航空航天生物动力学未来20年的进与退

马海林，李东韬，殷伯平，周华忠，张 舒

航空航天生物动力学是研究生物体在航空航天动力环境中生理机能变化规律及其防护措施的学科，是航空航天医学主要分支学科之一［1］。航空航天动力环境指的是飞行过程中速度和/或加速度骤变的动力环境。当动力环境变化太大，如飞机高速机动飞行、飞机发生碰撞、飞行员弹射离机或从高处坠落、航天员在微重力环境长期停留等，则可能产生有害影响，甚至造成伤害或死亡。所以，飞行活动过程中，与速度和/或加速度变化有关的各种动力环境因素，包括超重、失重和振动等，它们对机体的生理影响及防护措施研究，是航空航天生物动力学的主要研究内容。鉴于该学科在航空航天医学中的重要性，本文对航空航天生物动力学未来20年的发展做一展望，为更好地开展学科建设提供参考。

1 航空航天生物动力学的发展简况

航空航天生物动力学的研究奠基于19世纪末，是随着航空器的发展而逐步建立起来的。20世纪30～40年代，航空器的机动性能显著增强，随之带来的航空动力环境影响急剧突出，推动了生物动力学研究的第一个快速发展阶段，解决了当时军事飞行中跳伞、振动和加速度防护等任务的需求［2］。20世纪50～70年代，航空器进入了喷气发动机和超音速飞行时代，航天技术也日新月异，生物动力学进入了第二个快速发展阶段，在继续发展传统的超重和振动等生物动力学因素研究的基础上，也推动了短期航天飞行中失重的影响及其防护研究。20世纪70年代末至今，航空器的发展进入了四代机的时代，航天器进入了空间站长期载人飞行的时代，生物动力学进入了第三个快速发展阶段，这期间超重和长期失重的研究随工作任务性质的不同均有了极大的发展［3］。在航空领域，四代机能进行超音速巡航，具有极强的机动性能，能够产生12个+Gz的飞行加速度，超过了人类可以耐受的生理负荷限度［4］;在航天领域，火星探索和月球基地等任务，使得人类也面临更长期失重的影响，这些任务对航空航天生物动力学的研究提出了新的挑战。

2 航空航天生物动力学未来20年的进与退

回顾学科80年的发展，回溯更长至130年来的研究之路，可以看出，学科的研究与发展是社会进步的需求所推动的，是航空器和航天器的技术进步所引领的，可以预见，未来战机将走向“无人化”和自动化，而人类进军太空的脚步将不会停止，太空旅行和太空移民将成为常态和可能，因此，航空航天生物动力学的发展在航空界和航天界将出现本质的变化，出现航空医学的需求“退”，将更加侧重于航天医学研究的“进”，表现出“智能防护、空天合一、优化特色、微观突破、回归重力”的发展特点。

2.1 智能防护 航空生物动力学经过近一个世纪的发展，传统的加速度超重和弹射救生过载研究，已经走到了瓶颈阶段。现有的综合防护措施和双零弹射座椅已经基本满足了最新型四代战机的装备需求。化工材料、纺织技术、微电子控制、信息工程和生物医学等高技术群体的整合为进一步提升综合抗荷能力奠定了基础［5］。在抗荷装备发展方面，将研发抗荷、供氧、抗浸、代偿、通风、液冷、隔噪、防火、防化、防核一体化飞行员防护系统，并按人体生理的反应和需求提供相应的被动防护策略，减少飞行员主动防护动作，提升飞行员充分发挥三代机和四代机机动飞行性能的能力;在弹射救生装备发展方面，将开发第四代智能型弹射座椅［6］。该类座椅可根据飞机飞行状态自动选择弹射模式，通过微电子信号控制火箭发动机的功率和作用时间，利用微控喷射技术自动调整座椅的飞行姿态，保障在更大飞行空间和飞行速度弹射时的安全稳定性。总体而言，新型防护装备均将具备智能防护的特点，减少飞行员主动防护的操作，综合提高新型战机的作战效能。

