飞行员力量训练与评估方法研究

徐 艳， 谭清坡， 杨景慧， 李宝辉， 孟 男， 高 峰， 王海霞，李毅峰， 耿喜臣∗

（1.空军军医大学空军特色医学中心， 北京 100142； 2.解放军 95809 部队医院，沧州 061000；3.解放军 94565 部队，蚌埠 233000）

1 引言

高性能战斗机飞行员在飞行训练中的高速机动和连续战术动作使得空中载荷经常达到8 ～9 G，最致命的威胁是加速度引起的意识丧失（G⁃induced Loss of Consciousness，G⁃LOC）［1⁃2］。 Lyons等［3］指出美军在1982 年至2002 年间共发生559起G⁃LOC 事件，G⁃LOC 致死共20 例。 F－15 飞行员常在第2 次攻击中发生G⁃LOC，而F－16 飞行员则大多数在第3 次攻击中发生［2］，暴露出飞行员体能不足、飞行疲劳等问题。 空战中，飞行员在做防御性机动动作时需要转头转体，叠加不良坐姿、高载荷以及头盔、面罩、夜视装备负荷等因素的综合作用，很容易导致颈腰部损伤，颈腰伤病发生率高，已经成为造成飞行员永久停飞的第二大疾病［4］。

提升飞行员的空战表现首要条件是飞行员需具备优良的空战体能。 飞行员体能有别于健身大众或竞技运动员，围绕现代高性能战斗机作训需求，如反复冲击的高过载、贯穿全程的激烈对抗等自由对抗特点及其对人体的影响，高性能战斗机飞行员必须具备良好的对抗持续高载荷、预防颈腰部损伤以及抗疲劳的能力。 高性能战斗机飞行员的体能训练已经得到许多国家的重视，强调良好的全身肌肉力量与肌肉耐力，是高载荷飞行人员能力的重要支撑［5］，举重、类举重等无氧训练能够增强抗荷能力，而过度有氧训练会损害抗荷耐力［6⁃7］，此外，还应注意加强颈部力量训练［8］。增强飞行员G 耐力的体能训练方案是美国空军针对高性能战斗机飞行员的特殊要求研究制定的训练方案，通过科学指导飞行员开展肌肉力量、力量耐力训练，以增强G 耐力，确保飞行员在空战格斗中处于优势地位，并强调了核心力量训练对抗荷动作的重要性［9］。

本文针对飞行员的空战需求，提出了飞行员空战体能力量训练方案，通过训练前后肌肉力量与力量耐力的评估以及离心机模拟空战试验，对空战体能训练方案的效果进行评价，观察志愿者力量以及模拟空战能力的变化，从而达到防G⁃LOC、防颈腰损伤、抗疲劳的目的，并为修改完善飞行员体能训练与考核大纲提供依据。

2 方法

2.1 志愿者

健康男性志愿者16 名，年龄（21.13±1.67）岁，高169～173 cm，体重58 ～71 kg，经过理论与实操培训，熟练掌握了体能训练动作模式与方法，并掌握正确的HP 动作要领［10］，志愿者对实验内容知情同意。

2.2 实验设备

体能训练在空军特色医学中心空天体能实验室进行，训练设备与器材包括深蹲架、卧推架、坐姿下拉训练器、龙门架、罗马椅、斜板、颈部屈伸训练器、颈部旋转训练器、屈腹训练器、背肌训练器、腰部侧屈训练器、转体训练器、坐蹬训练器、坐姿推举训练器、坐姿划船训练器、呼吸肌训练器、杠铃、哑铃、弹力带、沙袋等训练器材。

离心机使用空军特色医学中心AMST⁃HC－4E 型载人离心机（AMST 技术公司，奥地利），主臂长8.0 m，可产生三轴向加速度。 飞行员抗荷能力评估训练器为空军特色医学中心研制，能够进行HP 动作水平检测、下肢蹬力检测以及颈部、腰背部力量检测；呼吸肌训练器为空军特色医学中心研制，共有10 个阻力孔，1 号至10 号孔径依次增大，通过调节至不同的孔径，可进行不同阻力的呼吸训练；采用膜盒式压力表和真空表测定呼吸压力与呼吸肌耐力。

