从马航MH370谈飞机的高空供氧发展点滴

万磁王

作者：候知健

引语：
　　在马航MH370失踪事故的一系列信息中，有一个特别引人注意的情况：该机曾经突然爬升到大幅度超过巡航高度的13000米。很多新闻将其解读为飞行员试图让飞机上其他人短时间内失去意识，阻止他们向地面报警；但从高空生理学和飞机环控设计的角度来看，这种说法很难站得住脚。
一．制约高空飞行的魔鬼：高空缺氧
　　在人类的飞行史中，“如何呼吸到足够的氧气”一直是个不太为人所关注、但在各种意义上却极其要命的问题。飞机出现之前，空中缺氧就夺去了很多飞行探索者的生命；而直到今天，这个问题甚至还在困扰着在人类飞行性能极限区域活动的第四代战斗机飞行员——F-22就出现过多次供氧事故，甚至因此机毁人亡。
　　1590年，耶稣会神父Acosta提出高空会引起人体不适，因为人体需要呼吸大量的空气，而高空的空气“非常稀薄和软弱”。1643年意大利科学家托里切利发明气压表时进一步提出，从生物学上看人能适应的气压范围很狭窄，低气压会对人造成不良影响。由于这些观点过于模糊和孱弱，缺乏了两个关键支柱——氧气的发现与高空飞行（或者低压环境）的实际验证；因此它们虽然远比中医“阴阳五行”式的臆造理论更符合事实、更具有指导价值，但仍然算不上一种科学技术门类的开端。
　　1774年拉瓦锡发现氧气、1783年人类首次乘坐气球升空等事件的发生，为高空生理学的建立提供了基础。1804年俄国科学家Charophy YD乘坐热气球飞行，对呼吸、脉搏、自觉症状等进行了较为详细的测试记录；开创了人类开始主动、明确探索高空环境对人体生理影响的历史。在不断挑战飞行高度极限的过程中，人们发现高空的影响绝不仅仅止于“不适”，缺氧环境会直接导致人体的伤残和死亡。

早期的高空探索飞行依靠气球完成

　　既然问题源于大气中氧气不足，那么提出“依靠额外氧气装置进行补充”的解决思路也就是顺理成章的事情。直到今天，供氧装置都是绝大多数飞机所必不可少的设备。尤其是战斗机，即使是在不再过于追求最大飞行高度和速度的第三代战斗机上，18000米以上的实用升限仍然是相当主流的指标；这使飞机在高空供氧的性能向着高度、强度两个方向的要求不断变化着。

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二．高度的背后：呼吸不仅需要氧气，还需要压力
　　高空供氧的最初应用并不顺利。比如1875年，法国飞行家Tissandier决心挑战9450米以上的高度，为此专门携带了氧气袋。他从6949米开始吸氧，到8000米时出现了呼吸困难，眩晕，无力和意识模糊；当他稍微恢复清醒时，发现两个同伴已经死亡，面色青紫，口鼻出血。
　　这次事故一方面是由于氧气装置性能过于简陋，提供的气体最高含氧浓度只有70%，储量也很有限；另一方面当时又缺乏有效的理论来解释、指导在高空应该如何供氧——例如此次飞行中Tissandier开始吸氧的时间就已经太晚了。按照现代标准，飞行员进行夜间飞行从1500米（直升机是1200米）就要开始供氧——此时人体夜视能力开始下降；昼间也不能高于3000米——此时人体的智力功能已经明显降低，肢体协调能力也大幅下降，比如手抖几乎无法避免。
　　1878年，高空生理学之父——法国的Pual Bert发表了《大气压力》和《大气压——实验生理学研究》。他在首先阐明了高空低压环境带来的缺氧和肢体疼痛症状的同时，提出了一个非常重要的结论：不论大气压力是多少，当氧分压低于45毫米汞柱压力（健康人心脏收缩时，动脉内的压力在120毫米汞柱左右）时，空气就无法维持生命。
　　随后Pual Bert建立了世界上第一套模拟高空环境的低压舱，用于从事高空生理训练。系统的理论指引和相应的实验设施验证，为氧气得以有效应用在高空飞行中奠定了基础；今天每一个享受过航空事业所带来便利的人，都直接或间接的受惠于此。

