从重力生理学看“东方二号”的胜利 [复制链接]

第5版()
专栏：

从重力生理学看“东方二号”的胜利
陈苏
东方二号卫星式宇宙飞船围绕地球飞行十七圈后安全地进入大气层，于8月7日在预定地点着陆。这是具有历史意义的新胜利。这一事实有力地说明了，苏联的科学家们在共产党领导下，在尖端科学技术方面攀上了世界新的高峰。
现在我们来谈一下宇宙飞行时的重力改变对人体影响的问题，其中包括超重和失重。
在谈超重对人体影响以前，应该先了解一下什么是重量。根据物理学上定律，重量等于质量乘加速度。这个定律说明物体的质量若不受外力（引力）作用就表现不出重量来。地球表面的物体所以有重量，是由于受到地心引力作用的缘故。地心引力使物体从高处自由降落时产生9．8米／秒2的加速度，这种加速度能使物质产生一倍的超重单位。如果物体在外力作用下产生20米／秒2的加速度，就称为二倍超重（简写为2g）。加速度为地心引力加速度若干倍即产生若干倍超重。
在宇宙飞行时遇到加速度主要有二种：直线加速度和向心加速度。这两种加速度作用于人体时都能产生超重。直线加速度，即物体在进行直线运动时所产生的速度变化，我们在日常生活中能够遇到，例如汽车突然开动或停止时。第二种是向心加速度。当物体沿圆弧运动时，就会产生离心力，使物体离开圆弧向前运动。当向心加速度作用于物体时就可以使它沿着圆弧运动。例如当汽车迅速沿着道路作圆弧形转弯时，我们就会自动地倒向和转弯方向相反的一边，这就是离心力的作用。
东方二号宇宙飞船飞行时，在哪些情况下会出现超重呢？我们现在来回答这个问题。
首先是由直线加速度引起的超重。
一，火箭起飞时产生的超重。火箭从静止状态，由于强大的三级火箭的推动，在一定时间内到达第一宇宙速度，即7．8公里／秒。我们当然无法知道在起飞时加速度的具体变化。但根据文献上提供的资料推测，在飞行过程中最大超重可达7—12倍，超重递增率不超过0．1—0．3g／秒，而每级火箭发动时间不超过1．2—1．8分钟。现在科学家常按照这些数据进行人体试验，以模拟火箭起飞时情形。
二，宇宙飞船进入大气层时产生的超重。飞船在返回地面时，以24—26倍音速进入大气层，所遇到的空气阻力约大于周围气压的30倍以上，所以飞船在进入大气层时即开始减速。这种由减速而产生的超重估计为10—30g左右。持续时间约为30秒到2分钟。
三，脱离飞船座舱时产生的超重。当飞船到达低空时仍旧有很大速度。为了着陆安全，有必要使飞行员脱离座舱，跳伞着陆，但因飞行速度很快，气流很大，此时只能用炮弹将飞行员座椅弹射出座舱。在弹射时超重可达到16—20g，但时间很短，约为0．1—0．2秒。宇宙飞行员季托夫也是用以上方法脱离飞船座舱的。
四，在脱离座舱后遇到强大气流产生的超重。飞行员用弹射法脱离座舱后会遇到强大的气流。据一般估计引起的超重约在30—40g，在一秒钟内即开始减少而逐渐消失。为了减少脱离座舱后所遇到的超重，宇宙飞行员必须选择弹射的高度。应该考虑弹射出座舱后所遇到的阻力要小（飞船速度要小，外界气压要低）。
五，开伞与着陆时引起的超重。宇宙飞行员在脱离飞船座舱后，在接近地面时，以每秒数米的速度下降，此时可以打开降落伞。开伞时受到的超重为4—6g。在开伞后2—3秒内即达到安全着陆速度。在着陆时受到的超重约为4g。
其次是由向心加速度引起的超重。
一，火箭在起飞阶段是垂直向上的，以后进入与地面相平行的飞行轨道。在此转弯过程中会产生向心加速度而引起超重。但此时因飞行速度比较低，转弯半径很大，所以超重大约只有4—6g。
二，进入大气层后要自动操作使飞船准确地在指定地点着陆。在操作时如果作弧线飞行，也可以发生超重。如不做急剧动作，超重不超过4g。
从上面可以见到，在宇宙飞行的很多情况下可以引起超重。超重对人体究竟有哪些不良影响呢？
