【《氧气系统对飞行安全的影响分析》7000字】

-PAGE51-氧气系统对飞行安全的影响分析目录TOC\o"1-3"\h\u19060氧气系统对飞行安全的影响分析 1165161.1大气条件 120281.1.1国际标准大气 2140431.2缺氧症 3217011.2.1低氧压缺氧 331591.2.2运输性缺氧 5157161.2.3停滞性缺氧 5163561.2.4中毒性缺氧 5247291.2.5缺氧症识别 626321.3补充供氧的必要性 673021.1.1缺氧症的危害 6245441.1.2暴露在缺氧环境中的有效意识时间 9人类是需氧进行代谢产生能量的，需要相对特定的环境条件才能生存。近百年，随着科学技术的发展，人类利用智慧开发出了能够在各种极端环境中生存的设备，包括本文叙述的飞机氧气系统，来应对随着飞机高度上升而导致的大气条件变化。如果不对正常操纵下的飞机座舱环境进行控制和管理，不对座舱失压等紧急情况下进行补充用氧，飞机高度上升带来的剧烈环境变化将对身体和心理产生巨大损害，这对生存构成了严重威胁1.1大气条件大气是包围着地球的气体层，大气是混合物，由干洁空气、水汽、固体杂质组成，其中氮气占78%，氧气占21%，由氩，二氧化碳，氖，氦，氪，氙，氢气组成的稀有气体占1%。对于绝大多数气体，在不同高度上，他们所占大气的比重是相对恒定的。水和二氧化碳主要是上述稳定的例外。臭氧主要位于大气的15km和50km之间。地球围绕地轴自转，赤道温度高于极地温度，造成了大气在地球表面的厚度分布并不是平均的。大气层在赤道的厚度要大于在极地的厚度，而且质量分布及其不均匀，约有一半质量的大气集中在紧挨地面5.5km的厚度里。大气层的厚度取决于两个对立的因素，即太阳的热辐射和地球引力。大气层吸收来自太阳的热辐射升温而向外层空间扩散，而大气自身也具有重力即地球的引力将大气层拉回地球表面。因此大气的密度和由此产生的压力都是随着高度的增加而减少的。标准大气的密度和压力都随高度的增加呈指数函数下降，如图1.1。但是真实大气因为地形，温度，湿度等因素会导致大气的密度和压力变化规律而改变，与标准大气的指数函数稍有偏差。如图所示，在海平面时，气压为1013hpa；在5500m处气压为506hpa；在16000m处，气压为101hpa；而在30000m处，气压仅为10hpa。图1.1气压-高度图1.1.1国际标准大气国际标准大气，也通常被认为国际民航组织标准大气，简称标准大气，国际标准大气是一个标准值，是一个假定的理想情况，相对于实际大气在不同时间不同地点的变化，国际标准大气更方便研究及使用。国际标准大气的压力，密度，温度有如下状态：在海平面上，其压力为1011.25hpa，每30英尺气压下降约1hpa，任意一高度的气压满足如下公式（1.1）：0<H≤11kmp海平面高度的密度为1.255kg/m3,任意一高度的标准大气密度满足如式（1.2）：0<H≤11kmρ③温度为15℃，每1000英尺气温下降2℃直到高度到达对流层顶，约36000英尺。在对流层顶附近，平流层的下部是等温层，气温为-56.5℃实际大气与ISA在很多情况下都不一样。海平面气压每时每天也都发生着变化，而且在不同高度层实际大气与ISA也会有很大的温度差别。因为实际大气气压，气温，温度在不同时间不同地点都会有很强的不确定性，文中的关于大气的讨论均使用国际标准大气。1.2缺氧症缺氧是指血液、组织和/或细胞中缺乏足够的氧气来维持正常的生理功能。缺氧可以有多种原因，如被吸进肺部的空气中氧分压不足，血液因为过载而被限制流动，生理或病理学原因导致的血液循环障碍，或者血液中血红蛋白载氧量不足。图1.SEQ图3.\*ARABIC2血氧饱和度-肺泡氧分压图1.2.1低氧压缺氧低氧压缺氧症，也被认为是高度缺氧症，由吸入气体中的氧分压低导致。