[科普中国]-横向加速度

出现情况

航天飞行中，航天员主要承受持续性横向加速度。为了实现近轨道的载人航天飞行，必须设法使载人航天器达到一定的速度，而要获得这个必要的速度，就需要有相应数量和持续时间的加速度。为了将航天器射入不同轨道，一般采用多级运载火箭来实现。以三级火箭为例，整个发射过程形成了三个相互衔接的锯齿状超重曲线。每级的持续时间为100-200s，其峰值高低不等，总作用时间为6-10min。载人航天早期，飞船上升段的最大超重值可达6-8G。后来，随着运载火箭技术的提高，飞船上升段的最大超重值约为5G，如俄罗斯的“联盟”号系列飞船和我国的“神舟”号飞船。

飞行任务完成后，飞船将由轨道返回地面。在返回段，航天员所遇到的超重与飞船再人大气层时是否采用升力以及再入角的大小有关。1

对人体影响作用方向与身体长轴成直角的长时间加速度在现代常规飞行中很少发生。这种加速度仅发生于弹射起飞，用火箭或喷气助推起飞，及在航空母舰上着陆时。然而这些飞行动作所产生的力，和人的耐力相此是较小的，不致发生问题。但是将来的战斗飞机，飞行员的座椅可能是向后倾斜的，以便增加对与飞机长轴成直角的加速度的耐力，就飞行员来说，亦即从耐受正加速度转到耐受横(向前)加速度。要达到绕地球作轨道飞行所需的速度，或从地球引力场脱离，以及后来返回到地球表面所产生的加速度如此大，只有在其惯性力横向作用于身体纵轴时，才能为航天员所耐受。就现代载人航天飞船来说，这种加速度作用达几分钟，涉及峰值6—10G。由于在常规飞行和航天飞行中，飞行员在仰卧比俯卧于躺椅时易于观察外部环境和仪表，及操纵控制器，所以人体经常感受到的长时间横向加速度几乎都是向前面(腹侧加速的)，即向前加速度(+Gx)，很少向后面(背侧加速的)，即后向加速度(-Gx)。因此，这里提到的前向加速度的效应此后向加速度的效应更为详细。

由于横向加速度作用时，惯性力作用方向与身体纵轴呈直角，所以体循环不会发生显著的变化。横向加速引起的重大的生理障碍发生于呼吸系统。这些障碍限制了对这种形式的加速度负荷的耐受。2

一般来说，对于普通健康人、背角为70°~ 80°、大腿弯曲、不采用其他对抗措施，人体对横向加速度反应如下：

1．+3~+6G，渐进性的胸部紧张和胸痛，呼吸和讲话困难，周边视野减小，视力模糊；心、肺、脑等功能可基本代偿，偶见心律失常；操纵、判断和反应能力轻度下降。

2．+6~+9G。胸痛增加，呼吸困难、浅快，周边视野进一步减小，视力模糊感增加，眼睛流泪；重要器官开始出现衰退迹象，可见心律失常；操纵、控制、判断和反应能力下降；+8~+9G。时声音传导和声音感知开始减退、紊乱；背部等受压处可出现瘀点、瘀斑，偶尔可发生肺气肿和肺萎陷等病理损伤。

3. +10~+15G。 严重或极度的呼吸困难和讲话困难，胸痛剧烈，难以忍受，有明显的疲劳和衰竭感，周边视力或视力完全丧失，触觉消失，头晕；心、肺、脑等器官功能失代偿，有发生“黑视”和意识丧失的危险；心律失常多见（尤其伴有心脏停跳的窦房阻滞、房室分离和室性心动过速的危险性最大）；如保持清醒，人的操纵、控制、判断和反应能力大大下降；+14G时声音传导和声音感知减退和紊乱达到最大；背部等受压处可出现瘀点、瘀斑，发生气胸、肺气肿和肺萎陷等病理损伤的概率增大。1

