De libélulas, Stukas y trajes anti-g

El nombre de este blog hace referencia a un ave de vuelo lento y majestuoso, pero existen otros "bichos" voladores no tan bellos e igualmente impresionantes. No en vano muchos de estos nombres son usados en los cazas de combate, tal es el caso del Hornet (avispón). Uno de estos "bichos" que más me llaman la atención es la libélula. Podría pasarme largos ratos viéndolas volar zigzagueando o en vuelo estacionario. Este insecto se mueve en casi cualquier dirección con una velocidad increíblemente rápida. Los desplazamientos laterales son súbitos y casi inimaginables para un ser vivo de mayor tamaño. En estos desplazamientos se ha calculado que la fuerzas gravitacionales podrían llegar a alcanzar los 30 G. Un humano no sobreviviría a esta aceleración, sin embargo la libélula podría hacer esto y mucho más antes de sufrir daños estructurales.

Los pilotos de la primera guerra mundial ya experimentaron los efectos de las aceleraciones de la gravedad, pero fueron los pilotos de la segunda guerra mundial los que empezaron a darse cuenta de las graves consecuencias en el combate cerrado. En efecto, los aviones biplanos construidos con la famosa trama y urdimbre sobre estructuras de madera no podían someterse a grandes aceleraciones debido en gran medida no a su debilidad estructural, sino a su poca potencia, peso y velocidad punta (la física manda, ya se sabe: un medio de la masa por la velocidad al cuadrado). Aún así, algunos pilotos informaron de pérdida de visión cuando efectuaban virajes muy cerrados. La falta de visión no fue estudiada en profundidad y quedó poco menos que olvidada. Después de la I GM se desarrollaron nuevos aeroplanos con mucha más capacidad de maniobra. Durante la segunda guerra mundial las cosas fueron muy diferentes.

Los Stuka, por poner un ejemplo conocido, podían alcanzar velocidades en picado de unos 600 km/h y ya pesaban unos 4.300 kg. Cuando los pilotos alemanes tiraban de la palanca para salir del picado podían llegar a alcanzar las 5 G's. Con esta aceleración sostenida en una posición sentada, los pilotos empezaban a perder la agudeza visual, aunque mantenían la consciencia. Este efecto de empezar a ver una especie de velo gris era conocido por los pilotos alemanes cono la visión de la estrellas. Si se mantenía esta fuerza gravitatoria durante mucho tiempo el piloto llegaba a perder el conocimiento.

El típico ataque en picado del Stuka. Nótese como el piloto siempre intentaba mantener un número de G's positivas, para ello hacía medio tonel antes de tirar de la palanca e iniciar el picado. Después de la suelta de bombas el piloto egectuaba la maniobra de recogida donde alcanzaba un alto número de g's. 

Las pruebas de aceleración gravitacional de los Stuka fueron llevadas a cabo en el centro de medicina aeroespacial de Dessau. En estas impresionantes instalaciones adelantadas a su tiempo, los científicos alemanes (por aquel entonces eran de los más avanzados del mundo) descubrieron muchas cosas importantes, entre ellas la eficacia de contar en los Stuka con una cabina presurizada. Si a esto se unía un traje especial para el piloto dotados de máscaras de oxígeno entonces se podía llegar a soportar aceleraciones de unas 8,5 G's durante un máximo de tres segundos al salir de un picado. Otros resultados del centro mostraron que el 50% de los pilotos perdían la visión con aceleraciones superiores a 6 G. Con 7.5 G's el 40% de los pilotos perdían totalmente la visión (visión negra) y terminaban por desvanecerse. Al cabo de unos tres segundos de estar sin conciencia, si la aceleración había decrecido por debajo de 3 G's, los pilotos empezaban a recobrar el sentido. La sensación de volver a tener control duraba también unos tres segundos. Los científicos alemanes experimentaron con máquinas centrifugadoras y diversas posiciones para el pilotaje. Para las condiciones de guerra se consideró que estos valores eran aceptables y con ellos se construyó el famoso bombardero en picado. Cuando los norteamericanos ocuparon la factoría de Junkers en Dessau el 21 de abril de 1945 se quedaron estupefactos al comprobar el altísimo nivel de los estudios en medicina aeroespacial alcanzados por los alemanes. Todos estos datos junto con muchos de los científicos (operación paper clip) fueron trasladados a los Estados Unidos, donde los norteamericanos se pusieron a la cabeza poco tiempo después.

