美瑞克儀器(上海)有限公司

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                                  航天事業也少不了離心機
                                  發布時間:2021-08-19瀏覽次數:37

                                  離心機在航天工業,特別是對于飛行員,宇航員有很大影響,宇航員訓練過程,適應超重力加速度反映,重力加速度,這些就是依賴離心機來完成的。

                                  1.      超重模型     
                                  重力(g)是宇宙中兩個物體間的一種引力,其值可從零到無窮大。例如月球上的重力為0.17g,火星上是0.3g,地球是1g, 離心機可產生大于1個g的重力。使用超高速離心器則可以產生103105g的力。航天器在進入200英里(321.8公里)高度的地球軌道時,其重力相當于在地球表面的95%,但由于飛船的向心加速度抵消了地球引力,以致于圍繞地球運動的飛船上的物體處于10-2~10-5個g的重力狀態。航天器從發射-飛行-返回的過程中,經受了超重 -微重力-超重的重力變化。為了把航天器射入不同的軌道,一般采用多級運載火箭的方法,每級運載火箭都會產生一定的加速度,形成不同g值的超重。早期的火箭形成7~8g的超重,新式的火箭低于5g,航天飛機發射時的峰值控制在3g左右。航天器在返回的過程中,也遇到超重作用,早期的超重峰值控制在10g以上,新型的航天器的峰值降低為5~7g,航天飛機的超重值控制在2g以內。

                                  在航天飛行過程中,生活在航天器中的動物、植物和人也會受到超重和失重的影響。地球上的生物在1g的環境中進化,它們已經形成了適應1g重力環境的組織結構。當植物和動物進入另一個重力環境時,它們必須再次適應新的重力環境。它們對重力的響應和重力之間的關系可以是線性或數學函數。為了適應新的重力環境,生物體中適應1g的組織結構會在超重或低重力環境中發生紊亂或退化。宇航員在飛行中出現的心血管功能障礙、肌肉萎縮和骨質疏松就是一個很好的例子。當生物體適應新環境后再回到地面1 g,就會出現不適應反應,需要一段時間的重新調整。因此,有必要研究重力變化對生物的影響,尤其是微重力。同時,這項研究對于理解重力在生物進化中的作用也具有重要的理論意義。

                                  研究1g以上的重力很容易,在地球上使用不同類型的離心機就可以實現。在地球上不可能長時間研究1g以下的引力,我們只能離開地球,去太空實驗室,或者去地球下面有引力的行星(比如月球、火星)。然而,在太空中進行許多生物學研究是不現實的。主要原因有:

                                  (1)在太空中進行生物學研究的費用很高,每次飛行的任務也很多,不可能專門進行生物學和醫學的研究。
                                  (2)航天過程中除微重力因素外,還有超重、振動、噪聲、輻射、艙內氣體環境、有害物質等對被測對象都有影響,影響實驗結果的分析。
                                  (3)生物體、尤其是人的個體差異大,需進行多次重復實驗才能發現其規律性。同時,需要研究的項目很多。在航天中不可能進行這么多的研究。
                                  (4)每項研究需要有此學術領域的專家參加,并有各種專門的科學儀器,航天中不具備此條件。 因此,在地面上建立模擬重力變化的模型是十分必要的。

                                  地面建立的模擬航天過程中超重和微重力的模型有助于實現以下目的:
                                  (1)了解生物體中的哪些系統是感受重力的,
                                  確定它們的閾值、適應重力變化的機制、適應的能力和適應時間。
                                  (2)預測已適應超重和低重力的機體是如何重新適應1g環境的。
                                  (3)提出預防措施以減輕在重新適應1g的環境時會發生的潛在問題 

                                  離心機可以用來實現地球上的超重。平行于地面的離心力是離心機的向心加速度產生的,與重力形成直角三角形的兩邊,合力是離心機旋轉產生的重力。因此,1.5g的向心加速度可以產生1.8g的合力,4g的向心加速度可以產生4.1g的合力..離心機由動力系統、中心轉軸和剛性轉臂組成(圖1)。離心機的臂長從1米到8米不等。離心機的臂長與轉速有關,臂越長,轉速越低。短臂可以產生高g值。但如果短臂中的受試者個子很高,身體不同部位受到的離心力會有所不同,對受試者的影響因素也會比較復雜。因此,短臂離心機一般用于小型動植物。根據不同的實驗目的,可以建造不同尺寸和形式的離心機。有些離心機可以根據不同的試驗要求,改變連接臂上的艙室位置,產生不同的重力,而其他離心機只能固定在機械臂末端,提供比重。

                                  離心機的座艙一般可以在臂上自由轉動,以保持重力分量在地球重力的方向上。有的離心機的座艙本身就可以改變方向,以適應特殊的實驗要求。美國航宇局一研究中心有一套離心機,它包括前庭研究專用離心機(VRF,有兩個0.8米長的臂,可在3個軸上旋轉),人用離心機(臂長7.6米)和旋轉屋(臂長8.125米)。VRF離心機用于研究一些復合因素對小動物如貓、猴子、鳥、魚的影響。在VRF離心機上可進行數小時至數天的實驗。其它的動物離心機主要用來研究超重環境下嚙齒動物的適應性反應,以及為一些太空試驗提供超重條件。