2.3 力量训练方案

飞行员体能力量训练方案为针对臀腿、腰腹、胸背、肩颈部肌群与呼吸肌的训练方法与手段，训练方案分为A、B 两部分，在不同训练日（周一至周五）交替进行。 A 训练方案的训练动作包括杠铃深蹲、杠铃卧推、屈腿硬拉、高位下拉、颈部左／右后上旋转、腰背部左／右后上旋转、山羊挺身、卷腹、哑铃弯举和坐姿夹／扩胸。 其中，杠铃深蹲、杠铃卧推、屈腿硬拉按次序最先实施；B 训练方案的训练动作包括颈部前屈、颈部后伸、颈部左／右侧屈、颈部左／右水平旋转、屈腹、腰背部后伸、腰腹部左／右侧屈、腰腹左／右水平旋转、坐蹬、肩部推举、划船和呼吸肌训练。

呼吸肌训练器采用1、3、5、7 号孔提供阻力，阻力值约为最大呼吸压的60%～90%，每个孔位完成15～20 次的HP 动作呼吸训练。 力量训练负荷量为渐进式，采用最大力量的65%～80%，每个动作至少完成3 组，每组重复12 ～15 次，组间休息时间为2～3 min。 所有动作均结合HP 动作［10］的呼吸方式进行训练，训练周期为12 周。

2.4 力量评估方案

飞行员体能力量评估方案包括等张运动与等长运动肌肉力量测试。 等张运动测试包括杠铃深蹲（10 RM＋3 RM）、杠铃卧推（10 RM＋3 RM）、屈腿硬拉（10 RM＋3 RM）、斜板卷腹次数（斜板上部与地面夹角20°、双足各绑1.5 kg 沙袋）；等长运动测试包括八级腹桥、斜板抬腿持续时间（斜板上部与地面夹角20°、双足各绑1.5 kg 沙袋、双腿保持与地面平行）、颈部前屈、颈部后伸、颈部左／右侧屈、颈部左／右水平旋转、颈部左／右后上旋转、腰背部前屈、腰背部后伸、腰腹部左／右侧屈、腰腹部左／右水平旋转、腰腹部左／右后上旋转。其中，颈腰背部等长运动测试持续时间为10 s。

在按照空战体能力量训练方案实施训练前与训练后，志愿者均按照该力量评估方案进行测试。

2.5 模拟空战能力评估方案

2.5.1 模拟空战下肢蹬力曲线测试

在飞行员抗荷能力评估训练器上设计模拟连续空战下肢蹬力曲线，双下肢蹬力曲线如图1 所示。由120 kg 保持30 s、240 kg 保持30 s、160 kg 保持30 s、280 kg 保持30 s 组成，间歇为20 kg 保持10 s。

图1 模拟空战下肢蹬力曲线Fig.1 Legs force profile in simulated aerial combat

志愿者首先进行双下肢最大蹬力测试，休息3～5 min 后进行蹬力曲线测试。 通过调整双下肢发力程度，使得志愿者蹬力水平与蹬力曲线一致，循环蹬力曲线直至力竭或蹬力达不到设定水平。

2.5.2 离心机模拟空战能力测试

编制3 级水平模拟连续空战离心机加速度曲线。 6 G 曲线为＋3.0 Gz， 10 s→＋1.5 Gz， 15 s→＋6.0 Gz， 10 s→＋1.5 Gz， 15 s→＋4.0 Gz， 10 s；8 G 曲线为＋4.0 Gz， 10 s→＋1.5 Gz， 15 s→＋8.0 Gz，10 s→＋1.5 Gz，15 s→＋5.0 Gz，10 s；9 G曲线为＋5.0 Gz， 10 s→＋1.5 Gz， 15 s→＋9.0 Gz，10 s→＋1.5 Gz， 15 s→＋6.0 Gz， 10 s。 如图2 所示，加速度的增长率设定为3 G／s，加速度的下降率设定为1 G／s。 曲线编制完成后，在座舱内无志愿者的情况下对编制的加速度曲线进行试运行。