我们人类一直生活于地球表面，所以能完全适应地面的一切理化条件，其中也包括由地心引力产生的重力作用。在正常情况下，只要不产生加速度，我们是不会受到影响的。例如地球以每小时三十万公里的平均速度转动着，我们根本感觉不到。如果有很大加速度作用于人体，则会产生不良影响，甚至使人体受到损伤。为了说明超重的原因，我们先举一个例子。如果我们用木棒以一定速度打击皮球，木棒在接触皮球时，由于受到阻力，会产生加速度。这种加速度作用于皮球表面，由于结构机械张力发生改变，皮球表面发生变形，向内凹陷。木棒运动速度愈大，皮球表面变形亦愈大。如果用木棒去打击铁球，由于机械张力很大，铁球不会变形。用木棒去打击弹性很差的物体，如玻璃球时，如果木棒运动速度超过其结构强度，玻璃球就会粉碎。所以超重对物体的影响，一方面决定于加速度的大小，另一方面决定于物体结构的机械张力。超重对人体的作用原因也是这样。超重会引起人体内部组织和器官的变形和移位，器官和组织的移位和变形程度一方面决定于超重的大小，另一方面决定于组织和器官的特点。
决定超重影响程度的主要有三种因素，即方向、强度和时间。现分别叙述于后。
人类在地面上生活时，一般处于直立的位置，习惯于从头到骨盆的方向的重力作用，而对从骨盆到头的方向的重力作用耐力最差。如果将我们倒挂起来，立刻会感到不舒服，头晕、眼花，周围所看到的物体变成红色（所谓红视）。人们耐受从头到骨盆的方向的超重能力较好，而以耐受横方向的超重为最好。从超重值来说，人们可以耐受从头到骨盆的方向的超重约3．5—4．5g，超过以上强度，可以丧失工作能力。从时间方面来看，超重值愈大则耐受时间愈短。例如，从胸到背的方向超重值为2g，可以耐受三十分钟，3g，可以耐受十四分钟，8g，则只有41秒钟。作用时间在一秒钟以内的超重为短暂超重，10—30秒内为一般超重，大于一分钟为长时间超重。这些超重对人体影响的程度是有差别的。
在飞机上进行各种特技飞行，最常遇到的是从头到骨盆方向的超重。人们在实验室里，利用大型离心机研究此种超重对人体的影响。离心机的组成部分，是半径为三米到十米长的铁臂，铁臂一端安装有坐人的吊篮，铁臂围绕轴心旋转即产生超重，引起人体内血液位移，然后产生中枢神经系统的机能障碍，现在先讨论一下超重对血液循环系统的作用。
在正常情况下，心脏的周期收缩，维持身体各部的血液循环。四肢和内脏各部以一定的血液量回流至右心房。血液从右心室经过肺循环在气体交换后（放出二氧化碳，吸入氧气）到达左心房，然后到左心室。左心室收缩，产生很大压力（在一百二十毫米汞柱左右），将血液经主动脉送到身体各部。血液流到肢体和脏器小动脉时，血压降到七十至八十毫米汞柱，如果血压低于十至二十五毫米汞柱，血流发生停滞，组织因得不到氧气，而失去活动能力。在血压低于四十至六十毫米汞柱，则不能保证身体各部血液的供应而产生休克现象。人体是怎样调节血压变化的呢？在人体循环系统大的动静脉血管上有许多能感受压力的受纳器，这种受纳器将身体各部有关血压的情况传至神经中枢，引起血管舒张或收缩以调节血压。例如在颈部颈总动脉交叉处有颈动脉窦，血压降低，颈动脉窦压力受纳器即将信息传递至神经中枢，引起全身血管收缩，心跳加强，使血压升高，有时肢体和脏部局部会发生血压增高，这时血液内液体就会从血管外渗，发生局部水肿，引起失水现象。总的血液量减少，也会引起循环障碍。
超重能使血液循环机能发生变化。我们知道，血液是一种液体组织，它和周围组织（血管）没有固定的联系。超重时血液即向身体下部血管移动。血压能力不足，这些血液就淤积于下肢和腹部，静脉内血液向心脏回流量亦减少。同时由于超重作用，血液向头部流动发生困难，也引起机体功能失调。头部血压降低到二十五毫米汞柱以下，就会引起眼底血管贫血，首先影响人的视觉。先是周围发灰发暗，逐渐中央部分发灰发暗，以至完全丧失视觉。超重值再增加，会引起脑部贫血，使人意识模糊，以至完全丧失知觉。有些有经验的飞行员，逢到超重就咬紧牙关，全身肌肉用力，使身体下部血液淤积程度减少，静脉向心脏的回流量增加。这样可以提高超重耐力1g左右。
在超重作用时神经中枢机能情况是很重要的，超重时身体各部组织和脏器发生不同程度的移位和变形，通过神经传递至中枢神经系统，增强中枢神经系统的兴奋性使心脏能力增加，全身肌肉张力增强。我们在坐电梯上升时会体会到这种轻微的变化。超重逐渐增加到3．5—4．5g，传到神经中枢的冲动太强烈，而同时神经中枢由于血液供应不足而机能情况降低。在这两种因素的共同影响下，神经中枢功能减退，表现为工作能力降低，甚至有失去知觉等现象。