防护措施采用赋型座椅当人体承受+Gx作用时，由于人体的全部重量由座椅的靠背承担，因此座椅设计得好坏对人体+Gx耐力有很大影响。为了尽量减少人体背部一些突出部位的应力集中和限制人体在重力作用下变形，在设计座椅靠垫时应保证与人体背部合型，做到既限制人体明显变形，又保证活动性和舒适性。国外早期曾设计过在金属框架上绷紧的尼龙绳网，它可自动与人体合型，又可以保证身体的活动性和舒适性，但持续性横向加速度的生物效应与防护效果由于在+Gx作用时稳定性较差而未被采用。后来改用硬质泡沫塑料成型靠垫，上面蒙以较软的泡沫海绵薄层和织物蒙皮，防护性能较好，现已在航天实践中应用。1

合理体位的选取航天发射和返回过程中产生的加速度对人体的影响因座椅背角的不同而产生不同的影响。当背角增大时，+Gx分量增加，对头部血液供应影响较大，容易产生视力变化；当背角减小时，+Gx分量增大，容易发生心律不齐、呼吸困难和心窝牵扯痛。因此选择合理的体位是非常重要的。航天员在飞船中一般取腿部略抬高的仰卧姿态，座椅后背与舱底平面成一定角度(a)，舱底纵轴又与受力方向有一定夹角(p)，两者之差为实效生理背角。它决定了人体纵向和横向受力的大小。目前一般认为，实效生理背角在15°（座椅背角为75°）附近比较理想。

使用航天抗荷服长期飞行对心血管系统、呼吸系统、视觉功能、中枢神经系统有着广泛的影响，可以降低人体的超重耐力。为了提高长期飞行后航天员返回时的超重耐力，俄罗斯（包括苏联）在航天员返回时尝试使用了抗荷服，证明可有效对抗+Gx超重作用引起的视觉紊乱和其他不适。目前在超过1个月的太空飞行返回时，俄罗斯航天员穿着抗荷服已成为常规。这种航天抗荷服是一种具有弹性带的抗荷服，通过对小腿、大腿和腹部器官的软组织施加外部压力，限制重力负荷期间的血液流动，减少积存在下肢和腹部血管内的血量，可提高血压，增加头部血液供应，对抗立位耐力降低的发生。美国的航天飞机在发射和返回阶段中，有一个很重要的装备即可调节压力的抗荷服。在飞行器发射和着陆期间，所有的航天员均穿着抗荷服，在加速和减速时，它可以对腹部、臀部和小腿加压，加压约6. 895kPa。俄罗斯和美国的两种航天抗荷服的差别在于前者调节压力采用的是绳索拉紧式，后者调节压力采用的是充气式。

采用抗+Gx呼吸动作离心机实验表明，抗+Gx呼吸动作对防止+Gx作用时的呼吸困难和胸痛非常有效。其动作要领为：吸气时主动用力鼓腹，使膈肌下沉以阻止腹腔脏器因重力的挤压作用而上移，呼气时腹部保留一定的紧张度，膈肌轻微上移，如此反复，用胸廓的运动来维持有节律的呼吸。这些动作经过3—5次训练可以基本掌握，然后结合离心机超重耐力训练进行应用实践和巩固。

进行超重耐力选拔与训练这是对航天超重进行防护的最有效的方法之一，一直为俄罗斯（包括苏联）和我国所重视。考虑到载人航天飞行中，航天员同时承受+Gx和+Gz两个轴向的超重作用，加之超重耐力的个体差异较大，因此，必须进行+Gz和+Gx超重耐力选拔。航天员选出后，还要进行训练，以进一步提高和维持其对航天超重的耐受性和适应性。训练方法主要包括以下几种。
(1)体质训练通过适当的体质训练可提高人体心肺系统的快速代偿调节能力，增加交感神经的紧张度，增强呼吸肌耐力，从而非特异性地提高人体+Gx和+Gz耐力。
(2)低氧适应性训练据报道，人经过低氧适应后，+Gx耐力可提高(2.4±0.2)G。
(3)抗+Gx呼吸动作训练通过训练，使航天员掌握对抗超重的技术、技巧，并建立条件反射，以便在+Gx作用中能自如运用。
(4)离心机训练，经过离心机训练，人的+Gz耐力可提高2—2.5G，+Gx耐力可提高1.6—5. 8G。后者的训练效果可持续6个月。但是，不恰当的重复离心机训练也可能对机体带来不良的累积风险，应注意避免。1