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离心机对航天事业的发展

2012/7/16 8:53:44??????点击:

离心机在航天事业中,特别是对飞行员,航天员有很大作用,航天员培训过程中,要适应超重力加速度反映,而重力加速度,依靠的就是通过离心机来完成
 
 
1.      超重模型     
重力(g)是宇宙中两个物体间的一种引力,其值可从零到无穷大。例如月球上的重力为0.17g,火星上是0.3g,地球是1g, 离心机可产生大于1个g的重力。使用超高速离心器则可以产生103105g的力。航天器在进入200英里(321.8公里)高度的地球轨道时,其重力相当于在地球表面的95%,但由于飞船的向心加速度抵消了地球引力,以致于围绕地球运动的飞船上的物体处于10-2~10-5个g的重力状态。航天器从发射-飞行-返回的过程中,经受了超重 -微重力-超重的重力变化。为了把航天器射入不同的轨道,一般采用多级运载火箭的方法,每级运载火箭都会产生一定的加速度,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,航天飞机发射时的峰值控制在3g左右。航天器在返回的过程中,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为5~7g,航天飞机的超重值控制在2g以内。
 
   生活在航天器内的动植物和人在航天的过程中同样也要经受超重和失重的影响。 地球上的生物是在1g的环境下进化的,他们已形成适应1g重力环境的组织结构。当植物和动物进入另一个重力环境时,它们必须重新适应新的重力环境。它们对重力的反应与重力之间的关系可能是一种线性或数学函数的关系。生物体中适应1g的组织结构在超重或低重力的环境中就会失调或退化,以适应新的重力环境。航天员在飞行中出现心血管功能紊乱、肌肉萎缩、骨质疏松就是一个很好的例证。当生物体适应了新的环境再返回地面1g的环境时,会出现不适应反应,需要经过一段再适应的过程。因此,研究重力改变对生物体的影响,尤其是微重力的影响是航天事业发展的需要。同时,通过此项研究,对于了解重力在生物体进化中的作用,也有重要的理论意义。
 
 
超出1g重力的研究是比较容易的,在地球上可通过使用不同类型的离心机来实现。在地球上进行长时间、低于1g重力的研究是不可能的,只能离开地球,到太空实验室中或到那些重力低于地球的星球(如月亮和火星)上进行。但在太空中进行多项的生物学研究是不现实的,主要的理由是:

(1)在太空中进行生物学研究的费用很高,每次飞行的任务也很多,不可能专门进行生物学和医学的研究。
(2)航天过程中除微重力因素外,还有超重、振动、噪声、辐射、舱内气体环境、有害物质等对被测对象都有影响,影响实验结果的分析。
(3)生物体、尤其是人的个体差异大,需进行多次重复实验才能发现其规律性。同时,需要研究的项目很多。在航天中不可能进行这么多的研究。
(4)每项研究需要有此学术领域的专家参加,并有各种专门的科学仪器,航天中不具备此条件。 因此,在地面上建立模拟重力变化的模型是十分必要的。

地面建立的模拟航天过程中国足球协会超级联赛重和微重力的模型有助于实现以下目的:
(1)了解生物体中的哪些系统是感受重力的,
确定它们的阈值、适应重力变化的机制、适应的能力和适应时间。
(2)预测已适应超重和低重力的机体是如何重新适应1g环境的。
(3)提出预防措施以减轻在重新适应1g的环境时会发生的潜在问题 。

   在地球上可用离心机来实现超重。离心机的向心加速度产生了平行于地面的离心力,它和重力构成了直角三角形的两个边,其合力为离心机旋转所产生的重力。因此,1.5g的向心加速力可以产生1.8g的合力,4g的向心加速力可以产生4.1g的合力。 离心机由动力系统、中心转轴和刚性的旋转臂构成(图1)。离心机的臂长从1~8米不等。离心机的臂长与转速有关,臂越长,转速越低;臂短,可产生高g值。但是,在短臂中的被试者如果很高,其身体的不同部位受到的离心力会不同,对被试者的影响因素就复杂了。因此,短臂离心机一般用于小的动植物。 根据实验目的不同,可建造大小不同和形式不同的离心机。一些离心机可以改变座舱在连接臂上的位置以根据不同的试验要求产生不同大小的重力,而其它离心机座舱只能固定在机械臂的末端,以提供特定大小的重力。

   离心机的座舱一般可以在臂上自由转动,以保持重力分量在地球重力的方向上。有的离心机的座舱本身就可以改变方向,以适应特殊的实验要求。美国航宇局一研究中心有一套离心机,它包括前庭研究专用离心机(VRF,有两个0.8米长的臂,可在3个轴上旋转),人用离心机(臂长7.6米)和旋转屋(臂长8.125米)。VRF离心机用于研究一些复合因素对小动物如猫、猴子、鸟、鱼的影响。在VRF离心机上可进行数小时至数天的实验。其它的动物离心机主要用来研究超重环境下啮齿动物的适应性反应,以及为一些太空试验提供超重条件。

