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| 內容簡介： |
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《航天复合动力环境生物力学》阐述航天复合动力学环境的模拟技术和生物效应等，主要内容包括目前主要航天力学环境模拟研究的平台和方法、创新研究平台的设计、典型航天复合动力学环境因素生物效应研究、部分航天生物动力学物理防护技术等。
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目录前言第1章 绪论 11.1 引言 11.2 常用几种航天力学环境模拟平台 21.2.1 超重模拟设备 21.2.2 失重(低重力)模拟设备 41.2.3 冲击、振动模拟设备 111.2.4 前庭功能选拔训练设备 141.2.5 血液重新分布选拔训练设备 151.2.6 低压环境模拟设备 161.3 航天力学环境对人体的影响 171.3.1 超重环境对人体的影响 171.3.2 失重环境对人体的影响 181.3.3 振动和冲击对人体的影响 201.3.4 旋转对人体的影响 211.4 研究成果及发展展望 211.4.1 中长期失重对返回再入超重耐力的影响研究 221.4.2 中长期失重对冲击耐力的影响研究 231.4.3 发展展望 23参考文献 25第2章 复合动力学模拟 272.1 一种超重振动复合动力学模拟装置 272.1.1 技术背景 272.1.2 技术方案 282.1.3 实施方式 292.1.4 创新与优势 302.2 一种磁力交互复合动力学环境模拟试验装置 312.2.1 技术背景 312.2.2 技术方案 312.2.3 实施方式 332.2.4 创新与优势 352.3 一种弹射式瞬间角加速度冲击试验装置 352.3.1 技术背景 352.3.2 技术方案 362.3.3 实施方式 362.3.4 创新与优势 412.4 一种环形双螺旋轨道式超重力旋转环境模拟装置 422.4.1 技术背景 422.4.2 技术方案 422.4.3 实施方案 452.4.4 创新与优势 462.5 一种水下模拟变重力环境实验装置 462.5.1 技术背景 462.5.2 技术方案 462.5.3 实施方式 482.5.4 创新与优势 502.6 一种多功能复合型航空航天过载模拟系统 502.6.1 技术背景 502.6.2 技术方案 512.6.3 实施方式 542.6.4 创新与优势 55参考文献 57第3章 超重动力学生理效应及机理 583.1 假人超重动力学实验研究 583.1.1 研究背景 583.1.2 研究方法 593.1.3 结果 623.1.4 讨论 643.1.5 结论 653.2 返回再入乘员动力学响应的仿真研究 663.2.1 研究背景 663.2.2 研究方法 673.2.3 结果 703.2.4 讨论 713.2.5 结论 733.3 猕猴超重损伤研究 743.3.1 研究背景 743.3.2 研究方法 753.3.3 结果 773.3.4 讨论 803.3.5 结论 823.4 人体超重动力学研究 833.4.1 研究背景 833.4.2 研究方法 843.4.3 结果 873.4.4 讨论 933.4.5 结论 95参考文献 95第4章 复合动力学效应 1004.1 超重旋转复合暴露对家兔肺的损伤 1004.1.1 研究背景 1004.1.2 研究方法 1014.1.3 结果 1054.1.4 讨论 1084.1.5 结论 1094.2 低压超重复合暴露生物效应 1094.2.1 研究背景 1094.2.2 研究方法 1104.2.3 结果 1144.2.4 讨论 1194.2.5 结论 1204.3 两种动物超重损伤模型比对 1204.3.1 研究背景 1204.3.2 研究方法 1214.3.3 结果 1234.3.4 讨论 1264.3.5 结论 1274.4 