Presurización de la cabina
Proceso para mantener la presión del aire interno en aeronaves o naves espaciales

El fuselaje de un avión de pasajeros, como el de este Boeing 737 , forma un recipiente de presión casi cilíndrico .

La presurización de la cabina es un proceso en el que se bombea aire acondicionado a la cabina de una aeronave o nave espacial para crear un entorno seguro y cómodo para los humanos que vuelan a grandes altitudes. En el caso de las aeronaves, este aire suele extraerse de los motores de turbina de gas en la etapa de compresión y, en el caso de las naves espaciales, se transporta en tanques de alta presión, a menudo criogénicos . El aire se enfría, se humidifica y se mezcla con aire recirculado mediante uno o más sistemas de control ambiental antes de distribuirlo a la cabina. [1]

Los primeros sistemas de presurización experimentales se utilizaron durante las décadas de 1920 y 1930. En la década de 1940, entró en servicio el primer avión comercial con cabina presurizada . [2] La práctica se generalizaría una década después, en particular con la introducción del avión de pasajeros británico De Havilland Comet en 1949. Sin embargo, dos fallos catastróficos en 1954 dejaron temporalmente en tierra al Comet en todo el mundo. [3] Se investigaron estos fallos y se descubrió que eran causados ​​por una combinación de fatiga progresiva del metal y tensiones en la piel del avión causadas por la presurización. Las pruebas mejoradas implicaron múltiples pruebas de ciclo de presurización a escala real de todo el fuselaje en un tanque de agua, [3] y los principios de ingeniería clave aprendidos se aplicaron al diseño de aviones de pasajeros a reacción posteriores.

Ciertas aeronaves tienen necesidades de presurización inusuales. Por ejemplo, el avión supersónico Concorde tenía un diferencial de presión particularmente alto debido a que volaba a una altitud inusualmente alta: hasta 60.000 pies (18.288 m) mientras mantenía una altitud de cabina de 6.000 pies (1.829 m). Esto aumentó el peso de la estructura del avión y obligó a utilizar ventanas de cabina más pequeñas destinadas a reducir la velocidad de descompresión si se producía un evento de despresurización.

El incidente del vuelo 243 de Aloha Airlines en 1988, en el que un Boeing 737-200 sufrió una falla catastrófica en la cabina durante el vuelo, fue causado principalmente por la operación continua del avión a pesar de haber acumulado más del doble del número de ciclos de vuelo que la estructura del avión estaba diseñada para soportar. [4]

Para aumentar la comodidad de los pasajeros, varios aviones de pasajeros modernos, como el Boeing 787 Dreamliner y el Airbus A350 XWB , cuentan con altitudes de cabina operativas reducidas, así como mayores niveles de humedad; el uso de fuselajes compuestos ha ayudado a la adopción de tales prácticas que maximizan la comodidad.

Necesidad de presurización de la cabina

Los controles de presurización en un Boeing 737-800

La presurización se hace cada vez más necesaria a altitudes superiores a los 10.000 pies (3.048 m) sobre el nivel del mar para proteger a la tripulación y a los pasajeros del riesgo de una serie de problemas fisiológicos causados ​​por la baja presión del aire exterior por encima de esa altitud. En el caso de los aviones privados que operan en los EE. UU., los miembros de la tripulación deben utilizar máscaras de oxígeno si la altitud de la cabina (una representación de la presión del aire, véase más abajo) se mantiene por encima de los 12.500 pies (3.810 m) durante más de 30 minutos, o si la altitud de la cabina alcanza los 14.000 pies (4.267 m) en cualquier momento. A altitudes superiores a los 15.000 pies (4.572 m), también se requiere que los pasajeros dispongan de máscaras de oxígeno. En los aviones comerciales, la altitud de la cabina debe mantenerse a 8.000 pies (2.438 m) o menos. También se requiere la presurización de la bodega de carga para evitar daños a las mercancías sensibles a la presión que podrían tener fugas, expandirse, estallar o aplastarse al volver a presurizarlas. [ cita requerida ] A continuación se enumeran los principales problemas fisiológicos. [ cita requerida ]

