Top Gun: Wie verkraftet der Körper Kunstflug?

Tom Cruise bringt die Fans von Kunstflügen immer wieder zum Schwärmen. Der Held von Top Gun schlüpfte erneut in den Anzug des Kampfpiloten Pete „Maverick“ Mitchell, der immer noch ein Hitzkopf ist. Doch um die Höchstleistungen zu verkraften, wird der Körper dieser Elitepiloten, die als Hochleistungssportler gelten, auf eine harte Probe gestellt.

Unsere Spezies hat sich an eine Welt gewöhnt, in der eine konstante Schwerkraft herrscht – in diesem Fall eine allgegenwärtige Beschleunigungskraft, die aus der Erdanziehung resultiert (die Einheit der Erdschwere, g, beträgt 9,81 m/s2). Es gibt jedoch Umstände, unter denen unser Körper einer stärkeren Kraft als der klassischen Erdanziehungskraft ausgesetzt ist. Auch hier geht es um Beschleunigung.

In der Luft- und Raumfahrt oder im Automobilbau beziehen sich die Fachleute auf das G (für Gravitation) oder den Lastfaktor als Beschleunigungseinheit, deren Auswirkungen gewaltig sein können.

Wenn wir als Kinder laufen lernen, stellen wir schnell fest, dass ein falscher Schritt zu einem schmerzhaften Aufprall auf dem Boden führt, der eben durch die Schwerkraft verursacht wird. Wenn wir in ein Flugzeug steigen, diesmal nicht bis zum Absturz, ändert sich alles, was wir über die Schwerkraft gelernt haben und woran wir gewöhnt sind, schlagartig. Man braucht sich nur die letzten Flugmanöver von Pete „Maverick“ Mitchell im letzten Top-Gun-Film anzusehen, um sich davon zu überzeugen.

Beim Fliegen geht es darum, die Schwerkraft zu überwinden und sich in die Luft zu erheben und dabei ist Geschwindigkeit von entscheidender Bedeutung. Jedes Flugmanöver kann unseren Körper einer starken Beschleunigung aussetzen, was sich auf das Herz-Kreislauf-System, das Gehirn und die Gelenke auswirkt. Manche Flugzeuge können bis zu 12 G erreichen, wobei die Beschleunigungsgeschwindigkeit bei über 15 G/s liegt!

Wie viel G erleiden wir im Alltag?

Solche Zahlen sind natürlich Extreme. Wenn Sie bewegungslos auf dem Boden stehen, beträgt die gefühlte Beschleunigung 1 G. Alles ist in Ordnung. Bei 2G, z. B. wenn wir eine 60 Grad geneigte Kurve fahren, haben wir bereits ein mäßiges Druckgefühl auf unserem Sitz, eine Schwierigkeit, uns zu bewegen. Eine Person mit einem Gewicht von 80 kg, was einem Gewicht von 784,8 N auf der Erde entspricht (wenn man davon ausgeht, dass dies eine Situation ist, die 1G entspricht), wird bei 2G das Gefühl haben, ein Gewicht von 1569,6 N zu haben (Kg ist die Einheit der Masse, Newton die des Gewichts). Ab 8-9G ist es unmöglich, die Gliedmaßen zu bewegen, mit Ausnahme der Extremitäten.

Es gibt drei Hauptarten von G, die in drei Raumachsen auftreten. Bei einer Kurve können wir seitliche G (Gy) erfahren, die sich aus der Zentrifugalbeschleunigung ergeben, die uns nach außen drückt. Bei einer horizontalen Beschleunigung oder Verlangsamung spricht man von Gx. Gz schließlich tritt beim Sinken des Flugzeugs oder als Folge eines plötzlichen Steigflugs auf. Wir reagieren besonders empfindlich auf diese Beschleunigungen, die wir in der vertikalen Achse (Gz), d. h. von Kopf bis Fuß, erfahren, da wir dort die Kraft der Erdanziehung spüren, die notwendig ist, um das Gleichgewicht der Erde aufrechtzuerhalten.

Um die Situation noch komplizierter zu machen, sind für alle drei Achsen positive, aber auch negative Gz möglich. Ob in einer Kurve bei einem Auto oder in der Vertikalen bei einem Flugzeug, ein der Bewegung entgegengesetzter Widerstand, die Trägheitskraft, addiert sich zum tatsächlichen Gewicht aufgrund der Schwerkraft und ergibt das „scheinbare“ Gewicht des Flugzeugs im Flug. Wenn das scheinbare Gewicht in Bewegung größer ist als das tatsächliche Gewicht, ist der Lastfaktor größer als +1G. Fliegt das Flugzeug hingegen z. B. auf dem Rücken, wird der Lastfaktor negativ ausgedrückt, -G.

