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航天运动病也称太空病,是由于在失重状态,人体不适应产生的,和一般人平时的晕车和晕船非常相似。最初是上腹部不适,继而面色苍白、虚汗、头晕、眼花、恶心,严重的还会呕吐,但吐过以后症状会明显减轻。航天运动病一般在载人飞船一进入轨道后就会发生,持续2至4天后症状自动消失。但是,可别认为航天运动病算不得什么大不了的事儿,实际上,对于载人航天事业的发展和空间生命科学来说,它恰恰是一个难以攻克的大问题。
由于航天运动病发病率很高,据资料表明,有将近半数以上的航天员入轨后都会患上这种病。载人飞行的工作日程安排得非常严格,航天员入轨后有许多重要的操作需要在这段时间内完成。如果这时候出现运动病症状,就会或多或少影响其空间任务的完成,严重时还会影响到载人航天飞行的安全。其次,运动病的发作并没有一定的规律性,虽然初次参加航天飞行的人患此病较多,但在有些多次上天的航天员中也还会出现该种病,这就不能不对原有的飞行计划产生影响。
因此,前庭功能的好坏关系到航天员的工作效率、身体健康和飞行安全。美俄的经验证明,进行严格的前庭功能的选拔是减少航天运动病的发病率的有效措施之一。一般采用转椅、秋千或对耳部器官的温度刺激等手段来检查前庭器官的敏感性和稳定性。
前庭的作用
前庭是人体平衡系统的主要末梢感受器官,长在头颅的颞骨岩部内。人的耳朵分为外耳、中耳和内耳(内耳又称〃迷路〃),前庭就在人的内耳中,是内耳器官之一。前庭负责感知人体空间位置,例如坐在行进的车中即使闭上眼睛,不看窗外,也可感知到车的加速、减速或转弯,就是前庭所感知到的。前庭作为人的一个感知器官,如果其发生“故障”,则会影响人的感知能力,从而产生眩晕。目前眩晕的70%病例都是由于前庭系统不协调所致。作为航天员因为环境的剧烈变化,前庭要受到直接的冲击,所以前庭器官的检查成为航天员选拔中的一个重要环节。
在航天员的选拔时,还必须对航天员承受过载的能力进行测试。过载作用一般是由于航天器发射和返回过程中的加速或减速产生的。测试时采用离心机测定候选者的横向(胸…背向)和纵向(头…盆向)的超重耐力。不同的载人航天器飞行过程中的超重值是不同的,飞船的超重值较高,而航天飞机的超重值较小。通常要求航天员的纵向超重耐力不应低于3g,横向超重耐力应为纵向超重耐力的3倍。
载人航天器乘员舱的大气压力由于压力制度设计考虑(选择低压),出舱活动过程中舱室的减压、压力应急、灭火及其它需要减压的情况。可能会出现低压和低氧分压状态,要求航天员对于低压和缺氧应具有一定的耐受能力,在选拔中要进行低压缺氧检查,其目的是排除低压易感和缺氧敏感者。一般用低压舱上升至5000米高度检查对缺氧的敏感性,用低压和压力改变检查对低压和压力变化的易感性,
此外,在航天器发射和返回过程中传到舱内的噪声值会很高,在轨道飞行段也会遇到舱内设备产生的噪声,必需对航天员进行噪声敏感性检查,检查是用航天飞行中遇到的噪声频率,对候选者进行试验,淘汰有不良反应者。
什么人可以成为航天员:不同的职责
在载人航天飞行中,不同的航天员分管不同的工作。载人飞行的初期一般只进行单人飞行,一般称为驾驶员。后来发展成一次多人飞行,编为一个乘员组。乘员组主要是由职业航天员组成,有时也有非职业航天员。每个航天员在航天中各自起着不同的作用,并逐渐向专业化方向发展。两人的乘员组一般为指令长和驾驶员(美国)或指令长和随船工程师或研究航天员(苏联/俄罗斯)。三人以上的乘员组一般分为指令长、驾驶员、任务专家和载荷专家(美国)或指令长、随船工程师和研究航天员(苏联/俄罗斯)。
