L’industria aerospaziale progetta un numero sempre maggiore di droni da combattimento aereo per cui l’odierna generazione di velivoli militari sarà probabilmente una delle ultime a pilotaggio umano. L’uomo risulta sempre di più l’anello debole a causa delle sue molteplici limitazioni psicofisiche tra cui: bisogni fisiologici, stress termico, ipossia, fatica, sovraccarico cardiovascolare e neuromuscolare, deficit sensoriali e ridotta capacità a sostenere gli alti valori di accelerazione istantanea (G) che i moderni fighters da Air Superiority sono in grado di generare. Ovviamente grazie all’esperienza, al condizionamento e all’addestramento aerofisiologico, gli equipaggi di volo dei jet militari ad alte prestazioni (ma anche dei moderni velivoli sportivi da acrobazia aerea) riescono a prevenire ed a superare con successo queste limitazioni ma ogni anno avvengono comunque incidenti legati alla perdita di coscienza indotta dalle accelerazioni fenomeni noti come l’Almost Loss of Consciousness A-LOC e la G Induced Loss of Counciousness o G-LOC. Questi alterati stati di coscienza possono causare una perdita di consapevolezza situazionale (Loss of Situational Awareness o SA), produrre una pilot incapacitation, rischi di near miss, midair collisions, assetti di volo pericolosi vicino al suolo, emergency pull up, fino al crash del velivolo e Loss of Control In flight (LOC-I).
Questo può impattare negativamente la sicurezza volo (Operational Flight Safety) dei reparti operativi di prima linea ed il training di allievi piloti nell’acrobazia aerea, nelle Air Combat Maneuvers (ACM) come le Basic Fighters Maneuvers (BFM) ed il dogfight. Il rischio di G-LOC nell’addestramento dei piloti militari sta crescendo inoltre con l’affacciarsi di velivoli da addestramento avanzato molto manovrabili (M346, Yak130, Boeing T-7A, Kai T50) più simili ai caccia di ultima generazione e capaci di generare accelerazioni istantanee in misura maggiore dei velivoli precedenti più convenzionali (SF260, S211, MB326, MB339, Hawk, PC9, Texan II, T37, C101, L39C).
Le aviazioni militari investono ingenti risorse umane e logistiche per addestrare i futuri piloti dei fast jet da combattimento e dei velivoli ad alte prestazioni: addestramento aerofisiologico in centrifuga umana, applicazione dell’Anti G Straining Maneuver (AGSM), utilizzo di G pants, Full Coverage Anti G suit (FCAGT) o Advanced Technology anti G System (ATAGS) accoppiate con il positive Pressure Breathing Garnment for G protection (PBG) e l’uso di seggiolini reclinati in cockpit.
Vediamo quindi in dettaglio cosa sono le accelerazioni legate alla manovra (G) come si arriva all’A-LOC e al G-LOC e quali sono gli ausili fisiologici e strumentali per prevenire l’incapacitazione del pilota in volo.
In fisica la velocità è una grandezza vettoriale definita da una intensità, da una direzione e da un verso, espressa dalla formula S/T ove S è lo spazio e T il tempo. L’accelerazione è invece la variazione del vettore velocità nel tempo che può avvenire senza un cambio di direzione oppure la variazione della direzione del vettore velocità (accelerazione radiale) od entrambi (accelerazione angolare). La forza, come la forza peso, è data dal prodotto di una massa per un’accelerazione. Sulla superficie terrestre il nostro peso è dato dalla massa per l’accelerazione di gravità pari a 9,81 m/sec2 corrispondente per convenzione a 1 g.
Il numero di G invece è dato dal rapporto tra le accelerazioni totali indotte dalla manovra del velivolo e l’accelerazione di gravità pari a 1 ovvero G/g.
Il nostro organismo percepisce fisiologicamente le accelerazioni, ovvero la variazione delle forze applicate al nostro corpo e non la velocità costante grazie ai recettori presenti nei muscoli, nei tendini e nel SNC.
Si percepisce quindi la direzione opposta alla forza applicata al nostro corpo per la III legge della Dinamica newtoniana secondo la quale ad ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria. Questo per l’effetto della forza d’inerzia che trascina l’endolinfa all’interno dell’apparato vestibolare provocando la deflessione (come uno switch elettrico) delle cellule cigliate all’interno dell’utricolo del sacculo o delle creste ampollari innervate dal VIII nervo cranico, che sono collegate da circuiti neurologici riflessi ai movimenti oculari.
