Presurización de cabina

presurización de cabina es un proceso en el que se bombea aire acondicionado a la cabina de un avión o nave espacial para crear un ambiente seguro y cómodo para los humanos que vuelan a gran altura. En el caso de los aviones, este aire normalmente se extrae de los motores de turbina de gas en la etapa del compresor, 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.

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. La práctica se generalizaría una década más tarde, particularmente con la introducción del avión de pasajeros británico De Havilland Comet en 1949. Sin embargo, dos fallas catastróficas en 1954 dejaron temporalmente en tierra al Comet en todo el mundo. Se investigaron las causas y se descubrió que eran una combinación de fatiga progresiva del metal y tensiones en el revestimiento del avión causadas por la presurización. Las pruebas mejoradas implicaron múltiples pruebas de ciclos de presurización a gran escala de todo el fuselaje en un tanque de agua, y los principios clave de ingeniería aprendidos se aplicaron al diseño de aviones de pasajeros posteriores.

Ciertos aviones 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), manteniendo una altitud de cabina de 6.000 pies (1.829 m). Esto aumentó el peso del fuselaje y provocó el uso de ventanas de cabina más pequeñas destinadas a reducir la velocidad de descompresión si ocurría un evento de despresurización.

El incidente del vuelo 243 de Aloha Airlines, que involucró a un Boeing 737-200 que sufrió una falla catastrófica en la cabina en pleno vuelo, fue causado principalmente por la operación continua del avión a pesar de haber acumulado más del doble de ciclos de vuelo que el El fuselaje fue diseñado para resistir. Para una mayor comodidad de los pasajeros, varios aviones de pasajeros modernos, como el Boeing 787 Dreamliner y el Airbus A350 XWB, cuentan con altitudes operativas reducidas en la cabina, así como mayores niveles de humedad; el uso de fuselajes compuestos ha ayudado a la adopción de tales prácticas para maximizar la comodidad.

Necesidad de presurización de la cabina

La presurización se vuelve cada vez más necesaria en altitudes superiores a 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. Para aviones privados que operan en los EE. UU., los miembros de la tripulación deben usar máscaras de oxígeno si la altitud de la cabina (una representación de la presión del aire, ver más abajo) se mantiene por encima de 12,500 pies (3,810 m) durante más de 30 minutos, o si la altitud de la cabina alcanza 14.000 pies (4.267 m) en cualquier momento. En altitudes superiores a 15.000 pies (4.572 m), los pasajeros también deben recibir máscaras de oxígeno. En aviones comerciales, la altitud de la cabina debe mantenerse en 8000 pies (2438 m) o menos. También es necesaria 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 presurizarse. Los principales problemas fisiológicos se enumeran a continuación.

Hipoxia

La presión parcial baja del oxígeno a alta altitud reduce la tensión de oxígeno alveolar en los pulmones y posteriormente en el cerebro, lo que conduce al pensamiento lento, visión diminuida, pérdida de conciencia y, en última instancia, muerte. En algunos individuos, en particular los que tienen enfermedades cardíacas o pulmonares, los síntomas pueden comenzar tan bajos como 5.000 pies (1.524 m), aunque la mayoría de los pasajeros pueden tolerar altitudes de 8.000 pies (2.438 m) sin efecto. A esta altura, hay un 25% menos de oxígeno que en el nivel del mar.

La hipoxia puede ser abordada por la administración de oxígeno suplementario, ya sea a través de una máscara de oxígeno o a través de una cánula nasal. Sin presurización, el oxígeno suficiente puede ser entregado hasta una altitud de alrededor de 40.000 pies (12.192 m). Esto se debe a que una persona que se utiliza para vivir a nivel del mar necesita alrededor de 0.20 bar (20 kPa; 2.9 psi) presión parcial de oxígeno para funcionar normalmente y que la presión puede mantenerse hasta alrededor de 40.000 pies (12,192 m) aumentando la fracción de topo de oxígeno en el aire que está siendo respirado. A 40.000 pies (12.192 m), la presión del aire ambiente cae en aproximadamente 0,2 bar, al que mantener una presión parcial mínima de oxígeno de 0,2 bar requiere respirar 100% oxígeno usando una máscara de oxígeno.

