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離心機(jī)對航天事業(yè)的發(fā)展

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離心機(jī)在航天事業(yè)中,特別是對飛行員,航天員有很大作用,航天員培訓(xùn)過程中,要適應(yīng)超重力加速度反映,而重力加速度,依靠的就是通過離心機(jī)來完成
 
 
1.      超重模型     
重力(g)是宇宙中兩個(gè)物體間的一種引力,其值可從零到無窮大。例如月球上的重力為0.17g,火星上是0.3g,地球是1g, 離心機(jī)可產(chǎn)生大于1個(gè)g的重力。使用超高速離心器則可以產(chǎn)生103105g的力。航天器在進(jìn)入200英里(321.8公里)高度的地球軌道時(shí),其重力相當(dāng)于在地球表面的95%,但由于飛船的向心加速度抵消了地球引力,以致于圍繞地球運(yùn)動的飛船上的物體處于10-2~10-5個(gè)g的重力狀態(tài)。航天器從發(fā)射-飛行-返回的過程中,經(jīng)受了超重 -微重力-超重的重力變化。為了把航天器射入不同的軌道,一般采用多級運(yùn)載火箭的方法,每級運(yùn)載火箭都會產(chǎn)生一定的加速度,形成不同g值的超重。早期的火箭形成7~8g的超重,新式的火箭低于5g,航天飛機(jī)發(fā)射時(shí)的峰值控制在3g左右。航天器在返回的過程中,也遇到超重作用,早期的超重峰值控制在10g以上,新型的航天器的峰值降低為5~7g,航天飛機(jī)的超重值控制在2g以內(nèi)。
 
   生活在航天器內(nèi)的動植物和人在航天的過程中同樣也要經(jīng)受超重和失重的影響。 地球上的生物是在1g的環(huán)境下進(jìn)化的,他們已形成適應(yīng)1g重力環(huán)境的組織結(jié)構(gòu)。當(dāng)植物和動物進(jìn)入另一個(gè)重力環(huán)境時(shí),它們必須重新適應(yīng)新的重力環(huán)境。它們對重力的反應(yīng)與重力之間的關(guān)系可能是一種線性或數(shù)學(xué)函數(shù)的關(guān)系。生物體中適應(yīng)1g的組織結(jié)構(gòu)在超重或低重力的環(huán)境中就會失調(diào)或退化,以適應(yīng)新的重力環(huán)境。航天員在飛行中出現(xiàn)心血管功能紊亂、肌肉萎縮、骨質(zhì)疏松就是一個(gè)很好的例證。當(dāng)生物體適應(yīng)了新的環(huán)境再返回地面1g的環(huán)境時(shí),會出現(xiàn)不適應(yīng)反應(yīng),需要經(jīng)過一段再適應(yīng)的過程。因此,研究重力改變對生物體的影響,尤其是微重力的影響是航天事業(yè)發(fā)展的需要。同時(shí),通過此項(xiàng)研究,對于了解重力在生物體進(jìn)化中的作用,也有重要的理論意義。
 
 
超出1g重力的研究是比較容易的,在地球上可通過使用不同類型的離心機(jī)來實(shí)現(xiàn)。在地球上進(jìn)行長時(shí)間、低于1g重力的研究是不可能的,只能離開地球,到太空實(shí)驗(yàn)室中或到那些重力低于地球的星球(如月亮和火星)上進(jìn)行。但在太空中進(jìn)行多項(xiàng)的生物學(xué)研究是不現(xiàn)實(shí)的,主要的理由是:

(1)在太空中進(jìn)行生物學(xué)研究的費(fèi)用很高,每次飛行的任務(wù)也很多,不可能專門進(jìn)行生物學(xué)和醫(yī)學(xué)的研究。
(2)航天過程中除微重力因素外,還有超重、振動、噪聲、輻射、艙內(nèi)氣體環(huán)境、有害物質(zhì)等對被測對象都有影響,影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析。
(3)生物體、尤其是人的個(gè)體差異大,需進(jìn)行多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)才能發(fā)現(xiàn)其規(guī)律性。同時(shí),需要研究的項(xiàng)目很多。在航天中不可能進(jìn)行這么多的研究。
(4)每項(xiàng)研究需要有此學(xué)術(shù)領(lǐng)域的專家參加,并有各種專門的科學(xué)儀器,航天中不具備此條件。 因此,在地面上建立模擬重力變化的模型是十分必要的。

地面建立的模擬航天過程中超重和微重力的模型有助于實(shí)現(xiàn)以下目的:
(1)了解生物體中的哪些系統(tǒng)是感受重力的,
確定它們的閾值、適應(yīng)重力變化的機(jī)制、適應(yīng)的能力和適應(yīng)時(shí)間。
(2)預(yù)測已適應(yīng)超重和低重力的機(jī)體是如何重新適應(yīng)1g環(huán)境的。
(3)提出預(yù)防措施以減輕在重新適應(yīng)1g的環(huán)境時(shí)會發(fā)生的潛在問題 。

