新型綜合抗荷措施對快增長率模式高過載暴露防護效果的研究

加速度增長率是影響G耐力的重要因素之一，加速度增長率越高對機體的影響越嚴重，G耐力隨著加速度增長率增高而降低[1-2]。當G增長率大于2 G/s時，人體可在沒有視力障礙先兆的情況下直接發生意識喪失（G-induced loss of consciousness，G-LOC）[3]。為預防快增長率模式加速度暴露（rapid onset rate，ROR）導致飛行員發生G-LOC，美國空軍研制了F-22飛機生命保障系統[4]。美、韓均要求F-15、F-16及F-22等戰斗機飛行員使用抗荷裝備及抗荷動作組成的綜合抗荷措施通過6 G/s快增長率模式的載人離心機鑒定訓練[5-6]。近年來，我國自行研制的高性能戰斗機機動性能不斷提升，與之配套的綜合抗荷措施需要滿足6 G/s ROR模式9 G持續15 s的防護需求。我國以往綜合抗荷措施的最高要求為飛行員在3 G/s增長率時提供9 G持續15 s防護[7]。此外，我國還沒有6 G/s ROR模式載人離心機訓練的科目[8]。近年來，我國研制了與新一代高性能戰斗機配套的囊式抗荷裝備，并開始進行6 G/s ROR模式的人體生理試驗研究[9]，由于該研究目的主要是評價顯示頭盔過載在過載環境下的穩定性，最大載荷只做到7 G 15 s。近期的研究表明，新研制的新型囊式抗荷裝備防護效果為（2.55±0.11）G，受試者使用該裝備不做抗荷動作時的G耐力最高達到6 G持續10 s[10]。本研究從防護性能及舒適性等方面對由該裝備及HP抗荷動作組成的新型綜合防護措施能否滿足6 G/s ROR模式9 G持續15 s的防護需求進行了系統評價。

1 對象與方法

1.1 對象5名男性志愿者，年齡18～21歲，體質量62～69 kg，身高169～173 cm。受試者平時堅持體能訓練，掌握HP抗荷動作要領，對試驗內容清楚，志愿參加。

1.2 試驗設備①載人離心機：受試者的加速度暴露在空軍特色醫學中心的AMST-HC-4E型載人離心機（AMST公司，奧地利）上進行。該機最大過載15 G，最大加速度增長率10 G/s。②新型綜合抗荷措施：新型綜合抗荷措施由新型囊式抗荷裝備和HP抭荷動作組成。試驗時受試者穿戴KH-x抗荷服、DB-x代償背心、WTK-x飛行保護頭盔及YM-x加壓供氧面罩，配YNQ-x氧氣濃縮器及YTX-x型椅裝式供氧抗荷調節器，在+Gz加速度暴露時做HP抭荷動作。供氧抗荷調壓器輸出壓力為：從（+1.75±0.25）Gz開始，按（10.0±1.3）kPa/G（75.0±10.0）mmHg/G壓力制度遞增，在最大過載為+9 Gz時的輸出壓力達到（72.5±2.6）kPa[（544.0±20.0）mmHg]，預充氣壓力為0.2～0.7 kPa（1.5～5.3 mmHg）。抗荷服囊覆蓋面積約為臍以下體表面積的60%。抗荷正壓呼吸（positive pressure breathing for G，PBG）壓力制度為：從（+3.5±0.5）Gz開始，面罩余壓以（1.6±0.7）kPa/G[（12.0±5.0）mmHg/G]壓力制度遞增，+9 Gz達到最大壓力（8.8±0.7）kPa[（66±5）mmHg]，+9 Gz以上的抗荷正壓呼吸壓力同+9 Gz時的壓力。

1.3 試驗步驟

1.3.1 基礎+Gz耐力測試 按照GJB 3293-1998《飛行員持續性正加速度耐力的檢查方法和評定》[11]的方法檢查受試者不使用抗荷裝備，不做抗荷動作時的“基礎”+Gz耐力。

1.3.2 新型綜合抗荷措施的防護效果 受試者穿著好個體防護裝備，在新型載人離心機上首先進行3 G/s增長率3 G 10 s的+Gz暴露作為熱身，受試者僅做呼吸動作不需要肌肉緊張用力；然后進行6 G/s增長率5 G 10 s的+Gz暴露，此時受試者按照HP動作要領全身肌肉緊張用力同時做吸氣0.5 s呼氣2 s的呼吸動作，目的是熟悉抗荷動作并且充分調動身體為高G暴露作好準備；最后進行6 G/s ROR模式9 G 15 s的+Gz暴露。受試者在每次+Gz暴露之間休息2～3 min。以受試者出現周邊視力喪失（peripheral light loss，PLL）既主訴周邊燈消失作為判斷到達G耐力終點的主要指標，以被檢者的耳脈搏波幅度明顯降低接近消失作為輔助指標。其他停機的指標包括：出現面色蒼白、惡心、嘔吐等，心率大于200 bpm，嚴重心律失常，發生意識喪失或出現技術故障等。

