航空航天生物動力學未來20年的進與退

馬海林，李東韜，殷伯平，周華忠，張 舒

航空航天生物動力學是研究生物體在航空航天動力環境中生理機能變化規律及其防護措施的學科，是航空航天醫學主要分支學科之一［1］。航空航天動力環境指的是飛行過程中速度和/或加速度驟變的動力環境。當動力環境變化太大，如飛機高速機動飛行、飛機發生碰撞、飛行員彈射離機或從高處墜落、航天員在微重力環境長期停留等，則可能產生有害影響，甚至造成傷害或死亡。所以，飛行活動過程中，與速度和/或加速度變化有關的各種動力環境因素，包括超重、失重和振動等，它們對機體的生理影響及防護措施研究，是航空航天生物動力學的主要研究內容。鑒于該學科在航空航天醫學中的重要性，本文對航空航天生物動力學未來20年的發展做一展望，為更好地開展學科建設提供參考。

1 航空航天生物動力學的發展簡況

航空航天生物動力學的研究奠基于19世紀末，是隨著航空器的發展而逐步建立起來的。20世紀30～40年代，航空器的機動性能顯著增強，隨之帶來的航空動力環境影響急劇突出，推動了生物動力學研究的第一個快速發展階段，解決了當時軍事飛行中跳傘、振動和加速度防護等任務的需求［2］。20世紀50～70年代，航空器進入了噴氣發動機和超音速飛行時代，航天技術也日新月異，生物動力學進入了第二個快速發展階段，在繼續發展傳統的超重和振動等生物動力學因素研究的基礎上，也推動了短期航天飛行中失重的影響及其防護研究。20世紀70年代末至今，航空器的發展進入了四代機的時代，航天器進入了空間站長期載人飛行的時代，生物動力學進入了第三個快速發展階段，這期間超重和長期失重的研究隨工作任務性質的不同均有了極大的發展［3］。在航空領域，四代機能進行超音速巡航，具有極強的機動性能，能夠產生12個+Gz的飛行加速度，超過了人類可以耐受的生理負荷限度［4］;在航天領域，火星探索和月球基地等任務，使得人類也面臨更長期失重的影響，這些任務對航空航天生物動力學的研究提出了新的挑戰。

2 航空航天生物動力學未來20年的進與退

回顧學科80年的發展，回溯更長至130年來的研究之路，可以看出，學科的研究與發展是社會進步的需求所推動的，是航空器和航天器的技術進步所引領的，可以預見，未來戰機將走向“無人化”和自動化，而人類進軍太空的腳步將不會停止，太空旅行和太空移民將成為常態和可能，因此，航空航天生物動力學的發展在航空界和航天界將出現本質的變化，出現航空醫學的需求“退”，將更加側重于航天醫學研究的“進”，表現出“智能防護、空天合一、優化特色、微觀突破、回歸重力”的發展特點。

2.1 智能防護 航空生物動力學經過近一個世紀的發展，傳統的加速度超重和彈射救生過載研究，已經走到了瓶頸階段。現有的綜合防護措施和雙零彈射座椅已經基本滿足了最新型四代戰機的裝備需求。化工材料、紡織技術、微電子控制、信息工程和生物醫學等高技術群體的整合為進一步提升綜合抗荷能力奠定了基礎［5］。在抗荷裝備發展方面，將研發抗荷、供氧、抗浸、代償、通風、液冷、隔噪、防火、防化、防核一體化飛行員防護系統，并按人體生理的反應和需求提供相應的被動防護策略，減少飛行員主動防護動作，提升飛行員充分發揮三代機和四代機機動飛行性能的能力;在彈射救生裝備發展方面，將開發第四代智能型彈射座椅［6］。該類座椅可根據飛機飛行狀態自動選擇彈射模式，通過微電子信號控制火箭發動機的功率和作用時間，利用微控噴射技術自動調整座椅的飛行姿態，保障在更大飛行空間和飛行速度彈射時的安全穩定性。總體而言，新型防護裝備均將具備智能防護的特點，減少飛行員主動防護的操作，綜合提高新型戰機的作戰效能。