Hipoxia
La menor presión parcial de oxígeno a gran altitud reduce la tensión de oxígeno alveolar en los pulmones y, posteriormente, en el cerebro, lo que provoca lentitud en el pensamiento, visión borrosa, pérdida de conciencia y, en última instancia, la muerte: [ cita requerida ] En algunas personas, en particular aquellas con enfermedades cardíacas o pulmonares, los síntomas pueden comenzar a una altitud tan baja como 5000 pies (1524 m), aunque la mayoría de los pasajeros pueden tolerar altitudes de 8000 pies (2438 m) sin sufrir efectos nocivos. A esta altitud, hay aproximadamente un 25% menos de oxígeno que a nivel del mar. [5]
La hipoxia se puede abordar mediante la administración de oxígeno suplementario, ya sea a través de una máscara de oxígeno o mediante una cánula nasal . Sin presurización, se puede suministrar suficiente oxígeno hasta una altitud de aproximadamente 40.000 pies (12.192 m). Esto se debe a que una persona que está acostumbrada a vivir al nivel del mar necesita aproximadamente 0,20 bar (20 kPa; 2,9 psi) de presión parcial de oxígeno para funcionar normalmente y esa presión se puede mantener hasta aproximadamente 40.000 pies (12.192 m) aumentando la fracción molar de oxígeno en el aire que se respira. A 40.000 pies (12.192 m), la presión del aire ambiental cae a aproximadamente 0,2 bar, en los que mantener una presión parcial mínima de oxígeno de 0,2 bar requiere respirar oxígeno al 100% utilizando una máscara de oxígeno .
Las máscaras de oxígeno de emergencia en el compartimento de pasajeros de los aviones no necesitan ser máscaras de presión a demanda porque la mayoría de los vuelos se realizan por debajo de los 40.000 pies (12.192 m). Por encima de esa altitud, la presión parcial de oxígeno caerá por debajo de los 0,2 bares incluso con el 100% de oxígeno y será esencial cierto grado de presurización de la cabina o un descenso rápido para evitar el riesgo de hipoxia.
Mal de altura
La hiperventilación , la respuesta más común del cuerpo a la hipoxia, ayuda a restaurar parcialmente la presión parcial de oxígeno en la sangre, pero también hace que el dióxido de carbono (CO 2 ) se desgasifique, elevando el pH de la sangre e induciendo alcalosis . Los pasajeros pueden experimentar fatiga, náuseas , dolores de cabeza, insomnio y (en vuelos prolongados) incluso edema pulmonar . Estos son los mismos síntomas que experimentan los escaladores de montaña, pero la duración limitada del vuelo con motor hace que el desarrollo de edema pulmonar sea poco probable. El mal de altura se puede controlar con un traje de presión completa con casco y placa facial, que envuelve completamente el cuerpo en un entorno presurizado; sin embargo, esto es poco práctico para los pasajeros comerciales.
Enfermedad por descompresión
La baja presión parcial de los gases, principalmente nitrógeno (N2 ) , pero que incluye todos los demás gases, puede provocar que los gases disueltos en el torrente sanguíneo se precipiten, lo que da lugar a una embolia gaseosa o a la formación de burbujas en el torrente sanguíneo. El mecanismo es el mismo que el de los buceadores con aire comprimido al ascender desde una gran profundidad. Los síntomas pueden incluir los primeros síntomas de la enfermedad de las curvas (cansancio, olvidos, dolor de cabeza, apoplejía, trombosis y picazón subcutánea), pero rara vez los síntomas completos. La enfermedad por descompresión también se puede controlar con un traje de presión total, como ocurre con el mal de altura.
Barotrauma
A medida que el avión asciende o desciende, los pasajeros pueden experimentar molestias o dolor agudo a medida que los gases atrapados dentro de sus cuerpos se expanden o contraen. Los problemas más comunes ocurren con aire atrapado en el oído medio (aerotitis) o los senos paranasales por una trompa de Eustaquio o senos paranasales bloqueados. También se puede experimentar dolor en el tracto gastrointestinal o incluso en los dientes ( barodontalgia ). Por lo general, estos no son lo suficientemente graves como para causar un traumatismo real, pero pueden provocar dolor en el oído que persiste después del vuelo [6] y puede exacerbar o precipitar condiciones médicas preexistentes, como el neumotórax .

Altitud de la cabina

Una botella vacía, sellada a 11.000 m (37.000 pies), se aplasta al descender al nivel del mar, en comparación con una en su estado original.