以美国的乘员组为例,指令长(mander)又称机长,是一次特定飞行乘员组的领导和负责人。在飞行中负责飞行任务的安排、实施、飞行指挥、通信联络和飞行安全等,有时兼任驾驶员的工作。驾驶员(Pilot)则主要负责监视、操纵和控制航天器的飞行,负责航天器的检测和维修。协助指令长工作。如果指令长无法履行职责,驾驶员有权接替指令长的工作。任务专家(Mission Specialist)则要求受过航天器各系统和载荷操作的全面训练,精通所有飞行任务实施要求及载荷任务的目的、要求及其运行管理。参与飞行任务的计划并负责协调所有载荷实验与航天器之间的相互关系。任务专家的主要任务是根据批准的飞行计划负责实现轨道飞行阶段载荷实验的总体目标。前三类航天员均为职业航天员。而载荷专家(Payload Specialist)为非职业航天员,是特定载荷主顾在航天器上的代表。有使用、维护特定载荷的专门知识。在特定飞行任务中负责特定的载荷操作,负责收集和处理实验数据,维护和修理载荷设备,并负责与地面载荷控制中心联络。
随着载人航天的发展,航天员正在扩大到许多不同的行业,如科学家、工程师、医生、教师、记者、政治家、管理人员以及太空观光旅游者。
航天员的训练
航天员是一种在空间从事航天活动的特殊职业的人,他们要在特殊的环境条件下,在航天器的舱内外完成飞行监视、操作、控制、通信、维修以及科学研究等特殊的工作任务,并能正常的生活。这就要求必需对他们进行严格的训练,使他们具备优良的生理和心理素质,对航天特殊环境因素有很强的适应能力,并熟练掌握航天器和完成飞行任务所应具备的各种知识和技能。
航天员的培训内容包括:体质锻炼、理论知识教育、心理训练、特殊环境因素耐力和适应性训练、生存训练和航天器技术训练、航天医学工程技术训练、空间科学及应用知识和技术训练、生存训练以及综合训练等。针对航天员的类别和职业不同,其培训的具体要求和内容也不同。职业航天员,如驾驶员和任务专家,其训练内容较多,要求也严,训练时间也较长,一般需要3年左右的时间。非职业性航天员,如载荷专家或科学家航天员,其训练内容较少,时间也较短。
体质和理论
身体素质作为一个人生存的基本条件,在航天员的训练过程中是必不可少的。苏联就曾为了准备阿波罗…联盟计划,要求其航天员在一年半的训练时间内,骑自行车1000千米,滑雪3000千米,越野跑步200多千米。美国休斯敦航天中心,为提高航天员耐力,曾让航天员穿上80千克重的航天服,在炎热的佛罗里达沙漠中,每天步行30千米。
除了体质的训练,航天员为了准备一次飞行还需要掌握大量的理论知识,这些理论知识包括基本的航天知识,飞行任务和航天器结构、航天医学工程知识以及空间知识和应用的有关知识等。
心理准备
心理训练是航天员训练中必不可少的内容。因为执行太空任务需要离开我们所熟悉的环境,而这种环境变化对心理的影响是很大的,尤其在早期航天活动中,载人航天其提供给航天员的生活环境无论是空间,还是饮食都不是很好,长时间呆在这么狭小的环境,会是什么一个感受?而如果这种感受影响到航天员的心理,那极容易就产生不可想象的后果。
而心理训练也就是使航天员在没上天之前,先对太空中的情况从心理上进行一下适应。增强心理的稳定性。现在由于执行任务复杂性增加,因此每次飞行都有几名成员来完成。而尽快的使成员之间达到“心有灵犀”也成为心理训练的一个重要内容。实践证明,整个成员组在一起进行训练对于提高他们在太空中工作的效率具有十分重要的作用。
航天员共同训练的时间短期飞行不少于半年中期飞行需要1年长期飞行~年
特殊环境
为了提高航天员对特殊环境因素的适应性和耐受力,需要对航天员进行航天特殊环境因素的暴露和刺激,如超重、失重、前庭器官的刺激、噪声、高低温等。
超重适应性训练的目的是让航天员适应航天器发射和返回再入时的超重环境,增强航天员抗超重的能力。训练方法主要采用离心机模拟航天器起飞和返回过程中的超重曲线,进行胸…背向对抗动作训练和头…盆向耐力维持训练。
失重训练则是利用失重飞机完成的。它可以完成抛物线飞行,形成15…40秒的微重力时间。使航天员感受、体验和熟悉失重环境,在失重的时间里可以做各种试验,如吃东西、喝水、穿脱衣服、闭眼与睁眼的定向运动,甚至可把一个舱体搬进机舱中,还可以进行人在失重的时间里从舱体爬出来的试验,训练太空的出舱活动。
美国的小型失重飞机有T…33和F…104飞机改装的失重飞机。大型失重飞机有KC…135和PC…9,苏联/俄罗斯用伊尔…76改装的大型失重飞机,其微重力时间大约有30s秒。法国有“快帆”和A300失重飞机,A300是目前世界上最大的失重飞机。日本也有大型或中型失重飞机。中国曾利用歼教…5改装成小型失重飞机。
