Embed Size (px)
Citation preview
QUELS SONT LES EFFETS DE LA HAUTE ALTITUDE SUR LE SYSTÈME CARDIO-VASCULAIRE? JOSEPH KAWALEC - DOUGLAS EDSTRÖM - YANN TAROUILLY - 1°S2
TABLE DES MATIÈRES
1
Table des matières
Introduction
Entretien avec Monsieur Jean-François Clervoy
Chapitre 1:Quels sont les effets des forces subies en vol sur le système cardio- vasculaire?
Qu’est-ce-que les forces G?
Les effets des forces g sur notre organisme
Quelles sont les solutions apportées par l’Homme?
Chapitre 2Quels sont les effets de la haute altitude sur le système cardio-vasculaire?
Quelles sont les propriétés de la pression en altitude et quels sont ses inconvénients?
Comment notre corps réagit-il à une raréfaction du dioxygène?
Chapitre 3Comment pressurise-t-on une cabine et quels sont les risques d’une décompression?
En quoi consiste la pressurisation et comment pressurise-t-on une cabine d’avion?
Quels sont les risques et les conséquences d’une décompression sur le système cardio-vasculaire?
Chapitre 4Quels sont les effets des radiations cosmiques sur la morphologie humaine?
Conclusion
Références
Expériences-Annexe
Page 1
Page 2
Page 3
Page 5
Page 6
Page 8
Page 14
Page 16
Page 17
Page 20
Page 26
Page 27
Page 33
Page 35
Page 37
Page 38
Page 40
De tous temps, l’Homme a été fasciné par le vol, de la mythologie gréco-romaine avec Icare, à Léonard de Vinci avec ses vis aériennes et héli-coptères. Le vol a très longtemps été un rêve. Mais dès le début de XXème siècle, on s’est ren-du compte que ce rêve pouvait s’avérer dange-reux. Les premiers passagers des montgolfières se sont asphyxiés en montant en altitude, et plus tard à la fin du XXème siècle, les premiers pilo-tes de chasse n’ont pas su expliquer leur perte de connaissance.
Aujourd’hui, les vols se sont popularisés, les avions ne sont plus utilisés seulement à des fins militaires, mais également pour le transport, et même pour le divertissement. Des mesures on été prises pour protéger les utilisateurs. En effet, des moyens on été mis en place pour protéger le système sanguin : les pilotes militaires s’entrai-nent constamment, utilisent des combinaisons spéciales à cha-que vol, des masques à oxy-gène, et les cabines des avions commerciaux sont rigoureuse-ment pressurisées.
Le système cardio-vasculaire est la partie de notre corps qui ré-siste le moins aux vols, c’est cela qu’il s’agit de protéger. C’est cette partie qui est impactée par les forces G lors d’accélérations, de même lors d’une montée en altitude c’est elle qui limite les
hommes et fixe les limites atteignables sans im-pact sur la santé. Même lors d’une dépressurisa-tion, le système cardio-vasculaire sera la cause de la mort des personnes à bord si la décom-pression est trop puissante. On remarque tout de même que le système pulmonaire peut égale-ment constituer le premier signe d’une montée en altitude trop rapide ou à une altitude trop éle-vée avec un rythme respiratoire accru. Les radia-tions cosmiques quant à elles n’agissent pas di-rectement sur le système cardio-vasculaire, car elles constituent uniquement un risque de can-cer.
Pour ces raisons les pilotes sont soumis à un en-traînement intensif, ils doivent porter des combi-naisons spéciales ainsi que des masques à oxy-gène. D’autre part les cabines des avions sont pressurisés : pourquoi toutes ces précautions ?
INTRODUCTION
2
Nous avons pu discute avec M. Jean-François Clervoy, professionnel de l’aéronautique. Voici ce que cela nous a appris :
Travail – rôle – carrière
M. Clervoy a 54 ans. Il est principalement spatio-naute à l’Agence Spatiale Européenne.
Formation : Math. Sup. – Math. Spé. – École Poly-technique – Diplôme ingénieur armement à SU-PAÉRO.
Expériences spatiales
Il a effectué des vols dans l’espace notamment sur la station MIR et sur les navettes spatiales Discovery et Atlantis.
Activité Actuelle
Il travaille actuellement sur l’ATV, sorte de cargo pour l’espace pour ravitailler la Station Spatiale Internationale ISS. Il est également PDG de No-vespace. Il travail comme Ingénieur de l’arme-ment.
Récompenses
Officier de l'ordre de la Légion d'honneur.
Trois "Space Flight Medals" de la NASA.
Deux "Exceptional Service Medals" de la NASA.
Chevalier de l'ordre national du mérite.
Diplômes "Komarov" et "Koroliev" de la Fédéra-tion aéronautique internationale.
Interview
Lors de l’interview nous avions abordé différents thèmes. Les voici :
Discussion sur les connaissances de M. Clervoy en relation avec le sujet de notre TPE :
1. Informations générales sur les effets des vols sur les êtres humains.
ENTRETIEN AVEC M. JEAN-FRANÇOIS CLERVOY
3
Portrait d’astronaute de la NASA de M. Clervoy
2. Expériences de M. Clervoy : suivi très pous-sé dans ce domaine pour exercer son métier : respiration, subir des forces G et y résister, capa-cités à réagir à ces situations; anecdotes (divers tests lors de visites médicales) et cas de dé-faillance lors de son utilisation de certains appa-reils.
Par exemple, la défaillance du système de pres-surisation d’un Airbus A340 qui a entrainé la sor-tie des masques à oxygènes qui constituent la seconde protection contre le manque d’oxygène en altitude lors d’un vol transatlantique a forcé l’avion pour respecter le règlement aéronautique à voler sous la limite de pressurisation jusqu’à sa destination), car plus aucunes protections n’étaient considérées comme totalement valides pour la fin du vol.
3. Définition des propriétés de la haute alti-tude et lesquelles affectent directement le corps humain, sur le court ou le long terme.
4. Explication sur les forces gravitationnelles : comment elles apparaissent, comment l’Homme les ressent, comment il y résiste : forces G éle-vées sur une courte durée ou forces G légères sur longue durée. Importance de la rapidité de la montée en G, le corps humain pouvant ne pas avoir le temps de s’adapter.
5. Description des processus pour se proté-ger des forces G.
a. Pantalon anti-G : principe de fonctionnement en comprimant les membre inférieurs pour em-pêcher l'afflux sanguin dans cette partie du corps.
b. Comprimer personnellement ses muscles des membres inférieurs pour répercuter le même processus qu’avec les pantalons anti-G.
6. Description des processus pour se proté-ger de la haute altitude et des difficultés respira-toires :
a. Respirer plus profondément...
b. ...ou plus rapidement.
c. Utilisation d’un masque qui ajoute un ap-port de dioxygène supplémentaire.
d. Se placer dans une cabine pressurisée.
e. Faire attention en très haute altitude au cas de la pression qui peu à elle seule, même avec un apport de dioxygène (masque par exemple) devenir dange-reuse, pour certains organes étanches du corps humain comme les tympans.
7. Prêt d’un livre “Physiologie Aéronautique” de M. Clervoy écrit par un médecin aéronautique de grande renommée : Docteur Henri Marotte et dédicacé par ce dernier.
Au fil de ce dossier nous faisons référence à M. Clervoy lorsqu’une information apporte à la par-tie traitée. Les informations clés de M. Clervoy pour le TPE sont donc intégrées aux parties.
4
M. Clervoy à une conférence à la North Atlanta High School
1
QUELS SONT LES EFFETS DES FORCES SUBIES EN VOL SUR LE SYSTÈME CARDIO-VASCULAIRE ?
La notion de "forces G" est une mesure des for-ces qui agissent sur un corps (une masse) lors d'une accélération.
Mais d'abord qu'est-ce qu'une accélération ? Elle consiste en un changement de la vitesse en fonction du temps et se mesure en m/s2.
Quand une accélération a-t-elle lieu? L'exemple le plus évident est l'accélération en ligne droite. Pour changer la vitesse d’un objet qui se dé-place à vitesse constante, nous sommes obligés d'appliquer une certaine force qui va modifier sa vitesse initiale. Elle peut provenir d'un moteur par exemple. En fonction de la direction de cette force, l’objet va accélérer ou décélérer (accéléra-tion négative). Pour changer la direction de l’ob-jet, il va falloir aussi appliquer une force, pour pouvoir "tourner". Dès que la force ne s’applique plus, l’objet aura une trajectoire non plus "cour-bée", mais rectiligne. Mais dans la plupart des cas, comme pour un avion, quand il effectue un virage (en s’inclinant) il n'ira peut-être pas plus vite, mais le moteur devra fournir plus de puis-sance pour pouvoir faire cette modification de la trajectoire, donc les forces seront présentes mais modifieront seulement la direction.
Pour illustrer ces phénomènes, prenons l’exem-ple d'un planeur.
Un planeur, qui est un appareil sans moteur, ne peut pas juste tourner, car l'appareil perdrait trop de vitesse. Il doit "piquer" pour gagner de la vi-tesse afin de pouvoir virer.
