飞机在万米高空失压，这根药柱可以救你一命

小火箭出品

本文作者：邢强博士

本文共4358字，33图。预计阅读时间：40分钟。

公元2018年4月17日上午10点43分，美国西南航空公司一架载有144名乘客和5名机组人员的波音737-700客机的左侧发动机在空中突然发生爆炸事故。

高速飞出的发动机碎片击碎了该机左侧的一块舷窗。

空气从破碎的舷窗快速泄出，致使机舱内迅速失压。一名乘客被巨大的压力差吸附在破碎舷窗处。

英勇的机长在5分钟之内将飞机的飞行高度从1万米迅速降低至3900米，驾驶只剩1台发动机提供动力的飞机于当日上午11时20分迫降成功。

虽然那位差点被吸出飞机的乘客在大家的奋力救助下，被拉回了座位，并在迫降后迅速被送去抢救，但最终还是身亡了。

这次事故造成1人死亡，7人受伤，是自2009年的美国3407号航班空难发生以来，时隔9年，美国再次发生有人员丧生的航空事故。

在民航客机起飞前，空乘人员通常会站在过道的显眼位置，向大家演示在紧急情况下救生衣穿戴方法和氧气面罩的使用方法。

在现实生活或者影视作品中，大家能看到飞机在突遇客舱失压等紧急情况的时候，金黄色的氧气面罩从乘客头顶的天花板上突然落下。

那么问题来了，舱内失压的时候，为什么要赶紧戴上氧气面罩？为乘客在紧急情况下提供的氧气是从什么地方来的呢？

严酷

大气压力和空气的含氧量是随高度的增加而逐渐减小的。

小火箭风格：

在海拔1000米处，大气压力为海平面处的88.1%，含氧量为海平面处的92.4%。在海拔3000米处，大气压力进一步减小为海平面处的51.4%，含氧量则减少为海平面的61.8%。

长期在平原地区生活的人刚刚来到海拔3000米以上的高原时，会出现头痛、失眠、疲倦、呼吸困难等症状，这就是因人体暴露在低压低氧环境而产生的高原反应。

早期的客机飞行高度比较低，乘客还没有对低压低氧的环境表现出明显的异常，优雅得很。

但是，为了避开低空复杂而混乱的气流，后来设计的客机开始越飞越高，于是低压低氧的问题变得不容忽视了。

1938年首飞的波音307客机率先采用了客舱增压系统，使得该机在6000米的高度上巡航时，客舱内的气压可以维持在海拔2438米的水平，由此开启了客舱增压的时代。

密封且增压的客舱给乘客创造了一个舒适安全的乘坐环境，也使民航客机在设计时不必考虑乘客对舱外环境的适应能力，从而能在更高的天空选择效率最高的方式进行巡航飞行。

现代大型民航客机采用喷气式发动机，其巡航高度通常在9000米至12500米之间，而客舱内则始终保持着相当于海拔2000米到2100米高度的大气压力和适宜的氧气浓度。（最低气压不得低于海拔2438米，是的，波音307客机创造的舱内压力的事实标准沿用到了今天。）

另外，有的客机为了让乘客有更舒适的乘坐体验，客舱内的气压更高。比如波音787的舱内压力为海拔1830米，与我国的春城云南省昆明市相当。

考验

但是，无论客机设计得有多好，终归还是有个万一。于是，舱内的气压和氧气系统就会面临严峻的考验了！

一旦客舱出现破损或泄漏，那么舱内气压和氧气就有降低的危险。

在6700米高空出现这种状况后，机组人员和乘客只能保持5分钟的清醒意识；在10000米高空，这个时间缩短为1分钟左右；而在14000米的高空，留给人的时间则只有12至15秒。

