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Thermal stresses in the modern aircraft

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Summary

It is proposed for practical purposes to measure the severity of the bioclimate in extreme conditions, as encountered in aircraft, by the tolerance time. The author also suggests a more simple classification of the extreme bioclimates, as shown in Table 1. The probable kind of final fate of a human being in this bioclimate is used for its definition.

The air friction causes the temperature of a modern fast airplane to rise in a degree that an equilibrium of temperature is no longer secured. The heat capacity of the cabin, of the clothes, and of the men therefore becomes important for avoiding too high temperatures.

A new calculation of observed fast changes of temperature in man yields that the peripheral heat barrier of the body depends upon core temperature and not upon skin temperature. In hot environment the production of heat increases much more than has been supposed.

As a consequence of recent experiments of the author about the thermal water loss from the skin the diffusion flow of the insensible perspiration can move in both directions, to and from the skin, according to the vapour pressure of the air; it represents simply the lowest value of osmotic diffusion. The diffusion ressstance of the skin is lowest when it is covered with water. Considerable amounts of water are flowing through the skin from water and solutions; amount and direction of these flows depend upon the concentration of the solutions. When the skin is sweating and exposed to the air the diffusion flow increases with sweating and can reach similar amounts. With a very damp air previously excreted sweat water can return back into the body by diffusion.

Zusammenfassung

Für Zwecke der Praxis wird vorgeschlagen, die Härte des Bioklimas unter extremen Bedingungen, wie sie in der Fliegerei auftreten, nach der Toleranzzeit zu bemessen (Fig. 1). Ferner wird angeregt, statt der verwirrenden Fülle „extremer” Bioklimate eine Einteilung wie in Tabelle 1 zu benützen. Dabei wird die wahrscheinliche Art des Endschicksals eines Menschen in diesem Bioklima für dessen Definition benutzt.

Das moderne Schnellflugzeug wird durch Reibung so stark aufgeheizt, daß Temperaturgleichgewicht nicht mehr erreicht wird. Wärmekapazität von Flugzeugzelle, Kleidung und Mensch werden dadurch zu wichtigen Hilfsmitteln zur Vermeidung zu hoher Temperaturen.

Eine Neuberechnung beobachteter schneller Temperaturgänge im Menschen ergibt, daß der periphere Wärmewiderstand des Körpers von der Innentemperatur und nicht von der Hauttemperatur abhängt. In heißer Umgebung steigt die Wärmebildung viel mehr an als bisher angenommen.

Nach neuen Versuchen des Verf. über den thermischen Hautwasserverlust kann der Diffusionsstrom der insensiblen Perspiration, je nach dem äußeren Dampfdruck, von der Haut weg oder zu ihr hin gerichtet sein; er stellt nur den untersten Wert der osmotischen Diffusion dar. Der geringste Diffusionswiderstand der Haut findet sich bei Wasserbedeckung. Aus Wasser oder Lösungen fließen erhebliche Wassermassen durch die Haut; Größe und Richtung dieser Ströme richten sich nach der Konzentration der Lösungen. Bei schwitzender, der Luft ausgesetzter Haut nimmt der Diffusionsstrom mit dem Schwitzen zu und kann eine ähnliche Größe erreichen. Bei sehr feuchter Luft kann bereits ausgetretenes Schweißwasser wieder zurückdiffundieren.

Résumé

L'auteur propose, à des fins pratiques, d'évaluer la rigueur d'un bioclimat sous des conditions extrêmes comme on les rencontre dans l'aviation, par le temps de tolérance (fig.1). Il suggère en un tableau une subdivision plus simple des bioclimats extrêmes; pour cela il définit ce climat par le sort final probable de l'organisme humain qui s'y trouve exposé.

La chaleur de frottement des avions modernes est telle que l'équilibre de température n'est plus atteint. La capacité calorifique de la cabine d'avion, des vêtements et de l'homme deviennent par conséquent des moyens importants d'éviter des températures trop hautes.

Un nouveau calcul de fortes variations de température observées dans l'organisme humain montre que la résistence calorifique du corps dépend de sa température interne et non de celle de la peau. La formation de chaleur augmente par forte chaleur extérieure beaucoup plus qu'on ne l'admettait jusqu'ici.

D'après de nouvelles recherches de l'auteur sur la perte calorifique en eau de la peau, le courant de diffusion de la perspiration insensible peut être dirigé vers l'extérieur ou vers l'intérieur, selon la pression de vapeur de l'air; il ne représente que la valeur la plus basse de la diffusion osmotique. La plus petite résistance de la peau à la diffusion s'observe lorsque celle-ci est couverte d'eau. Dans l'eau ou dans une solution, des quantités notables d'eau traversent la peau; la direction et l'importance de ces courants dépendent de la concentration des solutions. Lorsque la peau exposée à l'air transpire, le courant de diffusion augmente avec la transpiration et peut atteindre une grandeur semblable. Dans de l'air très humide, l'eau de transpiration expulsée peut rediffuser vers l'intérieur.

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With 3 Figures.

Lecture given to the Symposium on “Frontiers of man controlled flight”. Los Angeles, Cal., April 1953. With the permission of the Institute of Transportation and Traffic Engineering, University of California, Los Angeles.

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Buettner, K.J.K. Thermal stresses in the modern aircraft. Arch. Met. Geoph. Biokl. B. 5, 377–387 (1954). https://doi.org/10.1007/BF02242761

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Keywords

  • Thermal Water
  • Cela
  • Diffusion Flow
  • Tolerance Time
  • Final Fate