世界上第一个低压舱

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　　在高空生理学建立后的初期阶段，人们开始掌握人体缺氧症状和缺氧耐力锻炼的基本规律。通过让飞行人员从更低的高度就开始呼吸更高浓度的含氧气体——直至纯氧作为主要措施，基本保证了8000-10000米高度的飞行安全。然而由于缺乏对低压环境中人体生理反应的深入掌握，在更高的高度上由于低压缺氧、各种减压病带来的飞行事故仍然层出不穷。
　　比如1927年，美国陆军上尉Gerry先后两次冲击13000米高度失败。第一次他上升到12800米，感到胸闷难受后下降高度到2440米跳伞逃生；第二次他上升到11895米时失去了意识，然后由于携带的氧气用尽死亡。在付出了大量惨痛的代价以后，人们开始认识到随着高度的继续增加，即使是呼吸纯氧也并不足以防止缺氧事故的发生。
　　人类在维持生命活动的过程中，需要氧气弥漫到身体各处。在这个氧气从肺泡进入血液，再从血液中进入各处组织的弥漫过程中，动力是依靠压力提供的。但是随着高度的不断增加，外界压力和体内压力此消彼长，人体运输氧气的能力就会被不断削弱，直至被彻底逆转——此时血液中的氧气会大量向肺泡中弥散，继而通过空气排出体外。
　　实际上7000米高度就足以让绝大多数人在很短时间内丧失从空气中获得氧气的能力，维持意识的时间仅有4~5分钟；但是这个高度范围内气压降低还不是特别剧烈，人体只要能呼吸到高浓度氧气仍然可以使肺泡获得足够的氧气。但即使是始终呼吸纯氧，在12000米以上人体也会出现显著的缺氧症状。

出现严重低压损伤的兔肺

　　在高度达到19000米以后，大气压力已经无法再维持水（37度）的液态存在了；此时人体中的一部分体液——比如血液，会首先开始沸腾，产生大量的气泡，导致血管被气泡堵住形成栓塞，而器官和组织——尤其是皮肤会形成明显的气肿。
　　从20世纪30年代起，在发现人类的呼吸不仅需要氧气，而且还需要保证一定外界压力以后；人们开始采用给飞机座舱增加压力、采用加压的供氧装置强行将氧气压入飞行员的肺部、研制向体表加压的防护服装等手段。正是这些加压供氧技术和装备的成熟、普及，使飞机的高空性能实现获得了基础。

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三．现代客机的供氧秘诀：密封增压座舱
　　如何在飞行中保证人体处在合适的气压下？很多人，尤其是有过乘坐客机经验的人，第一想法就是将座舱封闭起来。事实证明这种手段非常有效，现代客机正是依靠这种措施保证了乘客在飞行过程中的生命安全和乘坐舒适性——相信本文读者中不乏经历过万米高空飞行的旅客，但真正动用过供氧面罩呼吸氧气的人应该是寥寥无几。
　　密封增压座舱存在着一个特殊的概念：座舱高度；这并不是指座舱真的离开地面多高，而是指此时座舱内的气压相当于海拔多高。对于现代的主流客机型号来说，座舱高度都不会大于海拔2400米；超过这个高度会使人进入难以自觉的轻度缺氧状态，随着飞行时间延长——比如4个小时以上，就会引起比较明显的疲劳。最晚从波音747起，波音系列客机的座舱就采用61.18kPa余压（0.6个大气压）设计；这意味着即使是在13500米高度（大气压力15.33kPa）上，马航MH370的座舱内仍然能维持76.51kPa的压力，正好相当于海拔2400米的高度。
　　波音777对座舱增压用的压缩空气来自于两台发动机的压气机，通过连通管汇合在一起；基于安全原则的冗余设计，只要还有一台发动机能工作，环控系统就可以保证整个飞行过程中座舱压力处于安全范围内。从这一点来说，马航MH370班机在满载乘客的情况下，只要座舱增压系统仍然工作正常，无论是在11000米的正常巡航高度飞行，还是竭力爬升到最大高度13000米，座舱内的乘客在呼吸上都不会受到影响。
　　更进一步的说，即使是飞行员主动劫持飞机，要完全破坏座舱增压系统使乘客迅速暴露在海拔11000米以上的高度中，也几乎是不可能的事情。波音777的座舱增压系统在绝大多数情况下都是依靠ASCPC控制系统自动运行的，虽然在驾驶舱会留有手动控制措施，但其权限和调节范围都很有限，绝不可能彻底关闭座舱增压功能。

客机座舱意外减压后弹出的氧气面罩

　　即使劫机者通过某种未知的手段，比如在飞机机身上炸开一个大洞，在13000米高度上彻底破坏了座舱的增压功能；一旦座舱高度达到、超过4267米（1.4万英尺），飞机上为每个乘客预备的氧气面罩就会自动释放下来，并通过相关设备内藏的化学药品反应提供十五分钟的不间断纯氧。
　　只要旅客带上面罩，那么在这十五分钟之内，他们相当于处身在5000米左右的缺氧高度，即所谓的障碍区。这种状态下不排除少数体弱、疾病者迅速失去意识甚至死亡，但大多数人仍然能在头痛、眩晕、视力模糊、思考迟钝、记忆能力减退的情况下保有十五分钟的意识和基本反应能力。
　　无论是哪个角度来说，马航MH370班机试图通过爬升到13000米高度使乘客在短时间内失去意识都是不可能的——这起码需要15000米以上的高度。而为什么会出现这个反常的爬升，笔者基于目前的信息无法做出有价值的推测。