Las máscaras de suministro de oxígeno de emergencia en el compartimento de pasajeros de las aerolíneas no necesitan ser máscaras de presión porque la mayoría de los vuelos permanecen por debajo de 40.000 pies (12.192 m). Por encima de esa altitud la presión parcial del oxígeno caerá por debajo de 0,2 bar incluso al 100% de oxígeno y algún grado de presión de cabina o descenso rápido será esencial para evitar el riesgo de hipoxia.

Enfermedad de Altitud

La hiperventilación, la respuesta más común del cuerpo a la hipoxia, ayuda a restaurar parcialmente la presión parcial del oxígeno en la sangre, pero también causa dióxido de carbono (CO)₂) a fuera de gas, levantando el pH de sangre e induciendo la alcalosis. Los pasajeros pueden experimentar fatiga, náuseas, dolores de cabeza, insomnio y (en vuelos prolongados) edema pulmonar. Estos son los mismos síntomas que experimentan los escaladores de montaña, pero la duración limitada del vuelo alimentado hace improbable el desarrollo del edema pulmonar. La enfermedad de Altitud puede ser controlada por un traje de presión completo con casco y placa de cara, que completamente envuelve el cuerpo en un entorno presurizado; sin embargo, esto es poco práctico para los pasajeros comerciales.

Enfermedad de la descompresión

La baja presión parcial de los gases, principalmente el nitrógeno (N₂) pero incluyendo todos los demás gases, puede causar gases disueltos en el torrente sanguíneo para precipitarse, resultando en embolia de gas, o burbujas en el torrente sanguíneo. El mecanismo es el mismo que el de los buzos de aire comprimido en ascenso desde la profundidad. Los síntomas pueden incluir los primeros síntomas de "las curvas" (cansancio, olvido, dolor de cabeza, derrame cerebral, trombosis y picazón subcutáneo), pero raramente sus síntomas completos. La enfermedad de descompresión también puede ser controlada por un traje de presión completa en cuanto a la enfermedad de altura.

Barotrauma

A medida que el avión sube o baja, los pasajeros pueden experimentar incomodidad o dolor agudo mientras los gases atrapados dentro de sus cuerpos se expanden o contraen. Los problemas más comunes ocurren con el aire atrapado en el oído medio (aerotitis) o los senos paranasales por un tubo euskera bloqueado o los senos. El dolor también puede experimentarse en el tracto gastrointestinal o incluso en los dientes (barodontalgia). Por lo general, estos no son lo suficientemente severos para causar traumas reales, pero pueden resultar en dolor en el oído que persiste después del vuelo y pueden exacerbar o precipitar las condiciones médicas preexistentes, como el neumotórax.

Altitud de la cabina

La presión dentro de la cabina se denomina técnicamente altitud efectiva equivalente de la cabina o, más comúnmente, altitud de la cabina. Esto 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 kPa (14,696 psi).

Aeronave

En los aviones de línea, 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 típico de pasajeros, 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 cabina se mantiene mientras la aeronave navega a su altitud máxima y luego se reduce gradualmente durante el descenso hasta que la presión de la cabina coincide con la presión del aire ambiente en el destino.

Mantener la altitud de la cabina por debajo de 8000 pies (2438 m) generalmente previene la hipoxia significativa, el mal de altura, el mal de descompresión y el barotrauma. Las regulaciones de la Administración Federal de Aviación (FAA) en los EE. UU. exigen que, en condiciones operativas normales, la altitud de la cabina no puede exceder este límite en la altitud operativa máxima de la aeronave. Esta altitud máxima obligatoria en 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 de un resfriado u otra infección aún pueden experimentar dolor en los oídos y los senos nasales. La tasa de cambio de 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 buzos que vuelan dentro del área "no fly" período posterior a una inmersión corren el riesgo de sufrir una 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 la cabina del Boeing 767 suele ser de unos 7.000 pies (2.134 m) cuando navega a 37.000 pies (11.278 m). Esto es típico de los aviones a reacción más antiguos. Un objetivo de diseño para muchos aviones más nuevos, pero no para todos, es proporcionar una altitud de cabina más baja que los diseños más antiguos. Esto puede resultar beneficioso para la comodidad de los pasajeros. Por ejemplo, el avión de negocios Bombardier Global Express puede proporcionar una altitud de cabina de 4500 pies (1372 m) cuando navega a 41 000 pies (12 497 m). El avión de negocios Emivest SJ30 puede proporcionar una altitud de cabina al nivel del mar cuando navega a 41.000 pies (12.497 m). Un estudio de ocho vuelos en aviones Airbus A380 encontró una altitud de presión de cabina promedio de 6,128 pies (1,868 m), y 65 vuelos en aviones Boeing 747-400 encontraron una altitud de presión de cabina promedio de 5,159 pies (1,572 m).