Otro de los ejemplos típicos donde se alcanzaron grandes números de g's fue durante la famosa batalla de Inglaterra. En los combates entre los Spitfires y los Bf109. No solo rompían la barrera del sonido en las puntas de las hélices y en las puntas de plano sino que también los pilotos ses vieron sometidos a fuerzas gravitacionales inusualmente alcanzadas en vuelos de aviones de pre-guerra. Muchos de los considerados "derribos" (Kill's) de aviones en realidad fueron accidentes provocados por la gran aceleración y/o velocidad punta (efectos gravitacionales y vuelo transónico/supersónico). Los Spitfires equipados con motores atmosféricos de carburadores debían de efectuar maniobras de medio tonel como las de los Stuka para conseguir g's positivas y poder lanzarse en persecución de los Bf109. Estos últimos estaban equipadas con inyección  de agua-Metanol y podían soportar las g's negativas sin ahogar el motor. Los Mustang norteamericanos con su alta velocidad punta también llegaron a experimentar estos efectos durante combates sobre Europa. Los inexplicables accidentes llevaron al estudio de las fuerzas gravitatorias. G induced Loss Of Consciousness (G-LOC).

La física detrás de la fisiología

Cuando un cuerpo cambia de dirección, la fuerza de la inercia intenta mantener al objeto en la misma dirección en la que se estaba moviendo. En los aviones de caza ocurre lo mismo. Cuando un caza efectúa un giro brusco, el piloto es presionado en su asiento porque su cuerpo intenta mantener la dirección en la que se estaba moviendo. Es exactamente la misma sensación que uno puede experimentar en una montaña rusa cuando se alcanza a gran velocidad el punto más bajo para luego subir. Esta fuerza se mide en términos de fuerza gravitatoria. Sentado en una silla en el salón de casa experimentamos 1g. En las montañas rusas más salvajes uno puede experimentar aceleraciones momentáneas de 3g. Si nuestro peso son 75 kg con 1g, nos encontraremos que pesamos 225 kg en la montaña rusa cuando alcanzamos las 3g. Sin embargo, en los modernos aviones de combate un piloto entrenado podría aguantar unas 9g sostenidas por un corto espacio de tiempo. Esto significa que un piloto de unos 75 kg a 1g llegaría a pesar 675 kg. Y su cráneo que normalmente pesa unos 10 kg, aumentaría de peso hasta alcanzar los 90 kg. Todo este tiempo, el corazón trata de bombear sangre oxigenada hasta la cabeza (que ahora pesa nueve veces más). Obviamente, el corazón no tiene capacidad suficiente para hacer esto. Cuando el cerebro no recibe la sangre oxigenada, una serie de efectos psicofisiológicos perniciosos ocurren.

Si el cerebro no recibe una cantidad adecuada de oxígeno,entra en un estado conocido como "hipoxia estática". Un piloto de caza puede experimentar diversos grados de hipoxia asociados a diferentes estados peligrosos. Durante los estados iniciales ocurre una pérdida de agudeza visual. Los pilotos pierden la visión en una gran variedad de formas. Algunos pilotos informan de una pérdida de visión como una sensación de apagado progresivo; algunos lo describen como la pérdida de la capacidad de discriminación del color, mientras que otros aseguran experimentar una "visión de túnel". Si el cerebro sigue privado de oxígeno en la sangre, ocurre una pérdida total y absoluta de la visión. Esto es lo que comúnmente se conoce en inglés como "blackout" o ceguera. Durante el blackout, el piloto todavía conserva una cierta consciencia de su ambiente cercano. El piloto todavía puede oír, contestar las llamadas de la radio y procesar cierto tipo de información, pero se ha quedado prácticamente ciego. No puede ver nada. En los estadios extremos de la hipóxia estática, el piloto llega a desmayarse. El piloto se encuentra completamente inconsciente e incapacitado. Después de que la sangre vuelve a fluir al cerebro, el piloto comienza a recobrar el conocimiento, pero se encuentra confuso y desorientado por un periodo de tiempo que puede variar entre unos segundos hasta casi un minuto (esto es consciente, pero todavía incapacitado para tomar el control de la aeronave). Este fenómeno es conocido en la medicina aerospacial como "G induced loss of consciousness" en inglés o G-LOC (pérdida del conocimiento inducida por las fuerzas G). Con relativamente bajos números de g y durante los primeros estadios, el piloto experimentará una cierta pérdida de visión antes de alcanzar el G-LOC, por lo tanto, él mismo se puede dar cuenta de la situación y puede empezar a relajar la presión en la palanca de vuelo bajando el número de g's. Sin embargo, con un rápido tirón de la palanca de vuelo a gran velocidad en uno de los modernos cazas de combate, se pueden adquirir un elevado número de g's rápidamente llegando al G-LOC tan rápidamente, que el cuerpo no puede darse cuenta y pasa directamente al G-LOC sin experimentar los efectos de los primeros estadios. En estos casos la sangre oxigenada no puede llegar al cerebro porque al igual que cualquier cuerpo sufre la inercia y esta hace que la sangre tienda a apilarse en las partes bajas del cuerpo, concretamente las piernas (muslos y pantorrillas).