                                  人體離心機主要用于研究航天歸來、臥床后處于超重狀態的人的生理反應和感受的變化,也可用于航天員超重耐力的選擇和訓練。人體離心機的測試時間通常不超過一小時。被測生物抵抗超重的能力與其自身質量成反比。植物、昆蟲和嚙齒動物比人類更能承受重力。比如,小苗、幼株在30 ~ 40 g的環境中,很容易堅持10分鐘,結構上沒有明顯變化,甚至幾百g也不會對植株結構造成明顯的損傷;老鼠只能承受15 g重力10分鐘,如果重力達到20 g,就會全部死亡;人在頭盆方向的耐力只有4 ~ 5g,時間在10秒左右。

                                  人體離心機主要用于研究航天歸來、臥床后處于超重狀態的人的生理反應和感受的變化,也可用于航天員超重耐力的選擇和訓練。人體離心機的測試時間通常不會不超過一小時。被測生物抵抗超重的能力與其自身質量成反比。植物、昆蟲和嚙齒動物比人類更能承受重力。比如,小苗、幼株在30 ~ 40 g的環境中,很容易堅持10分鐘,結構上沒有明顯變化,甚至幾百g也不會對植株結構造成明顯的損傷;老鼠只能承受15 g重力10分鐘,如果重力達到20 g,就會全部死亡;人在頭盆方向的耐力只有4 ~ 5g,時間在10秒左右。


                                  2. 加速度生理實驗室
                                   
                                       始建于1988年,屬于“211工程”、“2110工程”及“三重建設”項目。自建成以來,承擔了國家自然科學基金、國家863-2基金及軍隊醫藥衛生基金等多項科研任務,還承擔我??哲娕R床醫學專業本科生(《航空航天生物動力學》)和航空航天醫學專業碩士研究生、博士研究生三個層次的教學實習任務,已培養博士和碩士多名。
                                   
                                   實驗室擁有動物離心機、雙動力人體短臂離心機、多功能旋轉床、三維滾輪、抗荷動作訓練器、人工動力下體負壓訓練艙等特色大型設備,還擁有下體負壓褲、自行下體負壓訓練器等專項設備。實驗室配備有完善的微機化多功能生理記錄儀、心電、血壓和血氧飽和度監測設備,以及腦血流和心功能監測設備,可進行無創逐跳血壓、心功能和心率監測、腦血流多普勒監測、基本生理信號遙測和心率變異性分析等工作。

                                  該室具有七大功能:
                                  ①前庭功能訓練;
                                  ②立位耐力功能評價;
                                  ③推拉效應的模擬及評價;
                                  ④航天體液轉移地面預適應的評價;
                                  ⑤抗荷動作模擬訓練;
                                  ⑥抗荷生理訓練;
                                  ⑦人工重力生理訓練。

                                  該實驗室整體達到國內領先水平。

                                  主要研究方向為加速度生理學。在航空醫學方面開展了超重生理學研究,主要進行了高G致意識喪失的發生機理及其監測、高性能戰斗機飛行員高G防護措施的研究,
                                  ①建立了快速下體負壓模擬G-LOC的大鼠模型,為深入研究G-LOC的機理提供了一個有用的動物模型。首次提出以頸總動脈血流量降為零作為動物發生意識喪失的監測指標。
                                  ②系統地揭示了高G暴露后大鼠學習記憶功能和腦皮層神經元形態學改變的性質、時程及其恢復情況。
                                  ③提出了高G致腦損傷和學習記憶障礙的多重機制假說:即高G暴露引起的腦缺血是導致腦損傷和學習記憶障礙的主要原因,其生物化學及分子生物學機制涉及腦能量代謝降低、腦離子平衡紊亂、血腦屏障通透性增加、腦一氧化氮合酶和c-fos表達增加及HSP70的保護作用;顱內壓力劇烈變化和應力增加是高G致腦損傷的重要因素之一;血液流變學特性改變在高G致腦損傷中起一定作用。
                                  ④提出低G預適應對高G所致的腦損傷和學習記憶障礙具有保護作用。
                                  ⑤提出了高性能戰斗機飛行員下體負壓抗荷訓練方案。
                                  ⑥建立了仿真立位應激下心血管系統反應的數學模型對指導飛行員訓練;在航天醫學研究方面主要開展了失重生理學研究,主要進行了中長期失重的生理影響及防護措施的研究,闡明了模擬失重致立位耐力不良的機理涉及心血管功能改變、腦血流降低及內分泌改變等,首次提出了我國載人航天飛行時航天員下體負壓對抗方案,應用所建立的模型對航天飛行后心血管功能失調的機理問題進行了仿真研究,為我國載人航天飛行時航天員的醫學保障提供了實驗依據。
                                  以上部分研究成果達到國內領先和國際先進水平。

                                  為了克服長期失重對人機體的影響,最有效的方法是給載人航天器設置人工重力。 前蘇聯在“宇宙”系列生物衛星上的研究結果表明,人工重力可以有效防止失重對人的生理系統的影響。 但是,在宇宙飛船離心機中的小鼠中,觀察到了動物大腦皮質的作用下降,大腦相關區域特別是運動區域的蛋白質代謝受到抑制,同時動物半規管的敏感性和反應能力也下降。 這可能是因為離心機的臂太短,轉速太快。

                                  高速離心機中的人也會產生一些前庭器官的反應和幻覺。因此,在設計人工重力環境時,必須考慮離心機轉速和旋轉半徑對人體的影響,旋轉半徑和旋轉速度之間的邏輯對應,以及將副作用降低到可接受的水平的自適應訓練。人工重力保護措施的設計與驗證,除了進行人體實驗之外,還需要進行空間動物實驗。

                                  如對離心機的知識感興趣,可前往我司,可進行免費講解,并為其選購,請關注我們公司——美瑞克儀器(上海)有限公司??!


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