图2 模拟空战离心机加速度曲线Fig.2 Centrifuge acceleration profile of simulated aerial combat

志愿者穿着KH⁃X 抗荷服、采用抗荷正压呼吸（Pressure Breathing for G，PBG）并做HP 动作，首先进行3 G， 10 s 的离心机暴露热身，然后进行模拟连续空战离心机暴露，直至耐力终点。 耐力终点的指标为100%周边灯光消失，或50%中央灯光模糊，或疲劳不能坚持以及监测指标达到停机指征。 训练过程记录的参数包括加速度值及持续时间、耳脉搏、心电图、抗荷服压、面罩压等，其中，耳脉搏是用于监测头水平血压，耳脉搏变平或出现严重心律失常为停机指征之一。

2.5.3 模拟空战呼吸肌力量与耐力测试

设计模拟连续空战呼吸曲线如图3 所示。 由12 kPa 保持30 s、18 kPa 保持30 s、16 kPa 保持30 s、20 kPa 保持30 s 组成，间歇为10 s 的正常呼吸。

图3 模拟空战呼吸曲线Fig.3 Respiration profile in simulated aerial combat

志愿者首先进行最大呼气压与最大吸气压测试，休息3～5 min 后进行呼吸肌曲线测试，对呼吸肌耐力进行评估。 志愿者采用HP 动作呼吸方式，调整呼气程度，使得自己呼气压力水平与呼吸曲线一致，循环呼吸曲线直至力竭或压力达不到设定值。

2.6 研究指标及统计分析

本文对G 耐量、蹬力耐量、呼吸耐量进行定义：G 耐量为志愿者所完成的所有加速度曲线的G 值×时间之和（单位G·s）；蹬力耐量为蹬力曲线的蹬力值×时间之和（单位kg·s）；呼吸耐量为呼吸曲线的呼气压力值× 时间之和（单位kPa·s）。 志愿者的G 耐量、蹬力耐量、呼吸耐量以及各项力量、次数、时间测试指标均以平均值±标准差（ˉx±s）表示。

采用SPSS 10.0 统计软件进行配对t检验，P＜0.05 认为差异具有统计学意义。

3 结果

3.1 力量指标的变化

图4 为训练前后杠铃深蹲、硬拉和卧推力量的变化对比。 由图4 可知，与训练前相比，训练后杠铃深蹲、硬拉和卧推力量均显著提高（P＜0.001），深蹲的10 RM、3 RM 力量分别增长了114.90%、114.87%；硬拉的10 RM、3 RM 力量分别增长了108.09%、103.78%；卧推的10 RM、3 RM 力量分别增长了70.45%、74.96%。

图4 训练前后杠铃深蹲、硬拉和卧推力量的变化Fig.4 Changes in the weight of barbell squat， dead lift， and bench press before and after training

图5 为训练前后颈部力量的变化对比。 由图5 可知，颈部8 个方向力量均显著提高（P＜0.001）。 其中，前屈力量增长幅度最大，增幅为245.05%，后伸力量增长97.57%，左／右水平旋转力量分别增长126.14%、126.50%，左／右后上旋转力量分别增长126.50%、133.19%，左／右侧屈力量分别增长183.68%、203.84%。

图5 训练前后颈部力量的变化Fig.5 Changes of neck strength before and after training

图6 为训练前后腰背部力量的变化对比。 腰部8 个方向力量均显著提高（P＜0.001）。 其中，侧屈与前屈力量的增长幅度最大，前屈力量增长223.19%，后伸力量增长125.69%，左／右水平旋转力量分别增长138.28%、140.49%，左／右后上旋转力量分别增长155.84%、145.21%，左／右侧屈力量分别增长220.71%、233.47%。