模拟失重后猕猴松质骨动态力学性能变化的研究 1284.4.1 研究背景 1284.4.2 研究方法 1304.4.3 结果 1314.4.4 讨论 1354.4.5 结论 136参考文献 137第5章 生物动力学物理防护技术 1425.1 抗冲击护颈头盔系统 1425.1.1 技术背景 1425.1.2 技术方案 1445.1.3 实施方式 1465.1.4 创新与优势 1475.2 一种着陆冲击缓冲座椅 1485.2.1 技术背景 1485.2.2 技术方案 1495.2.3 实施方式 1515.2.4 创新与优势 1535.3 液压气刹缓冲器 1535.3.1 技术背景 1535.3.2 技术方案 1555.3.3 实施方式 1565.3.4 创新与优势 1585.4 缓冲气囊 1595.4.1 技术背景 1595.4.2 方案一：安全气囊式飞船缓冲吸能坐垫装置设计 1605.4.3 方案二：内外多层气囊着陆缓冲座椅 1625.4.4 方案三：上下叠加式双气囊着陆缓冲座椅 1655.5 梯度加压抗荷服 1685.5.1 技术背景 1685.5.2 技术方案 1695.5.3 实施方式 1705.5.4 创新与优势 1765.6 压力自适应性梯度变化的抗荷服 1775.6.1 技术背景 1775.6.2 技术方案 1785.6.3 实施方式 1805.6.4 创新与优势 1825.7 自调控式压力梯度抗荷服 1825.7.1 技术背景 1825.7.2 技术方案 1835.7.3 实施方式 1865.7.4 创新与优势 187参考文献 188后记 190
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第1章 绪论 1.1 引言 载人航天任务是人类探索宇宙的重要途径，它不仅体现了一个国家在航天科技领域的综合实力，也展现了人类探索未知、挑战极限的勇气。自20世纪60年代人类*次进入太空以来，载人航天技术经历了从起步到成熟的过程，但随之而来的是对航天员身体和心理极限的严峻考验。 在载人航天任务中，航天员要面对极端的复杂力学环境，如超重、冲击、振动、旋转等。这些环境因素对航天员的身体机能和心理状态都提出了极高的要求。特别是EDL(entry，descent and landing)过程，即航天器进入大气层、下降和着陆的阶段，被认为是整个任务中*危险和*具挑战性的环节。在这一过程中，航天员需要承受高达数倍于地球重力的过载，同时还要应对可能的旋转和冲击，这对航天员的身体造成了极大的压力。 为了确保航天员的安全和任务的成功，*先要对人体在不同航天环境下的生理效应、机制进行研究，在此基础上给工业设计部门提出合理科学的医学要求，制定相应的限值标准，并对各种载人飞行器的安全性进行鉴定和评价，还要针对性地提出各种安全有效的防护方案，研发和评估防护装备的有效性。以上这些效应、评价等研究的基础*先是对航天环境要有逼真的模拟，否则观察的效应就不确定，机制也就不清楚了，因此载人航天环境模拟技术显得尤为突出和重要，各种新技术也随着需求增加应运而生[1，2]。世界各航天大国都在持续地投入巨额资金，建造和改造大型载人航天环境模拟设备，完善和更新配套测试设备和仪器，加强模拟技术和方法的研究，为载人航天事业和航天医学工程学科的发展提供更加有力的支持和保障[3]。通过在地面上模拟太空中的各种环境条件，不仅可以有效地开展航天医学研究工作，还可以使航天员能够在类似的太空环境中进行训练和适应锻炼，而且科学家和工程师可以更好地了解航天员在太空环境中的生理和心理反应，从而设计出更加安全和有效的航天器和训练程序。 尽管世界各国在航天环境效应的地面模拟实验方面已经取得了一定的进展，但主要集中在单一因素环境模拟，在实际的航天任务中，航天员往往需要面对更为复杂的复合或叠加动力学环境[4]。例如，在载人航天器交会对接过程中，航天员可能会同时经历失重和旋转的影响；在起飞升空时，超重和振动的耦合作用可能会对航天员的身体造成更大的负担；返回舱开伞后可能出现摆动与旋转；返回舱着陆时出现冲击与旋转复合现象等；在应急返回时，航天员则需要应对超重与低压复合等更为复杂的动力学环境，这些环境对人体的威胁也更为严重。