   人体离心机主要用来研究人在太空飞行返回段和卧床后超重状态下的生理反应和感觉的变化,也可用于航天员超重耐力的选拔和训练。人体离心机的试验时间通常不会超过一小时。受试的生物体对抗超重的能力与其本身的质量成反比。植物、昆虫和啮齿类动物承受重力的能力远远超过人。例如,小的、年轻的植物可以在30~40g的环境下轻松地坚持10分钟之久而没有发生明显的结构变化,甚至数百g的作用也不会造成植物结构的明显破坏;鼠类只能承担15g的重力10分钟,如重力达到20g,就会全部死亡;人耐受头才璺较虻哪土仅4~5g,时间为10秒左右。
 
2. 加速度生理实验室
 
     始建于1988年,属于“211工程”、“2110工程”及“三重建设”项目。自建成以来,承担了国家自然科学基金、国家863-2基金及军队医药卫生基金等多项科研任务,还承担我校空军临床医学专业本科生(《航空航天生物动力学》)和航空航天医学专业硕士研究生、博士研究生三个层次的教学实习任务,已培养博士和硕士多名。
 
 实验室拥有动物离心机、双动力人体短臂离心机、多功能旋转床、三维滚轮、抗荷动作训练器、人工动力下体负压训练舱等特色大型设备,还拥有下体负压裤、自行下体负压训练器等专项设备。实验室配备有完善的微机化多功能生理记录仪、心电、血压和血氧饱和度监测设备,以及脑血流和心功能监测设备,可进行无创逐跳血压、心功能和心率监测、脑血流多普勒监测、基本生理信号遥测和心率变异性分析等工作。

该室具有七大功能:
①前庭功能训练;
②立位耐力功能评价;
③推拉效应的模拟及评价;
④航天体液转移地面预适应的评价;
⑤抗荷动作模拟训练;
⑥抗荷生理训练;
⑦人工重力生理训练。

该实验室整体达到国内领先水平。
 
    主要研究方向为加速度生理学。在航空医学方面开展了超重生理学研究,主要进行了高G致意识丧失的发生机理及其监测、高性能战斗机飞行员高G防护措施的研究,
①建立了快速下体负压模拟G-LOC的大鼠模型,为深入研究G-LOC的机理提供了一个有用的动物模型。首次提出以颈总动脉血流量降为零作为动物发生意识丧失的监测指标。
②系统地揭示了高G暴露后大鼠学习记忆功能和脑皮层神经元形态学改变的性质、时程及其恢复情况。
③提出了高G致脑损伤和学习记忆障碍的多重机制假说:即高G暴露引起的脑缺血是导致脑损伤和学习记忆障碍的主要原因,其生物化学及分子生物学机制涉及脑能量代谢降低、脑离子平衡紊乱、血脑屏障通透性增加、脑一氧化氮合酶和c-fos表达增加及HSP70的保护作用;颅内压力剧烈变化和应力增加是高G致脑损伤的重要因素之一;血液流变学特性改变在高G致脑损伤中起一定作用。
④提出低G预适应对高G所致的脑损伤和学习记忆障碍具有保护作用。
⑤提出了高性能战斗机飞行员下体负压抗荷训练方案。
⑥建立了仿真立位应激下心血管系统反应的数学模型对引导飞行员训练;在航天医学研究方面主要开展了失重生理学研究,主要进行了中长期失重的生理影响及防护措施的研究,阐明了模拟失重致立位耐力不良的机理涉及心血管功能改变、脑血流降低及内分泌改变等,首次提出了我国载人航天飞行时航天员下体负压对抗方案,应用所建立的模型对航天飞行后心血管功能失调的机理问题进行了仿真研究,为我国载人航天飞行时航天员的医学保障提供了实验依据。
以上部分研究成果达到国内领先和国际先进水平。
 
为了克服长期失重对人机体的影响,最有效的方法是在载人航天器中设置人工重力。前苏联在“宇宙”系列生物卫星上研究的结果表明,人工重力对防止失重对人生理系统的一些影响是有效的,不过研究也发现生活在航天器离心机上的鼠出现一些不良的副作用,例如动物脑皮层的工作能力下降,抑制了脑有关区域(特别是运动区)的蛋白质代谢,同时也观察到动物半规管的敏感性和反应能力降低。这可能是由于离心机的臂太短、转速太快造成的。
 
人在转速快的离心机中也会产生前庭器官的一些反应和幻觉。所以,在设计人工重力环境时,必须考虑离心机的转速和旋转半径对人体的影响,合理地匹配旋转半径和转速,并对有关人员进行适应性训练,将副作用减小到可以接受的程度。人工重力防护措施的设计和验证,除了进行人体试验外,还需要在航天中进行动物实验。

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