La presión dentro de la cabina se denomina técnicamente altitud de cabina efectiva equivalente o, más comúnmente, altitud de cabina . Esta se define como la altitud equivalente sobre el nivel medio del mar que tiene la misma presión atmosférica según un modelo atmosférico estándar, como la Atmósfera Estándar Internacional . Por lo tanto, una altitud de cabina de cero tendría la presión encontrada al nivel medio del mar, que se considera 101.325 Pa (14,696 psi; 29,921 inHg). [7]

Aeronave

En los aviones de pasajeros , la altitud de la cabina durante el vuelo se mantiene por encima del nivel del mar para reducir la tensión en la parte presurizada del fuselaje ; esta tensión es proporcional a la diferencia de presión dentro y fuera de la cabina. En un vuelo comercial de pasajeros típico, la altitud de la cabina está programada para aumentar gradualmente desde la altitud del aeropuerto de origen hasta un máximo reglamentario de 8000 pies (2438 m). Esta altitud de la cabina se mantiene mientras el avión vuela a su altitud máxima y luego se reduce gradualmente durante el descenso hasta que la presión de la cabina coincida con la presión del aire ambiente en el destino. [ cita requerida ]

Los pilotos pueden utilizar un "altímetro de cabina" (también conocido como medidor de presión diferencial de cabina) para medir la diferencia entre la presión interior y exterior. [8]

Mantener la altitud de la cabina por debajo de los 8000 pies (2438 m) generalmente previene la hipoxia significativa , el mal de altura , la enfermedad por descompresión y el barotrauma . [9] Las regulaciones de la Administración Federal de Aviación (FAA) en los EE. UU. establecen que, en condiciones normales de funcionamiento, la altitud de la cabina no puede exceder este límite a la altitud máxima de funcionamiento de la aeronave. [10] Esta altitud máxima obligatoria de la cabina no elimina todos los problemas fisiológicos; se recomienda a los pasajeros con afecciones como neumotórax que no vuelen hasta que estén completamente curados, y las personas que sufren un resfriado u otra infección aún pueden experimentar dolor en los oídos y los senos nasales. [ cita requerida ] La tasa de cambio de la altitud de la cabina afecta fuertemente la comodidad, ya que los humanos son sensibles a los cambios de presión en el oído interno y los senos nasales y esto debe manejarse con cuidado. Los buceadores que vuelan dentro del período de "no volar" después de una inmersión corren el riesgo de sufrir enfermedad por descompresión porque el nitrógeno acumulado en sus cuerpos puede formar burbujas cuando se exponen a una presión reducida en la cabina.

La altitud de cabina del Boeing 767 es típicamente de unos 7.000 pies (2.134 m) cuando vuela a 37.000 pies (11.278 m). [11] Esto es típico de los aviones a reacción más antiguos. Un objetivo de diseño para muchos, pero no todos, los aviones más nuevos es proporcionar una altitud de cabina menor que los diseños más antiguos. Esto puede ser beneficioso para la comodidad de los pasajeros. [12] Por ejemplo, el avión comercial Bombardier Global Express puede proporcionar una altitud de cabina de 4.500 pies (1.372 m) cuando vuela a 41.000 pies (12.497 m). [13] [14] [15] El avión comercial Emivest SJ30 puede proporcionar una altitud de cabina a nivel del mar cuando vuela a 41.000 pies (12.497 m). [16] [17] [ ¿ fuente poco fiable? ] Un estudio de ocho vuelos en aviones Airbus A380 encontró una altitud de presión de cabina media de 6128 pies (1868 m), y 65 vuelos en aviones Boeing 747-400 encontraron una altitud de presión de cabina media de 5159 pies (1572 m). [18]

Antes de 1996, aproximadamente 6.000 grandes aviones de transporte comercial tenían un certificado de tipo para volar hasta 45.000 pies (13.716 m) sin tener que cumplir con condiciones especiales de gran altitud. [19] En 1996, la FAA adoptó la Enmienda 25-87, que impuso especificaciones adicionales de presión de cabina a gran altitud para los diseños de aeronaves de nuevo tipo. Las aeronaves certificadas para operar por encima de 25.000 pies (7.620 m) "deben estar diseñadas de modo que los ocupantes no estén expuestos a altitudes de presión de cabina superiores a 15.000 pies (4.572 m) después de cualquier condición de falla probable en el sistema de presurización". [20] En caso de una descompresión que resulte de "cualquier condición de falla que no se haya demostrado que sea extremadamente improbable", el avión debe diseñarse de tal manera que los ocupantes no estén expuestos a una altitud de cabina que exceda los 25.000 pies (7.620 m) durante más de 2 minutos, ni a una altitud que exceda los 40.000 pies (12.192 m) en ningún momento. [20] En la práctica, esa nueva enmienda de las Regulaciones Federales de Aviación impone un techo operativo de 40.000 pies (12.000 m) en la mayoría de los aviones comerciales de nuevo diseño. [21] [22] Los fabricantes de aeronaves pueden solicitar una flexibilización de esta regla si las circunstancias lo justifican. En 2004, Airbus obtuvo una exención de la FAA para permitir que la altitud de cabina del A380 alcance los 43.000 pies (13.106 m) en caso de un incidente de descompresión y que supere los 40.000 pies (12.192 m) durante un minuto. Esto permite que el A380 opere a una altitud mayor que otros aviones civiles de nuevo diseño. [21]