Les forces qui agissent sur le corps des person-nes à bord dans ces deux exemples sont nom-mées «forces G». Ces forces s'appliquent sur no-tre corps de manière à ce qu'elles nous "pous-sent" vers la trajectoire initiale et à la vitesse ini-tiale.
Un objet fixe, comme une personne par exem-ple, à la surface de la Terre est soumis à 1 G. Donc si un pilote subit 9 G, il sera soumis à 9 fois la force gravitationnelle normale, qui est de 9,81 N/kg.
La force G est comptée positivement lorsque l’ac-célération se fait vers l’avant, ou la modification de la trajectoire vers la gauche, ou vers le haut. Elle est comptée négativement lorsque l’accélé-ration se fait «vers l’arrière», c’est à dire un ralen-tissement, ou la modification de trajectoire a lieu vers l’avant ou vers le bas.
Voici un schéma modélisant les cas de deux ty-pes de force G :
!
QU’EST-CE QUE LES FORCES G?
6
! ! !Forces G +! ! !Forces G -
Voici comment on calcule les forces G :
a = v2 / d (avec a l'accélération, v la vitesse et d la distance)
Donc si nous avons: v = 200 km/h = 200 000 / (60.60) m/s = 55,6 m/s et d = 100 m
Nous obtenons:
a = 55,62 /100 = 30,9 m/s2,
Si nous voulons l'exprimer en G, on le divise par la constante gravitationnelle g ( 9,81 N) :
accélération, a / g = 30,9 / 9,81 = 3.15 G
Les forces G, quand elles sont multipliées par la masse sur laquelle elles agissent, sont asso-ciées à un certain type de force mécanique.
Attention ! La masse est invariable mais le poids est variable, il dépend de la distance à laquelle on se trouve du noyau de la Terre. Le
pilote est soumis à des forces mécaniques no-tamment le poids, augmentant avec l'accéléra-tion. Dans les cas suivants, nous allons em-ployer le terme de poids fictif, qui est la quantité de forces agissant sur lui qui est proportionnel aux forces G.
Poids fictif ressenti = masse x accélération de la force gravitationnelle (masse en kg et force en N/kg)
Exemple pour le vol d'un Airbus A380 à vitesse constante (donc 1 G) :
masse = 380 000 kg
g = 9,81 N.kg-1
Donc poids f. = 9,81 × 380 000 = 3,73 × 106 N
Maintenant le poids du même appareil durant une accélération (2 G),
G= 2.9,81 N.kg-1 :
Poids f. = (2.9,81). 380 000 kg =7,4.106 N
L'avion sera donc soumis à une force de 7,4 . 106 N.
Maintenant que nous connaissons les bases des forces G, nous pouvons commencer notre démarche pour trouver ses effets sur notre corps et ses limites.
7
!
!
Poids fictif
Les différents axes (auxquels on fait référence ci-après, à propos des axes X, Y et Z) (Extraits de «Physiologie aéronautique», Dr Marotte)
Les passagers des vols commerciaux disent sou-vent qu'ils "pèsent plus durant les décollages, et pèsent moins durant les atterrissages". Notre at-tention portera à présent sur ces forces auxquel-les les personnes sont soumises en observant les différents cas.
1. Sensation de compression ou de légè-reté
Extrait d'interview avec Jean-François Clervoy :
"Ce que ressent le pilote quant il dirige l'appareil vers le haut est comme une armoire l'écrasant dans son siège, mais la force est répartie sur tout le corps! Donc s’il veut juste lever la main et appuyer sur un bouton, il devra faire plus d'effort puisque sa main paraitra plus lourde."
Grâce à nos formules de la première partie, sur le poids fictif nous pouvons faire des calculs sur la variation du poids fictif représentant les forces gravitationnelles subies par la personne. Nous avons constaté que plus la masse augmente pour un objet pour une accélération constante, plus les forces agissant sur lui sont amplifiées. Cette fois-ci nous allons observer la masse (cons-tante) et la variation de l'accélération et donc de la force G :
Soit un pilote de masse 80 kg qui accélère son appareil au décollage pour avoir une ascension d'un vecteur d'accélération de 3 G+ :
P f. (N) = m (kg) . G (N/kg)
P f. = 80 . 3 (9,81) = 2,35 . 103 N ; c'est-à-dire que le pilote sera soumis à l’équivalent d’un poids de 240 kg.
Pour une force de 3 G- (force vers le haut du corps, l’avion effectue un virage vers le bas), nous devrions obtenir moins de forces agissant sur le pilote (par rapport à lorsqu’il est immobile au sol) :
P f. = 80 . (-3) (9,81) = (- 2,35) . 103 N
Le pilote ressent une force de 2,35.103 N de moins par rapport au poids f. initial, expliquant cette sensation de "peser moins".
D'après nos calculs nous pouvons conclure que la force agissant sur nous augmente ou diminue en fonction des G, ces deux grandeurs sont pro-portionnelles.
LES EFFETS DES FORCES G SUR NOTRE ORGANISME
8
Durant une accélération :
Étape 1
Étape 2
Ceci est donc le premier effet des forces g sur notre corps: une variation des forces normales auxquelles nous somme habitués. Mais atten-tion, cette variation des forces agissant sur nous verticalement varie seulement durant des ascen-sions ou des descentes.
Or ces forces du poids fictif nous tirent vers le centre de la Terre. Comme toute force celle-ci peut soit nous pousser ou nous tirer selon le sens dans lequel on se place. Dans le cas d'une force G importante, le poids nous écraserait. Or nous pouvons déduire qu'en compressant le corps, cette force entraînerait plusieurs domma-ges : compression de la cage thoracique limitant la respiration, déformations des articulations et des organes, lésions et fractures ...
2. Variation de la pression artérielle du-rant les différentes situations d’accéléra-tion
a) Accélération durant un changement de trajec-toire vertical vers le haut, sur l’axe Z (voir premier document partie 1)
Observons à présent la circulation sanguine du-rant cette accélération vers le haut.
9
!
!
POIDS FICTIF
!
!
!
Extraits de «Physiologie aéronautique», Dr Marotte
Pression artérielle en fonction de l'accélération
0
50
100
150
200
250
1 2 3 4 5 6 7
Accélération ( G)
pres
sion
art
érie
lle (c
m H
g)
Graphique extrait de «Physiologie aéronautique», Dr Marotte
Situation 1: en temps normal, 1G. Où la flèche rouge représente la pression artérielle et la verte, les forces G.
Situation 2: Les forces G sont ici supérieure à la force exercé par la pression artérielle sur la paroi du vaisseau, menant à une déformation de celle-ci.
Nous apprenons avec ces documents comment la pression au niveau de la tête baisse avec l'augmentation de l'accélération. Nous pouvons en déduire que la force, provoquée par les G+ s'appliquant sur la paroi carotide est plus forte que la force exercé à l’intérieur du vaisseau san-guin par la pression de celui-ci.
Le coeur soumis à ces forces a donc du mal à pomper le sang jusqu'à la tête. Le coeur va donc essayer de compenser ce manque par une fré-quence cardiaque plus élevée, pompant ainsi plus de sang. Mais ce manque de sang s'ampli-fie avec les G+. Celui-ci s’accumule donc petit à petit dans les jambes laissant une circulation de sang trop faible au niveau de la tête, menant à une irrigation insuffisante des organes situés dans cette partie du corps.
Si nous prolongeons le temps d’exposition du corps aux forces G+ ou en augmentant l'accélé-ration nous amplifierons le manque de sang, ce-ci devrait alors entraîner un manque d'oxygène au niveau de la tête.
"Je me rappelle que durant une séance de centri-fugeuse j'ai été victime du voile gris, ou en tout cas un début. On m’a fait monter progressive-ment à 5 G. Mais aux alentours de 3-4 G, mon champ de vision commençait à rétrécir. Celui-ci devenait gris aux extrémités, puis celui-ci se ré-trécissait jusqu'à devenir qu'un cercle. Puis j'ai dû entamer une manœuvre de respiration pour petit à petit récupérer totalement mon champ de vision. Puisque si j'avais gardé une respiration normale j'aurais eu une vision noire et aurais per-du la vue complètement."
Voici une simulation de ce que M. Clervoy aurait subi :
Nous apprenons ici que le manque de sang au niveau de la tête entraîne une perte de vue pro-gressive. Le passager soumis à des forces G pendant un certain temps verra en noir et blanc. Cela est expliqué par la pression interne de l'œil qui n'est pas compensée par la pression arté-rielle. On appelle ce stade "voile gris". La vision est ensuite limitée. On obtient une "vision tunnel". Si les forces G augmentent, jusqu'à environ 5 G, une perte de la vision complète survient, "le voile noir".
10
!
Schéma de la déformation de l’artère selon la force G Extraits de «Physiologie aéronautique», Dr Marotte
!
Nous pouvons constater qu'après le voile noir, une perte de conscience survient aux alentours de 5 G. Cette valeur est appelée G-LOC (en an-glais, «Loss Of Consciousness», perte de con-naissance).
