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航天事业也少不了离心机
发布时间:2021-08-19浏览次数:37

离心机在航天工业,特别是对于飞行员,宇航员有很大影响,宇航员训练过程,适应超重力加速度反映,重力加速度,这些就是依赖离心机来完成的。

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。

在航天飞行过程中,生活在航天器中的动物、植物和人也会受到超重和失重的影响。地球上的生物在1g的环境中进化,它们已经形成了适应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,它们必须再次适应新的重力环境。它们对重力的响应和重力之间的关系可以是线性或数学函数。为了适应新的重力环境,生物体中适应1g的组织结构会在超重或低重力环境中发生紊乱或退化。宇航员在飞行中出现的心血管功能障碍、肌肉萎缩和骨质疏松就是一个很好的例子。当生物体适应新环境后再回到地面1 g,就会出现不适应反应,需要一段时间的重新调整。因此,有必要研究重力变化对生物的影响,尤其是微重力。同时,这项研究对于理解重力在生物进化中的作用也具有重要的理论意义。

研究1g以上的重力很容易,在地球上使用不同类型的离心机就可以实现。在地球上不可能长时间研究1g以下的引力,我们只能离开地球,去太空实验室,或者去地球下面有引力的行星(比如月球、火星)。然而,在太空中进行许多生物学研究是不现实的。主要原因有:

(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超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 

离心机可以用来实现地球上的超重。平行于地面的离心力是离心机的向心加速度产生的,与重力形成直角三角形的两边,合力是离心机旋转产生的重力。因此,1.5g的向心加速度可以产生1.8g的合力,4g的向心加速度可以产生4.1g的合力..离心机由动力系统、中心转轴和刚性转臂组成(图1)。离心机的臂长从1米到8米不等。离心机的臂长与转速有关,臂越长,转速越低。短臂可以产生高g值。但如果短臂中的受试者个子很高,身体不同部位受到的离心力会有所不同,对受试者的影响因素也会比较复杂。因此,短臂离心机一般用于小型动植物。根据不同的实验目的,可以建造不同尺寸和形式的离心机。有些离心机可以根据不同的试验要求,改变连接臂上的舱室位置,产生不同的重力,而其他离心机只能固定在机械臂末端,提供比重。

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。

人体离心机主要用于研究航天归来、卧床后处于超重状态的人的生理反应和感受的变化,也可用于航天员超重耐力的选择和训练。人体离心机的测试时间通常不超过一小时。被测生物抵抗超重的能力与其自身质量成反比。植物、昆虫和啮齿动物比人类更能承受重力。比如,小苗、幼株在30 ~ 40 g的环境中,很容易坚持10分钟,结构上没有明显变化,甚至几百g也不会对植株结构造成明显的损伤;老鼠只能承受15 g重力10分钟,如果重力达到20 g,就会全部死亡;人在头盆方向的耐力只有4 ~ 5g,时间在10秒左右。

人体离心机主要用于研究航天归来、卧床后处于超重状态的人的生理反应和感受的变化,也可用于航天员超重耐力的选择和训练。人体离心机的测试时间通常不会不超过一小时。被测生物抵抗超重的能力与其自身质量成反比。植物、昆虫和啮齿动物比人类更能承受重力。比如,小苗、幼株在30 ~ 40 g的环境中,很容易坚持10分钟,结构上没有明显变化,甚至几百g也不会对植株结构造成明显的损伤;老鼠只能承受15 g重力10分钟,如果重力达到20 g,就会全部死亡;人在头盆方向的耐力只有4 ~ 5g,时间在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指导飞行员训练;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,最有效的方法是给载人航天器设置人工重力。 前苏联在“宇宙”系列生物卫星上的研究结果表明,人工重力可以有效防止失重对人的生理系统的影响。 但是,在宇宙飞船离心机中的小鼠中,观察到了动物大脑皮质的作用下降,大脑相关区域特别是运动区域的蛋白质代谢受到抑制,同时动物半规管的敏感性和反应能力也下降。 这可能是因为离心机的臂太短,转速太快。

高速离心机中的人也会产生一些前庭器官的反应和幻觉。因此,在设计人工重力环境时,必须考虑离心机转速和旋转半径对人体的影响,旋转半径和旋转速度之间的逻辑对应,以及将副作用降低到可接受的水平的自适应训练。人工重力保护措施的设计与验证,除了进行人体实验之外,还需要进行空间动物实验。

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