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✈ 비행과 공부/비행이론

[The Human in the Cockpit] Hypoxia, Barotrauma, Hyperventilation, Carbon Monoxide poisoning, Dehydration

by 하고싶은게비행 2023. 1. 5.
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  Human factor 는 비행의 안전에 많은 영향을 끼친다. 실제로 일어나는 많은 사건사고는 Human factor 로 인하여 일어나고 있다. 이런 Human factor 는 Pilot, flying environment, the aircraft 의 상태에 달려있다.

  비행기를 안전하게 운전하기 위해서는 생리적인 영향 뿐만 아니라 workload, fatigue, decision making, situational awareness 에 대한 인지를 발전시킬 필요가 있다. 

 

1. 혈액순환

Circulatory System

  The circulatory or cardiovascular system 은 혈액이 순환하면서 산소와 영양분을 body cell 로 옮기게 되며, cell 에서 산소를 연소시킨 후 Carbon Dioxide (CO2) 를 생성하게 된다. 

Blood 는 Plasma (혈장, red blood cell 과 white blood cell 을 운반) 과 corpuscle (혈구), Platelets (혈소판)로 구성되어 있다. The red blood cells 은 산소를 운반하는 hemoglobin 을 포함하고 있다. The white blood cells 은 여러가지 타입이 있으며 항균작용을 한다. 

 

Heart

  심장은 two sides 로 나눠져 있고 각 side 는 두 개의 방으로 이루어져 있다. 심장은 muscular pump 로 혈액을 계속 pumping 하게 된다. 이렇게 계속 혈액을 pumping 하면서 산소와 이산화탄소를 운반하게 된다. 

 

Respiratory System

  호흡을 하면서 산소를 받아 들이고 CO2 를 밖으로 배출하게 된다. 그렇기 때문에 호흡은 끊임없이 일어나야 하며 몇 분 이상 호흡을 하지 않게 될경우 뇌를 포함한 영구적인 physical damage 를 만들어 낼 수 있으며, 최악의 경우 사망에 이를 수 있다. 

 

2. Flight Environment

Atmosphere

  지구의 대기는 21%의 산소, 78%의 질소, 1%의 CO2 와 다른 gas로 구성되어 있다. 지구의 대기가 trap 될 수 있는 이유는 지구의 중력에 의해서 가능하다. 고도가 올라갈 경우 Air 는 점점 얇아지게 된다. 하지만 Air 를 구성하는 성분의 농도는 유지된다. 

  산소의 감소는 신체에 여러 문제를 일으킨다. 근육을 움직이지 않게 할 수도 있으며, 뇌에서 제대로 된 판단을 못하게 할 수도 있다. 비행은 고도의 변화가 있는데 이는 산소량의 변화를 의미한다. 그래서 높은 고도에 올라가게 되면 산소부족으로 인한 여러 문제를 일으킬 수 있다. 

 

The International Standard Atmosphere (ISA)

  지구 내에서의 대기 상태는 다를 수 있기 때문에 ISA 는 The standard atmosphere 상태를 만들었다.

  • Sea level temperature : 59 ℉ (15℃)
  • Lapse rate : -3.5℉ (-2℃) per 1,000 feet
  • Freezing level (32℉/ 0℃) : 7,500 feet
  • Sea level pressure : 29.92 in. Hg (1,013.2 hectopascals)
  • Tropopause : 36,080 feet
  • Temperature at the tropopause : -56℃

Flying at altitude

  고도가 증가하면서 파일럿은 Oxygen deficiency 및 low ambient tgemperature 에 노출되게 되어있다. 고도증가는 대표적으로 세 상태 변화를 일으킨다

  • 낮은 대기압으로 인하여 신체 내부의 gas 가 팽창
  • 낮은 산소 압으로 인하여 Hypoxia 를 일으킴
  • 혈액 내에서 bubble 을 만들 수 있음

Hypoxia

  "Hypoxia(산소결핍) is a condition in which oxygen concentration in the tissues is less than normal"

이라 하며 만약 모든 oxygen 이 없을 경우 anoxia(무산소증) 라고 한다. 

 

  Hypoxia 는 초반에 일어나는 것을 쉽게 확인할 수 없다. 그러나 여러가지 증상이 있는데

euphoria, difficulty in concentrating, faulty judgment, moodiness, drowsiness, indecision, giddiness, physical clumsiness, headache, deterioration of vision, high pulse rate, cyanosis, tingling of the skin, ending in loss of consciousness 등이 있다.

 

  보통 cabin altitude 10,000 feet (낮, 밤에는 5,000 feet) 이상에서 증상이 일어날 수 있다. 

 

  흡연의 경우도 산소결핍으로 이어질 수 있다. 혈액내의 CO 는 homoglobin 이 가져가야 할 O2 와의 결합을 방해할 수 있다. 이는 산소가 충분히 있는 상태에서도 산소결핍을 일으킬 수 있다. 흡연을 하게 된다면 cabin altitude 4,000 ~ 5,000 feet 의 증가와 같은 효과를 일으킨다.

 

Hypoxia 의 종류

  • Hypoxic hypoxia : an insufficient amount of oxygen available to the body
  • Hypemic hypoxia : an O2 deficiency in the blood. Blood is unable to absorb and transport sufficient amounts of O2 to the cells. Most commonly occurs due to CO poisoning
  • Stagnant hypoxia : when O2 blood from the lungs is unable to flow to the tissues and cells
  • Histotoxic hypoxia : when the cells or tissues in the body are unable to effectively use the O2 blood. Often caused by alcohol or drugs

Time of Useful Consciousness (TUC) or effective performance time (EPT)

  The time available for pilots to perform useful tasks without a supplementary O2 supply, and before severe hypoxia sets in.