2.2 空天合一 四代戰機已經在飛行機動性能上達到或超過了人類生理負荷耐受的極限。美國為了保持空中優勢，五代戰機的研發也已經開始［7］。按美軍裝備司令部的規劃要求，在2030年美軍的第五代戰機將形成戰斗力。特別值得強調的是，美軍首次提出了無人駕駛戰斗機的設計需求。這表明，在追求機動性能上，有人駕駛已經不能滿足作戰任務的需求，而只能通過更加先進和整合的科技能力以保障無人戰機控制天空的能力。更為重要的是，美軍已經研發并完成了無人駕駛空天飛機“X-37B”長達15個月的軌道飛行試驗，標志著美國無人空天飛機的驗證取得了新的進展。在無人駕駛空天飛機研究中，各國也不甘落后，俄羅斯的“針”空天飛機已公開亮相，德國提出了“桑格爾”方案，英國提出了“霍托爾”方案，我國在此方面的預研也早已展開。因此，未來的航空航天生物動力學將可能在百歲之日開始退出航空醫學領域的歷史舞臺，此時的航空航天生物動力學將體現為空天合一，重點為載人航天的醫學研究服務。

2.3 優化特色 國際航天醫學工作者十分關注中國傳統醫學的最新進展，俄羅斯、歐洲都曾嘗試將中醫藥運用于失重防護研究，比利時政府則優先資助航天醫學專家開展中醫藥研究［8］。中醫在疾病的診治中注重整體觀念，講究整個身體的協調統一。同時也注重辨證論治，講究個體的特異性，具體問題具體分析。我國航天醫學工作者在祖國傳統醫學的應用研究方面早已起步，他們開展了系列的試驗技術研究項目，如“中醫藥防治模擬失重狀態骨丟失研究”、“載人航天不同時相中醫辨治研究”和“中醫藥對中長期飛行生理適應影響研究”等［9］。研究表明，應用中醫藥可緩解多種由航天飛行所引起的癥狀，而且效果顯著。在2011年完成的國際“火星-500”項目中，我國還開展了通過中醫望、聞、問、切來進行診斷的“中醫四診儀”實驗研究，有望建立計算機輔助的自動中醫診斷儀［10］。這些初步的研究更清楚地表明，發揮傳統醫學的優勢，優化失重的特色防護方案，具有廣闊的應用和發展空間。

2.4 微觀突破 在失重效應的防護研究方面，當前已開發和使用的所有防護手段，還未能有效解決登陸火星或月球基地居住等更長期航天環境停留對人體造成的不良影響。美、俄在經歷了50余年的載人航天醫學研究后，認為必須在基于對失重導致的醫學問題的細胞、分子變化本質認識的基礎上，才能發展針對性強的有效對抗防護措施［8，11］。NASA在其21世紀航天發展戰略中，將細胞的生物學研究列為首要重點發展目標，并提出從細胞到實施醫學的概念，引發了生物動力學研究的新趨勢，即失重的生物學效應及其響應機制的研究。例如，在骨骼研究中，本課題組從模擬失重條件下成骨細胞的形態、增殖、分化、細胞周期、基因變化、microRNA的功能調控等多方面開展了研究，證實了失重對成骨細胞的直接性影響，豐富了失重性骨質丟失機制的研究成果［12-15］。生物動力學的微觀研究將為確定空間探索中不可回避的失重暴露風險的影響機制，解決失重環境的防護問題做出新的貢獻。

2.5 回歸重力 失重環境改變了人體數百萬年演化形成的對1G重力的適應機制，在航天環境中重建1 G重力環境，也許可以從根本上解決失重環境帶來的問題［16］。人為重建的重力環境，又稱為人工重力。使用短臂人體離心機提供重力加速度刺激是較為實用的方案。但是，短臂離心機鍛煉方式的研究還沒有解決下列問題，即使用短臂離心機對抗失重環境的影響，需要對航天員提供多大、多長和多少次的重力刺激，才能維持航天員近似地面重力環境時的正常生理功能狀態。研究證實，心血管系統、肌肉系統和骨骼系統對重力刺激的反應性有著較為明顯的區別，還需要開發人工重力和體育鍛煉相結合的防護模式，提供更好的防護效果［17-18］。

3 結語

未來20年，航空航天生物動力學將出現在航空領域“退”、航天領域“進”的發展狀態。生物動力學在航空醫學研究中形成的加速度、振動和噪聲等基礎及應用研究成果，仍將在航天領域中大放異彩。

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