mini|Passagierkabine innerhalb der Druckkabine einer Boeing 737 mini|Outflow Valve und Overpressure Relief Valve einer B737-800 mini|Cabin Pressure and Bleed Air Control Panels einer B737-800, unten Richtwerte für den Kabinendruck (als Kabinendruckhöhe, CAB ALT) in ft je nach Flughöhe (FLT ALT) in FL = Hektofuß
Unter einer Druckkabine wird in der Luft- und Raumfahrt eine druckfeste Bauform von Passagierkabine, Cockpit oder Frachtraum für höher fliegende Flugzeuge oder Raumschiffe verstanden, die Menschen und Tieren den Aufenthalt unter diesen beeinträchtigenden bis lebensfeindlichen Bedingungen ermöglicht. Das wird durch einen in der Druckkabine aufrechterhaltenen gegenüber der Umgebung erhöhten Luftdruck erreicht.
Kabinenhöhe Der Luftdruck in der Kabine lässt sich in Relation zu einer bestimmten Höhe ausdrücken. Statt vom Luftdruck in der Kabine wird daher auch von Kabinenhöhe (engl. cabin altitude) oder genauer der Kabinendruckhöhe gesprochen. Die Kabinenhöhe wird im Flug reguliert und soll sich im Bereich von −200 ft (−60 m) bis +8000 ft (+2438 m) bewegen. Der Druck in der Kabine soll also einem Luftdruck in dieser Höhe entsprechen.
Wird der Luftdruck in der Kabine erhöht, dann sinkt die Kabinenhöhe, was auch als Sinkflug der Kabine bezeichnet wird. Umgekehrt steigt die Kabinenhöhe (Steigflug der Kabine), wenn der Druck in der Kabine gesenkt wird. Die Kabinenhöhe ist in Analogie zur Flughöhe zu sehen, die auf den Umgebungsdruck (Druckhöhe, siehe Dichtehöhe) bezogen wird. In einem Flugzeug ohne Druckkabine sind Flughöhe und Kabinenhöhe identisch. Dass durch den Fahrtwind leichte Druckabweichungen in der Kabine herrschen können, wird bei dieser Betrachtung vernachlässigt.
Druckverhältnisse
mini|Abbildung 1: übertriebene Darstellung der Ausdehnung einer Druckkabine mit zunehmender Höhe. Um den Druckunterschied zwischen Innen und Außen (Differential Pressure) nicht zu groß werden zu lassen, muss der Druck im Flugzeug während des Steigfluges gesenkt werden. Die Kabinenhöhe wird auf 2000 bis 3000 m einreguliert.
Die Druckverhältnisse ändern sich während eines Fluges erheblich. Bereits in einer Höhe von 18.000 ft (ca. 5450 m) hat sich der Luftdruck der Außenluft halbiert, in 34.000 ft (ca. 10.300 m) beträgt er nur noch ein Viertel.
Die Kabine eines Flugzeugs, das sich im Steigflug befindet, dehnt sich wegen des abnehmenden Außendrucks bei gleich bleibendem Innendruck aus. Im Sinkflug verringert sich die Ausdehnung der Kabine wieder. (Abbildung 1)
Die erlaubte Differenz zwischen Innendruck und Außendruck (Differenzdruck, delta P, ΔP; maximaler Druckunterschied oder engl. pressure differential auch differential pressure) ist durch die Bauweise (Gewicht) der Kabine begrenzt, aber auch durch das Verhalten der Kabine bei plötzlicher Dekompression. Wegen dieser konstruktionsbedingten Begrenzung muss der Innenkabinendruck gegenüber dem Druck auf Meereshöhe abgesenkt werden, wenn das Flugzeug in großen Höhen fliegt (Abbildung 2 und 3). Bei einem Kabinendruck nach dem Start von konstant auf 0 m Kabinenhöhe (= Meereshöhe) wäre der Druck in der Kabine gegenüber dem Außendruck größer, so dass die Flugzeughülle stabiler dimensioniert werden müsste, um nicht durch Materialermüdung zu versagen.
Bei einer Druckdifferenz von 0,6 bar beträgt der Innendruck auf die Innenwand der Druckkabine ungefähr sechs Tonnen je Quadratmeter.
