登月返回再入人体卧姿和躺姿超重动态响应实验研究

肖艳华，刘炳坤，王健全，邓金辉，祝 郁，刘志刚，国耀宇，费锦学，马红磊

(中国航天员科研训练中心，北京100193)

1 引言

超重环境是航天员在执行任务中遇到的动力学环境，对乘员的安全和工效均具有重要影响。超重会导致人体头部血液供应不足，易引起黑视，甚至造成意识丧失等。人体对超重的耐受能力受多方面因素的影响，其中姿态对其有着直接的影响。人体的姿态主要由座椅背角、腿部的弯曲程度、心脏至眼睛的垂直距离等决定。其中坐姿指后背直立略有倾角，研究人员对背角从-13°～5°的加速度耐力进行了研究；仰卧姿态一般指后背与水平方向呈一定夹角。Ballinger等对背角呈不同角度(17°～35°)进行了人体加速度耐力实验研究，结果表明合理的人体背角有助于提升加速度耐受过载峰值，能延长耐受时间；俯卧姿态一般指趴着面对支撑系统，背角为-20°～20°，由于这种姿态对于人机工效影响较大，因此被应用的工况相对较少。 Clarke等研究了同一种体位、不同眼睛水平高度对加速度耐力的影响，发现眼睛水平位置高于膝盖和心脏时，相对持续耐受时间较长。

神舟飞船或联盟飞船的人体卧姿状态和阿波罗飞船的人体躺姿是2种典型的返回再入姿态。虽然这2种姿态均属于仰卧姿态，但是两者又存在较大区别。前者腿和脚部处于卷缩状态，大腿和腹部接触紧密，背部与水平面存在约20°的夹角，头部及肩部进一步抬高，与水平面的夹角约为30°；后者腿和脚部处于自然状态，小腿近似呈水平，且高于心脏位置，大腿处于垂直状态，后背及肩部近似呈水平，头部稍微抬高。躺姿状态的目的是使人体暴露在加速度环境中能够获得更多的舒适感，且腿部抬高有利于血液向心脏回流，从而提高人体对加速度的耐力。然而在这2种姿态下，航天员对加速度的耐力影响究竟存在多大差异，目前尚不清楚。

本文采用生物力学假人代替真人进行实验测试，探讨卧姿和躺姿2种典型姿态下，人体头部、胸部和臀部动力学响应的差异，从而为人体加速度耐力分析提供数据。本文不考虑飞船构型的升阻比、再入速度和最大过载的关系以及长期失重飞行对加速度耐力的影响。

2 方法

2.1 实验环境

载人探月飞船以接近第二宇宙速度返回再入，为了进行热防护管理，飞船以半弹道式再入方式返回。再入环境具有重复、长时、高过载的特点，本文以阿波罗10号过载曲线为基准(第一峰值加速度为6.67g，大于4g的持续时间为40 s；第二峰值加速度为4.50g，大于4g的持续时间为32 s)设计离心机参数。考虑到离心机的实际模拟情况，离心机的启动过载要求大于1.4g，为加严考核人体响应数值，将最大峰值提升至10.4g，其他加速度值成比例放大，离心机输出过载曲线如图1所示。该曲线具有明显的双峰值特征，第1峰值为10.40g，第二峰值为5.83g，总作用时间约为400 s。离心机模拟的飞船半弹道式返回再入过载曲线满足设计要求。

图1 离心机输出过载曲线Fig.1 Output overload curve of centrifuge

2.2 安装工况

实验采用五十百分位男性HybirdⅢ假人。假人头部由铝构成，由厚度不变的乙烯基外皮全部覆盖；颈部由3个用丁基合成橡胶弹性体的硬铝模拟椎骨元件组成，端部的铝板把颈部节段与头部和胸部联接在一起，再用一根钢索穿过颈部中心；胸部由6个金属肋骨组成，金属肋骨连接到一根焊接的钢脊柱上；腰椎由聚丙烯酸酯弹性体制成，有模拟与胸部和骨盆连接的端板。

实验模拟2种姿态:①姿态1为卧姿状态，在离心机座舱内安装类似联盟号飞船的座椅，座椅安装背角与座舱水平面夹角约为20°，座椅内放置缓冲坐垫，将HybirdⅢ假人以仰卧姿态放置在座椅内，收拢假人双脚，放置在脚蹬上，头部放置于头靠上，头靠角度略大于背角，然后再用四点式安全带固定假人胸部，膝盖和脚部分别用安全带固定(图2(a))。②姿态2为躺姿状态，座椅类似阿波罗飞船座椅，安装背角为0°，座椅缓冲垫材质同卧姿座椅，安全固定方式同卧姿状态(图2(b))。