对人类呼吸来说，最重要的大气成分是氧气。氧气占了大气的21%，氧气所占大气（混合气）的比例可以用于计算吸入的大气氧分压（pOpO2ins式1.3中：pOph6226为水蒸气分压，PaO2从根本上讲，在呼吸过程中，是氧分压的梯度驱使氧气吸入体内。因为氧气所占大气百分比在一定高度下基本不随高度改变而改变，在大气中氧分压直接由大气压力决定。在肺部完成气体交换时，各种混合气体之间不是互相干扰的。所以气体的分压在讨论有关生理问题时尤为重要。由图1.1可知，气压随着海拔高度的升高而降低。因为肺泡连接着气管，所以它是对外界大气开放的，因此肺部的压力也会随着高度以与外界大气一样的压力下降率下降。随着高度的升高，导致ph降低，根据式（1.3），可得出p在健康的个体中，血红蛋白的血氧饱和度最初很少受到影响。在地表和海拔10000英尺之间，即使气压下降了25%，血红蛋白含氧饱和度也只从98%下降到90%，这对大多数人的功能影响不大。但是如上文所述，当高度大于10000ft时，大气中氧分压会迅速下降，更快的造成机体组织的缺氧。在讨论低氧压性缺氧症时，暴露在低氧压环境中的时间也会成为影响上述症状强度的重要因素。暴露在低氧压环境中的时间应该以分钟为单位，来估计缺氧程度。疲劳，酒精摄入和极小计量的镇定剂类药物都会很大的增加缺氧阈值高度。低氧压缺氧被矫正的速度较快，在吸入具有足够氧分压的氧气15秒即可进而消除低氧压性缺氧的症状，获得正常工作思考效率的恢复。血液循环的速度也是15秒钟。心脏是体内的血液泵，从心脏出发的绝大部分血液在15-20秒内流经机体组织器官回到心脏。所有的静脉血液都会流经肺泡与外界完成气体交换变成动脉血，之后会被再次泵到大脑完成整个循环。1.2.2运输性缺氧当血液不能携带足够的氧气到身体细胞时，就会发生运输性缺氧。贫血，血细胞变形或者一氧化碳中毒都会导致运输性缺氧。大量失血和捐血后导致的缺氧，也属于运输性缺氧。血红蛋白是血液中携带氧气的成分，一氧化碳与血红蛋白的亲和力大约是氧气与血红蛋白亲和力的200倍。因此，即使是少量的一氧化碳进入血管与血红蛋白结合，也会阻碍氧气与血红蛋白的结合。这种类型的缺氧不同于由于海拔高度低氧压造成的缺氧，运输性缺氧如果是因为一氧化碳中毒引起的，其恢复时间较长轻度的一氧化碳中毒，吸100%纯氧24小时便可恢复正常。但如果一氧化碳浓度高，暴露在高浓度环境的时间长，则需要长时间通常是几天的高压氧舱治疗才能恢复。飞行中最常见的运输性缺氧是由一氧化碳中毒或燃烧烟气中毒引起。飞行中的一氧化碳中毒大都发生在通用航空（GeneralAviation）领域，因为通用航空飞机的加热器多数使用尾气的温度将外界冷空气加热输入客舱，如果热交换器中的排气管有破损，就极易引起一氧化碳中毒。在通用航空飞行中如果怀疑客舱内有引擎废气，应关闭加热器，打开所有通风口，如果速度允许可以打开窗户，充分通风唤起，直到完成着陆。在航线运输中，如果烟雾报警器响起，推荐严格执行飞行程序，认真落实检查单项目，尽快着陆。1.2.3停滞性缺氧停滞性缺氧是指因为血液循环的不通畅导致的氧气含量欠缺。停滞性缺氧可以由过度正向过载导致或因极度寒冷导致血管收缩减少血液流动到四肢。正向过载的情境下，飞行员易过度换气，飞行员需要区别自己的症状是由于过度换气产生还是停滞性缺氧产生。在进行高机动飞行时，两种症状的辨别通常会困扰飞行员。1.2.4中毒性缺氧中毒性缺氧(也称为组织性缺氧)是指细胞无法从血液中吸收或使用氧气，尽管生理上氧气输送到组织器官和细胞的过程是正常的。组织毒性缺氧是由组织中毒引起的，中毒性缺氧可以由饮用用酒精饮料，服用毒品产生。这些物质会影响组织细胞从血液中吸收氧气的能力。