Le graphique nous précise aussi que la vitesse à laquelle les G sont atteintes joue aussi un rôle. Par exemple si les 5 G sont atteints en l'espace de 5 secondes (voir courbe), le pilote perd con-naissance, alors que s’il monte progressivement,
celui-ci aura plus de temps pour s'adapter et pourra rester conscient plus longtemps.
Le phénomène observé pour la vue et le cerveau est l'hypoxie. Quand le flux sanguin contenant le dioxygène n'est pas assez abondant dû à une circulation trop faible, les tissus du cerveau ne sont plus alimentés et meurent. Ceci mènerait donc à des lésions cérébrales causant des dom-mages moteurs permanents conduisant éventuel-lement au coma.
b) Accélération en piqué ou en virage inversé, sur l’axe Z
Extrait de l'interview :
"Maintenant au lieu d'être écrasé dans le siège, on est tiré vers le haut (voûte en verre située au-dessus du pilote). On a l'effet inverse pour la cir-culation. Les forces G- tirent le sang vers la tête, les jambes sont alors en manque de sang. Mais le vrai problème est au niveau de la tête..."
11
!
!
!
Documents extraits de «Physiologie aéronautique», Dr Marotte
Direction de la force exercée
Cette fois-ci, nous observons l'effet contraire. La pression artérielle au niveau de la tête augmente avec les forces G- et la pression au niveau des jambes diminue. Les forces G sont alors une nou-velle fois supérieures à la pression artérielle. Le sang s’accumule donc dans la tête. La fré-quence cardiaque va donc s’intensifier pour es-sayer de compenser la force tirant le sang vers le haut.
Si le sang s’accumule au niveau de la tête nous devrions observer une dilatation des vaisseaux sanguins, causée par une pression artérielle trop forte.
Voici un extrait du livre Physiologie aéronautique du docteur Henri Marotte :
!
Extrait de l'interview :
"Le corps humain n'est pas aussi résistant aux forces G- que G+. Le flux sanguin est cette fois- ci amplifié dans la tête et non dans les jambes.
La première conséquence est la dilatation des vaisseaux sanguins (ils apparaissent alors «rouge»). Ce phénomène apparaît aux alentours de 2 à 3 G-. Si on continue à monter dans les G- les vaisseaux sanguins éclatent et peuvent en-dommager sévèrement les organes, non seule-ment les yeux mais aussi le cerveau."
Nous apprenons ici que la vue est touchée rapi-dement par la dilatation des vaisseaux sanguins. Nous obtenons un "voile rouge". Ce phénomène de dilatation des vaisseaux sanguins s'appelle l'anévrisme. Au delà des 3 G- le cerveau est tou-ché.
Les artérioles (artères de petit calibre, diamètre inférieur à 0.5 mm) éclatent menant à une perte de sang. Ce phénomène s'appelle l'hémorragie, qui est le stade supérieur à l'anévrisme si la force exercée sur la paroi des vaisseaux est trop forte. Le fait que le sang s’accumule de plus en plus au niveau de la tête augmente la pression artérielle jusqu'à la rupture des ces parois des vaisseaux.
Si les capillaires éclatent, ils se régénèrent avec le temps, causant seulement des dégâts tempo-raires. Par contre si un vaisseau plus important comme un artériole, cède, les dégâts sont trop importants menant à des dommages perma-nents.
Dans le cas de l'oeil, si les vaisseaux les plus im-portants éclatent, l'oeil ne peut plus fonctionner sans le sang, cela mène à la cécité (être aveu-gle), et dans le cas du cerveau, à une mort céré-brale.
En pratique, un violent passage d'une situation de G- en G+ fragilise notre organisme le laissant plus vulnérable aux G subis par la suite.
12
Extraits de «Physiologie aéronautique», Dr Marotte
!c) Accélération horizontale, sur l’axe X
Extrait de l'interview :
"La situation qu'on rencontre surtout au décol-lage est l'accélération horizontale sur l'axe x. On est donc tiré vers l'arrière de l'appareil. On sup-porte mieux ces forces G que celles sur l'axe z."
(L'axe y est la droite horizontale passant par les deux épaules, dont les effets sont similaires à ceux rencontrés dans l'axe x. le seul problème spécifique à cette accélération est la difficulté du maintien de la tête. On emploie souvent des har-nais pour fixer celle-ci.)
D’après les documents, nous pouvons conclure que l'organisme est plus résistant face aux for-ces G qui s'exercent horizontalement. Ceci est dû à la répartition de la force sur toute la lon-gueur du corps.
En effet, durant une accélération horizontale, l'équilibre de la pression artérielle dans le sys-tème cardio-vasculaire ne subit pas de change-ment. Il n'y a pas de forces agissant sur une zone spécifique, mais elles sont plutôt réparties sur toute la longueur du corps. Il n'y a donc pas de déséquilibre de pression à des niveaux diffé-rents du corps (tête, thorax et jambes).
Comme nous le montre le document, la pression que nous subissons est une limite. Cette pres-sion modifie la pression artérielle et ralentit la cir-culation du sang : le travail du cœur s’en trouve augmenté. Toutefois l’obstacle rencontré par les pilotes est la compression de la cage thoraci-que, qui doit pouvoir se gonfler pour permettre la respiration.
13
!
! en!ligne!droite!
! tire!le!pilote!vers!l'arrière!
!
!
Sens de la force exercée
Extraits de «Physiologie aéronautique», Dr Marotte
a) Exercices
Deux exercices sont recommandés durant des situations de forte pression.
Le premier consiste en une contraction de tous les muscles abdominaux et de ceux des jambes. En contractant un muscle, celui-ci va comprimer les artères (diminuer leur diamètre) facilitant la sortie du sang vers la partie supérieure du corps, ralentissant la chute progressive du sang vers les pieds. Cette nouvelle force appliquée par les muscles compense celle des forces G.
Le deuxième s’appelle la manœuvre Hick, il s’agit d’une technique de respiration ayant le même effet que la précédente, mais qui est plus fatigante sur le long terme. Elle consiste à blo-
quer la respiration après une expiration. Le point de fermeture le plus efficace est au niveau de la pomme d'Adam. En prononçant le mot "Hick" et en bloquant sur le "K", on ferme automatique-ment le larynx pendant 3 à 5 secondes, compres-sant toute la poitrine avec le peu d'air qu'il reste. Il faut ensuite finir la prononciation du "K", permet-tant une expiration rapide avant une profonde ins-piration, et enfin répéter le cycle. L'inspiration ne devrait pas dépasser la seconde et l'expiration plus de 5 secondes. Sinon cela empêcherait complètement la circulation du sang menant à une perte de connaissance. Cette manoeuvre est efficace sur des courtes durées à forte pres-sion, mais commence à être fatigante après plu-sieurs minutes.
Ces manoeuvres ne suffisent pas à compenser la pression artérielle sur une durée de plus de 5 minutes à 5 G.
QUELLES SONT LES SOLUTIONS APPORTÉES PAR L’HOMME?
14!
Document extraits de «Physiologie aéronautique», Dr Marotte
!
!
b) La combinaison anti-g
C'est une combinaison que le pilote porte. Celle-ci se gonfle au niveau des jambes et de l'abdo-men, forçant ainsi le sang à monter à la tête. Elle applique une force qui va jusqu'à 250 mm Hg (millimètres de mercure - unité de mesure de pression), retardant ainsi le voile noir durant des forces G positives. Son activation peut être ma-nuelle, permettant au pilote de régler la pression, ou automatique, s'activant durant des manoeu-vres brusques, auxquelles le pilote n'a pas le temps de se préparer.
Synthèse :
Durant un virage ou une simple accélération, les forces G agissent de telle sorte qu'elles compres-sent le corps. Sur une durée de plus de 2 minu-tes, celles-ci vont changer la pression normale des vaisseaux sanguins, notamment celle des artères. Les forces G vont donc rendre la circula-tion du sang plus difficile dans différentes parties du corps en fonction de la situation de vol. Ceci va empêcher l'apport en sang régulier aux orga-nes, qui vont peu à peu arrêter de fonctionner convenablement. La partie la plus touchée du-rant les manoeuvres est la tête. La mauvaise irri-gation des yeux mène à la cécité, et dans le cas du cerveau, celui-ci arrête de fonctionner me-nant à une perte de conscience où dans un cas de G-, à une hémorragie causant la mort céré-brale.
15
Photo d’un pantalon anti-G
Extraits de «Physiologie aéronautique», Dr Marotte
2
QUELS SONT LES EFFETS DE LA HAUTE ALTITUDE SUR LE SYSTÈME CARDIO-VASCULAIRE?
Pourquoi nous donnons-nous autant de mal pour pressuriser les cabines des avions? Pour cela il faut éclaircir deux choses : l’approvisionnement des organes du corps humain en O2 et les changements du milieu par rapport à l’altitude.