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四．战斗机供氧的强度：加压供氧，灌你个肺

苏-27的座舱锁定结构设计存在一定隐患，服役历史中多次出现过意外解锁、甚至抛盖的事故

　　增压座舱同样应用在以战斗机为代表的军用战术飞机设计中，但由于考虑到结构强度、战斗中座舱被破坏导致漏气等因素，战斗机不能让座舱内的压力高于外界大气太多。尤其是因为结构设计的特点，这些飞机座舱的密封性能和可靠性远远无法与客机相比。大多数三代机的座舱可以保证1/3个大气压的余压，这样就算战斗机飞行到25000米的极限高度，座舱高度也不会高于8000米。
　　然而即使不考虑战损，在实际使用中也不可能完全避免战术飞机座舱意外减压的情况；座舱盖破裂，锁定出现问题等情况一直都相当常见。从1969年到1990年，仅美国海军就发生了205次座舱减压事故；其中不乏飞行员失去意识、机毁人亡的例子。在最糟糕的情况下，战斗机座舱会在几秒内就彻底丧失压力差，座舱内的气压下降到和外界相等的地步，这就是所谓的爆炸减压。非常不幸的是，这种最糟糕的情况也是严重减压事故中比例最高的，比如加拿大武装部队统计了20年中47次事故，爆炸减压就占了29次。

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苏-35UB为拍摄电影而拆掉了座舱盖，这种情况下不能进行12000米以上的高空飞行

　　对于仅呼吸纯氧的飞行员来说，飞行高度达到15000米时，迅速减压就意味着灭顶之灾，机毁人亡的可能性极高。在这个高度上，纯氧也不能阻止人体的爆发性缺氧：飞行员会在极短时间内，毫无预兆的丧失意识。此时维持意识的有效时间只有20秒左右，而且有10秒左右来自于大脑的氧气储备；这意味着如果不能在10秒以内就遏制住缺氧趋势，飞行员由于缺氧冲击而丧失意识将不可避免。然而在几秒以内就将飞机从15000米下降到12000米以下，这种可能性实在是微乎其微。
　　爆发性缺氧的原因并不复杂，外界压力过低使人体有限的氧气在极短时间内反向弥散大量流失。针对压力这个关键因素，人们提出了加压呼吸的概念：大幅度提高供氧的压力，将氧气直接压入飞行员的肺里，强迫人体按照正常方式运送、弥散氧气。这种供氧方式需要飞行员有明确意识、使用特殊的呼吸动作来配合供氧设备的运行：人体正常呼吸是主动吸气，继而自然放松呼气；而加压供氧下飞行员则是被动吸气，需要主动用力才能完成呼气。

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　　在大量氧气被压入咽喉和气管的过程中，飞行员的脖子会出现怒涨的现象；显而易见，这一过程中没有丝毫的舒适性可言。受到上呼吸道被强力挤压扩张的影响，眼睛的结膜也会充血、甚至出血；耳朵出现耳胀，耳鸣，眩晕甚至疼痛难忍的情况。尤其是鼻泪管和泪腺受压迫刺激以后，泪液大量分泌但又不能流入鼻腔；任飞行员之前拍着胸脯说自己七尺男儿铁骨铮铮，带上加压供氧面罩后一旦来了感觉，照样是泪流满面雨打梨花。

脸大脖子粗不止老板和伙夫，还有加压呼吸时的飞行员

　　加压呼吸更大的风险来自于肺部和整个身体。肺泡在高压下过度扩张会引起肺部循环系统的血量减少，肺里氧气虽多但动脉获得的高含氧血液却在减少；另一方外界低压而肺内一直持续正压力，血液也会越发向体表组织——比如皮肤滞留。随着有效循环的血液数量下降，大脑等重要的生命器官最终无法避免供血不足，从而导致昏厥或者虚脱。
　　由于人体的耐受能力所限，单纯的加压呼吸并不能让人在高空环境中坚持太久；即使加压程度仅有29.4毫米汞柱时，人体也只能耐受3分钟时间。要使飞行员能更有效的吸收氧气，坚持更长的时间；仅有向肺部施加的体内压力是不够的，还必须要从身体外部也建立起一个对抗性的压力进行代偿。尤其是低压带来的危害还不仅仅是缺氧，就算是为了抵御各种减压疾病带来的危害，人体外部增压措施也是必不可少的。
　　正是因为这些原因，即使是后来发展出了增压座舱技术，更早出现的增压防护服装技术也依然同时保留使用着。只有在增压防护服装的支持下，飞行员才能克服加压呼吸带来的负面生理反应并采用更高的压力，让身体更有效率的吸收氧气，并在高空中支持更长的时间。