   在地球上可用離心機(jī)來實(shí)現(xiàn)超重。離心機(jī)的向心加速度產(chǎn)生了平行于地面的離心力,它和重力構(gòu)成了直角三角形的兩個(gè)邊,其合力為離心機(jī)旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的重力。因此,1.5g的向心加速力可以產(chǎn)生1.8g的合力,4g的向心加速力可以產(chǎn)生4.1g的合力。 離心機(jī)由動力系統(tǒng)、中心轉(zhuǎn)軸和剛性的旋轉(zhuǎn)臂構(gòu)成(圖1)。離心機(jī)的臂長從1~8米不等。離心機(jī)的臂長與轉(zhuǎn)速有關(guān),臂越長,轉(zhuǎn)速越低;臂短,可產(chǎn)生高g值。但是,在短臂中的被試者如果很高,其身體的不同部位受到的離心力會不同,對被試者的影響因素就復(fù)雜了。因此,短臂離心機(jī)一般用于小的動植物。 根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟煌山ㄔ齑笮〔煌托问讲煌碾x心機(jī)。一些離心機(jī)可以改變座艙在連接臂上的位置以根據(jù)不同的試驗(yàn)要求產(chǎn)生不同大小的重力,而其它離心機(jī)座艙只能固定在機(jī)械臂的末端,以提供特定大小的重力。

   離心機(jī)的座艙一般可以在臂上自由轉(zhuǎn)動,以保持重力分量在地球重力的方向上。有的離心機(jī)的座艙本身就可以改變方向,以適應(yīng)特殊的實(shí)驗(yàn)要求。美國航宇局一研究中心有一套離心機(jī),它包括前庭研究專用離心機(jī)(VRF,有兩個(gè)0.8米長的臂,可在3個(gè)軸上旋轉(zhuǎn)),人用離心機(jī)(臂長7.6米)和旋轉(zhuǎn)屋(臂長8.125米)。VRF離心機(jī)用于研究一些復(fù)合因素對小動物如貓、猴子、鳥、魚的影響。在VRF離心機(jī)上可進(jìn)行數(shù)小時(shí)至數(shù)天的實(shí)驗(yàn)。其它的動物離心機(jī)主要用來研究超重環(huán)境下嚙齒動物的適應(yīng)性反應(yīng),以及為一些太空試驗(yàn)提供超重條件。

   人體離心機(jī)主要用來研究人在太空飛行返回段和臥床后超重狀態(tài)下的生理反應(yīng)和感覺的變化,也可用于航天員超重耐力的選拔和訓(xùn)練。人體離心機(jī)的試驗(yàn)時(shí)間通常不會超過一小時(shí)。受試的生物體對抗超重的能力與其本身的質(zhì)量成反比。植物、昆蟲和嚙齒類動物承受重力的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人。例如,小的、年輕的植物可以在30~40g的環(huán)境下輕松地堅(jiān)持10分鐘之久而沒有發(fā)生明顯的結(jié)構(gòu)變化,甚至數(shù)百g的作用也不會造成植物結(jié)構(gòu)的明顯破壞;鼠類只能承擔(dān)15g的重力10分鐘,如重力達(dá)到20g,就會全部死亡;人耐受頭盆方向的耐力僅4~5g,時(shí)間為10秒左右。
 
2. 加速度生理實(shí)驗(yàn)室
 
     始建于1988年,屬于“211工程”、“2110工程”及“三重建設(shè)”項(xiàng)目。自建成以來,承擔(dān)了國家自然科學(xué)基金、國家863-2基金及軍隊(duì)醫(yī)藥衛(wèi)生基金等多項(xiàng)科研任務(wù),還承擔(dān)我校空軍臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)本科生(《航空航天生物動力學(xué)》)和航空航天醫(yī)學(xué)專業(yè)碩士研究生、博士研究生三個(gè)層次的教學(xué)實(shí)習(xí)任務(wù),已培養(yǎng)博士和碩士多名。
 
 實(shí)驗(yàn)室擁有動物離心機(jī)、雙動力人體短臂離心機(jī)、多功能旋轉(zhuǎn)床、三維滾輪、抗荷動作訓(xùn)練器、人工動力下體負(fù)壓訓(xùn)練艙等特色大型設(shè)備,還擁有下體負(fù)壓褲、自行下體負(fù)壓訓(xùn)練器等專項(xiàng)設(shè)備。實(shí)驗(yàn)室配備有完善的微機(jī)化多功能生理記錄儀、心電、血壓和血氧飽和度監(jiān)測設(shè)備,以及腦血流和心功能監(jiān)測設(shè)備,可進(jìn)行無創(chuàng)逐跳血壓、心功能和心率監(jiān)測、腦血流多普勒監(jiān)測、基本生理信號遙測和心率變異性分析等工作。

