新型综合抗荷措施对快增长率模式高过载暴露防护效果的研究

加速度增长率是影响G耐力的重要因素之一，加速度增长率越高对机体的影响越严重，G耐力随着加速度增长率增高而降低[1-2]。当G增长率大于2 G/s时，人体可在没有视力障碍先兆的情况下直接发生意识丧失（G-induced loss of consciousness，G-LOC）[3]。为预防快增长率模式加速度暴露（rapid onset rate，ROR）导致飞行员发生G-LOC，美国空军研制了F-22飞机生命保障系统[4]。美、韩均要求F-15、F-16及F-22等战斗机飞行员使用抗荷装备及抗荷动作组成的综合抗荷措施通过6 G/s快增长率模式的载人离心机鉴定训练[5-6]。近年来，我国自行研制的高性能战斗机机动性能不断提升，与之配套的综合抗荷措施需要满足6 G/s ROR模式9 G持续15 s的防护需求。我国以往综合抗荷措施的最高要求为飞行员在3 G/s增长率时提供9 G持续15 s防护[7]。此外，我国还没有6 G/s ROR模式载人离心机训练的科目[8]。近年来，我国研制了与新一代高性能战斗机配套的囊式抗荷装备，并开始进行6 G/s ROR模式的人体生理试验研究[9]，由于该研究目的主要是评价显示头盔过载在过载环境下的稳定性，最大载荷只做到7 G 15 s。近期的研究表明，新研制的新型囊式抗荷装备防护效果为（2.55±0.11）G，受试者使用该装备不做抗荷动作时的G耐力最高达到6 G持续10 s[10]。本研究从防护性能及舒适性等方面对由该装备及HP抗荷动作组成的新型综合防护措施能否满足6 G/s ROR模式9 G持续15 s的防护需求进行了系统评价。

1 对象与方法

1.1 对象5名男性志愿者，年龄18～21岁，体质量62～69 kg，身高169～173 cm。受试者平时坚持体能训练，掌握HP抗荷动作要领，对试验内容清楚，志愿参加。

1.2 试验设备①载人离心机：受试者的加速度暴露在空军特色医学中心的AMST-HC-4E型载人离心机（AMST公司，奥地利）上进行。该机最大过载15 G，最大加速度增长率10 G/s。②新型综合抗荷措施：新型综合抗荷措施由新型囊式抗荷装备和HP抭荷动作组成。试验时受试者穿戴KH-x抗荷服、DB-x代偿背心、WTK-x飞行保护头盔及YM-x加压供氧面罩，配YNQ-x氧气浓缩器及YTX-x型椅装式供氧抗荷调节器，在+Gz加速度暴露时做HP抭荷动作。供氧抗荷调压器输出压力为：从（+1.75±0.25）Gz开始，按（10.0±1.3）kPa/G（75.0±10.0）mmHg/G压力制度递增，在最大过载为+9 Gz时的输出压力达到（72.5±2.6）kPa[（544.0±20.0）mmHg]，预充气压力为0.2～0.7 kPa（1.5～5.3 mmHg）。抗荷服囊覆盖面积约为脐以下体表面积的60%。抗荷正压呼吸（positive pressure breathing for G，PBG）压力制度为：从（+3.5±0.5）Gz开始，面罩余压以（1.6±0.7）kPa/G[（12.0±5.0）mmHg/G]压力制度递增，+9 Gz达到最大压力（8.8±0.7）kPa[（66±5）mmHg]，+9 Gz以上的抗荷正压呼吸压力同+9 Gz时的压力。

1.3 试验步骤

1.3.1 基础+Gz耐力测试 按照GJB 3293-1998《飞行员持续性正加速度耐力的检查方法和评定》[11]的方法检查受试者不使用抗荷装备，不做抗荷动作时的“基础”+Gz耐力。

1.3.2 新型综合抗荷措施的防护效果 受试者穿着好个体防护装备，在新型载人离心机上首先进行3 G/s增长率3 G 10 s的+Gz暴露作为热身，受试者仅做呼吸动作不需要肌肉紧张用力；然后进行6 G/s增长率5 G 10 s的+Gz暴露，此时受试者按照HP动作要领全身肌肉紧张用力同时做吸气0.5 s呼气2 s的呼吸动作，目的是熟悉抗荷动作并且充分调动身体为高G暴露作好准备；最后进行6 G/s ROR模式9 G 15 s的+Gz暴露。受试者在每次+Gz暴露之间休息2～3 min。以受试者出现周边视力丧失（peripheral light loss，PLL）既主诉周边灯消失作为判断到达G耐力终点的主要指标，以被检者的耳脉搏波幅度明显降低接近消失作为辅助指标。其他停机的指标包括：出现面色苍白、恶心、呕吐等，心率大于200 bpm，严重心律失常，发生意识丧失或出现技术故障等。