Antes de 1996, a aproximadamente 6.000 grandes aviones de transporte comercial se les asignó un certificado de tipo para volar hasta 45.000 pies (13.716 m) sin tener que cumplir condiciones especiales de gran altitud. En 1996, la FAA adoptó la Enmienda 25-87, que impuso especificaciones adicionales de presión de cabina a gran altitud para diseños de aviones de nuevo tipo. Las aeronaves certificadas para operar por encima de los 25 000 pies (7620 m) "deben diseñarse de manera que los ocupantes no queden expuestos a altitudes de presión en la cabina superiores a los 15 000 pies (4572 m) después de cualquier condición probable de falla en el sistema de presurización" . 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 manera que los ocupantes no queden expuestos a una altitud de cabina superior a 25.000 pies (7.620 m) durante más de 2 minutos, ni a una altitud superior a 40.000 pies (12.192 m) en ningún momento. En la práctica, esa nueva enmienda al Reglamento Federal de Aviación impone un techo operativo de 40.000 pies (12.000 m) en la mayoría de los aviones comerciales de nuevo diseño. Los fabricantes de aeronaves pueden solicitar una flexibilización de esta norma si las circunstancias lo justifican. En 2004, Airbus adquirió una exención de la FAA para permitir que la altitud de la cabina del A380 alcanzara los 43.000 pies (13.106 m) en caso de un incidente de descompresión y superara los 40.000 pies (12.192 m) durante un minuto. Esto permite que el A380 opere a mayor altitud que otros aviones civiles de nuevo diseño.

Nave espacial

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. 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 se debe transportar una masa de nitrógeno inerte. También se debe tener cuidado para evitar la enfermedad por descompresión cuando los cosmonautas realizan actividades extravehiculares, ya que los trajes espaciales blandos actuales están presurizados con oxígeno puro a una presión relativamente baja para proporcionar una flexibilidad razonable.

Por el contrario, Estados Unidos utilizó una atmósfera de oxígeno puro para sus naves espaciales Mercurio de 1961, Gemini de 1965 y Apolo de 1967, principalmente para evitar la enfermedad por descompresión. Mercury utilizó una altitud de cabina de 24.800 pies (7.600 m) (5,5 psi (0,38 bar)); Géminis utilizó una altitud de 25.700 pies (7.800 m) (5,3 psi (0,37 bar)); y Apolo utilizó 27.000 pies (8.200 m) (5,0 psi (0,34 bar)) en el espacio. Esto permitió un diseño de vehículo espacial más ligero. Esto es posible porque con 100% de oxígeno, llega suficiente oxígeno al torrente sanguíneo para permitir que los astronautas operen normalmente. Antes del lanzamiento, la presión se mantuvo ligeramente por encima del nivel del mar a una temperatura constante de 5,3 psi (0,37 bar) por encima de la temperatura ambiente para Gemini y 2 psi (0,14 bar) sobre el nivel del mar en el lanzamiento de Apollo), y 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 de riesgo de incendio fatal en el Apolo, contribuyendo a la muerte de toda la tripulación del Apolo 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 a baja presión a 5 psi (0,34 bar) en el espacio.

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 Skylab, y una atmósfera de cabina estándar similar al aire para el orbitador del Transbordador Espacial y la Estación Espacial Internacional.

Mecánica

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 presurización es el aire purgado de la etapa del compresor de un motor de turbina de gas; desde una etapa baja o intermedia o una etapa alta adicional, dependiendo la etapa exacta según el tipo de motor. Cuando el aire frío del exterior llega a las válvulas de purga de aire, se ha calentado a unos 200 °C (392 °F). El control y la selección de fuentes de sangrado altas o bajas es completamente automático y se rige por las necesidades de varios sistemas neumáticos en las distintas etapas del vuelo. Los aviones con motor de pistón requieren un compresor adicional, consulte el diagrama a la derecha.