1. Le fonctionnement du corps humain
Le dioxygène est indispensable à la vie. C’est pour obtenir du dioxygène que l’on respire. Il est indis-pensable au fonctionnement des organes. Pour cela deux réseaux fonctionnent en parallèle : le sys-tème sanguin et le système respiratoire.
a) Le système respiratoire
Il permet de transférer le dioxygène présent dans l’air vers le sang. Celui –ci est assez simple : grâce au recul du diaphragme, les poumons « aspirent » l’air (grâce au manque de pression). Une inspira-tion normale est d’environ 0.5 litre, selon l’état de santé d’une personne (les activités physiques prati-quées, et leur régularité, mais aussi tout ce qui contribue à la destruction de ce système, comme le tabagisme). Puis en passant par les bronches et bronchioles, l’air arrive aux alvéoles pulmonaires où l’échange s’effectue. Cet échange appelé hématose, est l’enrichissement du sang en dioxygène et le transfert du CO2 vers l’air. Lors de l’hématose, on égalise le taux de dioxygène (et de dioxyde de car-bone) dans le sang et dans l’air. Cet air plus riche en CO2 sera expiré, toujours grâce au diaphragme qui va comprimer les poumons (en les poussant).
QUELLES SONT LES PROPRIÉTÉS DE LA PRESSION EN ALTITUDE ET QUELS SONT SES INCONVÉNIENTS?
17
Gaz% de gaz dans l’air inspiré (en volume)
% volume de gaz dans l’air expiré (en volume)
Diazote 78 % 78 %
b) Le système sanguin
Le sang, comment ça marche?
Le sang est bien sûr composé de globules rouges, de globules blancs, de plaquettes et de plasma. Les deux parties qui vont nous intéresser sont les globules rouges et le plasma. Le plasma est un li-quide jaunâtre qui sert à faire déplacer tous les autres composants dans les veines et les artères. Quant aux globules rouges, ce sont les cellules qui transportent l’O2. L’O2 est distribué aux globules rouges au niveau des alvéoles pulmonaires, dans le réseau capillaire. C’est là que l’O2 passe dans les veines, où il se fixe à l’hémoglobine contenue dans les globules rouges.
Le système circulatoire
Après cela, le sang est pompé grâce au cœur et passe par une des artères. Chaque artère permet de réapprovisionner les organes en contact avec elle ou ses artérioles (ramifications de l’artère) en dioxygène et en nutriments, et ses derniers reviennent par les veines vers les poumons. Cet échange se fait comme l’échange pulmonaire : les taux d’O2 dans le sang et dans les organes sont égalisés.
18
Air inspiré (sur 100)
Air expiré (sur 100)
Dioxyde de carbone
0,03 5,5
Autres gaz 1 1
Schémas des échanges pulmonaires (Source ASP)
2. Le milieu de la haute troposphère
La troposphère est la première couche de l’atmosphère, c’est d’ailleurs la seule couche ou une forme de vie est possible. Le dioxygène est nécessaire à la survie des espèces. En général, l’air est compo-sé à 21 % de dioxygène. La quantité de dioxygène utilisable par l’être humain est plus faible lors-qu’on s’élève en altitude. Le graphique ci-dessous montre l’évolution de la pression dans la tropo-sphère. On observe que la pression diminue lorsqu’on s’élève en altitude, donc le dioxygène se raré-fie.
D’où la nécessité de pressuriser la cabi-ne d’un avion : il y a mo ins de d ioxy-gène, le corps ne supporterait pas le manque d’oxygène.
Mais ce n’est vala-ble que pour un manque de dioxy-gène, pas une raré-faction !
19
Schéma du système circulatoire (Source
http://soutien67.free.fr)
Évolution de la pression en fonction de l’altitude (Source Blog de Philippe Boeuf)
1. Le système pulmonaire
Hypothèses :
1. On aspire plus d’air (donc le volume respiratoire augmente).
2. On respire plus vite, la fréquence respiratoire augmente.
Expérience à réaliser :
Recréer le milieu de la haute atmosphère (ce qui veut dire une pression en-dessous de 1000 Hpa, d’au moins 100 Hpa) et mesurer :
- Le volume d’une inspiration normale (courante)
- Le nombre de respirations/ min (hyp.2).
Dans un second temps reprendre les mesures (avec les mêmes conditions) au niveau de la mer.
Résultats attendus :
- Si le volume d’une inspiration normale augmente avec l’altitude, alors l’hyp. 1 est validée.
- Si le nombre de respirations par minute augmente lorsque la pression diminue alors l’hyp.2 est jus-te : on respire plus vite lorsque la pression diminue.
Résultats obtenus :
L’hyp. 1 est fausse, le volume respiratoire n’augmente pas car le vo-lume respiratoire ne peut pas changer d’un seul coup, le seul moyen de le changer est l’état de santé. Il y a cependant un changement, le volume d’air qu’on inspire peut être plus grand : on passera d’une inspiration normale, courante, à une inspiration forcée, où le volume sera en effet plus grand. Le corps va donc utiliser les poumons plus efficacement, même si leur volume reste le même.
COMMENT NOTRE CORPS RÉAGIT-IL A UNE RARÉFACTION DU DIOXYGÈNE?
20
Évolution du %VO2 Max en fonction de l’altitude
(Source Guides AstroQueyras)
Les données présentées dans le tableau suivant valident l’hypothèse 2.
Donc lors d’une baisse de pression (et un man-que d’O2) le corps ne fait qu’accroître la fré-quence respiratoire : on respire plus vite.
Cette augmentation de la fréquence pulmonaire est toutefois dangereuse. Lors d’une montée trop rapide, en montagne, les risques d’œdème pul-monaire sont plus importants. Un œdème pulmo-naire est un dysfonctionnement des capillaires pulmonaires, qui provoque une accumulation de liquide dans les poumons (où devrait seulement se trouver de l’air). Pour faire passer l’O2 et le CO2, de l’air au sang, les capillaires ont une bar-rière, entre le sang et l’air. Cette barrière alvéo-laire sécrète un liquide, qui permet d’arrêter le sang, et ne faire passer que les gaz. Cependant, il arrive que ce système dysfonctionne et que le liquide sécrété reste dans les poumons.
2. Le système cardio-vasculaire
La première partie des hypothèses était dédiée au système pulmonaire. Qu’en est-il du système cardio-vasculaire? On peut apporter plus d’O2 au corps mais celui-ci doit encore être acheminé jusqu’aux tissus. Mais comment réagit le sys-tème cardio-vasculaire si ce n’est pas le cas?
Hypothèses sur comment réagit le système cardio-vasculaire:
- C’est le sang qui circule plus vite.
- Le sang est plus saturé en dioxygène.
- Il y a plus de globules rouges qui transportent le dioxygène.
- Les organes utilisent plus efficacement l’O2 que le sang met à disposition.
Expérience :
On recrée le milieu d’une altitude où la pression est moins importante, mais on mesure :
1. La fréquence cardiaque
2. La saturation du dioxygène dans le sang
3. Nombre de globules rouges dans le sang et la quantité de sang
4. La différence de saturation en O2 entre les ar-tères et les veines
Puis à nouveau on refait les mêmes mesures au niveau de la mer
21
Basse altitude
Altitude moyenne
Haute altitude
Personne 1
Personne 2
Personne 3
19 expirations/min
/ 26
17 expirations/min
25 /
16 expirations/min
/ 23
Résultats attendus :
1. Si la fréquence cardiaque augmente alors l’hypothèse 1 est vraie.
2. Si la saturation d’O2 dans le sang augmente, cela veut dire que les globules rouges se chargent plus en dioxygène.
3. S’il y a une augmentation de globules rouges, alors le sang déplace une plus grande quantité d’O2, il y a un déplacement plus intensif.
4. Si les organes utilisent mieux l’O2, il y aura moins d’O2 et donc celui-ci exercera une moins forte pression sur les parois de la veine, et permettra un meilleur échange entre les poumons et le sang.
Résultats obtenus :
Hypothèse 1 : validée
La fréquence augmente déjà à 1500 m (alti-tude moyenne) passant de 101 battements/min à 118.
L’hypothèse 2 est fausse : le sang est satu-ré, en condition normale, en dioxygène à 100%. Comme il y a de moins en moins de dioxygène, le sang est de moins en moins saturé.
L’hypothèse 3 est fausse : en effet, à courte durée (un vol, même de 15 heures) le corps a à peine le temps de synthétiser une en-zyme, pour fabriquer de l’hémoglobine.
22
Basse altitudeMoyenne altitude
(1000-2000m)Haute altitude
(2500m)
Personne 1
Personne 2
101 battements/min 118 /
113-118 battements/min / 125
Évolution de la saturation en O2 de l’air en fonction
de l’altitude (Source Altitude MouthPiece)
*Hématocrite : pourcentage du volume des globules rouges par rapport au volume total de sang
D’où cet engouement des sportifs pour la montagne, en effet : le corps s’accommode au climat, il pro-duit plus d’hémoglobine et ensuite de globules rouges. Grâce à cela la fréquence cardiaque selon l’effort diminue.