2.3 测试状态

使用MSR165三向加速度记录仪记录人体加速度响应，分别安装在假人的头部质心、胸骨、臀部位置，最大量程为±15g，采样频率为800 Hz/CH。

图2 2种姿态假人离心机实验Fig.2 Centrifuge experiment of dummy in supine and lying position

3 结果

3.1 合成加速度响应比较

假人头部、胸骨、臀部部位测量加速度计为三向传感器，各部位3个方向加速度矢量合成为合加速度(图3、图4)。图中可以看出，卧姿状态和躺姿状态3个部位对离心机过载的合成加速度响应都具有较好的一致性，加速度响应峰值和作用时间均接近，其中头部和胸部响应略大，腰部略小。

3.2 分量加速度响应比较

卧姿和躺姿2种状态下，假人头部质心位置、胸骨、臀部部位加速度响应头盆向和胸背向分量具有较大差异。卧姿状态下，胸背向各部位加速度响应与输入较接近；但头盆向加速度响应差别较大，见图5、6。躺姿状态下胸背向头部、胸部、臀部加速度响应与卧姿状态相比，变化相对较明显，尤其是胸部；头盆向加速度响应差别更大，见图7、8，具体数据见表1。

表1 两种姿态假人加速度最大过载的比较Table 1 Com parison of response peaks of human dummy in two postures

4 讨论

4.1 人体动态响应的共性和差异性

同一再入方式和束缚情况下，卧姿和躺姿2种姿态人体响应为:从作用时间来讲，2种姿态的作用时间与输入载荷作用时间较为一致；从作用峰值和响应曲线特征来看，2种姿态假人的头部、胸部、臀部合加速度响应均与输入载荷基本一致。差异性主要表现在头盆向过载响应，卧姿情况下，头部具有较高的＋G分量，主要是因为卧姿座椅存在20°背角，加速度作用在人体，响应沿头盆向和胸背向分解，卧姿背角越大，分解的加速度＋G分量也较大。人体加速度耐力的相关研究表明:人体对胸背向的耐力高于头盆向。如果头部暴露在＋G环境下，容易引起血液向下半身转移，脑血流量减少，引起脑缺血、缺氧，严重可影响视觉，最终导致意识丧失(G-induced Loss of Consciousness，G-LOC)发生。因此，从提高人体对再入加速度耐力角度来看，躺姿状态更为有利。

4.2 载荷传递特征

同一载荷条件下，卧姿状态假人头部、胸部、臀部加速度响应既有胸背向也有头盆向分量，各部位胸背向响应峰值和持续时间与输入载荷接近。头盆向加速度峰值从头部、胸部到臀部依次降低，其中头部峰值最高。人体在不同轴向响应存在差异，这可能是与人体胸背向具有简单线性生物力学性质有关。而卧姿状态下，头盆向响应主要与座椅的安装背角有关，其中头部响应最大，除了与头部比胸部、臀部进一步抬高有关外，也和头部没有约束，自由灵活，活动范围大等因素有关。为了降低头部的加速度负面生理效应，卧姿状态下乘员头部应该适当加以约束。卧姿状态下的载荷传递表明，由于胸背向和头盆向的响应同时存在，因此卧姿状态下人体对再入加速度的耐受能力需要综合考虑胸背向和头盆向的响应峰值和总持续时间。

图3 卧姿头部、胸部、臀部合加速度响应曲线Fig.3 Acceleration response of head，chest and lumbar in supine position

图4 躺姿头部、胸部、臀部合加速度响应曲线Fig.4 Acceleration response of head，chest and lumbar in lying position

图5 卧姿头部、胸部、臀部胸背向加速度响应曲线Fig.5 G x acceleration response of head，chest and lumbar in supine position

图6 卧姿头部、胸部、臀部头盆向加速度响应曲线Fig.6 G z acceleration response of head，chest and lumbar in supine position

图7 躺姿头部、胸部、臀部胸背向加速度响应曲线Fig.7 G x acceleration response of head，chest and lumbar in lying position

图8 躺姿头部、胸部、臀部头盆向加速度响应曲线Fig.8 G z acceleration response of head，chest and lumbar in lying position

躺姿状态下，由于安装背角接近零，所以人体响应以胸背向为主，各部位头盆向加速度响应均较小，因此躺姿状态下，人体头盆向载荷的传递可以忽略不计。躺姿状态下，人体对再入加速度的耐受能力主要取决于胸背向过载峰值大小及总持续时间，人体生理耐限的终止指标是严重呼吸困难、持续性胸部疼痛或心律异常等，其主要原因是由于胸部受到压缩，使得心肺下沉牵拉并向下挤压膈肌所致。

5 结论

本文利用离心机模拟阿波罗10号登月返回再入过载波形，探讨了2种人体姿态对假人动态响应的影响。研究结果表明:

1)在相同过载作用下，卧姿和躺姿2种姿态的人体重要部位的合加速度响应与输入载荷基本一致，证明实验载荷传递及测试状态有效。

2)卧姿状态下，假人头部、胸部、臀部3个部位以胸背向加速度为主，头盆向加速度峰值从头部、胸部到臀部依次降低，其中头部峰值最高。

3)躺姿状态以胸背向响应为主，头盆向响应可以忽略不计。

本文研究提示躺姿对提高人体加速度的耐力是有利的，后续还需从仿真分析及动物实验等方面进一步研究验证。