登月返回再入人體臥姿和躺姿超重動態(tài)響應(yīng)實驗研究

肖艷華，劉炳坤，王健全，鄧金輝，祝 郁，劉志剛，國耀宇，費錦學(xué)，馬紅磊

(中國航天員科研訓(xùn)練中心，北京100193)

1 引言

超重環(huán)境是航天員在執(zhí)行任務(wù)中遇到的動力學(xué)環(huán)境，對乘員的安全和工效均具有重要影響。超重會導(dǎo)致人體頭部血液供應(yīng)不足，易引起黑視，甚至造成意識喪失等。人體對超重的耐受能力受多方面因素的影響，其中姿態(tài)對其有著直接的影響。人體的姿態(tài)主要由座椅背角、腿部的彎曲程度、心臟至眼睛的垂直距離等決定。其中坐姿指后背直立略有傾角，研究人員對背角從-13°～5°的加速度耐力進(jìn)行了研究；仰臥姿態(tài)一般指后背與水平方向呈一定夾角。Ballinger等對背角呈不同角度(17°～35°)進(jìn)行了人體加速度耐力實驗研究，結(jié)果表明合理的人體背角有助于提升加速度耐受過載峰值，能延長耐受時間；俯臥姿態(tài)一般指趴著面對支撐系統(tǒng)，背角為-20°～20°，由于這種姿態(tài)對于人機(jī)工效影響較大，因此被應(yīng)用的工況相對較少。 Clarke等研究了同一種體位、不同眼睛水平高度對加速度耐力的影響，發(fā)現(xiàn)眼睛水平位置高于膝蓋和心臟時，相對持續(xù)耐受時間較長。

神舟飛船或聯(lián)盟飛船的人體臥姿狀態(tài)和阿波羅飛船的人體躺姿是2種典型的返回再入姿態(tài)。雖然這2種姿態(tài)均屬于仰臥姿態(tài)，但是兩者又存在較大區(qū)別。前者腿和腳部處于卷縮狀態(tài)，大腿和腹部接觸緊密，背部與水平面存在約20°的夾角，頭部及肩部進(jìn)一步抬高，與水平面的夾角約為30°；后者腿和腳部處于自然狀態(tài)，小腿近似呈水平，且高于心臟位置，大腿處于垂直狀態(tài)，后背及肩部近似呈水平，頭部稍微抬高。躺姿狀態(tài)的目的是使人體暴露在加速度環(huán)境中能夠獲得更多的舒適感，且腿部抬高有利于血液向心臟回流，從而提高人體對加速度的耐力。然而在這2種姿態(tài)下，航天員對加速度的耐力影響究竟存在多大差異，目前尚不清楚。

本文采用生物力學(xué)假人代替真人進(jìn)行實驗測試，探討臥姿和躺姿2種典型姿態(tài)下，人體頭部、胸部和臀部動力學(xué)響應(yīng)的差異，從而為人體加速度耐力分析提供數(shù)據(jù)。本文不考慮飛船構(gòu)型的升阻比、再入速度和最大過載的關(guān)系以及長期失重飛行對加速度耐力的影響。

2 方法

2.1 實驗環(huán)境

載人探月飛船以接近第二宇宙速度返回再入，為了進(jìn)行熱防護(hù)管理，飛船以半彈道式再入方式返回。再入環(huán)境具有重復(fù)、長時、高過載的特點，本文以阿波羅10號過載曲線為基準(zhǔn)(第一峰值加速度為6.67g，大于4g的持續(xù)時間為40 s；第二峰值加速度為4.50g，大于4g的持續(xù)時間為32 s)設(shè)計離心機(jī)參數(shù)?？紤]到離心機(jī)的實際模擬情況，離心機(jī)的啟動過載要求大于1.4g，為加嚴(yán)考核人體響應(yīng)數(shù)值，將最大峰值提升至10.4g，其他加速度值成比例放大，離心機(jī)輸出過載曲線如圖1所示。該曲線具有明顯的雙峰值特征，第1峰值為10.40g，第二峰值為5.83g，總作用時間約為400 s。離心機(jī)模擬的飛船半彈道式返回再入過載曲線滿足設(shè)計要求。