Hypothèse 4 : Vraie et fausse
En effet les organes utilisent moins d’O2, cependant ils n’ont pas reçu le même taux de dioxygène : les organes arrivent à 8000m à utiliser un sang qu’ils n’auraient jamais utilisé au niveau de la mer.
Attention
Selon cette démarche, on pourrait penser que finalement il suffirait de s’acclimater, pour ne plus avoir à se soucier d’un manque de dioxygène.
Le corps s’acclimate, en effet, mais jusqu’à un certain point. Le sang est homogène, un peu comme de l’eau avec du sucre : on peut les mélanger jusqu’au point où l’eau sera saturée en sucre, et celui-
23
Nombre de globules rouges
Hémoglobine Hématocrite* Altitude
Personne 1Personne 2
5 millions 15,6 g 46,6 % 0 m6,4 millions 20,1 g 59,5 % 4540 m
Graphique de la pression de l’oxygène dans différents organes au niveau de la mer et au sommet de l’Everest (Source Shisha Pangma Expedition)
ci tombera, et sera une sorte de «poids mort ». De même pour le sang : à un moment il se formera un reste de globules rouges qui ne sera pas mélangé au plasma. Le risque est qu’il y ait une forma-tion d’un groupe de globules rouges, bloquant les artères, ou que le sang soit trop épais pour que le cœur puisse pomper celui-ci.
Mais jusque là nous n’avons parlé que de symptômes qui puissent résoudre ce manque de dioxy-gène. Et que se passe-t-il pour la personne qui n’a pas le temps de s’acclimater ? Comment tous les organes réagissent-ils au manque de dioxygène ?
3. Les effets sur les organes
Expérience
Faire subir à quelqu’un les conditions de haute altitude et observer l’évolution de ses facultés physi-ques et mentales.
Résultat :
On observe que le patient a des troubles aussi bien au niveau du comportement qu’au niveau mo-teur :
Ci-joint une suite de nombre que la personne devait écrire. Déjà durant la première minute le patient voit sa faculté à écrire correctement baisser sans pour autant s’en rendre compte. Puis le résultat dégénère.
Ainsi un test similaire a été fait. Durant celui–ci un reporter s’est prêté au jeu. Il devait, dans une chambre hypobare (mise sous basse pression, à la pression existant à 8000 m soit à peu près 300 Hpa) répondre à des questions simples. Au bout de 30 secondes, il commençait à donner des résul-tats faux et à devenir euphorique. Durant les calculs et au-tres exercices simples, il commençait à prendre de plus en plus de temps. Cependant, il ne s’en rendait pas compte.
24
Écriture d’une suite de nombres par une personne à 7500m d’altitude au cours du
temps (Source http://existenciel.free.fr)
M. Clervoy, a dû subir, comme chaque pilote tout les deux ans, un test visant à rappeler quelle sont les effets d’une hypoxie. Durant ce test, il devait aussi écrire des chiffres dans l’ordre dé-croissant. En plus de cette difficulté à écrire, il ressentait des picotements aux doigts et des maux de tête. Ces deux effets, qui n’ont pas été notés dans le test précédent car le sujet ne le ressentait pas, sont dus à l’euphorie et au man-que d’attention, provoqué par le manque d’O2. Ces deux effets ne sont provoqués que par l’ac-croissement de la fréquence cardiaque (picote-ment) et le manque d’O2 (qui provoque ces maux de tête).
Les effets sur les facultés physiques, apparais-sent à partir de 3000m. Lorsque les muscles ont moins de dioxygène, ils fonctionnent moins bien : on doit faire plus d’effort pour une même action. Les effets sur les organes autres que les muscles, sont une difficulté à les faire fonction-ner. Le dioxygène permet de produire de l’éner-gie, qui permet de faire fonctionner tout organe. Au niveau des cellules, les conséquences sont encore plus graves : une cellule privée pendant trois minutes de dioxygène meurt.
Par rapport aux aptitudes physiques, les aptitu-des mentales sont modifiées beaucoup plus tard : à 3000m les effets sont peu visibles : il n’y a qu’un léger trouble de la coordination motrice. Ce n’est qu’à 5000m que de véritables troubles du comportement apparaissent : comme décrit plus haut :
- Euphorie
- Manque de jugement
- Perte d’attention
- Comportements absurdes et désordonnés
Il y a aussi des problèmes liés aux 5 sens : l’ouïe comme la vue commencent à diminuer. Il y a des difficultés à voir correctement les couleurs et les reliefs ainsi qu’un problème d’accommodation de l’oeil.
25
3
COMMENT PRESSURISE-T-ON LES CABINES ET QUELS SONT LES RISQUES D’UNE DÉCOMPRESSION?
Le problème de la pressurisation a existé depuis les premiers vols : les personnes présentes à bord des premières montgolfiè-res ont été victimes de traumatismes entrainant parfois la mort. Un mécanisme précis a été mis en place pour protéger les êtres humains en haute altitude. En soi le problème de la pression n’est pas le plus important, car le corps humain s’adapterait aux pressions de la haute altitude jusqu’à laquelle volent les avions, néanmoins la baisse de pression lorsqu’on s’élève entraine direc-tement une raréfaction du dioxygène par quantité d’air. Plus sim-plement, lorsqu’un être humain inspire une bouffée d’air, la quan-tité de dioxygène présente dans cette bouffée sera plus faible. Pour la question de la pressurisation, le but est de restituer une certaine pression dans un environnement fermé, mais unique-ment pour que la densité en dioxygène de l’air soit appropriée.
EN QUOI CONSISTE LA PRESSURISA-TION ET COMMENT PRESSURISE-T-ON UNE CABINE D’AVION?
27
Pour survivre au déficit de dioxygène, le corps s’accommode. Cependant, pour pouvoir accéder à la très haute altitude où le corps ne peut s’accoutumer, l’Homme a mis au point un système de pressuri-sation des cabines qui protège totalement les occupants.Pourquoi aujourd’hui tous les avions ou autres aéronefs volant à des altitudes supérieures à 5000-6000 m sont- ils pressurisés et leurs occupants sont-ils moins soumis aux contraintes liées à l’alti-tude? Comment y parvient-on, quels sont les systèmes à utiliser et mis en place ? On s’intéresse aux objets volant et évoluant au-delà de ces altitudes, et constitués d’une cabine étanche dans laquelle se trouvent les occupants pendant le vol.
1. Qu’est-ce-que la pressurisation ?
La pressurisation d’une cabine consiste à rétablir dans un espace étanche une atmosphère ne pro-voquant pas de maux chez les individus pré-sents à l’intérieur. Pour y parvenir on modifie la pression extérieure, dans le but d’obtenir une pression correcte et donc une densité en dioxy-gène appropriée.
Pour la survie des êtres humains il est aussi né-cessaire de maintenir une température et une hu-midité appropriées, mais cela se fait plus facile-ment (chauffage, dispersion d’eau).
a) Définition et rôle
La problématique à laquelle ont fait face les con-cepteurs de systèmes de pressurisation pour les aéronefs a d’abord été de protéger les occu-pants contre les troubles liés à la haute altitude (voir II), puis d’assurer le confort et le bien-être des individus. La solution apportée est de régu-ler la pression à bord de l’avion, ou autre aéro-nef.
b) Utilisation et précautions
Lors de la conception d’un avion transportant des passagers, il faut se conformer aux règle-ments aéronautiques qui indiquent que tout avion transportant du public et volant à une alti-tude de plus de 6000 mètres (20 000 pieds) doit être pressurisé et doit rétablir une altitude cabine d’une valeur maximale de 2438 mètres en vol normal (8000 pieds).
Les systèmes de pressurisation actuels rétablis-sent une pression correspondant à celle d’envi-ron 1000-2500 mètres d’altitude dans l’atmo-
sphère terrestre, principalement pour plus de confort.
La cabine est donc gonflée, elle doit donc résis-ter à une pression beaucoup plus forte que celle à l’extérieur qui crée des forces élevées sur les parois, comme le montre l’expérience 1 - voir An-nexe page 40.
Pour la régulation et pour avoir la capacité de contrôler cette pression, des fuites sont créées : elles sont calibrées et ajustables (Out Flow Val-ves) et permettent de réguler la pression avec précision.
2. Comment pressuriser une cabine ?
a) Contraintes de construction de l’appareil
Avant de se préoccuper de la restitution de l’air dans l’appareil, il faut s’assurer que la cabine de cet appareil est prête à contenir l’air à une pres-sion très supérieure à celle à l’extérieur. La ca-bine doit être très résistante pour tenir face à la force exercée vers l’extérieur. Elle résiste très peu à une différence négative (8psi / -1psi (1 psi (livre par pouce carré, unité de mesure de con-trainte de pression) = 6894,76 pa), elle n’est pas renforcée contre les pressions différentielles né-gatives pour ne pas s’alourdir.
La cabine peut résister à la différence de pres-sion entre l’intérieur et l’extérieur (la structure doit soutenir les efforts que cela engendre) unique-ment jusqu’à une certaine limite, appelée « delta P max ». On observe lors de l’expérience 2 - voir annexe page 41 - que plus la structure de la ca-bine sera solide, moins elle se déformera. On constate aussi que si une partie de la structure résiste moins que le reste, celle-ci se déformera considérablement, matérialisant le fait que la ca-
28
bine doit être parfaitement homogène car la moindre brèche amènerait la cabine à se percer sous l’effet de la force qui pousse à la déformation.
