基本介紹
- 中文名：航天救生醫學
- 外文名：space life-saving medicine
研究意義,研究內容,試驗方法,試驗設備,試驗對象,研究方法,
研究意義
載人航天飛行安全與救生是發展載人航天技術重要前提之一。50年代末美蘇研製第一代載人飛船時，對救生與安全給予很大重視。蘇聯第一艘“東方號”飛船裝有彈射座椅系統，美國“水星”飛船裝有逃逸塔系統。研製過程要採取種種措施，提高設備可靠性。儘管如此，在大量成功飛行中也伴有沉痛的失敗教訓。27年來載人航天實踐表明，事故是不斷發生的，到1988年為止載人航天史已發生數十起比較有影響的故障或事故，先後有14名航天員死於空難。
航天中威脅航天員生命的潛在因素主要來自三個方面。
(1)太空飛行器故障。太空飛行器結構極複雜，任何一個關鍵部件發生故障，都有可能導致事故發生。
(2)環境的影響。太空飛行器飛行過程受到振動、衝擊、擺動、溫度、微流星以及天氣的影響，有可能造成事故。例如“聯盟”23號飛船返回途中遇暴風雪，使再入角偏離航線，被迫落在湖上。
(3)人的因素。長期空間飛行，若航天員生病不能堅持航行時，需應急返回治療。例如“聯盟”T-14號飛船航天員瓦休金和“聯盟”TM-3號飛船航天員拉維依金都因患病民剃，提前返回。另外，航天員操縱失誤，造成意外事故時，如“雙子星座”8號飛船，由於操作錯誤，使飛船失控應急返回。
研究內容
航天救生醫學是以航空救生醫學工程為基礎，結合航天技術的特點發展起來的。兩者研究內容和使用方法有著密切的聯繫。如“東方”號、“雙子星座”號飛船採用彈射座椅做為上升和返回段救生方案，航天員在救生過程中經受彈射過載、氣動減速、氣流吹襲、旋轉、開傘和著陸衝擊等的影響特點都與航空救生相似，但航天救生還有它獨立研究內容。因為從起飛到著陸，每階段所處的空間環境不同，救生方案的選擇也不同。因此航天救生比航空救生複雜。它所研究的範圍較廣，包括：
(1)研究航天救生各階段環境因素對人的影響，了解人體的耐受性，提供有關人體的醫學數據與資料；
(2)研製有效的防護措施，提高人體耐力，確保全全救生；
(3)救生系統的醫學鑑定工作；
(4)研製令人救生物品；
(5)協助營救方案的實施；
(6)培訓航天員熟悉與使用救生器材。
試驗方法
航天救生中人體承受到高過載、特殊壓力制度、衝擊性過載和高動壓環境等不利因素的影響。
試驗設備
(1)垂直及水平彈射器：研究衝擊性加速度問題。
(2)垂直及水平衝擊器：研究衝擊性減速度問題。
(3)風洞：研究人體的空氣動力學問題。
(4)火箭車：在地面創造高速條件模擬彈射加速度、衝擊加速度和氣流吹襲條件。
(5)飛機：分別或全面地檢驗救生系統性辨斷榆甩能。
利用這些設備可以有效地進行各種因素的研究，甚至可以在確保全全的條件下進行人體試驗。
試驗對象
(1)人是最佳受試者。只能在確保全全的前提下審慎地進行人體試驗。
(2)動物是最常用的人體試驗代用品。可用以承受高負荷甚至致命負荷下的研究，以探索損傷規律。
(3)屍體是研究損傷規律和閾值的人體代用品。但屍體無生命力、肌張力和各種生理反應，因而不少數據與活體有差別。
(4)假人。隨著航空救生事業的發展而有改進和提高。由外形、重量分布的模擬，進而出現了反映某些組織器官特性的假人贈灶糠和模擬人體動態特性的假人。