圖1 離心機(jī)輸出過載曲線Fig.1 Output overload curve of centrifuge

2.2 安裝工況

實驗采用五十百分位男性HybirdⅢ假人。假人頭部由鋁構(gòu)成，由厚度不變的乙烯基外皮全部覆蓋；頸部由3個用丁基合成橡膠彈性體的硬鋁模擬椎骨元件組成，端部的鋁板把頸部節(jié)段與頭部和胸部聯(lián)接在一起，再用一根鋼索穿過頸部中心；胸部由6個金屬肋骨組成，金屬肋骨連接到一根焊接的鋼脊柱上；腰椎由聚丙烯酸酯彈性體制成，有模擬與胸部和骨盆連接的端板。

實驗?zāi)M2種姿態(tài):①姿態(tài)1為臥姿狀態(tài)，在離心機(jī)座艙內(nèi)安裝類似聯(lián)盟號飛船的座椅，座椅安裝背角與座艙水平面夾角約為20°，座椅內(nèi)放置緩沖坐墊，將HybirdⅢ假人以仰臥姿態(tài)放置在座椅內(nèi)，收攏假人雙腳，放置在腳蹬上，頭部放置于頭靠上，頭靠角度略大于背角，然后再用四點式安全帶固定假人胸部，膝蓋和腳部分別用安全帶固定(圖2(a))。②姿態(tài)2為躺姿狀態(tài)，座椅類似阿波羅飛船座椅，安裝背角為0°，座椅緩沖墊材質(zhì)同臥姿座椅，安全固定方式同臥姿狀態(tài)(圖2(b))。

2.3 測試狀態(tài)

使用MSR165三向加速度記錄儀記錄人體加速度響應(yīng)，分別安裝在假人的頭部質(zhì)心、胸骨、臀部位置，最大量程為±15g，采樣頻率為800 Hz/CH。

圖2 2種姿態(tài)假人離心機(jī)實驗Fig.2 Centrifuge experiment of dummy in supine and lying position

3 結(jié)果

3.1 合成加速度響應(yīng)比較

假人頭部、胸骨、臀部部位測量加速度計為三向傳感器，各部位3個方向加速度矢量合成為合加速度(圖3、圖4)。圖中可以看出，臥姿狀態(tài)和躺姿狀態(tài)3個部位對離心機(jī)過載的合成加速度響應(yīng)都具有較好的一致性，加速度響應(yīng)峰值和作用時間均接近，其中頭部和胸部響應(yīng)略大，腰部略小。

3.2 分量加速度響應(yīng)比較

臥姿和躺姿2種狀態(tài)下，假人頭部質(zhì)心位置、胸骨、臀部部位加速度響應(yīng)頭盆向和胸背向分量具有較大差異。臥姿狀態(tài)下，胸背向各部位加速度響應(yīng)與輸入較接近；但頭盆向加速度響應(yīng)差別較大，見圖5、6。躺姿狀態(tài)下胸背向頭部、胸部、臀部加速度響應(yīng)與臥姿狀態(tài)相比，變化相對較明顯，尤其是胸部；頭盆向加速度響應(yīng)差別更大，見圖7、8，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 兩種姿態(tài)假人加速度最大過載的比較Table 1 Com parison of response peaks of human dummy in two postures

4 討論

4.1 人體動態(tài)響應(yīng)的共性和差異性

同一再入方式和束縛情況下，臥姿和躺姿2種姿態(tài)人體響應(yīng)為:從作用時間來講，2種姿態(tài)的作用時間與輸入載荷作用時間較為一致；從作用峰值和響應(yīng)曲線特征來看，2種姿態(tài)假人的頭部、胸部、臀部合加速度響應(yīng)均與輸入載荷基本一致。差異性主要表現(xiàn)在頭盆向過載響應(yīng)，臥姿情況下，頭部具有較高的＋G分量，主要是因為臥姿座椅存在20°背角，加速度作用在人體，響應(yīng)沿頭盆向和胸背向分解，臥姿背角越大，分解的加速度＋G分量也較大。人體加速度耐力的相關(guān)研究表明:人體對胸背向的耐力高于頭盆向。如果頭部暴露在＋G環(huán)境下，容易引起血液向下半身轉(zhuǎn)移，腦血流量減少，引起腦缺血、缺氧，嚴(yán)重可影響視覺，最終導(dǎo)致意識喪失(G-induced Loss of Consciousness，G-LOC)發(fā)生。因此，從提高人體對再入加速度耐力角度來看，躺姿狀態(tài)更為有利。