1.4 试验过程中记录和监测的指标记录被试者+Gz值、+Gz持续时间、抗荷服压力、面罩压力、心电图、耳脉搏、t1时间及t2时间。t1时间是指载荷达到供氧抗荷调节器设计起始工作点（1.5 G）至抗荷服内压力开始跃升的时间差，t2时间是指载荷达到预定G值与抗荷调压器输出压力达到相应压力制度范围下限的时间差。在9 G 15 s暴露结束后，用主观量表记录受试者的疲劳（表1）及对抗荷装备的主观感觉评分（表2）。

表1 体力感知度分级表（分）

表2 对抗荷装备的主观感觉评分（分）

1.5 统计学处理应用SPSS 18.0软件对数据进行统计分析，受试者的基础耐力、呼吸频率、体表压痛、对抗荷装备的主观感觉评分等数据以±s表示。对不同部位的压痛评分进行自身对照t检验，以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 抗荷装备的动态物理性能9G 15s暴露时，电子供氧抗荷调节器的t1时间、t2时间及t1+t2时间均小于1 s，输出压力为（74.6±0.6）kPa，每位受试者的压力值均在设定的范围内。由于受试者做抗荷动作，用力呼气时呼气相面罩压最大值（maximal mask pressure when exhaling，Pme）达到（10.6±0.2）kPa，吸气时吸气相面罩压最小值（minimal mask pressure when inspiring，Pmi）降低到（2.7±1.4 ）kPa（表3）。

2.2 受试者的加速度耐力受试者的基础耐力为（3.69±0.47）G，受试者2和4的基础耐力较低小于4.0G 10s。有3名受试者抗荷耐力达到9 G 15 s，受试者2达到9 G 10 s；受试者4耐力仅为9 G 5 s并发生了G-LOC。呼吸频率达到（44±6）次/min。完成试验后的体力感知度分级评分为（4.2±1.1）分。受试者2对2种装备的体力感知度分级评分为6，达到“明显感觉疲劳”的水平，其他受试者的评分为3～4分，疲劳程度在“适度”至“略感疲劳”之间。9 G 15 s暴露时只有受试者5的耳脉搏波幅正常，其他受试者的耳脉搏波幅均出现不同程度降低甚至消失（表4）。

2.3 对抗荷装备的主观评价3 G 10 s及5 G 10 s暴露时受试者颈、腰、臂、腹4个部位的压痛评分均为0分。9 G 15 s时，上述部位压痛评分平均值在轻度压痛以下水平，不同部位压痛评分差异无统计学意义（F=1.673，P=0.213）（表5）。达到明显压痛水平的评分分别为受试者2的颈（4.0分）、臂（4.0分）及受试者3的臂（6.0分），其他评分均在无压痛至轻度压痛水平。颈和臂分别有1名受试者压痛评分为0，腹部有3名受试者压痛评分为0，腰部压痛没有受试者评0分。受试者对抗荷装备的+Gz防护水平及总体舒适性评分分别为（8.0±1.0）分及（7.0±1.0）分，平均达到“良好”水平，但受试者2和3对总体舒适性的评分是6为“一般”。面罩压（5.0±0.7）分及抗荷服压力（6.0±0.0）分的评分在“适中”水平。呼吸用力评分（5.6±0.5）分达到了“轻度困难”。

表3 9 G 15 s暴露时抗荷装备的动态物理性能

表4 受试者的加速度耐力

3 讨论

传统的机械式抗荷装备压力控制方式通常是由抗荷调压器（简称抗调器）按照一定的压力制度为抗荷服充气，同时在载荷到达设定值时触发供氧调节器启动抗荷正压呼吸。随着战斗机飞行员抗荷防护需求的不断提高，抗荷装备充气的方式向着预充气大流量及电子抗荷-供氧一体化方向发展[4，12]。本研究采用的电子式YTX-x椅装式供氧抗荷调节器集成了这些先进技术，将抗调器与供氧调节器整合在一起，在提高装备防护性能的同时简化了安装与维护。

