[科普中國]-航天救生醫(yī)學(xué)

研究意義

載人航天飛行安全與救生是發(fā)展載人航天技術(shù)重要前提之一。50年代末美蘇研制第一代載人飛船時，對救生與安全給予很大重視。蘇聯(lián)第一艘“東方號”飛船裝有彈射座椅系統(tǒng)，美國“水星”飛船裝有逃逸塔系統(tǒng)。研制過程要采取種種措施，提高設(shè)備可靠性。盡管如此，在大量成功飛行中也伴有沉痛的失敗教訓(xùn)。27年來載人航天實踐表明，事故是不斷發(fā)生的，到1988年為止載人航天史已發(fā)生數(shù)十起比較有影響的故障或事故，先后有14名航天員死于空難。

航天中威脅航天員生命的潛在因素主要來自三個方面。

(1)航天器故障。航天器結(jié)構(gòu)極復(fù)雜，任何一個關(guān)鍵部件發(fā)生故障，都有可能導(dǎo)致事故發(fā)生。

(2)環(huán)境的影響。航天器飛行過程受到振動、沖擊、擺動、溫度、微流星以及天氣的影響，有可能造成事故。例如“聯(lián)盟”23號飛船返回途中遇暴風(fēng)雪，使再入角偏離航線，被迫落在湖上。

(3)人的因素。長期空間飛行，若航天員生病不能堅持航行時，需應(yīng)急返回治療。例如“聯(lián)盟”T-14號飛船航天員瓦休金和“聯(lián)盟”TM-3號飛船航天員拉維依金都因患病，提前返回。另外，航天員操縱失誤，造成意外事故時，如“雙子星座”8號飛船，由于操作錯誤，使飛船失控應(yīng)急返回。2

研究內(nèi)容航天救生醫(yī)學(xué)是以航空救生醫(yī)學(xué)工程為基礎(chǔ)，結(jié)合航天技術(shù)的特點發(fā)展起來的。兩者研究內(nèi)容和使用方法有著密切的聯(lián)系。如“東方”號、“雙子星座”號飛船采用彈射座椅做為上升和返回段救生方案，航天員在救生過程中經(jīng)受彈射過載、氣動減速、氣流吹襲、旋轉(zhuǎn)、開傘和著陸沖擊等的影響特點都與航空救生相似，但航天救生還有它獨立研究內(nèi)容。因為從起飛到著陸，每階段所處的空間環(huán)境不同，救生方案的選擇也不同。因此航天救生比航空救生復(fù)雜。它所研究的范圍較廣，包括：

(1)研究航天救生各階段環(huán)境因素對人的影響，了解人體的耐受性，提供有關(guān)人體的醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)與資料；

(2)研制有效的防護措施，提高人體耐力，確保安全救生；

(3)救生系統(tǒng)的醫(yī)學(xué)鑒定工作；

(4)研制令人救生物品；

(5)協(xié)助營救方案的實施；

(6)培訓(xùn)航天員熟悉與使用救生器材。2

試驗方法航天救生中人體承受到高過載、特殊壓力制度、沖擊性過載和高動壓環(huán)境等不利因素的影響。

試驗設(shè)備(1)垂直及水平彈射器：研究沖擊性加速度問題。

(2)垂直及水平?jīng)_擊器：研究沖擊性減速度問題。

(3)風(fēng)洞：研究人體的空氣動力學(xué)問題。

(4)火箭車：在地面創(chuàng)造高速條件模擬彈射加速度、沖擊加速度和氣流吹襲條件。

(5)飛機：分別或全面地檢驗救生系統(tǒng)性能。

利用這些設(shè)備可以有效地進行各種因素的研究，甚至可以在確保安全的條件下進行人體試驗。

試驗對象(1)人是最佳受試者。只能在確保安全的前提下審慎地進行人體試驗。

(2)動物是最常用的人體試驗代用品。可用以承受高負荷甚至致命負荷下的研究，以探索損傷規(guī)律。

(3)尸體是研究損傷規(guī)律和閾值的人體代用品。但尸體無生命力、肌張力和各種生理反應(yīng)，因而不少數(shù)據(jù)與活體有差別。

(4)假人。隨著航空救生事業(yè)的發(fā)展而有改進和提高。由外形、重量分布的模擬，進而出現(xiàn)了反映某些組織器官特性的假人和模擬人體動態(tài)特性的假人。

