[科普中國]-橫向加速度

出現(xiàn)情況

航天飛行中，航天員主要承受持續(xù)性橫向加速度。為了實現(xiàn)近軌道的載人航天飛行，必須設(shè)法使載人航天器達(dá)到一定的速度，而要獲得這個必要的速度，就需要有相應(yīng)數(shù)量和持續(xù)時間的加速度。為了將航天器射入不同軌道，一般采用多級運載火箭來實現(xiàn)。以三級火箭為例，整個發(fā)射過程形成了三個相互銜接的鋸齒狀超重曲線。每級的持續(xù)時間為100-200s，其峰值高低不等，總作用時間為6-10min。載人航天早期，飛船上升段的最大超重值可達(dá)6-8G。后來，隨著運載火箭技術(shù)的提高，飛船上升段的最大超重值約為5G，如俄羅斯的“聯(lián)盟”號系列飛船和我國的“神舟”號飛船。

飛行任務(wù)完成后，飛船將由軌道返回地面。在返回段，航天員所遇到的超重與飛船再人大氣層時是否采用升力以及再入角的大小有關(guān)。1

對人體影響作用方向與身體長軸成直角的長時間加速度在現(xiàn)代常規(guī)飛行中很少發(fā)生。這種加速度僅發(fā)生于彈射起飛，用火箭或噴氣助推起飛，及在航空母艦上著陸時。然而這些飛行動作所產(chǎn)生的力，和人的耐力相此是較小的，不致發(fā)生問題。但是將來的戰(zhàn)斗飛機，飛行員的座椅可能是向后傾斜的，以便增加對與飛機長軸成直角的加速度的耐力，就飛行員來說，亦即從耐受正加速度轉(zhuǎn)到耐受橫(向前)加速度。要達(dá)到繞地球作軌道飛行所需的速度，或從地球引力場脫離，以及后來返回到地球表面所產(chǎn)生的加速度如此大，只有在其慣性力橫向作用于身體縱軸時，才能為航天員所耐受。就現(xiàn)代載人航天飛船來說，這種加速度作用達(dá)幾分鐘，涉及峰值6—10G。由于在常規(guī)飛行和航天飛行中，飛行員在仰臥比俯臥于躺椅時易于觀察外部環(huán)境和儀表，及操縱控制器，所以人體經(jīng)常感受到的長時間橫向加速度幾乎都是向前面(腹側(cè)加速的)，即向前加速度(+Gx)，很少向后面(背側(cè)加速的)，即后向加速度(-Gx)。因此，這里提到的前向加速度的效應(yīng)此后向加速度的效應(yīng)更為詳細(xì)。

由于橫向加速度作用時，慣性力作用方向與身體縱軸呈直角，所以體循環(huán)不會發(fā)生顯著的變化。橫向加速引起的重大的生理障礙發(fā)生于呼吸系統(tǒng)。這些障礙限制了對這種形式的加速度負(fù)荷的耐受。2

一般來說，對于普通健康人、背角為70°~ 80°、大腿彎曲、不采用其他對抗措施，人體對橫向加速度反應(yīng)如下：

1．+3~+6G，漸進性的胸部緊張和胸痛，呼吸和講話困難，周邊視野減小，視力模糊；心、肺、腦等功能可基本代償，偶見心律失常；操縱、判斷和反應(yīng)能力輕度下降。

2．+6~+9G。胸痛增加，呼吸困難、淺快，周邊視野進一步減小，視力模糊感增加，眼睛流淚；重要器官開始出現(xiàn)衰退跡象，可見心律失常；操縱、控制、判斷和反應(yīng)能力下降；+8~+9G。時聲音傳導(dǎo)和聲音感知開始減退、紊亂；背部等受壓處可出現(xiàn)瘀點、瘀斑，偶爾可發(fā)生肺氣腫和肺萎陷等病理損傷。

3. +10~+15G。 嚴(yán)重或極度的呼吸困難和講話困難，胸痛劇烈，難以忍受，有明顯的疲勞和衰竭感，周邊視力或視力完全喪失，觸覺消失，頭暈；心、肺、腦等器官功能失代償，有發(fā)生“黑視”和意識喪失的危險；心律失常多見（尤其伴有心臟停跳的竇房阻滯、房室分離和室性心動過速的危險性最大）；如保持清醒，人的操縱、控制、判斷和反應(yīng)能力大大下降；+14G時聲音傳導(dǎo)和聲音感知減退和紊亂達(dá)到最大；背部等受壓處可出現(xiàn)瘀點、瘀斑，發(fā)生氣胸、肺氣腫和肺萎陷等病理損傷的概率增大。1