Une cabine peu résistante à la force générée par la différence de pression peut entrainer une rupture des parois, comme lors de l’explosion du ballon de baudruche au cours de l’expérience 3 - voir an-nexe page 41.
On peut justifier l’importance de la conception de la cabine par le fait qu’une décompression ferait se déplacer l’appareil très rapidement en changeant soudainement de directions : l’expérience 4 - voir annexe page 42 - a montré que la ballon va se frapper contre les parois de la cloche à de multiples reprises lorsque la pression redevient soudainement la même à l’intérieur et à l’extérieur (cas de la décompression).
b) Prélèvement de l’air
L’air qui sera intro-duit dans la cabine est prélevé à l’exté-rieur de l’avion puis ses propriétés (pres-sion et température) sont modifiées. Cet air est prélevé au ni-veau des turboréac-teurs de l’avion.
Dans un turboréac-teur l’air est accéléré entre son entrée et sa sortie par la com-bustion du kérosène.
Une hélice envoie de l’air froid dans le moteur (zone 1). L’air qui était à la pression extérieure est com-primé et la pression augmente (zone 2). La température augmente donc elle aussi (l’air qui sort du turboréacteur est à très haute température). Cet air comprimé à très haute pression passe dans la chambre à combustion. L’air est mélangé avec du carburant et le mélange est brulé. Deux prises de pression installées sur le compresseur, à deux étages différents permettent de prélever de l’air en fonction des différentes phases du vol (pendant la descente le moteur est à faible puissance : l’air est prélevé sur la prise haute pression (HP) / pendant la croisière où le moteur est à puissance éle-vée : l’air est prélevé sur la prise de pression intermédiaire (IP) qui offre une pression plus faible mais qui pénalise moins le moteur et sa consommation de carburant. Cette action est réalisée par deux
29
!
Schéma d’un turboréacteur avec le cheminement de l’air et les prises d’air à haute pression (schéma réalisé par Yann Tarouilly)
composants : un clapet anti retour IP qui empêche l’air prélevé de retourner dans le moteur et une vanne HP qui peut être ouverte ou fermée comme nécessaire. Ensuite une réaction aura lieu entre l’air et le kérosène ce qui entrainera l’accélération de l’air et aussi un très fort changement de tempé-rature (zone 3).
La première fonction du système de prélèvement de l’air est de sélectionner de manière optimale la meilleure prise d’air sur le moteur. La seconde fonction est d’abaisser la pression et la température de l’air afin d’assurer la sécurité des passagers, fonction réalisée par deux éléments principaux : la vanne de régulation de pression (PRV) (type papillon le plus souvent), qui module le débit d’air de fa-çon à ce que le flot d’air aval ait une pression plus faible et constante / et un échangeur de chaleur, le pré-refroidisseur, alimenté d’un coté par de l’air chaud venu du compresseur (via la PRV) et de l’au-tre coté par de l’air froid prélevé sur le canal d’air de FAN (air de FAN modulé par une valve spécifi-que (FAV) elle aussi le plus souvent de type papillon). De cette manière la température de l’air en sor-tie du pré-refroidisseur est abaissée.
c) Maturation de l’air
On constate que si l’on prélevait directement l’air destiné à la cabine dans le milieu extérieur, la pres-sion serait incompatible avec la vie humaine. Ainsi la pression et la température de l’air sont précisé-ment modifiées aux travers de différents outils.
L’air prélevé au niveau des compresseurs est sur pressurisé et trop chaud (environ 230°C). Par con-séquent, cet air est donc envoyé vers les circuits pneumatiques qui réduisent la pression et la tempé-rature, à des niveaux supportables pour les passagers. L’air est envoyé vers des transformateurs (ap-pelés « packs »). Ces derniers réduisent la température en mélangeant l’air destiné à la cabine avec de l’air dynamique (produit par la vitesse de l’avion).
Cependant à la sortie des ces packs, l’air est t r o p f r o i d ( e n v i r o n -20°C). On envoie donc l’air dans le compres-seur de la turbomachine, qui en augmente la pres-sion et donc aussi la tem-pérature. A ce niveau, la pression est acceptable. On envoie ensuite l’air vers un dernier échan-geur « principal » qui abaisse la température.
30
!Schéma du prélèvement de l’air dynamique (schéma réalisé par Yann Tarouilly)
d) Système de régulation de la pression cabine
Une fois dans la cabine, l’air ambiant doit conserver une pression appropriée et qui doit être approxi-mativement constante. Ceci est réalisé par un robinet qui s’ouvre et qui se ferme : le système de re-froidissement cabine. Ces valves éjectent de l’air en dehors de l’avion pour maintenir la pression.
Le calculateur de pression est chargé de garder la pression en-dessous de cette limite « delta P max» (voir I, 2, a). Dans le cas où il n’y parviendrait pas, il existe des soupapes de protection de pression différentielle qui s’ou-vrent si la pression différentielle devient trop élevée.
Une soupape de protection de pression différentielle est instal-lée par sécurité dans le cas où la cabine devrait faire face à une pression négative trop élevée, car la cabine n’est pas conçue pour ré-sister à ces valeurs de pression.
Le but du système de pressurisation est de réguler automatiquement la pression de l’air dans le fuse-lage. Ceci est réalisé par la modulation de la quantité d’air qui s’écoule hors du fuselage à travers une ou plusieurs vannes de régulation de pression (« les robinets ») qui sont installés sur le fuselage ou sur la cloison arrière.
Sur les avions commerciaux mo-dernes, des calculateurs com-mandent ces vannes, en mesu-rant la pression à l’extérieur et à l’intérieur de l’avion, et grâce à des lois programmées, choisis-sent entre l’ouverture et la fer-meture des ces vannes. Les lois tiennent compte de la phase de vol (décollage, mon-tée, croisière, descente, atterris-sage, roulage).
31
!
!
Schéma des principaux agents de la régulation de la pression (schéma réalisé par Yann Tarouilly)
Schéma du conditionnement de l’air jusqu’à son arrivée dans la cabine (schéma réalisé par Yann Tarouilly)
e) Évolution de la pression au cours d’un vol
Graphique de la pression à l’intérieur de l’avion en fonction du temps.
!
On remarque que la pression à bord n’est pas équivalente à celle à l’extérieur de l’avion, et que la pression dans la cabine n’est pas celle au sol.
Détail des phases
En (1) Le pilote applique la puissance de décol-lage. La pression en cabine augmente légère-ment, la cabine "descend" et la pression différen-tielle s'établit à 0,1 psi afin d'éviter un à-coup de pression au décollage.
En (2) l'avion décolle, la cabine "monte" avec l'avion tout en restant à une altitude cabine infé-rieure à l'altitude réelle de l’avion. La pente de la courbe verte est moins prononcée que la rouge car la pression varie plus doucement en cabine qu'autour de l'avion. Cette limitation du vario-ca-bine permet de ménager les tympans des occu-pants de l'avion.
En (3) l'avion fait un palier intermédiaire, la pres-sion cabine est maintenue constante, elle fait elle aussi un "palier".
En (4) l'avion reprend sa montée, la cabine suit (toujours sur une pente moins raide pour nos tym-pans, la limite est à environ 1000 ft/mn (ft/min si-gnifie pieds par minute, nombre de pieds dont on s’élève en une minute, 1ft = 0,3048m)).
En (5) l'avion se stabilise pour la croisière, la ca-bine également (avec un temps de retard). La différence entre la pression extérieure et la pres-sion intérieure est maximale et de l'ordre de 8 psi sur un un Airbus A340. L'altitude cabine maxi est limitée à 7350 ft ( 2240 mètres) ce qui permet à l'avion de monter à 41000 ft en respectant la Del-ta P max de 8,70 psi.
En (6), l'avion descend, la cabine aussi toujours moins vite afin de préserver les oreilles des occu-pants (la limite est à 750 ft/mn sur un Airbus A340). Ce n'est pas grave, car la cabine étant plus "basse" que l'avion, elle a de l'avance.
En (7), l'avion stoppe momentanément sa des-cente, la cabine continue de «descendre» vers l'altitude du terrain d'arrivée moins l'équivalent de 0,1 psi pour éviter les à-coups lors de l'atter-rissage comme lors du décollage.
En (8) l'avion touche le sol, la cabine «remonte» rejoindre son altitude, le contrôleur de pressurisa-tion dépressurise doucement la cabine.
32
Graphique de «l’altitude cabine» en fonction de l’étape du vol (Source @mitucci.com)
1. Qu’est-ce qu’une décompression?
Une décompression a lieu lors d’une défaillance du système de pressurisation, ou lors de la for-mation d’une brèche dans la carlingue.