(5)事故調(diào)查資料。事故調(diào)查包括彈射事例、交通事故、工傷墜落事故以及其它一些沖擊、碰撞等自殺未遂事故。這些事故負荷大，達到了人體試驗所不允許達到的強度。因不是有控的，缺乏環(huán)境參數(shù)的客觀記錄，需要認真調(diào)查分析實況積累資料。

(6)數(shù)學(xué)模型。人體雖很復(fù)雜，但也具有一般物理系統(tǒng)的某些共性，因而可在試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上用微分方程表達其部分特性。數(shù)學(xué)模型能定量地分析表達外環(huán)境與人體變化之問的關(guān)系，從而不通過試驗即預(yù)計給定環(huán)境條件下的人體反應(yīng)。航天救生時很多因素都有傷害人體的危險，所以應(yīng)用數(shù)學(xué)模瓔顯得更重要。

研究方法60年代以前進行了大量人體和動物試驗，研究觀察救生過程所引起的損傷及其它人體效應(yīng)。近二十多年來救生醫(yī)學(xué)工程的重要進展是研究方法的改進。由單純的生物醫(yī)學(xué)方法轉(zhuǎn)變?yōu)樯锪W(xué)這樣一種跨學(xué)科綜合的方法。這種轉(zhuǎn)變與傳統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)方法區(qū)別的核心是要推導(dǎo)出合理的數(shù)學(xué)模型。其研究過程具有生物學(xué)和力學(xué)研究兩方面的特點。

具體的研究方法可歸納為下述過程：

(1)試驗人體模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)一般是未知的，通常利用試驗數(shù)據(jù)提取。因此取得試驗過程的激勵因素和人體反應(yīng)的正確信息很重要。

(2)建?？筛鶕?jù)已知物理定理假定模型的微分方程，但模型參數(shù)仍由試驗取得。更多的是根據(jù)激勵與響應(yīng)之間的定量關(guān)系辨識出模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)。同一微分方程可建立不同物理系統(tǒng)的物理模型。人體是復(fù)雜的巨系統(tǒng)，是非線性的，不可能用同一模型概括各種問題。常用不同的模型解決不同的問題，這樣做有利于抓住主要矛盾進行適當?shù)臄M線性化和簡化。如高速氣流吹襲引起肢體甩打傷，也可引起內(nèi)臟和軟組織損傷，但前者更重要。哈納揚
(Hanayan)建立的15個剛體鉸接模型，僅以一定幾何形狀的剛體代表人體的不同節(jié)段，忽略掉人體的大量信息¨3。雖作了很大的簡化，但用于研究人體的運動很有效。還可將該模型應(yīng)用于分析高速氣流吹裝下人體的平移和旋轉(zhuǎn)情況，人體不同節(jié)段的運動軌跡，以及頭部、四肢的氣流甩打傷。

這樣，既抓住了主要矛盾，而且應(yīng)用也很方便。

(3)檢驗?zāi)Ｐ蛢H是逼近所研究事物的主要特征，將忽略掉系統(tǒng)的一些固有物性，對事物的簡化是否合理可靠，需進行檢驗。檢驗的唯一標準是檢驗?zāi)Ｐ蛯o定系統(tǒng)的近似性，即根據(jù)模型預(yù)估與實際情況的符合程度以判斷優(yōu)劣。不符合要求時應(yīng)修改模型參數(shù)甚至重新建模。

(4)應(yīng)用應(yīng)用是建立模型的主要目的。為救生生物醫(yī)學(xué)研究建立了分布參數(shù)的、集中參數(shù)的不同類型的多種模型，可以不通過人體試驗預(yù)估一些復(fù)雜外力引起的人體反應(yīng)，甚至判斷人體耐力，還可用以研究人一防護系統(tǒng)一環(huán)境因素之間的關(guān)系，使工程設(shè)計部門能方便地根據(jù)模型估算進行優(yōu)化設(shè)計。例如美國和我國都利用一個單自由度集中參數(shù)模型的分析計算，制定了軍用飛機彈射加速度耐受限度的軍用標準。2