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五．贴身的气密座舱：全压服
　　一般来说，在座舱压力正常时，增压防护服装并不会充气，以保证飞行员的灵活舒适；只有在座舱泄露减压，或者弹射跳伞时，服装才充气增压以保证飞行员生命安全。但是增压防护服装和配套设备始终面临着一个问题：那就是防护能力越好，覆盖体表的面积也必然越大。
　　覆盖体表的面积越大，意味着飞行员受的束缚越大，视野也就越狭窄，动作幅度和敏捷程度越小，尤其是越来越无法有效散热。所以实际上战斗机飞行员一般至少有两到三种以上的防护服装备用，根据飞行任务的高度选择合适的防护性能；或者说，在保证安全的情况下尽可能的追求舒适灵活。

SR-71飞行员穿着的服装看起来非常像宇航服

　　在20000米附近、或者更大高度进行较长时间飞行时，飞行员必须要穿着由橡胶等不透气材料制成的密闭防护服装；由于它的加压范围包括了全部的整个人体，因此又被称为全压服。比如巡航高度24000米的SR-71就是如此。全压服实际上就是一个小型化的、完全贴身包裹的气密增压座舱；飞机不断向服装内输送氧气和空气，以气体为介质对人体均匀的施加压力。全压服不仅看起来很像宇航服，从发展历史上说它就是宇航服的亲爹。即使是座舱出现泄露，全压服在充气以后也可以保证飞行员继续长时间飞行，直到任务完成。
　　全压服在飞行员颈部位置是密封的，并由此分成密闭头盔和壳体两个主要部分，通过看起来很像大号项圈的气密轴承进行连接，使头盔可以转动——在肘膝等关节处也有类似的设计。头盔又以飞行员面部轮廓为界进行了密封，面部提供呼吸用的氧气，头盔的后部和壳体则用飞机提供的压缩空气进行通风。
　　高度密闭使全压服极其闷热，而充气以后的体积膨大、发硬则会使得飞行员的动作相当费力、碍事。但这两种特性也使全压服的抗浸、漂浮和保温性能非常出色，飞行员即使掉入水中也很难溺毙或者冻死；由于具备非常优越的海上救生功能，因此也常常用于海上飞行。

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六．压力均衡才能更好的呼吸氧气：代偿服
　　对于在18000米和以上高度只能短暂停留的绝大多数战斗机来说，即使是要进行最大高度的飞行，全压服也一样过于累赘。一旦飞行任务要求在15000~16000米以上的飞行高度，战斗机飞行员最普遍的选择还是密闭头盔与高空代偿服。由于这类组合只针对人体的呼吸道和体表的一部分进行加压，又被称为分压服。

苏27配备的BKK-15K气囊式代偿服

　　代偿服的主要结构有气囊式和侧管式两种。气囊代偿服的原理最好理解，它在衣服里藏了多个扁平的气囊包裹住飞行员的躯干肢体，充气以后直接挤压人体表面。这种代偿服的优点是加压均匀，穿脱快速方便。尤其是胸背处的气囊和供氧管道相通，飞行员吸气使胸腔扩张时外部压力自然降低，而呼气使胸腔收缩时外部压力自然增高；胸腔外压力的协调变化大大降低了飞行员呼吸时对于胸腹肌肉发力的要求。

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　　这种服装可以使飞行员耐受一个小时以上的加压呼吸而不疲劳，但由于气囊本身必然是不透气的，穿着以后的闷热程度也就仅次于密闭服——这使它的耐力优势很难体现出来。不过在采用强制通风设计，由座舱提供压缩空气向衣服内强制通风以后，气囊式代偿服的主要缺点已经被大幅缓解了。
　　这使它不仅在西方占据了主流地位，就连苏联也在研制苏27的过程中改弦更张，转而开发了BKK-15K气囊式代偿服。不过BKK-15K主要用于降低高度逃生的过程中给飞行员提供数分钟安全暴露时间，因此它的气囊覆盖面积较小防护能力也较弱，只允许飞行员在20000米高度停留1分钟时间，12000米高度上停留3分钟时间。

美军的侧管代偿服，充气隆起的侧管和被绷紧的布面清晰的展现了工作原理