对细胞使用氧气能力造成的损伤取决于酒精饮料或毒品使用的量。在干扰源被人体消化吸收或排除体外之后，组织细胞吸收使用血液中氧气的能力会回归正常。1.2.5缺氧症识别缺氧可以从客观(即能够被观察者感知到)和主观(即仅由飞行员感知到)症状来识别。客观体征包括呼吸频率和深度增加、心动过速、发绀(嘴唇和指甲呈蓝色)、精神错乱、判断力差、肌肉协调性丧失、无精打采和意识丧失。行为变化可由缺氧个体和观察员注意到。主观症状包括呼吸困难、恐惧、疲劳、视力模糊、头晕、视野狭窄、刺痛、头痛和麻木。虽然过度换气是由于体内二氧化碳的浓度过低导致，缺氧症是由于体内氧气浓度过低导致，但是过度换气和缺氧症的症状表现极为相似，均有呼吸频率和深度增加，心动加快，头晕头痛，恶心视野模糊的症状。过度换气和缺氧症的治疗方法又是截然相反的，过度换气需要降低呼吸频率，暂停吸氧等方法来提高体内二氧化碳含量，而缺氧症的治疗需要吸氧。在实飞中，最直接有效的区别过度换气和缺氧症的方法是检查患者是否发绀，即嘴唇和指甲是否呈蓝紫色。缺氧症具有发绀现象，而过度换气没有此现象。在实飞中一定要先认真判断患者患病类型，再对症下药，切忌随意用氧。防止缺氧症发生的唯一方法是清楚缺氧症的症状并且在飞行中不断感知缺氧症的症状并作出适当的改正措施。血氧计等医疗设备可以直接监测乘客的血氧饱和度，目前市场上已有飞行专用的血氧计，但是并未被强制推行使用。1.3补充供氧的必要性1.1.1缺氧症的危害如图1.2所示，随着气压高度的升高，血氧饱和度随氧分压的降低而降低。血氧饱和度指的是人体血液中的氧含量。身体需要血液中有足够多氧气才能正常工作。成年人的正常血氧饱和度范围是94%到99%。任何氧饱和度低于90%的人都可能需要补充氧气。由图1.2可知，血氧饱和度90%对应的氧分压在60mmHg左右。由图可知在10000英尺以上，血氧饱和度会迅速下降，推荐处于此高度及以上高度的人补充用氧。从海平面到10000英尺高度（ph在大约14000ft（ph在16000ft处的缺氧状态和醉酒导致酒精中毒的表现相似，机体出现代偿障碍，呼吸和循环系统的代偿功能并不能补充因氧分压减少造成的缺氧状态。在16000ft的高度如果不佩戴氧气设备或具有增压座舱，飞行员或其他有操作任务的机组成员将会处于混沌状态，是十分危险的在大约18000ft（ph对上述随着高度升高而造成的不同缺氧状态进行总结，缺氧过程大致可以分为四个阶段：无症状阶段，代偿阶段，代偿障碍阶段和危急阶段。每个人的缺氧阈值高度会因为个人体质不同而有很大的区别，如抽烟，酒精摄入，是否强壮，精神状态是否处于疲惫。正常人的各个阶段的阈值高度和血液饱和度变化如表1.1所示。与此同时，随着高度的升高，驱动气体进入肺部的气压梯度力也会减少。在呼吸过程中，任何高度上，假设肺部的体积扩大至两倍，则肺内部气压将减半。当人在海平面高度上时气压为1013hpa，在呼吸过程中将会有500hpa的气压梯度；而如果在5500m（ph心脏是对氧气极为敏感的器官，它从动脉中吸收比绝大多数器官要多的血氧来工作。所以当血氧减少时，心脏的功能会被影响。如果血氧饱和度显著降低，那么隐性冠心病可能会机组成员和乘客的身上，而他们却不察觉。表1.1缺氧阶段客舱高度血氧压力和血氧饱和度呼吸空气呼吸纯氧无症状阶段0-3030m0-10000ft10300m-12000m33000ft-40000ft60-104mmHg90%-97%代偿阶段3030m-4500m10000ft-15000ft12000m-13000m40000ft-42500ft42-60mmHg80%-90%代偿障碍4500m-6000m15000-20000ft13000m-13500m42500ft-45000ft42-35mmHg70%-80%危急6000m-7000m20000ft-23000ft13500m-13800m45000ft-46000ft35-30mmHg60%-70%总而言之，缺氧的影响包括疲惫，疑惑，虚假兴奋，注意力不集中，做决定能力下降，犹豫飘摆不定，损伤意识活动能力，严重会造成失去意识，最终是死亡。