Si el número de g's aumenta, la sangre se va haciendo más y más pesada. Aunque el músculo del corazón tiene una gran habilidad para superar la potencia de bombeo incrementando presión y frecuencia cardiaca (más volumen de sangre por minuto), pronto (como cualquier músculo) llega a su límite. Cuando esto ocurre, el corazón es incapaz de seguir bombeando con mayor presión y volumen para poder mandar la sangre desde las piernas a la cabeza.

Un ejemplo del cálculo del peso y número de g's

Un Stuka en uno de sus ataques en picado realiza un vuelo de tipo circular. Si el radio es de 1.000 metros y la velocidad es constante a unos 200 m/seg. ¿Cúal será la fuerza con la que un piloto de 80 kg empujará hacia abajo la silla de su aparato cuando el avión esté en el punto más bajo?






La fuerza hacia abajo F que el piloto ejerce en el asiento es el resultado de la reacción de la fuerza hacia arriba que el asiento efectúa sobre él. Esta reacción es la suma de ambos: peso del piloto y mantenimiento del avión en vuelo circular.

La solución es:

El piloto ejerce una fuerza sobre el asiento de más de 5 veces su peso. La aceleración a o número de g's que sufre nuestro piloto es:

La evolución de los trajes anti-g

El Dr. Wilbur Franks de nacionalidad canadiense inventó el primer traje anti-g en 1942 para tratar de paliar estos efectos. Gracias a su invento las fuerzas aliadas llegaron a alcanzar una ventaja táctica muy importante a la vez que llegó a salvar la vida de muchos pilotos. El Dr. Wilbur pronto desarrolló la idea de un traje dotado de líquido. En un principio Wilbur se dio cuenta de que los experimentos con ratones requerían líquido para poder proteger al propio ratón de las fuerzas gravitacionales. El Dr. Wilbur aceleró a varios de estos ratones en diversos medios, los que sobrevivían  a las aceleraciones de la gravedad en las centrifugadoras fueron aquellos que habían sido puesto en el interior de un profiláctico relleno de agua.

Los primeros trajes anti-g fueron por o tanto rellenos de agua en una especie de tubos que recorrían el interior del traje. Con estos trajes lo pilotos pudieron efectuar maniobras acrobáticas como nunca antes se habían hecho. Después de la guerra con la llegada de los reactores estos efectos se agudizaron en tal medida que pronto se alcanzó el límite realizable en combate cerrado. Se introdujo el traje anti-g que utilizaba aire para oprimir extremidades e impedir el flujo de la sangre en dirección contraria al cerebro. Para poder paliar los efectos se introdujo el concepto de Combat Edge (límite de combate), en el cual los médicos y fisiólogos educaban a los pilotos en como estos deberían de efectuar una serie de ejercicios de respiración y contracciones musculares de gran energía para poder soportar los efectos de la aceleración. A esto se le unió el aire forzado en la máscara de oxígeno del piloto. Los médicos teorizaron que si se inflaban los pulmones con gran presión, el aire ayudaría a evitar en gran medida el flujo de la sangre hacia abajo. Para evitar que el tórax del piloto explotara se le equipó con una especie de corsé o chaleco que mantenía el torso dentro de la proporciones vitales.

Un sistema actual de traje anti-g es muy complejo e implica gran cantidad de elementos intermedios en el avión.