Astronave

Los ingenieros rusos utilizaron una mezcla de nitrógeno y oxígeno similar al aire, mantenida a una altitud de cabina cercana a cero en todo momento, en sus naves espaciales Vostok de 1961, Voskhod de 1964 y Soyuz de 1967 en adelante . [23] Esto requiere un diseño de vehículo espacial más pesado , porque la estructura de la cabina de la nave espacial debe soportar la tensión de 14,7 libras por pulgada cuadrada (1 atm, 1,01 bar) contra el vacío del espacio, y también porque debe transportarse una masa de nitrógeno inerte. También se debe tener cuidado para evitar la enfermedad por descompresión cuando los cosmonautas realizan actividad extravehicular , ya que los trajes espaciales blandos actuales están presurizados con oxígeno puro a una presión relativamente baja para proporcionar una flexibilidad razonable. [24]

Por el contrario, Estados Unidos utilizó una atmósfera de oxígeno puro para sus naves espaciales Mercury de 1961 , Gemini de 1965 y Apollo de 1967 , principalmente para evitar la enfermedad por descompresión. [25] [26] Mercury utilizó una altitud de cabina de 24.800 pies (7.600 m) (5,5 psi (0,38 bar)); [27] Gemini utilizó una altitud de 25.700 pies (7.800 m) (5,3 psi (0,37 bar)); [28] y Apollo utilizó 27.000 pies (8.200 m) (5,0 psi (0,34 bar)) [29] en el espacio. Esto permitió un diseño de vehículo espacial más ligero. Esto es posible porque al 100% de oxígeno, llega suficiente oxígeno al torrente sanguíneo para permitir que los astronautas operen normalmente. Antes del lanzamiento, la presión se mantuvo a un nivel ligeramente superior al del mar, a una presión constante de 5,3 psi (0,37 bar) por encima de la ambiental en el caso de Gemini, y 2 psi (0,14 bar) por encima del nivel del mar en el lanzamiento de Apollo, y se pasó a la altitud de la cabina espacial durante el ascenso. Sin embargo, la atmósfera de oxígeno puro a alta presión antes del lanzamiento resultó ser un factor en un riesgo de incendio fatal en Apollo, contribuyendo a la muerte de toda la tripulación de Apollo 1 durante una prueba en tierra en 1967. Después de esto, la NASA revisó su procedimiento para utilizar una mezcla de nitrógeno y oxígeno a una altitud de cabina cero en el lanzamiento, pero mantuvo la atmósfera de oxígeno puro de baja presión a 5 psi (0,34 bar) en el espacio. [30]

Después del programa Apolo , Estados Unidos utilizó "una mezcla respirable de 74 por ciento de oxígeno y 26 por ciento de nitrógeno" a 5 psi (0,34 bar) para el Skylab , [31] y una atmósfera de cabina de 14,5 psi (1,00 bar) para el transbordador espacial y la Estación Espacial Internacional . [32]

Mecánica

Presurización de la cabina de un avión con motor de pistón mediante un compresor dedicado. [33]

Un fuselaje hermético se presuriza utilizando una fuente de aire comprimido y se controla mediante un sistema de control ambiental (ECS). La fuente más común de aire comprimido para la presurización es el aire purgado de la etapa del compresor de un motor de turbina de gas ; de una etapa baja o intermedia o de una etapa alta adicional, la etapa exacta depende del tipo de motor. Para cuando el aire exterior frío ha llegado a las válvulas de aire purgado, se ha calentado a unos 200  °C (392  °F ). El control y la selección de fuentes de aire purgado altas o bajas es completamente automático y se rige por las necesidades de varios sistemas neumáticos en varias etapas del vuelo. Los aviones con motor de pistón requieren un compresor adicional, consulte el diagrama de la derecha. [34]

La parte del aire de purga que se dirige al ECS se expande para llevarlo a la presión de la cabina, lo que lo enfría. Luego se logra una temperatura final adecuada agregando calor del aire comprimido caliente a través de un intercambiador de calor y una máquina de ciclo de aire conocida como sistema PAC (Presurización y Aire Acondicionado). En algunos aviones de pasajeros más grandes, se puede agregar aire caliente de compensación después del aire acondicionado que proviene de los paquetes si es necesario para calentar una sección de la cabina que está más fría que otras.