La parte del aire purgado que se dirige al ECS luego 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 en el interior después del aire acondicionado proveniente de los paquetes si es necesario para calentar una sección de la cabina que está más fría que otras.

Al menos dos motores proporcionan aire comprimido para purgar todos los sistemas neumáticos del avión, para proporcionar total redundancia. 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 enciendan los motores principales. La mayoría de los aviones comerciales modernos de la actualidad tienen controladores electrónicos duplicados y totalmente redundantes para mantener la presurización junto con un sistema de control de respaldo manual.

Todo el aire de escape se expulsa 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 válvula de alivio de seguridad, además de otras válvulas de alivio de seguridad. Si los controladores de presión automáticos fallan, el piloto puede controlar manualmente la válvula de presión de la cabina, de acuerdo con la lista de verificación de procedimientos de emergencia de respaldo. El controlador automático normalmente mantiene la altitud de presión adecuada en la cabina ajustando constantemente la posición de la válvula de salida para 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 según el tipo de aeronave; los valores típicos están entre 540 hPa (7,8 psi) y 650 hPa (9,4 psi). 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) menos que la Ciudad de México), que es aproximadamente 790 hPa (11,5 psi) de presión atmosférica.

Algunos aviones, como el Boeing 787 Dreamliner, han reintroducido compresores eléctricos utilizados anteriormente en aviones con motor de pistón para proporcionar presurización. El uso de compresores eléctricos aumenta la carga de generación eléctrica en los motores e introduce una serie de etapas de transferencia de energía; por lo tanto, no está claro si esto aumenta la eficiencia general del sistema de tratamiento 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 proporcionan una mayor flexibilidad de diseño.

Descompresión no planificada

La pérdida no planificada de presión de la cabina en altitud o en el espacio es poco común, pero ha resultado en varios accidentes fatales. Las fallas van desde la pérdida repentina y catastrófica de la integridad del fuselaje (descompresión explosiva) hasta fugas lentas o mal funcionamiento del equipo que permiten que caiga la presión en la cabina.

Cualquier falla en la presurización de la cabina por encima de los 10 000 pies (3048 m) requiere un descenso de emergencia a 8000 pies (2438 m) o lo más cercano a eso mientras se mantiene la altitud mínima del sector (MSA) y la 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 la pérdida del conocimiento y la consiguiente pérdida de control de la aeronave. Los aviones modernos incluyen un tanque de oxígeno puro presurizado en la cabina, lo que da a los pilotos más tiempo para llevar el avión a una altitud segura. El tiempo de conciencia útil varía según la altitud. A medida que la presión cae, la temperatura del aire de la cabina también puede descender hasta la temperatura ambiente exterior, con peligro de hipotermia o congelación.

Para los aviones que necesitan volar sobre un terreno que no permite alcanzar la altitud segura en un máximo de 30 minutos, las botellas de oxígeno presurizadas son obligatorias, ya que los generadores químicos de oxígeno instalados en la mayoría de los aviones no pueden suministrar suficiente oxígeno.

En los aviones de combate, el pequeño tamaño de la cabina significa que cualquier descompresión será muy rápida y no le dará 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.

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 a la atmósfera.

Historia

Las aeronaves que fueron pioneras en los sistemas de cabina presurizada incluyen:

• Packard-Le Père LUSAC-11, (1920, un diseño francés modificado, no presurizado sino con una cabina enriquecida de oxígeno cerrada)
• División de Ingeniería USD-9A, un Airco DH.9A modificado (1921 – el primer avión a volar con la adición de un módulo de cabina presurizada)
• Junkers Ju 49 (1931 – un avión experimental alemán diseñado para probar el concepto de presurización de cabina)
• Farman F.1000 (1932 – un disco francés rompiendo cabina presurizada, aeronave experimental)
• Chizhevski BOK-1 (1936 – un avión experimental ruso)
• Lockheed XC-35 (1937 – un avión presurizado americano. En lugar de una cápsula de presión que encierra la cabina, la piel de fuselaje monocoque era el recipiente de presión.)
• Renard R.35 (1938 – el primer aerolineador de pistón presurizado)
• Boeing 307 Stratoliner (1938 – el primer aerolineador presurizado para entrar en servicio comercial)
• Lockheed Constellation (1943 – el primer aerolineador presurizado en amplio servicio)
• Avro Tudor (1946 – primer avión presurizado británico)
• de Havilland Comet (British, Comet 1 1949 - el primer jetliner, Comet 4 1958 - resolver los problemas del Comet 1)
• Tupolev Tu-144 y Concorde (1968 URSS y 1969 Anglo-French respectivamente – primero para operar a muy alta altitud)
• Cessna P210 (1978) First commercially successful pressurized single-engine aircraft
• SyberJet SJ30 (2005) First civilian business jet to certify 12.0 psi pressurization system allowing for a sea level cabin at 41,000 ft (12.497 m).