图6 训练前后腰背部力量的变化Fig.6 Changes of lumbodorsal strength before and after training

表1 为训练前后腹肌耐力的变化比较。 由表1 可以看出，腹肌力量均显著提高（P＜0.001），斜板卷腹抬腿次数增加了111.17%、卷腹抬腿持续时间延长了114.76%，八级腹桥时间延长了151.64%。

表1 训练前后腹肌耐力的变化（± s，n＝16）Table 1 Changes of average abdominal endurance before and after training （ˉx ± s，n＝16）

表1 训练前后腹肌耐力的变化（± s，n＝16）Table 1 Changes of average abdominal endurance before and after training （ˉx ± s，n＝16）

指标 训练前 训练后 变化／% t P卷腹抬腿次数 23.44±4.88 49.50±9.10 111.17 9.270 ＜0.001卷腹抬腿持续时间／s 42.81±6.64 91.94±23.48 114.76 8.296 ＜0.001八级腹桥／s 180.94±42.21 455.31±170.35 151.64 7.330 ＜0.001

3.2 模拟空战下肢蹬力的变化

训练前后下肢蹬力指标变化如表2 所示。 与训练前相比，下肢蹬力指标均显著增长（P＜0.001）。 训练后左、右腿的最大蹬力分别增长了59.99%、62.49%，单腿力量最大可达到380 kg，蹬力曲线时间延长了5 倍多，蹬力耐量增加了近4 倍。

表2 训练前后双下肢蹬力的变化（±s，n＝16）Table 2 Changes of legs strength before and after training（±s，n＝16）

表2 训练前后双下肢蹬力的变化（±s，n＝16）Table 2 Changes of legs strength before and after training（±s，n＝16）

指标 训练前 训练后 变化／% t P左腿最大蹬力／kg 212.63±81.10 340.19±49.95 59.99 8.209 ＜0.001右腿最大蹬力／kg 207.44±72.24 337.06±46.23 62.49 7.002 ＜0.001蹬力曲线时间／s 191.25±112.47 1177.50±663.88 515.69 6.398 ＜0.001蹬力耐量／（kg·s） 29 207.50±18 573.45 144 975.00±116 644.18 396.36 4.349 ＜0.001

3.3 离心机模拟空战能力的变化

力量训练前16 名志愿者完成了6 G 空战曲线，均出现周边灯光消失、中央灯光变暗或耳脉搏拉平等停机指征；力量训练后，10 名志愿者完成了8 G 空战曲线，其中1 人主诉周边灯变暗，3 人主诉中央灯变暗；6 名志愿者完成了9 G 空战曲线，其中5 人主诉9 G 时周边灯变暗，均在9 G 暴露的最后2～3 s 时发生。

3.4 模拟空战呼吸肌力量与耐力的变化

训练前后呼吸肌力量与耐力的变化如表3 所示。 与训练前相比，训练后最大呼气与最大吸气压力分别增加了28.94%（P＜0.001）、32.37%（P＝0.02）；呼吸曲线时间延长了317.69%、呼吸肌耐量增加了324.10%（P＜0.001）。

表3 训练前后呼吸肌力量与耐力的变化（±s，n＝16）Table 3 Changes of respiratory muscle strength and endurance before and after training （±s，n＝16）

表3 训练前后呼吸肌力量与耐力的变化（±s，n＝16）Table 3 Changes of respiratory muscle strength and endurance before and after training （±s，n＝16）

指标 训练前 训练后 变化／% t P最大呼气压力／kPa 21.18±3.39 27.31±3.55 28.94 4.447 ＜0.001最大吸气压力／kPa 11.43±2.99 15.13±2.76 32.37 3.625 0.002呼吸曲线时间／s 149.56±71.58 624.69±305.71 317.69 5.666 ＜0.001呼吸耐量／（kPa·s） 1831.25±877.84 7766.25±3906.35 324.10 5.603 ＜0.001