該室具有七大功能:
①前庭功能訓(xùn)練;
②立位耐力功能評價(jià);
③推拉效應(yīng)的模擬及評價(jià);
④航天體液轉(zhuǎn)移地面預(yù)適應(yīng)的評價(jià);
⑤抗荷動作模擬訓(xùn)練;
⑥抗荷生理訓(xùn)練;
⑦人工重力生理訓(xùn)練。

該實(shí)驗(yàn)室整體達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。
 
    主要研究方向?yàn)榧铀俣壬韺W(xué)。在航空醫(yī)學(xué)方面開展了超重生理學(xué)研究,主要進(jìn)行了高G致意識喪失的發(fā)生機(jī)理及其監(jiān)測、高性能戰(zhàn)斗機(jī)飛行員高G防護(hù)措施的研究,
①建立了快速下體負(fù)壓模擬G-LOC的大鼠模型,為深入研究G-LOC的機(jī)理提供了一個(gè)有用的動物模型。首次提出以頸總動脈血流量降為零作為動物發(fā)生意識喪失的監(jiān)測指標(biāo)。
②系統(tǒng)地揭示了高G暴露后大鼠學(xué)習(xí)記憶功能和腦皮層神經(jīng)元形態(tài)學(xué)改變的性質(zhì)、時(shí)程及其恢復(fù)情況。
③提出了高G致腦損傷和學(xué)習(xí)記憶障礙的多重機(jī)制假說:即高G暴露引起的腦缺血是導(dǎo)致腦損傷和學(xué)習(xí)記憶障礙的主要原因,其生物化學(xué)及分子生物學(xué)機(jī)制涉及腦能量代謝降低、腦離子平衡紊亂、血腦屏障通透性增加、腦一氧化氮合酶和c-fos表達(dá)增加及HSP70的保護(hù)作用;顱內(nèi)壓力劇烈變化和應(yīng)力增加是高G致腦損傷的重要因素之一;血液流變學(xué)特性改變在高G致腦損傷中起一定作用。
④提出低G預(yù)適應(yīng)對高G所致的腦損傷和學(xué)習(xí)記憶障礙具有保護(hù)作用。
⑤提出了高性能戰(zhàn)斗機(jī)飛行員下體負(fù)壓抗荷訓(xùn)練方案。
⑥建立了仿真立位應(yīng)激下心血管系統(tǒng)反應(yīng)的數(shù)學(xué)模型對指導(dǎo)飛行員訓(xùn)練;在航天醫(yī)學(xué)研究方面主要開展了失重生理學(xué)研究,主要進(jìn)行了中長期失重的生理影響及防護(hù)措施的研究,闡明了模擬失重致立位耐力不良的機(jī)理涉及心血管功能改變、腦血流降低及內(nèi)分泌改變等,首次提出了我國載人航天飛行時(shí)航天員下體負(fù)壓對抗方案,應(yīng)用所建立的模型對航天飛行后心血管功能失調(diào)的機(jī)理問題進(jìn)行了仿真研究,為我國載人航天飛行時(shí)航天員的醫(yī)學(xué)保障提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
以上部分研究成果達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先和國際先進(jìn)水平。
 
為了克服長期失重對人機(jī)體的影響,最有效的方法是在載人航天器中設(shè)置人工重力。前蘇聯(lián)在“宇宙”系列生物衛(wèi)星上研究的結(jié)果表明,人工重力對防止失重對人生理系統(tǒng)的一些影響是有效的,不過研究也發(fā)現(xiàn)生活在航天器離心機(jī)上的鼠出現(xiàn)一些不良的副作用,例如動物腦皮層的工作能力下降,抑制了腦有關(guān)區(qū)域(特別是運(yùn)動區(qū))的蛋白質(zhì)代謝,同時(shí)也觀察到動物半規(guī)管的敏感性和反應(yīng)能力降低。這可能是由于離心機(jī)的臂太短、轉(zhuǎn)速太快造成的。
 
人在轉(zhuǎn)速快的離心機(jī)中也會產(chǎn)生前庭器官的一些反應(yīng)和幻覺。所以,在設(shè)計(jì)人工重力環(huán)境時(shí),必須考慮離心機(jī)的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)半徑對人體的影響,合理地匹配旋轉(zhuǎn)半徑和轉(zhuǎn)速,并對有關(guān)人員進(jìn)行適應(yīng)性訓(xùn)練,將副作用減小到可以接受的程度。人工重力防護(hù)措施的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證,除了進(jìn)行人體試驗(yàn)外,還需要在航天中進(jìn)行動物實(shí)驗(yàn)。

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