A finales de la década de 1910, se intentaba alcanzar altitudes cada vez mayores. En 1920, el piloto de pruebas, el 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. El vuelo fue posible liberando oxígeno almacenado en la cabina, que se liberaba directamente en una cabina cerrada y no en una máscara de oxígeno, que se desarrolló más tarde. Con este sistema eran posibles vuelos cercanos a los 40.000 pies (12.192 m), pero la falta de presión atmosférica a esa altitud provocó que el corazón del piloto se dilatara visiblemente, y muchos pilotos informaron problemas de salud debido a vuelos a tan gran altitud. Algunos de los primeros aviones tenían máscaras de oxígeno para los pasajeros en 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 presurizarse con aire forzado hacia su interior mediante pequeñas turbinas externas. La cámara tenía una escotilla de sólo 22 pulgadas (560 mm) de diámetro que sería sellada por el piloto a 3000 pies (914 m). La cámara contenía sólo un instrumento, un altímetro, mientras que todos los instrumentos convencionales de la cabina estaban montados fuera de la cámara, visibles a través de cinco pequeños ojos de buey. El primer intento de operar el avión lo realizó nuevamente el teniente John A. McCready, quien descubrió que la turbina estaba forzando el ingreso de aire a la cámara más rápido de lo que la pequeña válvula de liberación provista podía liberarlo. Como resultado, la cámara se sobrepresurizó rápidamente y se abandonó el vuelo. Un segundo intento tuvo que ser abandonado cuando el piloto descubrió a 3000 pies (914 m) que era demasiado bajo para cerrar la escotilla de la recámara. El primer vuelo exitoso finalmente lo realizó el piloto de pruebas, el teniente Harrold Harris, convirtiéndose en el primer vuelo del mundo realizado en un avión presurizado.

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 produjeron 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".

La Segunda Guerra Mundial fue un catalizador para el desarrollo de aviones. Inicialmente, los aviones de pistón de la Segunda Guerra Mundial, aunque volaban a menudo a altitudes muy elevadas, no estaban presurizados y dependían de máscaras de oxígeno. Esto se volvió poco práctico con el desarrollo de bombarderos más grandes donde la tripulación debía moverse por la cabina y esto llevó al primer bombardero con presurización de cabina (aunque restringida a las áreas de la tripulación), el Boeing B-29 Superfortress. El sistema de control para esto fue diseñado por Garrett AiResearch Manufacturing Company, basándose en parte en la licencia de patentes de Boeing para el Stratoliner.

Los aviones de pasajeros de pistón de la 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). Diseñar un fuselaje presurizado para hacer frente a ese rango de altitud estaba dentro del conocimiento metalúrgico y de ingeniería de esa época. La introducción de aviones a reacción requirió un aumento significativo en las altitudes de crucero hasta el rango de 30.000 a 41.000 pies (9.144 a 12.497 m), donde los motores a reacción consumen más combustible. Ese aumento en las altitudes de crucero requirió una ingeniería mucho más rigurosa del fuselaje y, al principio, no se entendieron completamente todos los problemas de ingeniería.

El primer avión comercial del mundo fue el británico de Havilland Comet (1949) diseñado con un techo de servicio de 36.000 pies (11,000 m). Fue la primera vez que se había construido un gran diámetro, fuselaje presurizado con ventanas y volado a esta altura. Inicialmente, el diseño fue muy exitoso, pero dos fallas catastróficas de la radio aérea en 1954, lo que dio lugar a la pérdida total de los aviones, pasajeros y tripulantes arrasaron lo que era entonces toda la flota mundial de aviones. Extensive investigation and groundbreaking engineering analysis of the ruinage led to a number of very significant engineering advances that resolved the basic problems of pressurized fuselage design at altitude. El problema crítico resultó ser una combinación de una comprensión inadecuada del efecto de la fatiga metalúrgica progresiva a medida que el fuselaje se somete a repetidos ciclos de estrés junto con un malentendido de cómo las tensiones de la piel de los aviones se redistribuyen alrededor de las aberturas en el fuselaje como ventanas y agujeros de remache.