Je nach Flugphase wird der Druck in der Druckkabine allmählich geändert oder konstant gehalten. Im Steigflug (engl. climb) muss die Kabinenhöhe steigen (Luftdruck sinkt in der Kabine). Das Auslassventil (siehe unten) wandert in eine weiter geöffnete Position (gegenüber dem stabilen Zustand, beispielsweise am Boden oder im Reiseflug). Im Sinkflug (engl. descent) muss die Kabinenhöhe sinken (Luftdruck steigt in der Kabine). Das Auslassventil schließt etwas mehr. Im Reiseflug (engl. cruise) muss die Kabinenhöhe konstant auf einem hohen Wert gehalten werden („Dienstgipfelhöhe der Kabine“, niedriger Luftdruck in der Kabine im Vergleich zur Meereshöhe). Unter stabilisierten Bedingungen mit konstanter Kabinenhöhe ist die Luftmenge, die durch das Auslassventil fließt, gleich der Luftmenge, die von der Klimaanlage (Pack) geliefert wird, minus der durch Leckage verlorenen Luft. Das Auslassventil ist teilweise geöffnet. Während Start und Landung (engl. take off and landing) wird die Kabinenhöhe etwas unter Platzniveau abgesenkt, das bedeutet, dass der Kabinendruck etwas erhöht wird. In dieser Situation kann nämlich bei einem großen Rotationswinkel (zeitweilig großer Anstellwinkel) der Luftstrom teilweise gegen das Auslassventil im Heckbereich und die ausströmende Luft gerichtet sein. Durch Staudruckwirkung kann ein plötzlicher Druckanstieg innerhalb der Kabine verursacht werden. Durch kurzzeitige Erhöhung des Kabinendrucks (engl. ground pressurisation) beim Start und bei der Landung um ca. 0,1 PSI (entsprechend einer Kabinenhöhe von 200 ft unterhalb der Flugplatzhöhe oder 0,007 bar = 7 mbar) lässt sich dieser Effekt vermeiden (Abbildung 2). Flugzeuge, die keine Zapfluft (engl. bleed-air) nutzen, benötigen keine ground pressurisation.
Bei einigen Mustern wird standardmäßig, bei den anderen nur bei Bedarf, „packless“ gestartet (packs sind die Hauptaggregate der Klimaanlage im Flugzeug: packless = mit ausgeschalteten packs) – damit erhöht sich der effektive Triebwerksschub, denn die Triebwerksleistung wird nicht durch die abgezweigte Zapfluft aus der Verdichterstufe des Triebwerkes gemindert, die für den Betrieb der packs benötigt wird. Diese zusätzliche Triebwerksleistung (durch Ausschalten der packs) wird besonders benötigt bei hohem Startgewicht, hohen Außentemperaturen oder Flugplätzen mit niedrigem Luftdruck (z. B. Gebirge).
Technik der Druckkabinen mini|Hinteres Druckschott einer B-747 mini|hochkant|Warnschild an der Kabinentür eines Airbus A300-600R von innen mini|Warnleuchte zur Anzeige des Überdrucks Eine Druckkabine erfordert einen wesentlich höheren konstruktiven Aufwand. Einerseits führt das zu einer vermehrten Gewichtsbelastung. Andererseits muss der Kabinendruck aufwendig reguliert werden, um Unterdruck oder Überdruck in der Kabine zu vermeiden.
Ein Flugzeug mit Druckkabine ist nicht hermetisch dicht, es wird ständig Frischluft zugeführt und ein Teil der verbrauchten Luft aus dem Flugzeug abgelassen. Die Triebwerke und nachgelagerten Packs (Klimaanlage im Flugzeug) liefern die dafür notwendige Luft. Zusätzliche Turbokompressoren unterstützen bei älteren Maschinen die Triebwerke, bis etwa in die 1960er Jahre. Neu ist die ausschließliche Erzeugung der Druckluft mit einem Elektrokompressor (Boeing 787). Automatisch arbeitende Ventile (siehe unten) regulieren dann den Druck in der Druckkabine durch Rückstau oder Entweichen – die Zuluftmenge ist ungeregelt.
Konstruktive Schwachpunkte bei der Abdichtung des Flugzeuges und für die Stabilität bei hohem Innendruck sind: die Flugzeugtüren (einschließlich Frachttüren), die Flugzeugfenster und das hintere Druckschott (engl. rear pressure bulkhead).
Innerhalb der Kabine wird ein relativer Überdruck erzeugt, dafür wird meistens die Zapfluft der Triebwerke oder ein elektrischer Kompressor genutzt (Boeing 787). Um die Konstruktion der Druckkabine nicht unnötig zu belasten, wird nur ein bestimmter maximaler Druckunterschied (Differenzdruck) eingestellt. Es ist vorgeschrieben, dass der Luftdruck in der Kabine nicht unter den Wert fallen darf, der unter Normalbedingungen in 8000 ft (2438 m) Höhe herrscht (Kabinenhöhe).