这些复合环境不仅增加了航天员面临的风险，也给现有的模拟技术和研究方法带来了新的挑战。为了应对这些挑战，需要开发出更加先进的复合动力学环境模拟平台——不仅可以为航天医学研究在复杂环境下的损伤机制和生理响应提供更加逼真的模拟环境，还有利于开发和测试新的防护装备和训练方法。例如，通过模拟超重和振动的耦合作用，可以设计出更加有效的减震座椅和安全带，以减少航天员在上升和着陆过程中受到的冲击过载。同时，通过模拟失重和旋转的耦合环境，可以开发出新的训练程序，帮助航天员更好地适应太空中的活动和定向。 总之，载人航天环境模拟技术，尤其复合动力学航天环境模拟技术的发展对于进一步提高航天员的安全性，优化航天器设计，以及推动航天医学学科发展具有重要意义。随着技术的不断进步和创新，我们有理由相信，未来的载人航天任务将会更加安全、高效，为人类探索宇宙的旅程提供更加坚实的基础。 1.2 常用几种航天力学环境模拟平台 本节介绍几种目前国内外航天机构在科研训练中常用的航天力学环境模拟平台和技术。 1.2.1 超重模拟设备 超重模拟设备是航天员训练及航天医学研究中常用技术装备之一[4]，它们使受试者能够在地球上直接体验载人航天飞行任务中遇到的超重力环境，并为航天加速度生理学研究提供物理条件。利用载人离心机对航天员进行超重训练和超重医学研究，不仅能增强航天员的生理和心理承受能力，还极大地完善、丰富了超重航天医学理论，因此已经在全球航空航天研究领域内得到了广泛的应用和认可。 载人离心机设备通常由三个主要部分组成：中央转台、转臂以及吊舱。当吊舱围绕中央转台进行高速旋转时，所产生的离心力能够创造出一个模拟的超重力环境，通过对吊舱内受试者的姿态和体位进行细致调整，可以模拟不同方向的超重力作用，从而实现更为全面的生理效应模拟。 不同形式、功能的大型载人离心机，已成为国际上航天员超重训练及超重航天医学研究的常用设备。其中，美国、英国、俄罗斯等航天技术强国，都装备有载人离心机。只是，为提供更为复杂和精确的超重模拟体验，有些国家的载人离心机采用了更为先进的两轴可控摆动吊舱，但其主要功能仍然都是实现对超重环境的模拟。这些设备在设计理念和结构上存在着很大的差异，其主要区别一般体现在最大过载值、过载的增长和下降速率性能指标上。 其中，中国航天员科研训练中心研发的98型载人离心机，便是大型载人离心机的杰出代表。其实物整体俯视图及吊舱侧视图如图1-1和图1-2所示。该98型载人离心机拥有8m的旋转半径，其吊舱设计为单轴被动阻尼摆动式，能够模拟高达16g的超重力过载。该设备在过载增长和下降方面表现出色，过载的最大增长率可达6g/s，最大下降率为2g/s，有效载荷承受能力约为165kg。除此之外，该中心为了研究生物损伤效应和机制，还研发了几款不同型号的动物离心机。这些离心机为我国航天员高强度超重训练及航天加速度生理学研究，提供了有力的物理条件保障。 图1-1 载人离心机整体俯视图 图1-2 载人离心机吊舱侧视图 总体而言，超重模拟设备在航天员训练、超重航天医学研究中具有不可替代的作用，这些超重模拟设备，不仅帮助航天员适应太空中的极端条件，还为航天医学研究提供了宝贵的实验平台。可以预见，随着科学技术的不断进步及对超重医学机理的不断深入探索，未来的超重模拟设备将与其他先进技术相结合，会更加精确、高效，所提供的超重环境和体验会更为逼真。 1.2.2 失重(低重力)模拟设备 1.失重飞机 失重飞机是一种特殊的飞行器，它通过执行特定的飞行轨迹模拟失重环境，为航天员失重训练和科学研究提供了宝贵的平台[5]。其中，抛物线飞行是实现这一目的的关键技术，依托精心设计的飞行轨迹，可创造出短暂的失重体验。 抛物线飞行轨迹及失重飞机G剖面图如图1-3和图1-4所示。其清晰地展示了抛物线飞行过程中G值的变化。飞机先达到一定高度后水平飞行，然后抬高机头接近45°加速进入爬升段，即推力上升阶段，飞机会产生大约1.8g的过载，模拟超重状态。