Los principios críticos de ingeniería relacionados con la fatiga del metal aprendidos en el programa Comet 1 se aplicaron directamente al diseño del Boeing 707 (1957) y a todos los aviones de pasajeros posteriores. Por ejemplo, se introdujeron procesos de inspección de rutina detallados; además de inspecciones visuales exhaustivas de la piel exterior, los operadores realizaron rutinariamente muestreos estructurales obligatorios; la necesidad de inspeccionar áreas que no eran fácilmente visibles a simple vista llevó a la introducción de exámenes radiológicos generalizados en la aviación; esto también tenía la ventaja de detectar grietas y defectos demasiado pequeños para ser vistos de otra manera. Otro legado visiblemente notable de los desastres de los cometas son las ventanas ovaladas de todos los aviones a reacción; Las grietas por fatiga del metal que destruyeron los cometas fueron iniciadas por las esquinas de radio pequeño en las ventanas casi cuadradas del cometa 1. El fuselaje del Comet fue rediseñado y el Comet 4 (1958) se convirtió en un avión de pasajeros exitoso, 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.

Incluso después de los desastres del Comet, hubo varias fallas catastróficas por fatiga posteriores atribuidas a la presurización de la cabina. Quizás el ejemplo más destacado fue el vuelo 243 de Aloha Airlines, en el que participó un Boeing 737-200. En este caso, la causa principal fue la continuidad de la operación de la aeronave en cuestión a pesar de haber acumulado 35.496 horas de vuelo antes del accidente, horas que incluían más de 89.680 ciclos de vuelo (despegues y aterrizajes), debido a su uso en vuelos cortos; esto equivalía a más del doble del número de ciclos de vuelo para los que fue diseñado el fuselaje. El Aloha 243 pudo aterrizar a pesar de los importantes daños causados por la descompresión, que provocó la pérdida de un miembro de la tripulación de cabina; El incidente tuvo efectos de gran alcance en las políticas de seguridad aérea y provocó cambios en los procedimientos operativos.

El avión supersónico Concorde tuvo que lidiar con diferenciales de presión particularmente altos porque voló a una altitud inusualmente alta (hasta 60 000 pies (18 288 m)) y mantuvo una altitud de cabina de 6000 pies (1829 m). A pesar de esto, la altitud de su cabina se mantuvo intencionalmente en 6.000 pies (1.829 m). Esta combinación, si bien proporcionaba una mayor comodidad, requería hacer del Concorde un avión significativamente más pesado, lo que a su vez contribuía al coste relativamente alto del vuelo. Inusualmente, el Concorde contaba con ventanas de cabina más pequeñas que la mayoría de los demás aviones comerciales de pasajeros para reducir la velocidad de descompresión en caso de que fallara el sello de la ventana. La gran altitud de crucero también requería 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 convencionales. La FAA, que impone 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.

La altitud operativa de cabina diseñada para aviones nuevos está disminuyendo y se espera que esto reduzca cualquier problema fisiológico restante. Tanto el Boeing 787 Dreamliner como el Airbus A350 XWB han realizado este tipo de modificaciones para aumentar la comodidad de los pasajeros. La presión interna de la cabina del 787 equivale a 6.000 pies (1.829 m) de altitud, lo que resulta en una presión más alta que la de 8.000 pies (2.438 m) de altitud de los aviones convencionales más antiguos; Según un estudio conjunto realizado por Boeing y la Universidad Estatal de Oklahoma, este nivel mejora significativamente los niveles de confort. Airbus ha declarado que el A350 XWB proporciona una altitud de cabina típica de 6.000 pies (1.829 m) o menos, 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. . La adopción de fuselajes compuestos elimina la amenaza que representa la fatiga del metal que se habría visto exacerbada por las presiones más altas en la cabina adoptadas por los aviones de pasajeros modernos; también elimina el riesgo de corrosión por el uso de mayores niveles de humedad.

Referencias generales

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