滤能力上有所区别,并无本质不同。口罩的防护能力既然是个百分数,就一定会受环境微粒浓度的影响,只要浓度足够高,KN99级别的口罩也难以招架;感染需要一定的病毒数量,也同样意味着只要在感染环境中呼吸的时间足够长,总会攒够足够的病原体。

  所以,除了选择符合标准防护能力较强的口罩,良好的通风环境同样会降低感染风险。

  在了解了2019-nCOV的传播和预防后,我们来看看飞机是如何保证空气质量的

  图:在地面时APU产生的引气用来驱动空调工作和启动发动机

  来自发动机低压压气机的引气经过压力调节器减压、预冷气活门降温后以35psi(2.4个大气压),220摄氏度进入气源总管,流经发动机吊架,大翼前缘,轮舱前壁板后进入位于飞机腹部两个空调组件。

  图:客机的空调组件是对热力学第一定律的极致应用

  在这里,再经过初级热交换器降温>>>ACM(Air Cycle Machine)压气机增压升温>>>次级热交换器进一步降温>>>冷凝器降低空气湿度>>>回热器融化冰晶>>>ACM涡轮再次膨胀降温后,调节成稳定在0℃以上的干燥空气,进入混合总管。

  图:你没看错 B737驾驶舱的空气永远都是特供的新鲜空气

  根据驾驶舱的命令,与气源总管里未经调节的引气、回收自客舱的空气(划重点)按比例混合成18°-30°之间,湿度在12%-20%的洁净空气。到这里,除了回收自客舱的空气,另外两股气体都是经过发动机的压气机高温高压环境过来的,完全无菌的新鲜空气。

  图:密密麻麻的供气管路 减少了前后座位的气流交换

  而后,伴随着密密麻麻的送气管路,由座椅上方的独立送风口的送到每个座椅,与位于客舱顶部的出风口形成环形气流,加速客舱内的空气流动(在一些多通道飞机,如A380上取消了独立送风口,但送风管路并未削减,只是隐藏在了侧壁版和行李架两侧)。最终由位于座椅下方侧壁格栅的排气口收集进入回收管路。这些旧空气在给货舱加温后,约一半由外流活门排至飞机外部,剩下的经HEPA(High-Efficiency Particulate Air)滤网过滤后,再次回到混合总管。在这样的循环模式下,飞机两个空调组件有能力每3分钟就将整个客舱空气替换一遍。

  图:空客A320的HEPA滤网是圆柱形的 与家用空气净化器滤芯相似

  那么问题来了,飞机HEPA滤网的过滤能力如何?

  按照滤网供应商PALL和Donaldson-Le Bozec的信息,这块滤网能实现99.97%的颗粒过滤能力,直观点的话,和你一口气戴三个N95口罩差不多。

  图:滤网内部无序排列的致密纤维是阻隔颗粒的关键(PIC@爱否科技)

  HEPA滤网其原理和口罩的过滤方式也无本质不同,都是高密度纤维通过立体交叉的排列方式拦截细微颗粒,不过HEAP滤网比口罩更厚更密,折叠结构也有着更大的过滤面积。大家对HEPA也并不陌生,拆开雾霾时买的空气净化器,里面方形或者桶形的滤网就是HEPA滤网。但既然是拦截的方式,随着使用时间增长,附着在滤网上的灰尘、细菌与水汽会逐渐堵塞滤网。空客和波音都有明确的要求按时更换滤网,如B737NG的推荐更换时间是7500个飞行小时。不过在雾霾最严重的2016年,经常执行雾霾严重地区的飞机HEPA滤网往往使用不到2000个小时就会堵塞,触发空调监控系统的警报提醒航司更换滤芯。

  图:任何滤网对0.1到0.3微米的颗粒都没有特别强效的过滤能力

  富含病毒的飞沫在被滤网拦截后,迅速干燥,失去水分后会形成直径在0.7微米以上,上皮细胞蛋白质包裹着病毒的飞沫核,但仍可能有极少数病毒摆脱滤网重新回到空气中,虽然单独游离在空气中病毒数量和传染性都远不如前,但目前病毒在离开人体多久后能丧失感染能力尚不明确,应尽量避免口罩反复使用。对于飞机的HEPA滤网而言,2019-nCov病毒的尺寸就在100纳米左右,即便是游离状态的病毒,滤网依然对其有超过99%的过滤。除此以外,空调组件每三分钟更换一遍客舱空气的能力也是防止感染的强力保障。

  图:飞机换气率虽高 但座位密度也大于高铁

  在SARS和MERS期间,飞机空调系统的净化能力都得到了充分证明。但对于坐飞机的小伙伴依然不可大意,SARS期间与患者近距离接触,未作个人防护的旅客同样有感染的案例。飞机的循环系统尽管尽量阻隔了前后的气流,但同排座位的气流循环仍不可避免,依然推荐全程佩戴口罩,及时远离疑似患者。虽然飞机较为安全,但机场以及去机场的路上可能更危险,不同交通工具的通风条件天差地别。特别是通风全靠漏风的旧式公交车,充满异味的机场大巴和无处安放青春的绿皮火车。高铁安装了和飞机类似的循环系统,同样有HEPA滤网加持,不过换气率略低;地铁从前到后的贯通式通风有全村吃饭的嫌疑,不过胜在巨大的通风量,也较为安全,因此不同交通工具我的推荐程度如下:

  远程:飞机>高铁>>卧铺>>>硬座

  中程:拼车>公营大巴>私营大巴

  近程:小摩托=电动车=大摩托=自行车>滴滴>出租车>地铁>>公交车

  笔者后记:

  2月7日,接到任务对一架B737-800消杀并更换再循环风扇的滤网,因为数天前这架飞机曾载过一名还在潜伏期的新型肺炎患者。飞机HEPA滤网有99.9%的过滤能力,同样意味着这块滤网携带的病原体是其他地方的数千倍,但我们依然要在明知风险的时候做我们该做的事情。

  如果有任何疑问,欢迎微博@ZHCH21G

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