飞行员减油门降低发动机推力并减小飞行仰角接近顶点，飞机飞过顶点，然后大角度俯冲进入下降段，逐渐出现失重现象，加速度可到0.05g，舱内飞行员开始进入飘浮、定向能力、航天服穿脱、进食饮水、仪器设备操作等体验性训练，失重时间为20～30s。 图1-3 抛物线飞行轨迹 图1-4 失重飞机G剖面图 在2004年之前，美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administraion，NASA)使用的是经过改装的KC-135空中加油机(图1-5)，利用该加油机进行了航天员的失重训练和相关科学实验。此后，NASA相继使用C-9失重飞机(图1-6)以及ZERO-G公司的波音727(图1-7)进行航天员的失重飞行训练。俄罗斯也改装过多种型号的失重飞机，其中伊尔-76(图1-8)至今仍在使用。 图1-5 KC-135 图1-6 C-9改装失重飞机的关键在于增加一系列辅助装置，以确保飞机的发动机燃油系统和润滑系统能够在失重或低重力环境下正常工作。此外，飞机内舱壁需要敷设防撞保护层，以保护乘员和设备在失重状态下的安全。 通过这些精心的设计和改装，失重飞机成为了航天员训练和微重力研究的重要工具。它们不仅帮助航天员在安全的环境中连续体验失重，还为科学家提供了一个*特的微重力科学实验平台，以探索在失重条件下物质的行为特性和生物生理过程的变化，而且失重飞机将继续在航天领域发挥其*特的作用。 图1-7 波音727 图1-8 伊尔-76 2.中性浮力模拟设备 中性浮力模拟设备是一种先进的训练工具，它为航天员训练提供了一个在地球上模拟失重环境的*特平台[6]。中国航天员科研训练中心于2007年建成模拟失重训练水槽，该模拟设备即为中性浮力模拟设备。它是一个直径达到23m，拥有10m有效水深的圆筒形结构设备，采用强度高且耐腐蚀的不锈钢材料制作而成。图1-9展示了我国模拟失重训练水槽及航天员水下训练场景。 图1-9 模拟失重训练水槽及水下训练场景 该设备的工作原理是基于水下浮力模拟技术，利用水中浮力与地球引力方向相反，平衡受试者自身的重力，获得失重体验。为了实现这种平衡，受试者身上或服装上会添加配重块，以达到与受试者自身重力相抵消的效果。但值得注意的是，这种配重块的添加位置对受试者的运动特性有着显著的影响。例如，如果所有配重块都集中在腰部，那么当受试者迈腿时，腿部的浮力会使浮心升高，这可能导致身体发生头后脚前的旋转。为了避免这种情况，通常采用分布式的配重方法，即在受试者的头部、胸部、背部以及四肢合理地添加配重块，以实现受试者水下运动的平衡和自然协调。 此外，水的黏滞性对受试者在水下的运动也有一定的影响。如果受试者在水下的运动速度过快，可能会产生明显的拖拽效应，这会影响运动效率。为了确保训练的安全性和有效性，一般建议将运动速度控制在0.6m/s以下。 通过这种模拟失重训练水槽，航天员可以在一个安全且可控的环境中，练习和掌握在失重状态下的移动、操作和执行任务的技能。这对于他们未来在太空中成功进行舱外活动(extravehicular activity，EVA)至关重要。同时，该设备还可用于验证航天器设计、出舱程序以及相关技术研究，为在太空出舱执行任务的成功提供了有力的技术支持和保障。 3.悬吊法模拟低重力设备 悬吊法模拟低重力环境是一种创新技术，它采用不同的悬吊方式，实现对低重力条件下人体运动和生理反应的模拟[7]。悬吊法模拟低重力环境的方法分为垂直悬吊法和倾斜悬吊法两种主要方式，每种方式都各自有着*特的应用和优势。 1)垂直悬吊法 其原理是通过向上的拉力，部分或全部抵消受试者的重力，从而减少受试者足底与接触面的接触力，甚至实现完全无接触力的状态，这种技术即被认为是垂直悬吊模拟技术。典型的垂直悬吊系统由四个部分组成：垂直拉力系统、架空移动系统、万向架结构，以及跑台支撑结构。该垂直悬吊系统经简化后，可能只包括垂直拉力系统和跑台支撑结构，以满足基本的模拟需求。
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