在地面还可以用中性浮力水槽产生的漂浮感觉,模拟训练航天员在失重时进行工作和维修。中性浮力水槽模拟失重的原理是,当人体浸入水中时,通过增减配重和漂浮器使人体的重力和浮力相等,即中性浮力,获得模拟失重的感觉和效应;但它并没有消除重力对于人体及其组织的作用,因此,它不同于真实的失重环境。目前,这种方法主要用于对出舱活动的航天员进行训练。一般是将1:1的航天器放入水槽中,航天员穿上改制的舱外航天服,进行出舱活动程序的模拟和技能的训练。
为了减少航天运动病的发病率,还要进行前庭功能训练。采用转椅、秋千等旋转和摆动设备产生线性加速度和科氏加速度,或在失重飞机上让航天员头部运动,对受试者的前庭器官进行刺激,以提高前庭器官的耐受能力。也可以利用气功和生物反馈的方法对航天员进行抗运动病的训练。其它的特殊环境因素适应性训练还有飞机飞行训练,跳伞训练,振动、噪声体验,乘员舱大气环境体验以及隔离环境体验等。
飞行模拟
航天员在执行任务时往往需要操纵各种仪器设备,但航天器中的各种设备是数不胜数的,如果航天员在操作过程中出现了一点错误,尤其是驾驶员,很有可能就会机毁人亡。为此,在地面上建立各种模拟设备,这样航天员在这使设备中就可以熟悉操作的程序,适应不同的环境。
飞行模拟器是针对载人航天任务而设计的执行飞行任务的模拟器。其主要功能是在地面模拟太空中的飞行条件和实际载人航天器运动状态,为航天员提供运动感觉、视觉、听觉和操纵负荷等各种感觉,使航天员感到好像真的在太空驾驶航天器一样。
模拟座舱一般采用内部结构和界面与实际航天器完全一致的模拟舱。俄罗斯和美国所发射的各种载人航天器都有各自的飞行模拟器,其中美国“阿波罗”号登月飞船的飞行模拟器,可以模拟从起飞到登月和返回地面等全程序飞行,也有只模拟载人航天某项飞行技术的模拟器,如有模拟飞船的起飞、入轨和姿态如何控制等飞行技术的模拟器。还有模拟在太空作业的专项模拟装置,如太空对接、太空维修和出舱模拟器等。
模拟航天员在太空生活与工作的微小空间环境,也都是以各种舱室的形式来完成的。这种微小生活空间舱室与航天员在太空生活的空间类似,除不能模拟失重环境外,其它都能逼真模拟。这种微小生活空间模拟对于考察和训练人对长期在太空生活的适应性是很重要的。
航天员选训中心
发展载人航天的各国,都有航天员选训中心,比较著名的有美国国家航空航天局的约翰逊航天中心(Johnson Space Center)和俄罗斯的加加林航天员培训中心(Gagarin Cosmonauts Training Centre又名星城Star City)。它们主要的任务有:为载人飞行进行预备航天员和正式航天员的选拔;对航天员实施身体素质、心理、特殊环境因素适应性及飞行专业技能的训练,对航天员实施飞行前、飞行中和返回后的医学监督与医学保障,辅助飞行控制中心进行医学监督和及时地分析,并开展航天医学工程研究。
生存之道
载人航天器在应急返回过程中可能降落到各种复杂的地形、气候等恶劣的生存环境条件下,例如寒区、沙漠、山地、森林、海上等,因此必须对航天员进行这些地区的生存知识和技能的训练,使他们熟悉和掌握这些地区气候变化,地形、海况、动植物的情况,掌握生存的基本要领。比如在寒区生存要保持机体的热平衡,在原始森林生存要防御猛兽和昆虫的侵袭,在沙漠中生存是保持水盐平衡。
个人救生
由于载人飞船着陆地点较难控制,特别是应急返回时落点的散布较大,这就给航天员的营救造成困难。在载人飞船上一般装有个人救生物品,供航天员着陆等持营救期间的求救和生存使用。
个人救生物品中应有求救联络物品,以便于航天员使用它们尽快与营救人员取得联系,这些物品包括无线电通信和定位装置、信号枪、焰火管、海水染色剂、闪光灯、反光镜、引火物品、哨笛等。