4 讨论

4.1 耦合飞行员空战需求的力量训练方案

抗荷动作（Anti⁃G Straining Maneuver，AGSM）是飞行员重要的自身抗荷措施［5，10］，肌肉力量与力量耐力是其抗荷效果的物质基础。 飞行员采用的HP 动作要求吸气时腿、腹部肌肉持续用力，呼气时腹、胸部肌肉持续紧张用力［10］。 为保证与提升HP 动作效果，应将动作时主要用力肌群及呼吸肌进行全面训练。 本文依据“四池四泵”理论设计了空战体能力量训练方案［11⁃12］，以有效对抗空战中反复的、长时间的高载荷作用。 战斗机飞行员的空战体能力量训练目标是塑造强健的“肌肉泵”，全面增强肌肉力量、爆发力与耐力。 强健的“腿泵”和“腹泵”可以减轻或防止血液向下半身转移和淤积，有利于静脉血回流，同时提高其动脉外周阻力，有力的“胸泵”与“颈泵”作用可升高胸腔压力，通过压力的传递作用，使心脏水平动脉血压升高，保证头部供血，提高抗荷耐力［11］。

训练方案采用了深蹲、卧推与硬拉打造整体力量最佳的三大王牌动作，它们是使用多关节的复合动作，调动大量肌肉协同工作，是有效力量训练的基础。 不但增肌效率高，还能够增强颈、腰、膝关节的稳定性，预防颈腰膝损伤。 美军报告中指出，高强度力量训练能够增强对抗高G 能力及耐力，且疲劳程度较低，其G 耐力提升体能训练方案重视下肢与核心力量，并加入了颈部力量训练［5］。

本文所有的体能训练动作均结合HP 动作的呼吸方式进行，将HP 呼吸动作融入训练更有利于形成与保持自然的AGSM，这有利于提高飞行员对AGSM 和正压呼吸的适应能力，提升HP 动作的抗荷效能。 另一方面，当身体带动负荷开始动作训练时，HP 呼吸方式是核心肌群紧缩状态下的用力呼气［10］，这有利于保持核心稳定、保证动作质量，比如在深蹲蹲下的过程中，收紧核心的用力呼气有助于保持躯干的刚度和脊柱中立位，防止发生训练伤。

本文结果表明，采用空战体能力量训练方案进行了12 周的力量训练后，志愿者的臀腿、腰腹、胸背、肩颈部肌肉力量与力量耐力均有显著增长，其中深蹲、硬拉以及颈腰部力量指标增长翻倍，充分验证了该力量训练方案的有效性。 在前期调研中发现，有些飞行员对体能训练，尤其是力量训练的重要性认识不够，比较注重有氧训练和上肢力量训练，而缺乏针对下肢力量、颈腰腹旋转抗阻力量及其稳定性的训练，不能够满足飞行训练需求。因此，本文将杠铃深蹲、卧推、硬拉与颈腰部各方向训练纳入飞行员力量训练方案具有重要意义和实用价值。

4.2 飞行员颈腰部训练重要性

空战中，在进行基本战术动作时，飞行员经常需要向侧后方或后上方转头、转体，身体在较大载荷作用下，颈部和腰部更加容易失稳而前倾，造成颈腰部损伤［13］，颈腰椎相关疾病成为导致永久停飞的重要原因［4，14］。 英美也将颈腰部力量训练纳入飞行员体能训练方案［5⁃6］，英国空军体能训练方案的颈部训练是在保持颈部中立位的条件下进行抗阻等长收缩训练［6］。 本文训练方案中针对颈部和腰腹部力量的训练不但采用了常规的训练动作，如颈腰部的前屈、后伸、侧屈等，还创新提出了与实战动作发力方向相同的颈部和腰腹部的后上旋转动作，作训耦合度更高，具有更强的针对性。通过训练，颈腰部肌群单侧、双侧及不同组合收缩，为屈伸、侧屈、旋转及联合运动提供动力，同时通过协同收缩，也为颈腰椎静态和动态提供了动力。

本文结果显示，腰腹部力量的增长普遍高于颈部力量的增长。 对于飞行员而言，头盔重量、高载荷作用以及空战时的转头动作等因素及其叠加作用，更易导致颈部损伤［15］，因此飞行员更需要加强颈部力量与力量耐力的训练，力量训练动作设计中不但要包括屈伸动作，还要强化旋转动作，使得训练动作贴近实际需求。