Dans ce cas la pression diminue plus ou moins rapidement selon la défaillance ou la taille de la brèche. La raison de la décompression est la dif-férence de pression entre le milieu extérieur et l’intérieur de l’avion. Lors d’une décompression, la pression redevient la même à l’intérieur et à l’extérieur de l’avion.
Une décompression crée une embolie. Lors d’une décompression l’individu peut aussi être victime d’une hypoxie ou effectuer de l’hyperven-tilation mais ces deux cas ne sont pas propres à la décompression, et peuvent survenir même lorsque la personne ne se trouvait pas aupara-vant dans un environnement pressurisé.
2. Qu’observe-t-on dans la cabine lors d’une décompression?
M. Clervoy nous a indiqué qu’une décompres-sion soudaine entrainait directement la formation d’un épais brouillard dans la cabine. Cela est dû au refroidissement très rapide de l’air humide qui se trouve dans la cabine. L’eau contenue dans l’air se condense et prend l’apparence d’un nuage.
3. L’embolie
On observe que la baisse brutale de la pression dans un liquide dans lequel du gaz est dissous entraine l’apparition de bulles. Ce phénomène peut être illustré dans les sodas ou le champa-gne. Cela est dû à la loi d’Henry : "À température constante et à saturation, la quantité de gaz dis-sous dans un liquide est proportionnelle à la pression exercée par ce gaz sur le liquide".
Les gaz dissous dans ces liquides n’apparais-sent pas sous haute pression, mais lors de la dé-compression, ils se transforment sous forme ga-zeuse, en bulles, avant de remonter à la surface.
On en déduit le même processus chez un être humain : ce dernier en respirant intègre des gaz dissous : l’oxygène ou l’azote principalement. L’oxygène est utilisé par le corps, mais l’azote est rejeté par la respiration. Lors d’une décom-pression, le même phénomène se produit: ces gaz dissous se transforment en bulles, dans les tissus et le sang.
L’embolie est l’oblitération d’un vaisseau sanguin par un corps étranger, (l’embole) qui est charrié par le sang. Elle est appelée embolie gazeuse lorsque l’obstacle est une bulle de gaz, comme lors d’une décompression.
On constate que ces bulles sont surtout des bul-les d’azote, très présent dans le sang car non
QUELS SONT LES RISQUES ET LES CONSÉQUENCES D’UNE DÉCOMPRESSION SUR LE SYSTÈME CARDIO-VASCULAIRE?
33
consommé par les muscles comme le dioxygène et très présent dans l'atmosphère.
Aussi, si les bulles ne dépassent pas le diamètre de la veine ou artère dans laquelle elles se trou-vent, elles ne sont pas dangereuses. Cependant, selon la gravité de la décompression elles peu-vent devenir dangereuses si elles dépassent ce diamètre. Les bulles sont considérées comme inoffensives lorsque leur diamètre est inférieur ou égal à 5 micromètres car elles ne se coincent pas dans les conduits de vascularisation et ne bloquent pas la circulation du sang. Le nombre de bulles dépend aussi de la gravité de la dé-compression, et doit rester sous un certain seuil pour ne pas se coincer dans les vaisseaux san-guins. Si elles dépassent ce seuil, des plaquet-tes sont sécrétées en grand nombre et le sang coagule autour de la bulle et forme un milieu dés-hydraté : cela aggrave l’embolie.
Bilan :
Si l’embolie a lieu dans :
o Une veine ou artère conduisant à un centre ner-veux (ex : moelle épinière ou encéphale), les sé-quelles sont très graves : paraplégie partielle ou totale
o Une veine ou artère reliée au cœur ou aux pou-mons, les séquelles peuvent être très graves et entrainer la mort
o Si l’embolie est cérébrale, elle provoque un ar-rêt circulatoire dans le cerveau, et entraine une nécrose du tissu nerveux (mort des nerfs), abou-tissant à la mort rapide
o Si elle a lieu dans une veine aboutissant à un membre ou organe, l’individu peut être sauvé s’il est pris en charge pour enlever le caillot. L’usage du membre est souvent réduit suite à l’embolie.
Si la décompression est rapide et très forte, un cumule de ces embolies est possible.
On remarque aussi que les cavités semi closes (oreille interne ou narines) de l’organisme sont affectées par les décompressions: les gaz peu-vent atteindre 250% de leur volume initial et l’or-ganisme n’a pas le temps de compenser.
34
4
QUELS SONT LES EFFETS DES RADIATIONS COSMIQUES SUR LA MORPHOLOGIE HUMAINE ?
Les radiations cosmiques sont des radiations ionisantes qui proviennent du soleil. Les êtres humains en sont normalement protégés grâce à l’atmosphère et au champ magnétique qui les empêchent d’atteindre la surface de la Terre. En elles-mêmes, ces radiations sont des particules énergétiques qui se déplacent dans l’espace.
D’après M. Clervoy, ces radiations ne sont absolument pas nocives pour des vols occasionnels. Ce-pendant elles touchent les personnes qui passent un temps considérable à des altitudes élevées, comme les pilotes de ligne ou certains astronautes.
La seule conséquence de l’exposition prolongée à ces radiations est l’augmentation du risque de cancer, mais cette augmentation est peu significative, le risque de développer un cancer est de 1 % de plus après 30 ans de vol par rapport à une personne non exposée en altitude à ces radiations, à un rythme de 1 000 heures par année. Très peu de personnes sont victimes d’une telle exposition.
Cependant M. Clervoy nous a fait remarquer que cette exposition aux radiations cosmiques est prise en compte par exemple pour le choix de personnes allant passer un temps assez long dans l’es-pace, car ces dernières pourraient dépasser un seuil de radiation qui les obligerait à arrêter leur ser-vice.
Il faut donc retenir que les radiations cosmiques ne sont pas dangereuses pour les personnes accé-dant à la haute altitude de façon occasionnelle, mais que le risque n’est pas négligeable pour les pro-fessionnels à qui un suivi très important est imposé.
36
QU’EST-CE QUE LES RADIATIONS COSMIQUES?
EN QUOI CES RADIATIONS PEUVENT-ELLES DEVENIR DANGEREUSES LORS DES VOLS?
Durant les vols, le corps est soumis à des forces, celles-ci apparaissent durant des virages ou des accélérations en ligne droite. Elles perturbent l'équilibre de notre circulation sanguine menant à une mauvaise irrigation des organes qui sont endommagés si le temps d'exposition est trop long.
Cependant, un élément qui influe aussi bien dans les avions de ligne que dans les avions de chasse, est le manque de dioxygène dans l’atmo-sphère. Même sans aide extérieure, le corps s’y accommode : hyperventilation et tachycardie sont des effets provisoires. Cette réaction du corps face au manque de dioxygène est cepen-dant insuffisante pour approvisionner tous les or-ganes en dioxygène. A cause de cela nos aptitu-des physiques diminuent, puis nos capacités mentales. Ainsi, à cause d’un manque de dioxy-gène, les organes peuvent être détériorés (si tou-tes les cellules ne reçoivent pas suffisamment de dioxygène). Enfin à une altitude très élevée, soit à plus de 5000m au dessus du niveau de la mer, des troubles visibles du comportement apparais-sent : problèmes de lucidité et plus générale-ment de réflexion.
Pour permettre la vie en haute altitude sans trou-bles majeurs, les systèmes de pressurisation par-viennent à restituer une pression non dange-reuse pour notre système cardio-vasculaire, attri-buée à une densité en dioxygène dans l’air ap-propriée. Cependant, l’inconvénient de cette al-ternative est qu’une défaillance de ce système est donc très dangereuse : dans ce cas les indivi-dus en plus d’être placés à une altitude non pro-pice à la vie (si l’avion est pres-surisé), sont en plus victimes d u s o u d a i n c h a n g e m e n t de pression qui entraine l’embo-lie et peut être t r è s d a n g e-reuse à une alti-tude trop éle-vée.