4.2 載荷傳遞特征

同一載荷條件下，臥姿狀態(tài)假人頭部、胸部、臀部加速度響應(yīng)既有胸背向也有頭盆向分量，各部位胸背向響應(yīng)峰值和持續(xù)時間與輸入載荷接近。頭盆向加速度峰值從頭部、胸部到臀部依次降低，其中頭部峰值最高。人體在不同軸向響應(yīng)存在差異，這可能是與人體胸背向具有簡單線性生物力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。而臥姿狀態(tài)下，頭盆向響應(yīng)主要與座椅的安裝背角有關(guān)，其中頭部響應(yīng)最大，除了與頭部比胸部、臀部進(jìn)一步抬高有關(guān)外，也和頭部沒有約束，自由靈活，活動范圍大等因素有關(guān)。為了降低頭部的加速度負(fù)面生理效應(yīng)，臥姿狀態(tài)下乘員頭部應(yīng)該適當(dāng)加以約束。臥姿狀態(tài)下的載荷傳遞表明，由于胸背向和頭盆向的響應(yīng)同時存在，因此臥姿狀態(tài)下人體對再入加速度的耐受能力需要綜合考慮胸背向和頭盆向的響應(yīng)峰值和總持續(xù)時間。

圖3 臥姿頭部、胸部、臀部合加速度響應(yīng)曲線Fig.3 Acceleration response of head，chest and lumbar in supine position

圖4 躺姿頭部、胸部、臀部合加速度響應(yīng)曲線Fig.4 Acceleration response of head，chest and lumbar in lying position

圖5 臥姿頭部、胸部、臀部胸背向加速度響應(yīng)曲線Fig.5 G x acceleration response of head，chest and lumbar in supine position

圖6 臥姿頭部、胸部、臀部頭盆向加速度響應(yīng)曲線Fig.6 G z acceleration response of head，chest and lumbar in supine position

圖7 躺姿頭部、胸部、臀部胸背向加速度響應(yīng)曲線Fig.7 G x acceleration response of head，chest and lumbar in lying position

圖8 躺姿頭部、胸部、臀部頭盆向加速度響應(yīng)曲線Fig.8 G z acceleration response of head，chest and lumbar in lying position

躺姿狀態(tài)下，由于安裝背角接近零，所以人體響應(yīng)以胸背向為主，各部位頭盆向加速度響應(yīng)均較小，因此躺姿狀態(tài)下，人體頭盆向載荷的傳遞可以忽略不計。躺姿狀態(tài)下，人體對再入加速度的耐受能力主要取決于胸背向過載峰值大小及總持續(xù)時間，人體生理耐限的終止指標(biāo)是嚴(yán)重呼吸困難、持續(xù)性胸部疼痛或心律異常等，其主要原因是由于胸部受到壓縮，使得心肺下沉牽拉并向下擠壓膈肌所致。

5 結(jié)論

本文利用離心機(jī)模擬阿波羅10號登月返回再入過載波形，探討了2種人體姿態(tài)對假人動態(tài)響應(yīng)的影響。研究結(jié)果表明:

1)在相同過載作用下，臥姿和躺姿2種姿態(tài)的人體重要部位的合加速度響應(yīng)與輸入載荷基本一致，證明實驗載荷傳遞及測試狀態(tài)有效。

2)臥姿狀態(tài)下，假人頭部、胸部、臀部3個部位以胸背向加速度為主，頭盆向加速度峰值從頭部、胸部到臀部依次降低，其中頭部峰值最高。

3)躺姿狀態(tài)以胸背向響應(yīng)為主，頭盆向響應(yīng)可以忽略不計。

本文研究提示躺姿對提高人體加速度的耐力是有利的，后續(xù)還需從仿真分析及動物實驗等方面進(jìn)一步研究驗證。