防護措施采用賦型座椅當(dāng)人體承受+Gx作用時，由于人體的全部重量由座椅的靠背承擔(dān)，因此座椅設(shè)計得好壞對人體+Gx耐力有很大影響。為了盡量減少人體背部一些突出部位的應(yīng)力集中和限制人體在重力作用下變形，在設(shè)計座椅靠墊時應(yīng)保證與人體背部合型，做到既限制人體明顯變形，又保證活動性和舒適性。國外早期曾設(shè)計過在金屬框架上繃緊的尼龍繩網(wǎng)，它可自動與人體合型，又可以保證身體的活動性和舒適性，但持續(xù)性橫向加速度的生物效應(yīng)與防護效果由于在+Gx作用時穩(wěn)定性較差而未被采用。后來改用硬質(zhì)泡沫塑料成型靠墊，上面蒙以較軟的泡沫海綿薄層和織物蒙皮，防護性能較好，現(xiàn)已在航天實踐中應(yīng)用。1

合理體位的選取航天發(fā)射和返回過程中產(chǎn)生的加速度對人體的影響因座椅背角的不同而產(chǎn)生不同的影響。當(dāng)背角增大時，+Gx分量增加，對頭部血液供應(yīng)影響較大，容易產(chǎn)生視力變化；當(dāng)背角減小時，+Gx分量增大，容易發(fā)生心律不齊、呼吸困難和心窩牽扯痛。因此選擇合理的體位是非常重要的。航天員在飛船中一般取腿部略抬高的仰臥姿態(tài)，座椅后背與艙底平面成一定角度(a)，艙底縱軸又與受力方向有一定夾角(p)，兩者之差為實效生理背角。它決定了人體縱向和橫向受力的大小。目前一般認(rèn)為，實效生理背角在15°（座椅背角為75°）附近比較理想。

使用航天抗荷服長期飛行對心血管系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、視覺功能、中樞神經(jīng)系統(tǒng)有著廣泛的影響，可以降低人體的超重耐力。為了提高長期飛行后航天員返回時的超重耐力，俄羅斯（包括蘇聯(lián)）在航天員返回時嘗試使用了抗荷服，證明可有效對抗+Gx超重作用引起的視覺紊亂和其他不適。目前在超過1個月的太空飛行返回時，俄羅斯航天員穿著抗荷服已成為常規(guī)。這種航天抗荷服是一種具有彈性帶的抗荷服，通過對小腿、大腿和腹部器官的軟組織施加外部壓力，限制重力負(fù)荷期間的血液流動，減少積存在下肢和腹部血管內(nèi)的血量，可提高血壓，增加頭部血液供應(yīng)，對抗立位耐力降低的發(fā)生。美國的航天飛機在發(fā)射和返回階段中，有一個很重要的裝備即可調(diào)節(jié)壓力的抗荷服。在飛行器發(fā)射和著陸期間，所有的航天員均穿著抗荷服，在加速和減速時，它可以對腹部、臀部和小腿加壓，加壓約6. 895kPa。俄羅斯和美國的兩種航天抗荷服的差別在于前者調(diào)節(jié)壓力采用的是繩索拉緊式，后者調(diào)節(jié)壓力采用的是充氣式。

采用抗+Gx呼吸動作離心機實驗表明，抗+Gx呼吸動作對防止+Gx作用時的呼吸困難和胸痛非常有效。其動作要領(lǐng)為：吸氣時主動用力鼓腹，使膈肌下沉以阻止腹腔臟器因重力的擠壓作用而上移，呼氣時腹部保留一定的緊張度，膈肌輕微上移，如此反復(fù)，用胸廓的運動來維持有節(jié)律的呼吸。這些動作經(jīng)過3—5次訓(xùn)練可以基本掌握，然后結(jié)合離心機超重耐力訓(xùn)練進行應(yīng)用實踐和鞏固。

進行超重耐力選拔與訓(xùn)練這是對航天超重進行防護的最有效的方法之一，一直為俄羅斯（包括蘇聯(lián)）和我國所重視?？紤]到載人航天飛行中，航天員同時承受+Gx和+Gz兩個軸向的超重作用，加之超重耐力的個體差異較大，因此，必須進行+Gz和+Gx超重耐力選拔。航天員選出后，還要進行訓(xùn)練，以進一步提高和維持其對航天超重的耐受性和適應(yīng)性。訓(xùn)練方法主要包括以下幾種。
(1)體質(zhì)訓(xùn)練通過適當(dāng)?shù)捏w質(zhì)訓(xùn)練可提高人體心肺系統(tǒng)的快速代償調(diào)節(jié)能力，增加交感神經(jīng)的緊張度，增強呼吸肌耐力，從而非特異性地提高人體+Gx和+Gz耐力。
(2)低氧適應(yīng)性訓(xùn)練據(jù)報道，人經(jīng)過低氧適應(yīng)后，+Gx耐力可提高(2.4±0.2)G。
(3)抗+Gx呼吸動作訓(xùn)練通過訓(xùn)練，使航天員掌握對抗超重的技術(shù)、技巧，并建立條件反射，以便在+Gx作用中能自如運用。
(4)離心機訓(xùn)練，經(jīng)過離心機訓(xùn)練，人的+Gz耐力可提高2—2.5G，+Gx耐力可提高1.6—5. 8G。后者的訓(xùn)練效果可持續(xù)6個月。但是，不恰當(dāng)?shù)闹貜?fù)離心機訓(xùn)練也可能對機體帶來不良的累積風(fēng)險，應(yīng)注意避免。1