Druck-Ventile Die Druckregulierung der Druckkabine erfolgt über folgende Ventile (engl. valves) positive pressure relief valve (normalerweise outflow valve genannt; dt. Auslassventil): die Ventile (meist zwei oder mehr) für die Druckregulierung durch Druckablass im Normalbetrieb negative pressure relief valve (dt. Unterdruck-Notventil): diese Funktion übernehmen normalerweise die Türdichtungen safety pressure relief valve (auch overpressure relief valve genannt; dt. Notventil oder Sicherheitsventil): diese begrenzen auf das strukturelle Limit, falls die Druckregelung versagt
Regelung des Kabinendruckes mini|hochkant=1.5|Abbildung 2. Flughöhe und Kabinendruck im Steigflug mini|hochkant=1.5|Abbildung 3. Flughöhe und Kabinendruck im Sinkflug
Der Druck in der Kabine (engl. cabin pressure) wird bei modernen Flugzeugen über Auslassventile (engl. outflow valves), die vom Pressure controller geführt werden, geregelt und zusätzlich durch Notventile abgesichert. Jene sind mehrfach vorhanden – wegen Redundanz – wie die meisten wichtigen (sicherheitsrelevanten) Teile im Flugzeug.
Je nach Automatisierungsgrad des Steuerungssystems für den Kabinendruck wird der Pilot mehr oder weniger von der Automatik entlastet. Bei den neuesten Systemen wird die Steuerung des Kabinendruckes automatisch vom Flight Management Computer (FMC) übernommen. Der Controller für den Kabinendruck bekommt vom FMC die Information über die Höhe des Startflugplatzes und des Landeflugplatzes sowie über die geplante Flughöhe. Auch bei Änderung des Zielflughafens (neue Landehöhe) durch den Piloten während des Fluges aktualisiert der FMC die Informationen an den Controller.
Etwas ältere Systeme benötigen dagegen noch eine Eingabe vom Piloten am Cabin pressure panel (dt. Schalttafel für Kabinendruck), wenn der Sinkflug für die Landung beginnt, da der Controller nicht unterscheiden kann, ob es sich bei einem Sinkflug nur um ein kurzes Segment im Reiseflug handelt oder um den Sinkflug zum Landeanflug. Der Controller wertet bei älteren Systemen noch nicht die Information in Bezug auf die horizontale Position aus.
Die Outflow valves steuern den Abfluss der Luft aus der Kabine und halten so einen vorgegebenen Überdruck (Sollwert) in der Kabine aufrecht. Beim Schließen der Türen bekommt der Druckcontroller (ein Computer) ein Signal, den Druck in der Kabine leicht zu erhöhen – das heißt, die Kabinenhöhe wird um einige Fuß abgesenkt. Damit wird das Flugzeug leicht „aufgeblasen“. Dieser erhöhte Innendruck macht das Flugzeug stabiler – es ist genau dafür ausgelegt und konstruiert worden. Alle Startparameter (Gewichte, Geschwindigkeiten) gehen von der Festigkeit der Flugzeugkonstruktion aus, wie sie durch den leicht erhöhten Innendruck erzeugt wird. Das Gleiche trifft für die Landung zu – auch hier ist für die Festigkeit ein leicht erhöhter Innendruck gefordert.
Auch ein Luftballon oder eine hermetisch geschlossene Konservendose ist mit erhöhtem Innendruck stabiler, als mit Unterdruck. Die Flugzeugtüren sind ebenfalls so konstruiert, dass sie bei erhöhtem Innendruck, auch, wenn sich die ganze Zelle leicht ausdehnt, dicht halten.
Versagen der Outflow valves mini|hochkant=1.5|Abbildung 4. Schneller Sinkflug mini|hochkant=1.5|Abbildung 5. Schneller Sinkflug Sollten die Outflow valves versagen, kann es zu verschiedenen Szenarien kommen: Die Outflow valves öffnen nicht mehr (weiter) oder schließen nicht mehr (weiter).
Outflow valves geschlossen Ein mögliches Versagen der Outflow valves ist, dass sie nicht mehr (weiter) öffnen können und immer (zu weit) geschlossen bleiben. Hier wird nochmals unterschieden, ob das im Sinkflug (bzw. Reiseflug) oder am Boden auftritt.