CONCLUSION
37
Porte d’une cabine pressurisée d’avion de ligne
RÉFÉRENCES
38
Auteur/Organisme Titre de la page Disponible surAntoine Girard Dangers en altitude http://www.antoinegirard.info/montagne/danger/index.php
Dr Antoine Cuvelier, Pr Jean-Francois Muir
Oedèmes PulmonairesPhysiopathologie, diagnostic, Principes du traitement
http://www.uvp5.univ-paris5.fr/PNEUMO-PRO/Cours/en_savoir_plus/rouen%20Oed%C3%A8mes%20Pulmonaires.htm
Richalet Jean-Paul et Herry Jean-Pierre Réactions De L'organisme À L'altitude http://www.altitude.ch/altitude_info/
organisme_altitude.htmRichalet Jean-Paul et Herry Jean-Pierre Physiologie De L'effort http://www.altitude.ch/altitude_info/physiologie_effort.htm
Volodalen Physiologie - l'altitude - les effets de l'altitude http://www.volodalen.com/13physiologie/altitude.htm
Spion Expérience d’hypoxie sur le corps humain
http://www.spi0n.com/experience-dhypoxie-sur-le-corps-humain/ ( How to kill a human being –BBC horizon)
DBO Comprendre l'HYPOXIE http://www.skitour.fr/articles/read_39.htmlJean-Louis Garello L’hypoxie d’altitude http://existenciel.free.fr/securite/hypoxie/hypoxie.htm
Aqua4balance Air frais pour une bonne santé http://www.aqua4balance.com/fr/guerison-naturelle/climatotherapie/air-frais-pour-une-bonne-sante.html
Lahouari Bachir Les voluments respiratoires http://www.staps.uhp-nancy.fr/foad_natation/physiomusculaire/7_volumes.htm
Cap Concours L’approvisionnement du sang en oxygène
http://www.cap-concours.fr/enseignement/preparer-les-concours/concours-de-crpe/l-approvisionnement-du-sang-en-oxygene-mas_vie_21
Philippe Boeuf
Pourquoi est-ce que les paquets de chips gonflent en montagne et que les bouteilles d'eau s'écrasent en redescendant en plaine?...
http://philippe.boeuf.pagesperso-orange.fr/robert/physique/pression-altitude.htm
sportscolaire.be Respiration http://www.frsel.be/IMG/pdf/03DossEns1.pdfDocteurs :Guenhaële DERVIEUX, Marie-Magdeleine DUMAS, Anh Van HOANG, Anne LEMIEUX, Simone MUNCH, Vincent NALINE, Frédérique ROSENFELD, Catherine ROSSI-MAITENAZ
Le travail en haute atlitude http://www.dgdr.cnrs.fr/drh/protect-soc/documents/Livret_Missions-Haute-altitude_2012.pdf
Dr Gilles Perrin Effets de l’altitude http://www.medsyn.fr/perso/g.perrin/aero/plus/altitude.htm
Michael D. Williams, DDS High Altitude Mountain Sickness and Oral Appliance Therapy
http://www.altitudemouthpiece.com/Altitude-Sickness-Research.html
Alban Andreotti L’effet de l’altitude (l’hypoxie) https://sites.google.com/site/albanandreotti/3-l-effet-de-l-altitude-l-hypoxie
Dr Michel Hunkeler Sport et Altitudehttp://www2.unine.ch/repository/default/content/sites/cep/files/shared/documents/Cours_Hunkeler/sport_et_altitude.pdf
Dr Ph Rault Mal aigu des montagnes http://www.adrenaline112.org/urgences/DUrge/DPhys/MAM.html
Johan, Lisa et Mélody de Delarbreaupapier
Fréquence cardiaque et respiratoire : effet de l’altitude
http://delarbreaupapier.wordpress.com/2012/02/06/frequence-cardiaque-et-respiratoire-effet-de-laltitude/
Soutien 67 Le fonctionnement du coprs humain http://soutien67.free.fr/svt/homme/corps/fonction%20corps%20humain.htm
SITES WEB (INFORMATIONS)
http://www.acro-parachutisme.com/stage-pac-chute-libre
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Jean-Francois_Clervoy.jpg
http://www.reporternewspapers.net/2011/04/27/french-astronaut-addresses-north-atlanta-students/
http://f16cockpitproject.skynetblogs.be/archive/2004/05/02/le-pantalon-anti-g.html
http://static.skynetblogs.be/media/7639/451731728.jpg
http://health.howstuffworks.com/diseases-conditions/respiratory/hiccup1.htm
http://www.assistancescolaire.com/enseignant/elementaire/ressources/base-documentaire-en-sciences/les-echanges-gazeux-dans-une-alveole-pulmonaire-5sre0204
http://philippe.boeuf.pagesperso-orange.fr/robert/physique/pression-altitude.htm
http://technique.astroqueyras.com/altitude2_physiologie.htm
http://www.altitudemouthpiece.com/Altitude-Sickness-Research.html
http://www.altitude.ch/altitude_info/physiologie_effort.htm
http://existenciel.free.fr/securite/hypoxie/hypoxie.htm
http://soutien67.free.fr/svt/homme/corps/fonction%20corps%20humain.htm
http://alphasierra73.skyrock.com/665385547-description-du-fonctionnement-de-la-pressurisation-plus-detaillee-2-2.html
- Manuel du pilote d'avion, 8ème édition, publié par la DGAC (Direction Générale de l'Aviation Civile), Editions Cépadues, Toulouse, réédition d'août 2003.
- Livre prêté par M. Clervoy
Dr MAROTTE Henri, Physiologie aéronautique, Edition SEES, Pologne, 2004, 230 pages
- SVT Seconde, Edition Nathan, Aout 201039
Auteur/Organisme Titre de la page Disponible sur
tc.gc.ca Air : renseignements médicaux http://www.tc.gc.ca/fra/aviationcivile/publications/tp14371-air-3-0-463.htm
MyCleanSky http://www.mycleansky.com/?a=greenhouse
F Guthart Quality - PERFORMANCE - Integrity - Delivery http://www.gforces.com/gsuit.htm
NPL http://www.npl.co.uk/reference/faqs/what-are-'g-forces'-and-are-they-caused-by-gravity-(faq-force)
Les G en aéronautique http://tpe-sur-les-g.e-monsite.com/pages/i-les-g-en-aeronautique/
tg.gc.ca La médecine aéronautique et vous http://www.tc.gc.ca/fra/aviationcivile/publications/tp185-4-07-medecine-4032.htm
Aviation-fr Medecine aéronautique http://www.aviation-fr.info/medecine/medecine.php
esperacing http://www.esparacing.capricornians.co.uk/frames/MAIN%20FRAM
Mirabilevisu Airsystem http://perso.wanadoo.fr/mirabilevisu/airsystemfr.htm
hc-sc.gc Exposition au rayonnements cosmiques et voyages en avion
http://www.hc-sc.gc.ca/ewh-semt/radiation/comsic-cosmique-fra.php
Cathay Pacific Conseils pratiques lors d’un voyage en avion
http://www.cathaypacific.com/cpa/fr_FR/whatonboard/insidethecabin#C
Gilles Perrin Pressurisation des cabines http://www.medsyn.fr/perso/g.perrin/aero/public/plus/pressurisation.htm
BIBLIOGRAPHIE
SITES WEB (IMAGES/DOCUMENTS)
Nous avons effectué quatre expériences, afin d’illustrer les phénomènes de la pression expliqués au Chapitre 3.
Matériel
- une bouteille en plastique- une cloche percée- un tuyau fin- une pompe à vide- quelques ballons de baudruche
Précautions
Ne pas utiliser de bouteille en verre car elle peut casser avec la forte différence de pression entre l’intérieur et l’extérieur.
1. BOUTEILLE COMPRIMEE
Protocole :
- Comprimer légèrement la bouteille- La placer sous la cloche- Faire baisser la pression en se rapprochant du vide en observant- Puis faire augmenter la pression en ouvrant le robinet jusqu’aux conditions ambiantes et observer
Observation : La bouteille se dilate, s’élargit et prend plus de place dans la cloche, puis retrouve sa forme initiale lorsque la pression augmente à nouveau dans la cloche.
Déduction : La baisse de pression dans la cloche entraine la dilatation de la bouteille.
Conclusion : Si la pression est inférieure à l’extérieur d’un corps fermé comme la bouteille, une force est exer-cée sur les parois de ce corps qui la pousse vers l’extérieur, et cette force diminue quand les pressions exté-rieure et intérieure redeviennent équivalentes.
EXPERIENCES - ANNEXE
40
2. BOUTEILLE AVEC BALLON SUR LE GOULOT
Protocole :
On effectue la même expérience, mais on place un ballon de baudruche à l’ouverture de la bouteille.
Observation : La bouteille ne se déforme pas, c’est le ballon qui se gonfle considérablement.
Déduction : Le ballon est plus victime de la différence de pression intérieure/extérieure.
Conclusion : Moins le corps fermé est rigide et a une paroi solide, moins il résiste aux différences de pres-sion et plus il se déforme.
3. BALLON DE BAUDRUCHE DEJA GONFLE
Protocole :
- Gonfler moyennement un ballon de baudruche- Le placer sous la cloche à vide- Faire baisser la pression et observerObservation : Le ballon continue de s’élargir, jusqu’à exploser.
Déduction : Une forte différence de pression séparée par une paroi peu solide la fait éclater.
Conclusion : Pour parer à une force forte due à une différence de pression, une paroi doit avoir une épais-seur et une structure appropriées.
41
4. BALLON ET RETOUR A LA PRESSION ATMOSPHERIQUE
Protocole :
- Gonfler moyennement un ballon de baudruche- Le placer sous la cloche à vide- Faire baisser la pression sous la cloche - Ouvrir instantanément et au maximum le robinet, et observer
Observation : Après s’être gonflé, le ballon rétrécit très rapidement et se tape contre les parois à grande vi-tesse.
Déduction : Un retour soudain de l’intérieur du corps à la pression extérieure met en mouvement rapide le corps.
Conclusion : Un soudain rééquilibre de la pression entre l’extérieur et l’intérieur du corps fermé (cas de la dépressurisation) entraine le déplacement très rapide du corps et avec une différence de pression plus éle-vée (avions) peut le désagréger.
42