(5)事故調查資料。事故調查包括彈射事例、交通事故、工傷墜落事全悼蘭故以及其它一些衝擊、碰撞等自殺未遂事故。這些事故負荷大，達到了人體試驗所不允許達到的強度。因不是有控的，缺乏環境參數的客觀記錄，需要認真調查分析實況積累資料。
(6)數學模型。人體雖很複雜，但也具有一般物理系統的某些共性，因而可在試驗數據的基礎上用微分方程表達其部分特性。數學模型能定量地分析表達外環境與人體變化之問的關係，從而不通過試驗即預計給定環境條件下的人體反應。航天救生時很多因素都有傷害人體的危險，所以套用數學模瓔顯得更重要。
研究方法
60年代以前進行了大量人體和動物試驗，研究觀察救生過程所引起的損傷及其它人體效應。近二十多年來救生醫學工程的重要進展是研究方法的改進。由單純的生物醫學方法轉變為生物力贈協院催學這樣一種跨學科綜合的方法。這種轉變與傳統生物醫學方法區別的核心是要推導出合理的數學模型。其研究過程具有生物學和力學研究兩方面的特點。
具體的研究方法可歸納為下述過程：
(1)試驗人體模型的結構和參數一般是未知的，通常利用試驗數據提取。因此取得試驗過程的激勵因素和人體反應的正確信息很重要。
(2)建模可根據已知物理定理假定模型的微分方程，但模型閥巴充參數仍由試驗取得。更多的是根據激勵與回響之間的定量關晚和腿系辨識出模型結構和參數。同一微分方程可建立不同物理系統的物理模型。人體是複雜的巨系統，是非線性的，不可能用同一模型概括各種問題。常用不同的模型解決不同的問題，這樣做有利於抓住主要矛盾進行適當的擬線性化和簡化。如高速氣流吹襲引起肢體甩打傷，也可引起內臟和軟組織損傷，但前者更重要。哈納揚
(Hanayan)建立的15個剛體鉸接模型，僅以一定幾何形狀的剛體代表人體的不同節段，忽略掉人體的大量信息¨3。雖作了很大的簡化，但用於研究人體的運動很有效。還可將該模型套用於分析高速氣流吹裝下人體的平移和旋轉情況，人體不同節段的運動軌跡，以及頭部、四肢的氣流甩打傷。
(Hanayan)建立的15個剛體鉸接模型，僅以一定幾何形狀的剛體代表人體的不同節段，忽略掉人體的大量信息¨3。雖作了很大的簡化，但用於研究人體的運動很有效。還可將該模型套用於分析高速氣流吹裝下人體的平移和旋轉情況，人體不同節段的運動軌跡，以及頭部、四肢的氣流甩打傷。
這樣，既抓住了主要矛盾，而且套用也很方便。
(3)檢驗模型僅是逼近所研究事物的主要特徵，將忽略掉系統的一些固有物性，對事物的簡化是否合理可靠，需進行檢驗。檢驗的唯一標準是檢驗模型對給定系統的近似性，即根據模型預估與實際情況的符合程度以判斷優劣。不符合要求時應修改模型參數甚至重新建模。
(4)套用套用是建立模型的主要目的。為救生生物醫學研究建立了分布參數的、集中參數的不同類型的多種模型，可以不通過人體試驗預估一些複雜外力引起的人體反應，甚至判斷人體耐力，還可用以研究人一防護系統一環境因素之間的關係，使工程設計部門能方便地根據模型估算進行最佳化設計。例如美國和我國都利用一個單自由度集中參數模型的分析計算，制定了軍用飛機彈射加速度耐受限度的軍用標準。
(4)火箭車：在地面創造高速條件模擬彈射加速度、衝擊加速度和氣流吹襲條件。
(5)飛機：分別或全面地檢驗救生系統性能。
利用這些設備可以有效地進行各種因素的研究，甚至可以在確保全全的條件下進行人體試驗。
試驗對象
(1)人是最佳受試者。只能在確保全全的前提下審慎地進行人體試驗。
(2)動物是最常用的人體試驗代用品。可用以承受高負荷甚至致命負荷下的研究，以探索損傷規律。