个人救生物品中还必须有陆上和海上的防寒和遮阳物品,如防寒服、抗浸服、斗篷等。飞船返回着陆在寒区或溅入水中时,航天员穿着防寒服或抗浸服等待营救,防止体热在短时间内大量丧失,延长人的存活时间。当航天员返回溅入水中时,应有漂浮装置,如救生筏或便携式漂浮装置等,以支撑人体浮于水面,等持打捞和营救。常用的便携式漂浮装置包括二氧化碳气瓶、浮囊、吹气管及其它附件。当航天员溅入水中时,牵拉充气拉绳,撞针刺穿气瓶封口薄膜,二氧化碳气体充向浮囊内部,浮囊充气膨胀。也可用嘴通过充气管向浮囊内充气。
救生食品和饮水及急救药包也是十分重要的个人救生物品,对于着陆到高温地区,保证航天员有一定量的饮用水是十分重要的。其它个人生存物品还有手枪、驱鲨剂、渔具、滤光镜、指北针、自卫刀、钢丝锯、干燃料、取暖器、防风火柴等。
参与试验
除了上面说的,在发射前航天员还要参与真实航天器的大型试验和全程序模拟飞行,以及航天技术各大系统的综合试验和演练等,以使他们进一步从总体的高度加深对于飞行任务、计划、程序的理解和掌握。这不仅是航天员训练的重要内容,同时,航天员的参与以及他们对航天系统的意见对载人航天系统的研制也是非常有益的。
载人密闭座舱
太空环境十分严峻,人进入其中航行怎样才能避免外界环境的伤害?就是说,如何才能保证航天员的生命安全?航天工程师研究和制造了一个基本与外界隔绝的密闭环境,即密闭座舱,密闭座舱内的环境可以保证航天员在太空生存所必需的条件。
生活空间
供人居住、生活和工作的密闭座舱是载人航天器的主要部分,舱内有装有缓冲超重力的座椅,有各种电子设备、仪表设备及航天员的救生设备。舱体的外壳包有绝热材料,可防止气动力产生的热传入舱内。舱体是由金属材料制成的,有防辐射的功能。密闭舱是增压式的,所以舱内外压力差很大,舱壁具有很强的承受压力的能力。舱体做得很坚固,安全可靠。舱壁四周有供航天员观察地球的舷窗,一般由三层玻璃制成,具有防强光、防紫外线及防辐射的性能。
人在太空中生活和工作首先要具有一定的活动空间。一般生活中我们经常会关心住房大小条件,只要经济条件允许,每个人都会尽可能的创造好的生活条件。其实我们各自的生活空间对我们自身的生理和心理会有很大的影响,在载人航天中这同样是基本问题。目前为止所有载人航天器,包括空间站,提供给航天员的活动空间都不能说是非常宽裕。而面临着太空飞行任务时间的加长,航天器所提供的活动空间更成为一个问题。试想长时间的呆在一个四面都是仪器设备的小房间里会是什么感觉。正因为如此航天工程师们对航天器需要提供给航天员的活动空间作了一个限定,这些限定是根据人类心理对太空任务的可承受程度来制定的。一般太空任务时间越长,需要的可活动空间越大。但在实际的飞行中,由于其它一些条件的限制,实际的空间可能要比理论上的稍小一些,如美国水星号、双子星座和阿波罗飞船舱内空间分别为米3、米3和米3。
载人舱中航天员理论上需要的最小空间飞行时间理论值(米3/人)1~2天~2个月两个月以上17生命保障
密闭舱内最重要的设施,是保证航天员身体健康的生命保障系统。正常情况下人体都有一定的新陈代谢,在这个过程中人体会与周围的环境进行物质和能量交换,而这种交换只有在地球环境下或类似地球的环境下才能正常进行。在进行载人航天活动时生命保障系统实际上也就是要提供这样一个环境,使人体能正常地进行生理活动。
座舱的压力控制系统是生命保障系统最重要的组成部分,维持舱内压力和供人呼吸用氧,对保证航天员健康至关重要。载人航天器舱内的压力并非都是保持和地面的压力一致的,国外用于载人航天器舱内的气体压力有两种。一种是座舱压力及舱内气体组分与地面上一样,即一个大气压力制度。这种压力符合人体的生理要求,人们已经习惯生活在这种气体环境里。
苏联/俄罗斯的载人航天器,从加加林驾驶的东方号,直到联盟号飞船,和平号空间站,密闭舱内的压力,都是用一个大气压力制度。美国现在的航天飞机密闭舱也是用这种压力制度。但这种压力制度的舱内压力高,为保持压力需要的控制调节比较复杂。由于舱体内外所受到的压力差别较大,所以要求舱体结构坚固。航天员穿着航天服出舱活动时,由于航天服所提供的压力较低,为避免减压病的发生,要经过较长时间的吸氧排氮。
出舱前的准备
由于气体在液体中有一定的溶解性,所以人体组