Siamo quindi in grado normalmente di percepire la direzione della forza di gravità, la perpendicolare alla superficie terrestre, le accelerazioni angolari (date dal rapporto tra la velocità al quadrato ed il raggio della traiettoria V2/r) ed orientare il nostro sguardo.
A seconda della direzione rispetto ai piani del nostro corpo (sagittale, frontale e trasversale) le accelerazioni vengono classificate in 3 assi con un senso positivo o negativo:
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Asse delle accelerazioni
- Asse testa-piedi (+Gz) o piedi-testa (-Gz)
- Asse petto-schiena (+Gx) o schiena-petto (-Gx)
- Asse laterale verso dx (+Gy) o verso sx (-Gy)
Le accelerazioni poi vengono classificate di breve durata fino a 500 millisecondi, durata intermedia tra 500 msec e 2″, lunga durata se oltre i 2″ e sostenute se maggiori di 15″.
E’ importante descrivere il rateo ovvero quanto rapidamente l’accelerazione è applicata (onset) o rimossa (offset) ovvero in quanto tempo arrivo ad ottenere un determinato numero di G (graduale, rapido o istantaneo).
Il pilota percepirà la risultante della combinazione vettoriale delle forze legate alla gravità ed indotte dalla manovra dell’aeromobile che saranno positive per convenzione se si sentirà schiacciato nel sedile come durante una richiamata alla fine di un looping (il peso aumenta n volte in funzione del numero di G), oppure negative se si sentirà proiettato verso il tettuccio, come in una picchiata improvvisa.
La portanza dell’ala dell’aeromobile deve inoltre compensare non solo la forza peso normale (Q) ma anche la forza indotta dalla manovra del velivolo chiamato peso apparente (Qa) legato alle accelerazioni angolari ed alla forza centrifuga. Il rapporto tra i due (Qa/Q) viene chiamato fattore di carico o n e corrisponde al G sperimentato dal pilota in funzione dell’angolo di inclinazione della virata (n=1/cos angolo di bank°).
L’accelerazione centrifuga, come nel pull up alla fine di un looping, addizionata alla forza peso può facilmente produrre alti Gz positivi e far superare nel casi di aeromobili di vecchia generazione, non limitati dal computer di bordo, il massimo fattori di carico strutturale e portare il pilota a un G-LOC.
Ma come reagisce il nostro organismo alle accelerazioni Gz+?
- Apparato muscoloscheletrico: a partire dai 2 G positivi i movimenti si fanno difficoltosi. Sopra i +3Gz è molto difficoltoso abbandonare il velivolo senza un sistema di espulsione. A +4Gz il sollevamento della testa se piegata in avanti è quasi impossibile, il collo è sottoposto a carichi notevoli soprattutto durante la manovra del “check six” eseguita sotto G senza unload momentaneo e il peso dei moderni caschi con display e sensori integrati (HMD o HMS) peggiorano la situazione. A +6Gz è impossibile muovere gli arti. I dischi intervertebrali vengono compressi con riduzione degli spazi nel canale vertebrale e possibile compressione delle radici nervose nei forami. Il recupero del soggetto non allenato può essere lungo con frequenti dorsalgie, lombalgie, cervicalgie e contratture muscolari post volo.