Recuerdo que en 1998, en uno de mis vuelos en el F-18 (Hornet) hicimos una trepada a gran altura para poder efectuar una prueba en vuelo del biplaza que acababa de ser reparado en el escuadrón de mantenimiento de la base aérea de Zaragoza. Las pruebas para comprobar el buen funcionamiento de los diferentes sistemas se sucedieron sin grandes complicaciones con aceleraciones dentro de lo que se considera el umbral de confort de un caza (2, 3 y hasta 4 G's). Llegado un punto del programa de maniobras nos tocó realizar una de las más duras. Se trataba básicamente de abrir completamente el aerofreno dorsal del caza y descender en una especie de espiral tirando de la palanca hasta aumentar las g's progresivamente y alcanzar el punto en el que el servoactuador o martinete hidráulico del aerofreno se colapsara cerrándose. Este resultado según el manual de vuelo debía de conseguirse con un número de g's de algo más de 7, lo cual es perfectamente asumible si se sufren durante un cortísimo periodo de tiempo. Una silla lanzable por ejemplo puede alcanzar muchas más, pero ocurre en una posición y durante un periodo de tiempo tan corto que son asumibles por la mayoría de los pilotos. Para una persona normal sostener por más de 5 segundos una aceleración de algo más de 7 g's (creo recordar que llegamos a las 7,3 más de 6 segundos) es algo muy duro. El tiempo se hace eterno cuando miras en el Head Up los números de la G, que va subiendo poco a poco y uno nota como se le va la cabeza.

El traje anti-g que usábamos en el ejército del aire en aquel momento era una especie de pantalón con cámaras de aire que conectado al sistema del avión se hinchaba y nos apretaba la cintura y muslos a la manera que un esfingomanómetro lo hace cuando nos toman la presión arterial. Aunque el traje ayuda mucho, es necesario estar entrenado y saber cuando y de qué manera se deben de realizar las contracciones musculares que se enseñan para aguantar estas maniobras. 

El famoso vídeo "¿Estas conmigo Steve?" en Youtube nos muestra lo que estos efectos pueden hacer en un reportero que se atrevió a volar en un F-18 sin saber hacer estas maniobras. No tiene desperdicio.

Las cosas han cambiado mucho desde los primeros ensayos con los trajes anti-g. Hoy en día pilotos de todo el mundo ya prueban el llamado Libelle G- Multiplus Selfcontained Anti-G Ensemble (SAGE). Andreas Reinhard, un ingeniero suizo experto en materiales inflables, junto con los técnicos de su empresa, Life Support Systems AG, se puso a investigar el tema de los trajes "anti-G", llamados así porque la unidad de medida que se usa para medir las fuerzas inerciales es la "G", la misma que se aplica para las fuerzas gravitacionales. Reinhard descubrió, entre otras cosas, que la libélula, ese insecto de cola larga tan característica, es capaz de resistir una gran presión gracias a una bolsa de líquido que rodea su corazón y protege el órgano de fuerzas exteriores.

Retomando viejos diseños de este tipo de trajes, y basándose en lo que descubrió de ese insecto, Reinhard creó un nuevo traje anti-G al que bautizó Libelle.

Se trata de una malla pegada al cuerpo, por encima de la cual hay unos tubos flexibles llenos de líquido que corren por el pecho, la espalda y los miembros. Todo el conjunto está cubierto por una especie de mameluco de material sintético. Al aumentar las fuerzas inerciales, el líquido —menos denso que la sangre— ubicado en la parte del tórax del traje se desplaza hacia las extremidades (brazos y piernas), oprimiendo los miembros del piloto e impidiendo así que la sangre del pecho y la cabeza se desplace hacia ellos. Lo bueno de esta nueva generación de trajes anti-G es que, a diferencia de los que se usan en la actualidad, son totalmente independientes del avión. No utilizan toda la serie de elementos intermedios como la que se mostraba más arriba.

Las fuerzas aéreas de Suiza y de Alemania comenzaron a hacer pruebas y se mostraron muy interesadas en el traje, pero el proyecto tomó un impulso definitivo recién cuando las fuerzas aéreas de los Estados Unidos se hicieron cargo de las pruebas finales. Ahora el Pentágono está en el proceso de aprobación de los nuevos trajes anti-G de Reinhard para sus FFAA.