Válvula de escape y de alivio de presión en un Boeing 737-800

Al menos dos motores proporcionan aire comprimido para purgar todos los sistemas neumáticos del avión, para proporcionar redundancia total . El aire comprimido también se obtiene de la unidad de potencia auxiliar (APU), si está instalada, en caso de emergencia y para el suministro de aire de la cabina en tierra antes de que se pongan en marcha los motores principales. La mayoría de los aviones comerciales modernos tienen controladores electrónicos duplicados y totalmente redundantes para mantener la presurización junto con un sistema de control manual de respaldo.

Todo el aire de escape se descarga a la atmósfera a través de una válvula de salida, generalmente en la parte trasera del fuselaje. Esta válvula controla la presión de la cabina y también actúa como una válvula de alivio de seguridad, además de otras válvulas de alivio de seguridad. Si los controladores automáticos de presión fallan, el piloto puede controlar manualmente la válvula de presión de la cabina, de acuerdo con la lista de verificación del procedimiento de emergencia de respaldo. El controlador automático normalmente mantiene la altitud de presión de cabina adecuada ajustando constantemente la posición de la válvula de salida de modo que la altitud de la cabina sea lo más baja posible sin exceder el límite máximo de diferencial de presión en el fuselaje. El diferencial de presión varía entre los tipos de aeronaves, los valores típicos están entre 540  hPa (7,8  psi ) y 650  hPa (9,4  psi ). [35] A 39.000 pies (11.887 m), la presión de la cabina se mantendría automáticamente a unos 6.900 pies (2.100 m), (450 pies (140 m) más baja que la Ciudad de México), que es aproximadamente 790 hPa (11,5 psi) de presión atmosférica. [34]

Algunas aeronaves, como el Boeing 787 Dreamliner , han reintroducido compresores eléctricos utilizados previamente en aviones de pasajeros con motor de pistón para proporcionar presurización. [36] [37] El uso de compresores eléctricos aumenta la carga de generación eléctrica en los motores e introduce una serie de etapas de transferencia de energía; [38] por lo tanto, no está claro si esto aumenta la eficiencia general del sistema de manejo de aire de la aeronave. Sin embargo, eliminan el peligro de contaminación química de la cabina , simplifican el diseño del motor, evitan la necesidad de instalar tuberías de alta presión alrededor de la aeronave y brindan una mayor flexibilidad de diseño.

Descompresión no planificada

Despliegue típico de máscara de oxígeno para pasajeros

La pérdida no planificada de presión de la cabina en altura o en el espacio es poco frecuente, pero ha provocado numerosos accidentes mortales . Las fallas varían desde la pérdida repentina y catastrófica de la integridad del fuselaje (descompresión explosiva) hasta fugas lentas o fallas del equipo que permiten que la presión de la cabina disminuya.

Cualquier fallo en la presurización de la cabina por encima de los 10.000 pies (3.048 m) requiere un descenso de emergencia a 8.000 pies (2.438 m) o lo más cercano a eso mientras se mantiene la altitud mínima del sector (MSA), y el despliegue de una máscara de oxígeno para cada asiento. Los sistemas de oxígeno tienen suficiente oxígeno para todos a bordo y dan a los pilotos el tiempo adecuado para descender por debajo de los 8.000 pies (2.438 m). Sin oxígeno de emergencia, la hipoxia puede provocar pérdida de conciencia y una posterior pérdida de control de la aeronave. Los aviones de pasajeros modernos incluyen un tanque de oxígeno puro presurizado en la cabina, lo que da a los pilotos más tiempo para llevar la aeronave a una altitud segura. El tiempo de conciencia útil varía según la altitud. A medida que cae la presión, la temperatura del aire de la cabina también puede caer en picado a la temperatura ambiente exterior con peligro de hipotermia o congelación .

Para los aviones que necesitan volar sobre terrenos que no permiten alcanzar la altitud de seguridad en un máximo de 30 minutos, es obligatorio utilizar botellas de oxígeno presurizado, ya que los generadores de oxígeno químico instalados en la mayoría de los aviones no pueden suministrar suficiente oxígeno.