  TUC 는 고도의 증가에 따라 시간이 짧아진다

 

Barotrauma (기압장애, 기압성 외상)

  고도의 증가에 따라 기압이 감소하게 되고 그렇게 되면 공기는 팽창하게 된다. 만약 몸 속에 갇혀있는 gas 가 팽창하게 되면 여러 통증을 일으키게 된다

 

Ears

  귀에서는 the Eustachian tube 를 관이 있는데 이는 귀 내부와 코 근처로 연결되어 gas 가 팽창 할 경우 관이 열러 gas를 배출하게 되어 압력을 맞추게 된다. 침을 삼키거나, equalizing 을 통하여 압력을 맞출 수도 있다.

 

Decompression Sickness (The bends)

  압력 감소로 인하여 N2가 bubble 화 되면서 엄청난 통증을 일으키는 증상으로 어깨, 팔목이나 관절 등에서 일어나게 된다. 이 같은 통증이 일어나게 되면 신체에 고압을 적정 시간동안 유지해주는 치료를 해야한다. 

 

  보통 Scuba diving 후 비행을 하게 되면 The bends 가 쉽게 일어날 수 있다. 그 이유는 물 속으로 들어가게 될 경우 인체에 가해지는 압력이 커지게 된다. 그렇게 되면 질소가스가 혈액으로 스며들게 된다. 그 상태에서 비행을 하게 되면 압력감소폭은 더 커지게 되며 그 때 혈액속에 있던 질소가 bubble 화 하면서 the bends 를 일으키게 된다. 

 

Hyperventilation

  과호흡으로 보통 걱정, 불안함 등의 정신적인 문제로 일어나게 된다. 

 

Carbon Monoxide Poisoning

  기체 내에서 생기는 CO 는 연료 연소로 인하여 일어날 수 있다. 또는 흡연으로 인하여 일어날 수 있다. 

CO 는 colorless, odorless, tasteless 한 유독 가스로 CO 자체만으로는 인지하기 어렵다. 그러나 보통 CO 가 cockpit 내부로 들어올 때는 다른 배기가스도 함께 들어오기 때문에 배기가스 냄새를 맡게 되면 CO poisoning 을 예상하여 빠른 환기가 필요하다. 

 

  CO poisoning 은 산소결핍으로 이어지며 이로인한 증상은

  • headache, dizziness, nausea
  • deterioration in vision
  • impaired judgment
  • personality change
  • impaired memory
  • slower breathing rate
  • cherry-red complexion
  • loss of muscular power
  • convulsions (경련)
  • coma and eventually death

  CO poisoning 의 증상을 겪게 되면

  • shut off the cabin heat
  • stop all smoking
  • increase the supply of fresh air vents and windows
  • land as soon as possible

을 통해 큰 사고를 막아야한다.

 

  CO 는 감지하기 어려우나 cockpit 에는 CO detector 가 설치되어 있는 경우가 있다. CO 를 감지하게 될 경우 crystal 의 색깔 변화가 일어난다. 그러나 the expiration date 가 있기 때문에 주기적으로 교체해 주어야 한다. 이 외에도 비사긴 하지만 전자식 감지기도 있다.

 

 

Dehydration

  더운 여름 뿐만 아니라 추울 경우에도 일어날 수 있다. 왜냐하면 추워질 수록 공기는 수분을 적게 포함하게 된다. 호흡을 하게 되면서 몸 속의 수분을 뱉어내고 적은 량의 수분을 흡입하기 때문에 탈수가 일어날 수도 있다. 탈수의 경우 증상을 당장 확인하기 어렵기 때문에 1시간 이상의 비행을 할 경우 주기적으로 적당량의 물을 마셔주어야 한다.

 

 

Condition Cause/ Altitude Common Symptoms Notes Actions
Hypoxia Rare below 10,000 ft Euphoria, visual disturbances, dizziness, light headedness, confused thinking, apprehension, sense of well-being May be unaware of condition due to decreased partial pressure of O2 Descend, Use O2, 10,000 ~ 33,700 ft : air-O2 mix.
33,700~40,000 ft : 100% O2
Hyperventilation Anxiety
Any altitude
Light headedness, dizziness, tingling, numbness, visual disturbances, confused thinking, tremors, faintness Overbreathing reduces CO2 level in the blood Control breathing rate. Breathe into hand or bag. If above 10,000ft, suspect hypoxia.
CO poisoning Faulty exhaust heating. Smoking. 
Any altitude
Headache, breathlessness, sluggishness, impaired judgment, feeling of warmth, cherry-red skin Hemoglobin has greater affinity for CO than for O2
(Smoking makes night vision poor)
Immediate fresh air. O2. Land and seek medical attention.
Decompression sickness Flying after diving.
Unlikely below 18,000 ft
Headache, pain (joints), paralysis, choking, skin irritation N2 forms bubbles in lungs (chokes), joints (bends), skin (creeps), central nervous system (paralysis) Do not fly for 4 hours for dives less than 30ft; wait longer if deeper dive
Dehydration Workload, radiant heat, perspiration Darker urine, dryness Carry drinking water in the cockpit, cover exposed skin Sip water regularly in flight
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