可见，应急的氧气供应在民航客机上是很有必要的。

早期民航客机上对客舱进行应急供氧的氧气来源是传统的高压氧气瓶。但是，在使用过程中，人们逐渐发现了氧气瓶的一些缺点。

它们供应氧气给机组人员的时候表现得还不错，但是客舱的座位很多，要把氧气送到每名乘客那里，需要复杂的管路。

为防止管路泄漏，需要定期检查管路，还要记得对泄漏的氧气进行补充。笨重的氧气瓶、复杂的氧气管路和繁琐的维护保养程序，这些与现代民航客机的设计理念显然是背道而驰的。

而即使是非常先进的战斗机，其氧气系统也始终有着各种各样的可靠性方面的问题。涉及到的事情，小火箭在此不再赘述。

这是小火箭好友提供的美国海军航空母舰上的工作人员为舰载机准备氧气瓶的场景。

上图这位小哥儿正在准备把这个绿色氧气罐子安装到F/A-18C大黄蜂舰载战斗机上。

如果每一位乘客的应急供氧系统都要像舰载战斗机这样准备的话，我们在机场候机排队的时间那可就得大大延长了。

有没有一种装置可以简单高效地产生氧气同时还不需要进行太多维护呢？答案是肯定的。

氧烛

工程师们通过大量试验，发掘出了氯酸钠这种化学物质。氯酸钠被加热到260℃的时候开始熔化，进一步加热到460℃时，就会分解，产生氯化钠和氧气。

这个反应本身是大量放热的，因此，一旦氯酸钠被点燃，就会自己不断重复熔化与分解的过程，很像蜡烛的燃烧。把氯酸钠制成圆柱体状，便能通过点燃其中一端的方式来持续供氧了。

从分子式上看，氯酸钠含氧量为45%，而氯酸钠的密度为2.35克/立方厘米 , 因此，通过简单计算，小火箭给出：体积为1升的氯酸钠药柱在燃尽后，理论上可以产生798升的氧气。相当不错。

从实测的试验数据来看，1升的氯酸钠药柱耗尽后，平均可以产生氧气784升，这样的供氧量大约为同体积高压氧气瓶的3倍。

有关氯酸盐和高氯酸盐，详见小火箭的固体火箭发动机系列文章中的《聊聊固体火箭发动机的推进剂》一文。

但是，这样的药柱要想登上民航客机取代氧气瓶还需要跨过两道门槛。

第一道槛是氯酸钠的分解温度很高，这就使得通过点燃药柱来产生的氧气温度过高。况且，在紧急情况下立刻产生460℃的高温也是不太容易的。

其解决方案就是往药柱里掺入一些起催化作用的添加剂。

常用的添加剂有镁粉、铁粉、钛粉、锰粉等金属粉末。它们能让氯酸钠的分解温度降到280℃，同时让反应变得持续和稳定。

第二道槛是氯酸钠分解后的产物中混有一些氯气。这种在二战期间曾被广泛用作毒气战的气体对人的呼吸系统有较强的伤害。而且就算浓度很低不至于影响健康，那种浓郁的化学实验室气味也足以让一些乘客感到不适了。

后来，人通过向药柱中添加3%至5%的过氧化钡、氧化镁等化合物来吸收氯气的方法解决了这个问题。

降低了分解温度并减少了氯气生成的药柱被封装在不锈钢罐子里，加上点火装置和过滤系统，成为了“氧烛”。

有试验表明，氧烛在适宜的环境中存放20年后，其产氧量仍不会减少。这种含氧多、重量轻而又很可靠的设计逐渐替代了氧气瓶，在民航客机中默默守护着旅客安全。

每当氧气面罩落下，乘客拉动面罩之后，忠实的氧烛都能够提供至少12分钟的不间断氧气供应。

实际上，小小的氧烛有着非常神秘的身世，也有着十分矫健的身手，可谓上天下海入地，无所不往。氧烛一开始并不是专门为民航客机研制的。

上世纪40年代，美国海军为了寻找潜艇的应急氧气来源，重启了处于暂停阶段的氯酸盐分解项目（二战之前就有人设想通过分解氯酸盐的方法来获得氧气，但是因技术水平的限制，当时生成的氧气含杂质太多，谁都不愿意用这种呛人的气体来充当自己生命最后的保障，不得已项目被中止）。