1.4 試驗過程中記錄和監測的指標記錄被試者+Gz值、+Gz持續時間、抗荷服壓力、面罩壓力、心電圖、耳脈搏、t1時間及t2時間。t1時間是指載荷達到供氧抗荷調節器設計起始工作點（1.5 G）至抗荷服內壓力開始躍升的時間差，t2時間是指載荷達到預定G值與抗荷調壓器輸出壓力達到相應壓力制度范圍下限的時間差。在9 G 15 s暴露結束后，用主觀量表記錄受試者的疲勞（表1）及對抗荷裝備的主觀感覺評分（表2）。

表1 體力感知度分級表（分）

表2 對抗荷裝備的主觀感覺評分（分）

1.5 統計學處理應用SPSS 18.0軟件對數據進行統計分析，受試者的基礎耐力、呼吸頻率、體表壓痛、對抗荷裝備的主觀感覺評分等數據以±s表示。對不同部位的壓痛評分進行自身對照t檢驗，以P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 抗荷裝備的動態物理性能9G 15s暴露時，電子供氧抗荷調節器的t1時間、t2時間及t1+t2時間均小于1 s，輸出壓力為（74.6±0.6）kPa，每位受試者的壓力值均在設定的范圍內。由于受試者做抗荷動作，用力呼氣時呼氣相面罩壓最大值（maximal mask pressure when exhaling，Pme）達到（10.6±0.2）kPa，吸氣時吸氣相面罩壓最小值（minimal mask pressure when inspiring，Pmi）降低到（2.7±1.4 ）kPa（表3）。

2.2 受試者的加速度耐力受試者的基礎耐力為（3.69±0.47）G，受試者2和4的基礎耐力較低小于4.0G 10s。有3名受試者抗荷耐力達到9 G 15 s，受試者2達到9 G 10 s；受試者4耐力僅為9 G 5 s并發生了G-LOC。呼吸頻率達到（44±6）次/min。完成試驗后的體力感知度分級評分為（4.2±1.1）分。受試者2對2種裝備的體力感知度分級評分為6，達到“明顯感覺疲勞”的水平，其他受試者的評分為3～4分，疲勞程度在“適度”至“略感疲勞”之間。9 G 15 s暴露時只有受試者5的耳脈搏波幅正常，其他受試者的耳脈搏波幅均出現不同程度降低甚至消失（表4）。

2.3 對抗荷裝備的主觀評價3 G 10 s及5 G 10 s暴露時受試者頸、腰、臂、腹4個部位的壓痛評分均為0分。9 G 15 s時，上述部位壓痛評分平均值在輕度壓痛以下水平，不同部位壓痛評分差異無統計學意義（F=1.673，P=0.213）（表5）。達到明顯壓痛水平的評分分別為受試者2的頸（4.0分）、臂（4.0分）及受試者3的臂（6.0分），其他評分均在無壓痛至輕度壓痛水平。頸和臂分別有1名受試者壓痛評分為0，腹部有3名受試者壓痛評分為0，腰部壓痛沒有受試者評0分。受試者對抗荷裝備的+Gz防護水平及總體舒適性評分分別為（8.0±1.0）分及（7.0±1.0）分，平均達到“良好”水平，但受試者2和3對總體舒適性的評分是6為“一般”。面罩壓（5.0±0.7）分及抗荷服壓力（6.0±0.0）分的評分在“適中”水平。呼吸用力評分（5.6±0.5）分達到了“輕度困難”。

表3 9 G 15 s暴露時抗荷裝備的動態物理性能

表4 受試者的加速度耐力

3 討論

傳統的機械式抗荷裝備壓力控制方式通常是由抗荷調壓器（簡稱抗調器）按照一定的壓力制度為抗荷服充氣，同時在載荷到達設定值時觸發供氧調節器啟動抗荷正壓呼吸。隨著戰斗機飛行員抗荷防護需求的不斷提高，抗荷裝備充氣的方式向著預充氣大流量及電子抗荷-供氧一體化方向發展[4，12]。本研究采用的電子式YTX-x椅裝式供氧抗荷調節器集成了這些先進技術，將抗調器與供氧調節器整合在一起，在提高裝備防護性能的同時簡化了安裝與維護。