- SNC e apparato vestibolare: gli organi di senso e dell’equilibrio vengono iprerstimolati dalla risultante delle forze inerziali con possibile disorientamento spaziale, vertigine e illusioni percettive nel soggetto non allenato (“fenomeno di Coriolis”). La retina se sottoposta ad un onset graduale di G positivi subirà uno svuotamento progressivo di sangue dai vasi retinici (ischemia) con ipotensione (riduzione di circa 10-20 mmHg) che dopo 3-5″ (riserva funzionale di ossigeno) porterà a una perdita della visione periferica (“tunnel vision”), perdità della visione cromatica periferica (“grey out”) sui 3.5 +Gz fino alla cecità temporanea (“black out”) oltre i 4 Gz, se non si adottano meccanismi protettivi. La tolleranza individuale può avere un range variabile dai +2.7Gz fino ai +6Gz. Il cervello resiste meglio della retina alle basse pressioni arteriose per cui la perdita di coscienza (G-LOC) in caso di onset graduale avverrà dopo i segnali visivi che fungono da avvertimento. In caso di onset rapido il G-LOC può essere immediato come sui caccia ad alte prestazioni. Si attivano i riflessi barocettivi per la caduta di pressione arteriosa nei vasi del collo, attivati dai glomi carotidei e dai barorecettori dell’arco aortico ma questi hanno bisogno di tempo per attuarsi (almeno di 7-10″) causando la vasocostrizione e l’aumento di frequenza cardiaca che sostengono la pressione arteriosa (tali meccanismi non garantiscono più di 1 G di tolleranza). La ripetizione di picchi di Gz positivi sub massimali può invece indurre un’alterazione cognitiva transitoria denominata A-LOC (Almost Loss of Consciousness) con decadimento della performance psicofisica per parecchi secondi o minuti.
- Apparato cardiovascolare: vi è un aumento di pressione idrostatica negli arti inferiori legata ai G positivi con svuotamento dei vasi del cranio e la centrifugazione della massa ematica nelle parti più declivi del corpo (pooling venoso) dove possono formarsi petecchie epidermiche (se non si utilizzano i G pants) che durano fino a 48 ore. L’opposto avviene sotto G negativo ma in questo caso i vasi cerebrali hanno meno capacitanza degli arti inferiori con possibili microemorragie orbitali ed oculari (red vision). Gli alti G positivi provocano una diminuzione della gittata cardiaca ed una riduzione della pressione di perfusione dei distretti superiori del corpo (per +1 Gz la PA diminuisce di 23 mmHg). Dopo 6-12″ di G sostenuto la pressione arteriosa media inizia a diminuire prima che si instauri il riflesso barocettivo che provoca vasocostrizione periferica, aumento del ritorno venoso ed azione inotropa e cronotropa cardiaca positiva. Possono insorgere aritmie benigne (extrasistoli soprattutto ventricolari BEV o PVC) per dislocazione in basso del diaframma o bradicardie sinusali.
- Apparato respiratorio: la Capacità Vitale (CV) diminuisce con aumento del Volume Residuo (VR). Ci può essere il collasso dei piccoli alveoli nelle basi polmonari. Si altera il valore ventilazione/perfusione con shunt AV e riduzione della pressione parziale d’ossigeno del 15%. A +8Gz ci può essere dolore toracico e difficoltà respiratoria. Se si è respirata una miscela ricca di ossigeno (maggiore del 60%) per almeno 15′ a G superiori ai 4, vi può essere riassorbimento alveolare dei gas ed atelettasia da accelerazione per il poco azoto presente che si manifesta con tosse secca riflessa e non richiede trattamento.
La tolleranza ai G si studia con una curva +Gz/tempo in assenza di meccanismi protettivi (AGSM, G-Suits). Gli effetti risultanti sono in funzione del livello assoluto di accelerazione e del tempo in cui si raggiunge (onset). Da notare che picchi istantanei (meno di 3″) non comportano G-LOC mentre onset lunghi permettono l’instaurarsi dei meccanismi barocettivi compensatori.
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Fasi del G-LOC
Il G-LOC si divide in 2 fasi:
- Incapacitazione assoluta con svenimento per perdita di coscienza G indotta e perdita del tono muscolare che dura mediamente 10″.
- Incapacitazione relativa susseguente che dura 15″. I sintomi possono includere vertigini, allucinazioni, pensieri incongrui, immagini oniriche, confusione, amnesia e spasmi muscolari.
Le accelerazioni Gx interessano più gli astronauti che giacciono in posizione supina durante il lancio o i piloti navali che decollano con catapulta e atterrano su portaerei (tailhookers) subendo brusche accelerazioni e decelerazioni o i piloti delle monoposto da F1. Interessano prevalentemente l’apparato respiratorio e sono apprezzabili oltre i +5 Gx. A +12Gx la respirazione diventa dolorosa e difficoltosa e richiede apparati a pressione positiva.
Le accelerazioni laterali Gy interessano raramente il volo (più le monoposto da corsa) e hanno come target tipico il rachide cervicale soprattutto per il peso del casco di volo durante le imbardate improvvise.