(3)屍體是研究損傷規律和閾值的人體代用品。但屍體無生命力、肌張力和各種生理反應，因而不少數據與活體有差別。
(4)假人。隨著航空救生事業的發展而有改進和提高。由外形、重量分布的模擬，進而出現了反映某些組織器官特性的假人和模擬人體動態特性的假人。
(5)事故調查資料。事故調查包括彈射事例、交通事故、工傷墜落事故以及其它一些衝擊、碰撞等自殺未遂事故。這些事故負荷大，達到了人體試驗所不允許達到的強度。因不是有控的，缺乏環境參數的客觀記錄，需要認真調查分析實況積累資料。
(6)數學模型。人體雖很複雜，但也具有一般物理系統的某些共性，因而可在試驗數據的基礎上用微分方程表達其部分特性。數學模型能定量地分析表達外環境與人體變化之問的關係，從而不通過試驗即預計給定環境條件下的人體反應。航天救生時很多因素都有傷害人體的危險，所以套用數學模瓔顯得更重要。
研究方法
60年代以前進行了大量人體和動物試驗，研究觀察救生過程所引起的損傷及其它人體效應。近二十多年來救生醫學工程的重要進展是研究方法的改進。由單純的生物醫學方法轉變為生物力學這樣一種跨學科綜合的方法。這種轉變與傳統生物醫學方法區別的核心是要推導出合理的數學模型。其研究過程具有生物學和力學研究兩方面的特點。
具體的研究方法可歸納為下述過程：
(1)試驗人體模型的結構和參數一般是未知的，通常利用試驗數據提取。因此取得試驗過程的激勵因素和人體反應的正確信息很重要。
(2)建模可根據已知物理定理假定模型的微分方程，但模型參數仍由試驗取得。更多的是根據激勵與回響之間的定量關係辨識出模型結構和參數。同一微分方程可建立不同物理系統的物理模型。人體是複雜的巨系統，是非線性的，不可能用同一模型概括各種問題。常用不同的模型解決不同的問題，這樣做有利於抓住主要矛盾進行適當的擬線性化和簡化。如高速氣流吹襲引起肢體甩打傷，也可引起內臟和軟組織損傷，但前者更重要。哈納揚
(Hanayan)建立的15個剛體鉸接模型，僅以一定幾何形狀的剛體代表人體的不同節段，忽略掉人體的大量信息¨3。雖作了很大的簡化，但用於研究人體的運動很有效。還可將該模型套用於分析高速氣流吹裝下人體的平移和旋轉情況，人體不同節段的運動軌跡，以及頭部、四肢的氣流甩打傷。
(Hanayan)建立的15個剛體鉸接模型，僅以一定幾何形狀的剛體代表人體的不同節段，忽略掉人體的大量信息¨3。雖作了很大的簡化，但用於研究人體的運動很有效。還可將該模型套用於分析高速氣流吹裝下人體的平移和旋轉情況，人體不同節段的運動軌跡，以及頭部、四肢的氣流甩打傷。
這樣，既抓住了主要矛盾，而且套用也很方便。
(3)檢驗模型僅是逼近所研究事物的主要特徵，將忽略掉系統的一些固有物性，對事物的簡化是否合理可靠，需進行檢驗。檢驗的唯一標準是檢驗模型對給定系統的近似性，即根據模型預估與實際情況的符合程度以判斷優劣。不符合要求時應修改模型參數甚至重新建模。
(4)套用套用是建立模型的主要目的。為救生生物醫學研究建立了分布參數的、集中參數的不同類型的多種模型，可以不通過人體試驗預估一些複雜外力引起的人體反應，甚至判斷人體耐力，還可用以研究人一防護系統一環境因素之間的關係，使工程設計部門能方便地根據模型估算進行最佳化設計。例如美國和我國都利用一個單自由度集中參數模型的分析計算，制定了軍用飛機彈射加速度耐受限度的軍用標準。