Um die Gs zu berechnen, denen sie ausgesetzt sind, sind Flugzeugpiloten, die besonders gefährdet sind, mit Drei-Achsen-Beschleunigungsmessern ausgestattet: So können sie in Echtzeit feststellen, wie stark sie belastet werden.

Wie unser Körper normalerweise mit der Schwerkraft umgeht

Flugzeugpiloten sind während des Fluges tatsächlich einer Vielzahl physiologischer Effekte ausgesetzt, die auf die Kombination von Beschleunigung und Schwerkraft zurückzuführen sind. Diese Effekte sind auf die Trägheitskräfte zurückzuführen, die durch die Beschleunigung entstehen, und wirken sich auf alle Organe des Körpers aus, insbesondere auf das Herz-Kreislauf-System: das Herz (die Pumpe), die Gefäße (der Kreislauf) und das Blut (die Flüssigkeit).

Der Blutkreislauf sorgt für den Transport von Sauerstoff, der für das reibungslose Funktionieren der Organe unerlässlich ist. Das Gehirn ist in diesem Bereich besonders anspruchsvoll, sowohl was den Verbrauch (es ist gierig) als auch die Regelmäßigkeit der Versorgung angeht. Es mag weder Stöße noch Überschüsse noch Mangel!

Auf der Erde gibt es einen komplexen Mechanismus zur Kontrolle und Anpassung der gesamten Maschinerie, der einen regelmäßigen, sauerstoffreichen Blutfluss mit konstanter Rate bis zum Gehirn gewährleistet, egal ob es sich in Ruhe befindet oder sich anstrengt: Das ist die zerebrale Autoregulation. Jede Veränderung des Blutdrucks bleibt somit ohne Folgen. Dieses gesunde Gleichgewicht hat jedoch seine Grenzen. Eine Beschleunigung in einer Kurve, ein Bremsmanöver oder gar der Kunstflug können es stark beeinträchtigen.

Die Fähigkeit, die Durchblutung des Gehirns aufrechtzuerhalten, die auch bei wiederholter Exposition gegenüber erhöhten Belastungsfaktoren widerstandsfähig ist, ist daher ein kritisches Problem für Piloten, die aus den normalen Alltagsbedingungen ausbrechen.

Wenn unsere physiologischen Anpassungen nicht mehr ausreichen

Die Risiken wurden bereits vor mehr als einem Jahrhundert erkannt, wenn auch nur unzureichend erklärt. So wurde 1918 die erste durch Beschleunigung hervorgerufene Störung beim Flugrennen um den Schneider-Cup verspürt, bei dem eine enge Kurve geflogen werden musste. Zunächst als „Flugkrankheit“ beschrieben, ist sie heute als „G-induzierte Bewusstlosigkeit“ oder G-LOC bekannt und äußert sich in Verwirrung und Urteilsstörungen infolge einer vorübergehenden Aufhebung der Hirndurchblutung. Ein Zustand, der bei einem geübten Piloten ab +4,5 bis 6 G auftritt.

Da sich das Herz in aufrechter Position (stehend oder sitzend) im Brustkorb befindet, zwingt die Gefäßversorgung des darüber positionierten Gehirns den Blutfluss, gegen sein eigenes Gewicht (hydrostatischer Druck) anzukämpfen, um von einem zum anderen zu steigen. Bei +Gz kommt die Trägheitskraft, die auf die Kopf-Fuß-Achse gerichtet ist, zur hydrostatischen Kraft hinzu und verschlimmert die Situation, indem sie sich der Bewegung des Blutes vom Herzen zum Kopf widersetzt.

Bei mehr als +3Gz, die länger als zehn Sekunden aufrechterhalten werden, sind unsere Selbstregulierungsmechanismen überfordert, was unmittelbar zu einem Rückgang des Sehvermögens und der geistigen Leistungsfähigkeit führt. Dies kann sich in Sehstörungen wie dem „Grauschleier“ (ab 3-4,5G, aufgrund der verminderten Durchblutung der Netzhaut und des peripheren Sehens) und dem „Schwarzschleier“ (ab 4,5-6G, da der Blutfluss zum Erliegen kommt) äußern.

Negative Beschleunigungen (-Gz) führen zu umgekehrten Anpassungsmechanismen wie +Gz, begleitet von einem unangenehmeren Gefühl und einer stärkeren wahrgenommenen Müdigkeit.

Das Hauptproblem ist jedoch die schnelle Abfolge von -G und +Gz bei hohen Werten (Push-Pull-Effekt) wie beim Kunstflug, die besonders schlecht toleriert wird. Dies ergibt sich aus der Störung unserer Anpassungsmechanismen und unserer größeren Anfälligkeit für Schleierphänomene und/oder Bewusstlosigkeit, die bereits bei +2Gz auftreten können.