2.2 空天合一 四代战机已经在飞行机动性能上达到或超过了人类生理负荷耐受的极限。美国为了保持空中优势，五代战机的研发也已经开始［7］。按美军装备司令部的规划要求，在2030年美军的第五代战机将形成战斗力。特别值得强调的是，美军首次提出了无人驾驶战斗机的设计需求。这表明，在追求机动性能上，有人驾驶已经不能满足作战任务的需求，而只能通过更加先进和整合的科技能力以保障无人战机控制天空的能力。更为重要的是，美军已经研发并完成了无人驾驶空天飞机“X-37B”长达15个月的轨道飞行试验，标志着美国无人空天飞机的验证取得了新的进展。在无人驾驶空天飞机研究中，各国也不甘落后，俄罗斯的“针”空天飞机已公开亮相，德国提出了“桑格尔”方案，英国提出了“霍托尔”方案，我国在此方面的预研也早已展开。因此，未来的航空航天生物动力学将可能在百岁之日开始退出航空医学领域的历史舞台，此时的航空航天生物动力学将体现为空天合一，重点为载人航天的医学研究服务。

2.3 优化特色 国际航天医学工作者十分关注中国传统医学的最新进展，俄罗斯、欧洲都曾尝试将中医药运用于失重防护研究，比利时政府则优先资助航天医学专家开展中医药研究［8］。中医在疾病的诊治中注重整体观念，讲究整个身体的协调统一。同时也注重辨证论治，讲究个体的特异性，具体问题具体分析。我国航天医学工作者在祖国传统医学的应用研究方面早已起步，他们开展了系列的试验技术研究项目，如“中医药防治模拟失重状态骨丢失研究”、“载人航天不同时相中医辨治研究”和“中医药对中长期飞行生理适应影响研究”等［9］。研究表明，应用中医药可缓解多种由航天飞行所引起的症状，而且效果显著。在2011年完成的国际“火星-500”项目中，我国还开展了通过中医望、闻、问、切来进行诊断的“中医四诊仪”实验研究，有望建立计算机辅助的自动中医诊断仪［10］。这些初步的研究更清楚地表明，发挥传统医学的优势，优化失重的特色防护方案，具有广阔的应用和发展空间。

2.4 微观突破 在失重效应的防护研究方面，当前已开发和使用的所有防护手段，还未能有效解决登陆火星或月球基地居住等更长期航天环境停留对人体造成的不良影响。美、俄在经历了50余年的载人航天医学研究后，认为必须在基于对失重导致的医学问题的细胞、分子变化本质认识的基础上，才能发展针对性强的有效对抗防护措施［8，11］。NASA在其21世纪航天发展战略中，将细胞的生物学研究列为首要重点发展目标，并提出从细胞到实施医学的概念，引发了生物动力学研究的新趋势，即失重的生物学效应及其响应机制的研究。例如，在骨骼研究中，本课题组从模拟失重条件下成骨细胞的形态、增殖、分化、细胞周期、基因变化、microRNA的功能调控等多方面开展了研究，证实了失重对成骨细胞的直接性影响，丰富了失重性骨质丢失机制的研究成果［12-15］。生物动力学的微观研究将为确定空间探索中不可回避的失重暴露风险的影响机制，解决失重环境的防护问题做出新的贡献。

2.5 回归重力 失重环境改变了人体数百万年演化形成的对1G重力的适应机制，在航天环境中重建1 G重力环境，也许可以从根本上解决失重环境带来的问题［16］。人为重建的重力环境，又称为人工重力。使用短臂人体离心机提供重力加速度刺激是较为实用的方案。但是，短臂离心机锻炼方式的研究还没有解决下列问题，即使用短臂离心机对抗失重环境的影响，需要对航天员提供多大、多长和多少次的重力刺激，才能维持航天员近似地面重力环境时的正常生理功能状态。研究证实，心血管系统、肌肉系统和骨骼系统对重力刺激的反应性有着较为明显的区别，还需要开发人工重力和体育锻炼相结合的防护模式，提供更好的防护效果［17-18］。

3 结语

未来20年，航空航天生物动力学将出现在航空领域“退”、航天领域“进”的发展状态。生物动力学在航空医学研究中形成的加速度、振动和噪声等基础及应用研究成果，仍将在航天领域中大放异彩。

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