En los aviones de combate a reacción , el pequeño tamaño de la cabina implica que cualquier descompresión será muy rápida y no le daría tiempo al piloto para ponerse una máscara de oxígeno. Por lo tanto, los pilotos y la tripulación de los aviones de combate deben usar máscaras de oxígeno en todo momento. [39]

El 30 de junio de 1971, la tripulación de la Soyuz 11 , los cosmonautas soviéticos Georgy Dobrovolsky , Vladislav Volkov y Viktor Patsayev murieron después de que la válvula de ventilación de la cabina se abriera accidentalmente antes del reingreso atmosférico. [40] [41]

Historia

Cessna P210: el primer avión monomotor presurizado que logró éxito comercial

Los aviones que fueron pioneros en sistemas de cabina presurizada incluyen:

  • Packard-Le Père LUSAC-11 (1920, un diseño francés modificado, en realidad no presurizado pero con una cabina cerrada enriquecida con oxígeno)
  • División de Ingeniería USD-9A , un Airco DH.9A modificado (1921 – el primer avión en volar con la adición de un módulo de cabina presurizada) [42]
  • Junkers Ju 49 (1931: un avión experimental alemán construido específicamente para probar el concepto de presurización de la cabina)
  • Farman F.1000 (1932: un avión experimental francés con cabina presurizada que batió récords)
  • Chizhevski BOK-1 (1936, avión experimental ruso)
  • Lockheed XC-35 (1937: un avión presurizado estadounidense. En lugar de una cápsula de presión que encerrara la cabina, el revestimiento del fuselaje monocasco era el recipiente de presión).
  • Renard R.35 (1938: el primer avión de pasajeros con pistón presurizado)
  • Boeing 307 Stratoliner (1938: el primer avión de pasajeros presurizado que entró en servicio comercial)
  • Lockheed Constellation (1943: el primer avión de pasajeros presurizado en servicio generalizado)
  • Avro Tudor (1946 – primer avión de pasajeros presurizado británico)
  • De Havilland Comet (británico, Comet 1 1949 – el primer avión de reacción, Comet 4 1958 – resolvió los problemas del Comet 1)
  • Tupolev Tu-144 y Concorde (URSS, 1968 y anglo-francés, 1969 respectivamente; los primeros en operar a gran altitud)
  • Cessna P210 (1978) Primer avión monomotor presurizado comercialmente exitoso [43]
  • SyberJet SJ30 (2005) Primer avión comercial civil en certificar un sistema de presurización de 12,0 psi que permite una cabina a nivel del mar a 41.000 pies (12.497 m).

A finales de la década de 1910, se hicieron intentos para alcanzar altitudes cada vez mayores. En 1920, el piloto de pruebas teniente John A. Macready logró por primera vez vuelos a más de 37 000 pies (11 278 m) en un biplano Packard-Le Père LUSAC-11 en McCook Field en Dayton, Ohio . [44] El vuelo fue posible liberando oxígeno almacenado en la cabina, que se liberó directamente en una cabina cerrada y no en una máscara de oxígeno, que se desarrolló más tarde. [44] Con este sistema, los vuelos cerca de los 40 000 pies (12 192 m) eran posibles, pero la falta de presión atmosférica a esa altitud hizo que el corazón del piloto se agrandara visiblemente, y muchos pilotos informaron problemas de salud por vuelos a esa gran altitud. [44] Algunos de los primeros aviones de pasajeros tenían máscaras de oxígeno para los pasajeros para los vuelos de rutina.

En 1921, un biplano de reconocimiento Wright-Dayton USD-9A fue modificado con la adición de una cámara hermética completamente cerrada que podía ser presurizada con aire forzado dentro de ella por pequeñas turbinas externas. [44] La cámara tenía una escotilla de solo 22 pulgadas (560 mm) de diámetro que sería sellada por el piloto a 3000 pies (914 m). [44] La cámara contenía solo un instrumento, un altímetro, mientras que los instrumentos convencionales de la cabina estaban todos montados fuera de la cámara, visibles a través de cinco pequeños ojos de buey. [44] El primer intento de operar la aeronave fue realizado nuevamente por el teniente John A. McCready, quien descubrió que la turbina estaba forzando el aire dentro de la cámara más rápido de lo que la pequeña válvula de liberación provista podía liberarlo. [44] Como resultado, la cámara se sobrepresurizó rápidamente y el vuelo fue abandonado. [44] Un segundo intento tuvo que ser abandonado cuando el piloto descubrió a 3.000 pies (914 m) que era demasiado bajo para cerrar la escotilla de la cámara. [44] El primer vuelo exitoso fue finalmente realizado por el piloto de pruebas, el teniente Harrold Harris, convirtiéndose en el primer vuelo del mundo realizado por un avión presurizado. [44]