经过20年的研究，终于做出了能够实用的氯酸盐配方。第一批氧烛就这样被悄悄地装备到了潜艇中。

时至今日，按小火箭数据库的统计，美国每艘核潜艇中平均备有200枚氯酸盐氧烛作为氧气的最后来源。每枚氧烛能燃烧45分钟，产生3300升的氧气。

目前应用于民航客机的氧烛是1967年把潜艇氧烛技术民用化后的成果。

中国在上世纪80年代启动了氧烛制备和应用技术的研究，已经掌握了氧烛的关键技术。

上上图为潜艇中的氧烛燃烧篮，上图为潜艇中的氧烛储备罐。

氧烛不仅能从海里飞到空中，后来还飞到了太空，其稳定性和可靠性得到了进一步发展。曾经的和平号空间站使用高氯酸锂氧烛作为电解水供氧系统的紧急备份，单发产氧量为600升，能够燃烧5至20分钟，可供一人一天所需的氧气。

但是高氯酸锂氧烛在使用过程中出现过熄火现象，在存放过程中还出现过着火事故，因此虽然其含氧量非常高，但终归不适用于太空环境。

啥？和平号出现过火灾？而且是氧烛引起的？

是的。小火箭风格：

事情是这样的。1995年3月，美国宇航员到俄罗斯的和平号空间站做客，进行为期28个月的合作研究。

原本一切都挺好的。结果到了1997年2月23日，和平号空间站的1号电解制氧机突然报故障。俄方宇航员不以为然，踢了踢制氧机，果然没反应了。

这座核心舱在1986年苏联时期进入太空的空间站，已经在轨运行了11年了，出点儿小故障，没什么的。于是，俄方宇航员转了个身，打开了2号电解制氧机的开关。这台备份制氧机发出了一阵机械噪声之后，就没反应了。

天！2台制氧机全坏了。俄方宇航员有点儿着急了。眼看和平号空间站舱内的二氧化碳浓度飙升，氧气浓度则越来越低。

幸好还有氧烛！俄方宇航员打开舱门，进入和平号空间站的量子舱，拉出储藏间的一根硕大的氧烛，取下保险，用力一拧开关。

顿时，高氯酸锂快速反应，和平号空间站的氧气浓度迅速向正常水平恢复。

但是，这反应速度实在是太快了！整个装置爆炸了！

这可是高氯酸锂啊！顿时，量子舱就燃起了熊熊火焰。好在和平号空间站的空气过滤系统和应急灭火系统非常给力，3位宇航员也非常英勇，抓起防毒面具就奔向火场。这才在90秒后扑灭了明火，在7分钟后滤走了浓烟。

美国工程师吸取了俄罗斯和平号空间站的经验教训。

1999年，美国宇航局NASA开始研制性能更加稳定的氯酸钠氧烛作为备用应急氧源，并于2004年将其装备到了国际空间站上面。这种氧烛的单发产氧速率为每分钟33升，可以提供多达2600升的氧气。

2005年5月13日，国际空间站的主要氧气来源，俄罗斯舱段的电解制氧机坏掉了。后来，宇航员们第一次在国际空间站上点燃了氧烛来提供应急供氧。当然，这次没有引发火灾。

6月16日，一艘进步号货运飞船带来了大量氧气罐，足够宇航员们继续呼吸使用。同年8月份，另一艘进步号货运飞船送来了电解制氧机的备件，才终于让国际空间站的主制氧设备恢复正常工作状态。

结束语

优秀的设计理念往往能跨越学科的界限，形成广泛的影响。用氧烛来取代氧气瓶的趋势也出现在了采矿产业和消防急救事业中。

一种能供10个人在煤矿矿井深处避险96小时的救生舱就用氧烛来提供氧气。其多次启动技术保证了在长时间内救生舱的氧气浓度都能够维持在18.5%至23.0%之间。

经分析，在火灾死亡的人数中，因烟雾中毒而失去逃生能力的占85%。一种基于氧烛技术的自救器已逐渐开始崭露头角。如果这种自救器能够得到广泛应用的话，氧烛将能够守护更多人的生命。

飞机在万米高空失压，这根小药柱可以救你一命。这种烧出来的氧气，还是蛮有趣的也是很有用的。而最新的氧烛系统，已经开始在新型的野战装备中崭露头角了。

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