+Gz加速度增長率6 G/s時如采用標準抗調器為抗荷服充氣，抗荷服壓力建立的速率明顯落后于+Gz增長率，飛行員在+Gz作用的初期得不到抗荷服的及時防護。研究表明，在6 G/s增長率時抗調器充氣速度均值小于2 s才能保證受試者不出現視覺變化[13]。F-22戰斗機的生保系統（life support system，LSS）也規定抗荷服的充氣時間不大于2 s[14]。本研究用t1時間和t2時間分別表示供氧抗荷調節器的啟動和抗荷服充氣達設計壓力值的速度。YTX-x椅裝式供氧抗荷調節器在9 G 15 s 暴露時輸出壓力滿足設計要求，t1時間、t2時間及t1+t2時間均小于1 s，表明供氧抗荷調節器反應敏捷，能夠及時為抗荷服建立足夠壓力。進行PBG時所施加的呼吸道壓力基本上是按1∶1傳遞給動脈系統[15]，因此當Pme達10.0 kPa時動脈壓可同時升高約75 mmHg（1 kPa=7.5 mmHg）。根據直坐位的受試者心水平動脈壓每升高22～25 mmHg可增加+Gz耐力約1 G推算[16]，PBG可提高+Gz耐力約3.4～3.0 G。雖然提高PBG壓力可以增加抗荷效果，但過高的壓力易產生呼吸疲勞、鼻咽部擴張、耳部壓痛、面罩漏氣等作用。本研究中PBG最大壓力達（8.8±0.7）kPa在囊式抗荷裝備中已屬較高值，受試者對呼吸用力評分達到了“輕度困難”，面罩壓的評分在“適中”水平，表明PBG壓力在主觀感覺上還可以接受。Pmi值變化范圍較大，與不同受試者最大吸氣量的個體差異有關。如果PBG時面罩內氧氣流量不足，受試者做抗荷動作用力吸氣時Pmi壓力會降低甚至出現負值，受試者明顯感覺“氣不夠用”，并且影響抗荷動作效果[17]。本研究的Pmi值雖然也降低但沒有出現負值，面罩壓的主觀感覺評分在“適中”水平，表明氧氣流量基本滿足抗荷動作需求。

早期研究表明，基礎耐力與高G耐力關系密切，基礎耐力小于4.5 G者使用綜合抗荷措施也不能耐受9 G[18]。但是，該研究中涉及的抗荷裝備主要是標準抗荷服。本研究采用的新型抗荷裝備為囊覆蓋面積約為臍以下體表面積60%的擴大囊覆蓋面積抗荷服（extened coverge anti-G suit，ECGS），大于我軍現役ECGS的45%覆蓋面積[7]，再加上較高的抗荷服充氣速度及PBG壓力制度，因此抗荷裝備的防護效果顯著提高，這可能是3名基礎耐力只有4 G 10 s受試者的高G耐力能夠達到 9 G 15 s的重要原因。9 G 15 s暴露時，該3名受試者均未出現PLL，耳脈搏波幅無顯著變化，試驗結束后，疲勞程度評分在“適度”至“略感疲勞”之間，表明新型抗荷裝備在抗高過載時比較節省體力。受試者2和4的基礎耐力過低，分別只有3.75 G 10 s及3.0 G 10 s，即使采用新型抗荷裝備、做HP抗荷動作也沒有完成9 G 15 s暴露，受試者4還發生了G-LOC。可能由于緊張的原因，受試者的呼吸頻率均偏快達到（44±6）次/min，大于HP動作要求的24次/min[19]，容易疲勞并且影響抗荷動作效果。

飛行員佩戴飛行保護頭盔進行高G暴露時容易出現頸部壓痛甚至嚴重的損傷[20]WTK-x重量約1.9 kg在9 G時重量增加到約17 kg，再加上頭部的重量頸部會承受很大負荷。受試者9 G暴露時頸部壓痛評分平均值在輕度壓痛以下水平，可能與受試者平時進行了頸肌力量訓練提高了肌力有關，應注意的是有1名受試者達到明顯壓痛水平，提示頭盔重量的問題仍不容忽視。本研究中受試者腰部壓痛評分都在輕度壓痛以下水平，可能是因為試驗時扎了防護腰帶并且離心機椅背經人體工程學設計有坐姿曲面為腰部提供了較好的支撐和防護。抗荷服腹囊充氣時會擠壓腹部導致壓痛，本研究顯示腹部的壓痛較輕微，可能與腹囊設計了限制繩減少其膨脹體積有關。高載荷暴露時使用PBG由于靜脈流體靜壓升高導致血管擴張會引起臂痛[21]，本研究中受試者臂部壓痛顯著，有2名受試者的評分達到明顯壓痛水平，這可能是該2名受試者對抗荷裝備總體舒適性評分較低的原因之一。為減輕高G暴露導致的臂痛，將來裝備改進時可考慮采用壓力袖和壓力手套[22]等防護措施。

綜上所述，新型綜合抗荷措施的抗荷裝備采用了電子抗荷-供氧一體化、ECGS和高壓力制度PBG等先進技術，物理和生理試驗表明達到設計要求，具有較好的防護效果及舒適性；但部分受試者基礎耐力低，做HP抗荷動作呼吸頻率偏快等因素導致沒有全部通過6 G/s ROR模式的9 G 15 s暴露。因此，為滿足新一代高性能戰斗機快增長率防護的需求，在發展裝備的同時還要注重通過選拔和訓練提高人的抗荷耐力，避免人的因素影響綜合抗荷措施的防護效果。