El primer avión de pasajeros que entró en servicio comercial con una cabina presurizada fue el Boeing 307 Stratoliner , construido en 1938, antes de la Segunda Guerra Mundial , aunque solo se fabricaron diez antes de que la guerra interrumpiera la producción. El "compartimento de presión" del 307 iba desde el morro del avión hasta un mamparo de presión en la popa, justo delante del estabilizador horizontal. [45]

Casco de piloto y máscara de oxígeno de la Segunda Guerra Mundial

La Segunda Guerra Mundial fue un catalizador para el desarrollo de la aviación. Inicialmente, los aviones de pistón de la Segunda Guerra Mundial, aunque a menudo volaban a altitudes muy elevadas, no estaban presurizados y dependían de máscaras de oxígeno. [46] Esto se volvió impráctico con el desarrollo de bombarderos más grandes donde la tripulación debía moverse por la cabina. El primer bombardero construido con una cabina presurizada para uso a gran altitud fue el Vickers Wellington Mark VI en 1941, pero la RAF cambió la política y en lugar de actuar como Pathfinders, los aviones se utilizaron para otros fines. El bombardero estratégico de largo alcance estadounidense Boeing B-29 Superfortress fue el primero en entrar en servicio con bombas. El sistema de control para este fue diseñado por Garrett AiResearch Manufacturing Company , basándose en parte en la concesión de licencias de patentes que tenía Boeing para el Stratoliner. [47]

Los aviones de pasajeros de pistón de posguerra, como el Lockheed Constellation (1943), hicieron que la tecnología fuera más común en el servicio civil. Los aviones de pasajeros con motor de pistón generalmente dependían de compresores eléctricos para proporcionar aire presurizado a la cabina. La sobrealimentación del motor y la presurización de la cabina permitieron que aviones como el Douglas DC-6 , el Douglas DC-7 y el Constellation tuvieran techos de servicio certificados de 24.000 a 28.400 pies (7.315 a 8.656 m). El diseño de un fuselaje presurizado para hacer frente a ese rango de altitud estaba dentro del conocimiento de ingeniería y metalurgia de ese momento. La introducción de los aviones de pasajeros a reacción requirió un aumento significativo en las altitudes de crucero al rango de 30.000-41.000 pies (9.144-12.497 m), donde los motores a reacción son más eficientes en el consumo de combustible. Ese aumento en las altitudes de crucero requirió una ingeniería mucho más rigurosa del fuselaje, y al principio no todos los problemas de ingeniería se entendieron por completo.

El primer avión comercial a reacción del mundo fue el británico De Havilland Comet (1949), diseñado con un techo de servicio de 36.000 pies (11.000 m). Era la primera vez que se construía y volaba a esa altitud un fuselaje presurizado de gran diámetro con ventanas. Inicialmente, el diseño fue muy exitoso, pero dos catastróficos fallos en el fuselaje en 1954, que provocaron la pérdida total del avión, los pasajeros y la tripulación, dejaron en tierra a lo que entonces era toda la flota mundial de aviones a reacción. Una investigación exhaustiva y un análisis de ingeniería innovador de los restos condujeron a una serie de avances de ingeniería muy importantes que resolvieron los problemas básicos del diseño de fuselajes presurizados a gran altitud. El problema crítico resultó ser una combinación de una comprensión inadecuada del efecto de la fatiga progresiva del metal a medida que el fuselaje sufre ciclos de tensión repetidos, junto con una comprensión errónea de cómo se redistribuyen las tensiones del revestimiento del avión alrededor de las aberturas del fuselaje, como las ventanas y los orificios de los remaches.