4.3 不可忽略的飞行员呼吸肌训练

在＋Gz作用下，呼吸肌既要对抗惯性力的牵拉作用，又要推动重量增加数倍的胸廓，并且为提高抗荷耐力，还需要做AGSM 并进行PBG，都需要呼吸肌进行强有力的收缩。 此外，由于PBG 改变了正常呼吸习惯，变为吸气被动呼气主动，必须用力呼气，明显加重了呼吸肌的负担，容易引起呼吸肌疲劳，因此飞行员进行专门的呼吸肌训练非常必要。

采用根据AGSM 呼吸特点制定的呼吸肌训练方法进行训练后，可明显提升呼吸肌力量与耐力，并且有助于提升＋Gz耐力［16］。 呼吸肌力量的增强，使得在＋Gz作用时做AGSM 的胸内压增加得更高，有助于血压升得更高。 呼吸肌耐力的增强还可延缓呼吸肌疲劳的出现，从而增加＋Gz耐受时间［16］。 本文训练方案设计了针对HP 动作的呼吸肌训练，结果表明，呼吸肌力量与耐力均得到了显著提升，并空战体能训练方案的所有训练动作均结合HP 动作的呼吸方式进行训练，对呼吸肌力量的增长也发挥了重要作用。

4.4 体现连续实战能力的评估方案

连续空战反复高载荷暴露，飞行员除须必备强大的肌肉爆发力外，还要具备良好的肌肉耐力才能保证长时间维持AGSM 并进行PBG，才能保证长时间反复空战能力的提升，保证战斗力。 因此，肌肉的抗疲劳能力也尤为重要。 本文不但设计了体能力量评估方案，还根据连续空战载荷特点，设计了离心机模拟空战加速度曲线以及模拟空战的下肢蹬力曲线和呼吸曲线，在没有载人离心机的情况下，也可实现对飞行员的连续空战能力进行有效评估。

Khomedko 等［17］研究发现，下肢肌肉紧张时的心血管反应与＋Gz耐力存在高度相关性。 将飞行员的下肢蹬力分为优秀（280 kgf 保持30 s）、良好（不低于240 kgf 保持15 s）、合格（超过160 kgf保持30 s）和不合格（低于160 kgf 保持30 s）4 个级别，下肢蹬力成绩优秀的飞行员＋Gz耐力一般大于8 G。 参考Khomedko 的研究成果，本文设计的下肢蹬力曲线120 kgf、240 kgf、160 kgf、280 kgf蹬力水平分别是对抗4 G、7 G、5 G、8 G 时所需力度。 根据载荷与呼气压力的关系［18］，并考虑在地面与载荷作用时的差异，在地面的呼气压力至少是在有载荷情况下的2 倍，因此本文研究呼吸曲线中20 kPa 的最高呼气压力水平是对抗8 G 以上载荷时所需力度。 本文提出的下肢蹬力曲线结合呼吸曲线成为评估飞行员连续空战能力的有效而简便易行的方法。

5 结论

本文提出了飞行员体能力量训练方案及评估方案，结果表明，16 名志愿者经过12 周力量训练，下肢最大蹬力增加了60%，蹬力耐量比训练前增加近4 倍，蹬力持续时间增加5 倍，呼吸曲线时间与呼吸肌耐量均增加了3 倍，反映了志愿者下肢肌肉和呼吸肌的爆发力及耐力都得到了有效增强；离心机模拟空战能力测试结果也充分反映了志愿者抗荷能力的提升，同时表明评估方案的有效性与可行性。

本文提出的训练技术方法耦合飞行员作训需求，训练动作模式贴近实际，系统性、科学性和职业针对性强，能够显著提升飞行员的空战体能；体能评估方案能够全面体现飞行员的连续空战能力。 本文结果为修改完善飞行员体能训练与考核大纲提供了科学依据，对于提升飞行员的空战能力、对抗G⁃LOC、降低飞行疲劳、预防空战颈腰损伤具有重要的实际应用价值。