Die Grenzen erkennen …

Wenn die Reaktion des Herz-Kreislauf-Systems nicht mit dem Auftreten von G Schritt hält, wird die Leistung des Piloten so stark beeinträchtigt, dass es zu Bewusstlosigkeit kommt. Um dieses gefährliche Extrem zu vermeiden, haben Studien dazu beigetragen, die Grenzen unserer Anpassungsfähigkeit besser zu erkennen und Techniken zu entwickeln, um sie zu überwinden.

Durch die Erstellung von +Gz-Zeit-Toleranzkurven konnten asymptomatische und symptomatische Individuen miteinander verglichen werden. Die obere Grenze dieser Kurven, die durch Bewusstlosigkeit (LOC-G) gekennzeichnet ist, ist ein wesentlicher Faktor für unsere physiologische Reaktion auf Beschleunigungen.

Es hat sich gezeigt, dass bei einer allmählichen Zunahme der Beschleunigung die visuellen Symptome den zerebralen Symptomen vorausgehen. Bei Beschleunigungen über +7Gz, die schnell erreicht werden, gehen der Bewusstlosigkeit jedoch keine Warnzeichen voraus. Denn wenn die Geschwindigkeit des Beschleunigungsanstiegs niedrig genug ist, können die Herz-Kreislauf-Reflexe die Veränderungen im Kreislauf zumindest teilweise kompensieren. Dadurch wird die Toleranzschwelle erhöht.

Generell wurde auch festgestellt, dass die individuelle Empfindlichkeit gegenüber diesen Effekten variabel ist und sich mit zunehmender Übung verändern kann. Mehrere Faktoren können sich auf die Verträglichkeit gegenüber Beschleunigungen auswirken.

Wenn die Hitze nicht zu groß ist, wird ein gut ausgeruhter, hydrierter und körperlich fitter Pilot in der Lage sein, +5Gz zu widerstehen. Das liegt daran, dass mehr Blut durch den Körper zirkuliert und verfügbar ist: So ist es für das Herz-Kreislauf-System leichter, das Gehirn mit sauerstoffreichem Blut durchblutet zu halten.

… Um sie zu übertreffen: das Training der Spitzenpiloten

Spitzenpiloten setzen zusätzlich muskulär-atmende Bewegungen ein: Kopf in die Schultern gezogen, nach vorn gebeugt, um die Höhe der hydrostatischen Säule zu verringern, Anspannung der Bauchmuskeln und der unteren Gliedmaßen, um den Blutfluss zu verlangsamen, Brustkorbüberdruck beim Ausstoßen der Luft oder bei geschlossener Stimmritze mit stark angespanntem Zwerchfell und Nackenmuskeln.

Ein regelmäßiges körperliches Trainingsprogramm mit einer Mischung aus Ausdauer- und Kraftübungen erhöht auch die Verträglichkeit des Piloten gegenüber den Auswirkungen der Gs. Wichtige Faktoren sind dabei die Rumpfkraft und die aerobe Kapazität. Jede aerobe Ausdaueraktivität (auch bei Apnoe oder in großer Höhe) ist gut für das Herz-Kreislauf-System.

An Übungen zur Stärkung der Rumpfmuskulatur (Bauchmuskeltraining, Liegestütze, Klimmzüge, Sit-ups) und vor allem an Übungen zur Stärkung der Nackenmuskulatur führt kein Weg vorbei: Bei hohen Gs wiegt der Kopf mehr als normal und mit einem Helm ist das eine Menge Gewicht, das es zu tragen gilt. Die Piloten der schnellsten und wendigsten Flugzeuge müssen ständig ihre äußeren Orientierungspunkte im Auge behalten und ihre Kopfposition während ihrer Manöver verändern.

Kunstflug ist für das Auftreten und/oder die Verschlimmerung von Wirbelsäulenschmerzen verantwortlich. Bei diesen Piloten, die als Hochleistungssportler gelten und sich in extremen Umgebungen bewegen, ist eine Stärkung der Muskulatur zur Bewältigung der wiederholten starken Beschleunigungen von entscheidender Bedeutung.

Weiterhin können verschiedene Hilfsmittel die individuelle Widerstandsfähigkeit gegenüber Beschleunigungen verbessern. Die Anti-G-Hose, die schon früh in den Weltkriegen entwickelt wurde, sorgt für einen ausreichenden venösen Rückfluss, indem sie als Reaktion auf die Beschleunigung einen Gegendruck auf den Unterkörper ausübt. Diese Vorrichtungen behandeln jedoch nur +Gz und sind aufgrund ihres Gewichts in Kunstflugzeugen ungeeignet.

Andere innovative Geräte werden in Forschungszentren und Unternehmen der Branche entwickelt. So etwa die Arbeiten von EuroMov Digital-Health in Motion und der Firma Semaxone, die Algorithmen und Sensoren entwickeln, um die Sauerstoffversorgung des Gehirns live zu messen und so die Entwicklung der Verträglichkeit von Piloten gegenüber Beschleunigungen vorherzusehen.

Urhebender Autor: Stéphane Perrey