Los principios críticos de ingeniería sobre la fatiga del metal aprendidos del programa Comet 1 [48] se aplicaron directamente al diseño del Boeing 707 (1957) y de todos los aviones de reacción posteriores. Por ejemplo, se introdujeron procesos detallados de inspección rutinaria; además de inspecciones visuales exhaustivas de la piel exterior, los operadores realizaban rutinariamente muestreos estructurales obligatorios; la necesidad de inspeccionar áreas que no son fácilmente visibles a simple vista condujo a la introducción generalizada del examen radiográfico en la aviación; esto también tenía la ventaja de detectar grietas y defectos demasiado pequeños para ser vistos de otra manera. [49] Otro legado visiblemente perceptible de los desastres del Comet son las ventanas ovaladas en todos los aviones de reacción; las grietas por fatiga del metal que destruyeron los Comet fueron iniciadas por las esquinas de radio pequeño en las ventanas casi cuadradas del Comet 1. [50] [51] El fuselaje del Comet fue rediseñado y el Comet 4 (1958) se convirtió en un exitoso avión de pasajeros, pionero en el primer servicio de jet transatlántico, pero el programa nunca se recuperó realmente de estos desastres y fue superado por el Boeing 707. [52] [53]

Incluso después de los desastres del Comet, hubo varias fallas catastróficas posteriores por fatiga atribuidas a la presurización de la cabina. Quizás el ejemplo más destacado fue el vuelo 243 de Aloha Airlines , en el que estuvo involucrado un Boeing 737-200 . [54] En este caso, la causa principal fue la operación continua de la aeronave específica a pesar de haber acumulado 35.496 horas de vuelo antes del accidente, esas horas incluían más de 89.680 ciclos de vuelo (despegues y aterrizajes), debido a su uso en vuelos cortos; [55] esto ascendió a más del doble del número de ciclos de vuelo que la estructura del avión estaba diseñada para soportar. [56] Aloha 243 pudo aterrizar a pesar del daño sustancial infligido por la descompresión, que había resultado en la pérdida de un miembro de la tripulación de cabina; el incidente tuvo efectos de largo alcance en las políticas de seguridad de la aviación y condujo a cambios en los procedimientos operativos. [56]

El avión supersónico Concorde tuvo que lidiar con diferenciales de presión particularmente altos porque volaba a una altitud inusualmente alta (hasta 60.000 pies (18.288 m)) y mantenía una altitud de cabina de 6.000 pies (1.829 m). [57] A pesar de esto, su altitud de cabina se mantuvo intencionalmente a 6.000 pies (1.829 m). [58] Esta combinación, si bien proporcionaba mayor comodidad, requirió que el Concorde fuera un avión significativamente más pesado, lo que a su vez contribuyó al costo relativamente alto de un vuelo. Inusualmente, el Concorde estaba equipado con ventanas de cabina más pequeñas que la mayoría de los otros aviones comerciales de pasajeros para reducir la tasa de descompresión en caso de que fallara el sello de una ventana. [59] La alta altitud de crucero también requirió el uso de oxígeno a alta presión y válvulas de demanda en las máscaras de emergencia a diferencia de las máscaras de flujo continuo utilizadas en los aviones de pasajeros convencionales. [60] La FAA, que hace cumplir las tasas mínimas de descenso de emergencia para las aeronaves, determinó que, en relación con la mayor altitud operativa del Concorde, la mejor respuesta a un incidente de pérdida de presión sería realizar un descenso rápido. [61]

La altitud de cabina operativa diseñada para los nuevos aviones está disminuyendo y se espera que esto reduzca los problemas fisiológicos restantes. Tanto los aviones Boeing 787 Dreamliner como los Airbus A350 XWB han realizado tales modificaciones para aumentar la comodidad de los pasajeros. La presión interna de la cabina del 787 es el equivalente a una altitud de 6.000 pies (1.829 m), lo que resulta en una presión más alta que la altitud de 8.000 pies (2.438 m) de los aviones convencionales más antiguos; [62] según un estudio conjunto realizado por Boeing y la Universidad Estatal de Oklahoma , dicho nivel mejora significativamente los niveles de comodidad. [63] [64] Airbus ha declarado que el A350 XWB proporciona una altitud de cabina típica de 6.000 pies (1.829 m) o inferior, junto con una atmósfera de cabina con un 20% de humedad y un sistema de gestión del flujo de aire que adapta el flujo de aire de la cabina a la carga de pasajeros con una circulación de aire sin corrientes de aire. [65] La adopción de fuselajes compuestos elimina la amenaza que representa la fatiga del metal , que se habría visto exacerbada por las mayores presiones de cabina adoptadas por los aviones de pasajeros modernos; también elimina el riesgo de corrosión por el uso de mayores niveles de humedad. [62]

Véase también

Notas al pie

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  • Vídeo con demostración de presurización de cabina en aeronaves civiles en YouTube
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