+Gz加速度增长率6 G/s时如采用标准抗调器为抗荷服充气，抗荷服压力建立的速率明显落后于+Gz增长率，飞行员在+Gz作用的初期得不到抗荷服的及时防护。研究表明，在6 G/s增长率时抗调器充气速度均值小于2 s才能保证受试者不出现视觉变化[13]。F-22战斗机的生保系统（life support system，LSS）也规定抗荷服的充气时间不大于2 s[14]。本研究用t1时间和t2时间分别表示供氧抗荷调节器的启动和抗荷服充气达设计压力值的速度。YTX-x椅装式供氧抗荷调节器在9 G 15 s 暴露时输出压力满足设计要求，t1时间、t2时间及t1+t2时间均小于1 s，表明供氧抗荷调节器反应敏捷，能够及时为抗荷服建立足够压力。进行PBG时所施加的呼吸道压力基本上是按1∶1传递给动脉系统[15]，因此当Pme达10.0 kPa时动脉压可同时升高约75 mmHg（1 kPa=7.5 mmHg）。根据直坐位的受试者心水平动脉压每升高22～25 mmHg可增加+Gz耐力约1 G推算[16]，PBG可提高+Gz耐力约3.4～3.0 G。虽然提高PBG压力可以增加抗荷效果，但过高的压力易产生呼吸疲劳、鼻咽部扩张、耳部压痛、面罩漏气等作用。本研究中PBG最大压力达（8.8±0.7）kPa在囊式抗荷装备中已属较高值，受试者对呼吸用力评分达到了“轻度困难”，面罩压的评分在“适中”水平，表明PBG压力在主观感觉上还可以接受。Pmi值变化范围较大，与不同受试者最大吸气量的个体差异有关。如果PBG時面罩内氧气流量不足，受试者做抗荷动作用力吸气时Pmi压力会降低甚至出现负值，受试者明显感觉“气不够用”，并且影响抗荷动作效果[17]。本研究的Pmi值虽然也降低但没有出现负值，面罩压的主观感觉评分在“适中”水平，表明氧气流量基本满足抗荷动作需求。

早期研究表明，基础耐力与高G耐力关系密切，基础耐力小于4.5 G者使用综合抗荷措施也不能耐受9 G[18]。但是，该研究中涉及的抗荷装备主要是标准抗荷服。本研究采用的新型抗荷装备为囊覆盖面积约为脐以下体表面积60%的扩大囊覆盖面积抗荷服（extened coverge anti-G suit，ECGS），大于我军现役ECGS的45%覆盖面积[7]，再加上较高的抗荷服充气速度及PBG压力制度，因此抗荷装备的防护效果显著提高，这可能是3名基础耐力只有4 G 10 s受试者的高G耐力能够达到 9 G 15 s的重要原因。9 G 15 s暴露时，该3名受试者均未出现PLL，耳脉搏波幅无显著变化，试验结束后，疲劳程度评分在“适度”至“略感疲劳”之间，表明新型抗荷装备在抗高过载时比较节省体力。受试者2和4的基础耐力过低，分别只有3.75 G 10 s及3.0 G 10 s，即使采用新型抗荷装备、做HP抗荷动作也没有完成9 G 15 s暴露，受试者4还发生了G-LOC。可能由于紧张的原因，受试者的呼吸频率均偏快达到（44±6）次/min，大于HP动作要求的24次/min[19]，容易疲劳并且影响抗荷动作效果。

飞行员佩戴飞行保护头盔进行高G暴露时容易出现颈部压痛甚至严重的损伤[20]WTK-x重量约1.9 kg在9 G时重量增加到约17 kg，再加上头部的重量颈部会承受很大负荷。受试者9 G暴露时颈部压痛评分平均值在轻度压痛以下水平，可能与受试者平时进行了颈肌力量训练提高了肌力有关，应注意的是有1名受试者达到明显压痛水平，提示头盔重量的问题仍不容忽视。本研究中受试者腰部压痛评分都在轻度压痛以下水平，可能是因为试验时扎了防护腰带并且离心机椅背经人体工程学设计有坐姿曲面为腰部提供了较好的支撑和防护。抗荷服腹囊充气时会挤压腹部导致压痛，本研究显示腹部的压痛较轻微，可能与腹囊设计了限制绳减少其膨胀体积有关。高载荷暴露时使用PBG由于静脉流体静压升高导致血管扩张会引起臂痛[21]，本研究中受试者臂部压痛显著，有2名受试者的评分达到明显压痛水平，这可能是该2名受试者对抗荷装备总体舒适性评分较低的原因之一。为减轻高G暴露导致的臂痛，将来装备改进时可考虑采用压力袖和压力手套[22]等防护措施。

综上所述，新型综合抗荷措施的抗荷装备采用了电子抗荷-供氧一体化、ECGS和高压力制度PBG等先进技术，物理和生理试验表明达到设计要求，具有较好的防护效果及舒适性；但部分受试者基础耐力低，做HP抗荷动作呼吸频率偏快等因素导致没有全部通过6 G/s ROR模式的9 G 15 s暴露。因此，为满足新一代高性能战斗机快增长率防护的需求，在发展装备的同时还要注重通过选拔和训练提高人的抗荷耐力，避免人的因素影响综合抗荷措施的防护效果。