缺氧症的危险更体现在它的隐蔽性。缺氧症并不会造成身体不适，疼痛，而且缺氧症还会产生有虚假的愉悦感，而且通常人们认为的单纯通过指尖的变紫色来判断缺氧并不可靠。所以它的发作是很隐蔽的，可能机组成员或乘客完全没有意识到它的发作，也不会意识到自己正在处于危险的境地。每个人的缺氧阈值高度会因为个人体质不同而有很大的区别，如抽烟，酒精摄入，是否强壮，精神状态是否处于疲惫。同时吸烟会显著降低缺氧的阈值高度。吸烟者体内的一氧化碳含量会高于不吸烟者，一氧化碳更易于与血红蛋白结合而占据氧气分子应有的空间；而且吸烟者的肺部会因烟油积累，导致气管支气管狭窄，肺泡壁破坏，使气体在肺泡中的弥散作用减弱，不利于气体交换。上述原因会导致吸烟缺氧的阈值高度降低2000ft到3000ft。而在夜间，吸烟者的视力损伤在1000MSL就已存在。1.1.2暴露在缺氧环境中的有效意识时间有效意识时间被定义为从暴露在缺氧环境中到失去工作能力的时间。有效意识时间区别于意识时间，意识时间是指暴露在缺氧环境中直到完全丧失意识的时间。因为个体身体情况，处理此类事件的经验和忍耐力的差异，每个人的有效意识时间都不尽相同。其中有两个因素对于有效意识时间是至关重要的：减压前吸入人体的氧气压力和减压时的代谢活动水平。减压前吸入人体的氧气压力越大，减压时体内留存的氧气含量越高，相应有效意识时间将会越长。减压时代谢活动水平越高，单位时间内消耗氧气量越大，有效意识时间越少。在呼吸空气和呼吸氧气的情况下，以及在安定和中等运动活动情况下的有效意识时间如图1.3所示。图1.3有效意识时间与高度的关系由图1.3可知，在40500ft高度，即使是在安定状态下的有效意识时间也只有15秒。在现代民航客机中，如果客舱失压，飞行员和机组成员只有15秒的在缺氧环境中能完成他们职责的时间，这显然是不能够保证飞行安全的。要在41000英尺以上的高空生存，需要在有压力的情况下呼吸100%的氧气。基于客舱增压失败的可能和爆炸性减压导致机组成员短时间昏迷的可能，让机组成员在41000ft以上飞行时全时间配带氧气面罩是必要的。而且一旦出现失压的现象,有必要对氧气面罩进行加压供氧。从实际角度出发，当飞机客舱出现极短时间内的快速失压，客舱内的水汽会因为压力减小而变成雾气，使能见度变低。加之多种严峻紧急的干扰因素困扰，会在短时间内工作负荷超标。飞行员和所有机组成员应该熟知客舱快速失压应发生的一切事件，并接受使用飞机加压氧气设备的训练。如果客舱内发生爆炸减压，爆炸减压瞬间外界环境对身体内氧气的剥夺会导致有效意识时间缩短至50%。在最理想的客舱高度8000ft，此时人体肺泡氧气压力和肺部血管的氧气压力使96hPa和40hPa，氧气可以正常从肺泡通过弥散运动弥散到血液中。当快速减压发生时，客舱高度快速升高至39000ft，此时肺泡的氧气压力快速降低，并且会低于血液中的氧气压力。因此在快速失压发生后的4到5秒内，会有短暂的氧气回流，从血液到肺部，进而呼出体外。这个现象剥夺了血液中的氧气储存，并且会减少有效意识时间多达50%。失去意识通常会发生在最初的10秒内，然而失去意识并不意味着呼吸会停止。如果另一位飞行员将氧气面罩放置到失去意识的飞行员脸上几秒，其肺中的氧气浓度会增加到有效值80hPa，并从缺氧症中恢复，可以继续进行飞行活动。在21世纪初，曾出现过幽灵航班。太阳神航空ZU-522号航班，B737系列飞机，在雅典上空盘旋几个小时后，在雅典东北部