人体的超重耐受能力，对于飞机和宇宙飞船要求来说实在是太低了。所以科学家们研究了很多方法，以提高人体对超重的耐力。第一种方法是锻炼，例如利用体育锻炼提高肌肉强度和循环系统的代偿能力。更主要的是按一定制度，像宇宙飞行员加加林少校所叙述的，在离心机上进行超重耐力锻炼，以增进人体各器官代偿作用和协调作用。这种方法可以提高耐力约2—3g。其次是制作特殊的抗超重服装。服装腹部有一个气囊，下肢两侧也各有气囊。超重时，加压系统向腹部和下肢部施加压力，这样就增加流向肢体下部的阻力，帮助血液向右心回流，减少腹部脏器下垂。这种抗超重服可以提高1．5—2g不等。
有了以上措施，虽然能够解决一般飞机飞行中所发生的超重影响（作用时间不超过三十秒），但是还不能解决在宇宙飞行时所发生的超重问题。在火箭起飞时，每级火箭发动机所产生的超重值较高，时间又长。所以除了锻炼和使用适当的服装以外，科学家们又采用了改变体位的方法来提高对超重的耐力。
采用什么样的体位才能解决宇宙飞船起飞时的超重问题呢？经过研究，认为飞行员最好是仰卧，上身向上倾斜二十度到四十度，而下肢向上微屈。飞行员座椅可以随着超重的增加而改变飞行员的体位，使超重作用方向垂直于身体纵轴，这样不但可以使飞行员提高对超重的耐力，而且还能使飞行员阅读仪表，操纵飞行。这些要求在飞船进入大气层时更为重要。
飞船进入大气层到达一定高度，要弹射出座舱。根据估计，座舱内压力相当于一个大气压，除非在进入大气层后座舱内进行减压，否则弹射高度以在三千至四千米或更低较为合适。根据一般的弹射技术和医务保证情况，飞行在一点五倍音速以下进行弹射较为安全。飞行员弹出座舱后，必须有良好的防护设备，以耐受强大的气流作用。
失重就是没有重量。宇宙飞船沿着一个大弧线围绕地球飞行，会产生向心加速度，飞行速度为7．8公里／秒时，其向心加速度为9．8米／秒2。与地心引力产生加速度值相等，而方向相反。因此人的质量虽然没有变化，而重量就等于零了。从理论上来说，是可以达到完全失重的。如果在人造卫星上要引起完全失重，必须围绕地心作一个绝对圆形的轨迹飞行，而且永远不失去高度等条件。
在生活中也会遇到部分失重的情况，尝到部分失重的滋味。例如乘电梯快速下降，荡秋千时停于最高点的瞬间，以及从高处往下跳的瞬间，都会产生部分失重，有时因为全身肌肉紧张，所以感觉不出来。
失重时到底有什么生理反应呢？为什么加加林和季托夫要一再强调失重时“感觉良好”呢？
由于人类一直生活在地球上，已经完全适应了一倍超重的作用。平时承受重量的肌肉，身体各部皮肤，以及内耳的前庭器官，由于重力的作用，不断向神经中枢报告，使神经中枢可以判断出所处的位置。失重时，这些感觉突然消失就会引起错觉，而不能辨别自己所处的位置，此外还会产生很不舒服的感觉，正像我们第一次坐电梯一样。但在电梯上仅失去零点三倍重量，作用时间仅有十分之一、二秒。幸而人体是具有强大的适应能力的。经过一定的锻炼，这种感觉就会减少或完全消失。尤其在视觉帮助下，能迅速纠正各种错觉。
由于感觉不正常，我们的协调动作也会失去准确性，如用手指去指某一点时，往往会点得过高，必须经过几次纠正才能点准，所以不经过训练，在失重条件下飞行员是无法准确地操纵驾驶杆的。在失重状态时，身体也没有重量，只要轻轻一动，就会在空中飘摇不定。有人认为飞行员需要用手扶着栏杆走路，或是用磁铁鞋吸在地面上，人工造成重量而便于行动。失重后血液也会失去重量，因而血管内感受到血压就会有区别。此时头部血压会增高，而下肢则会减低。这在血压调节上会引起困难。宇宙飞行的实践证明，这些也会很快适应，不会有很大的影响。
还有一个很有兴趣的问题，就是在失重时的饮食问题。失重时，水和气体因为同样没有重量而不能分开，因此在吞咽时水份和气体也分不开。尽管从理论上来说，完全可以达到绝对失重，事实上绝对失重是不易出现的。因此，只要慢慢吞咽，是可以避免吞入大量气体的。消化道运送食物也不会发生困难。由于物体失去了绝大部分重量，物体落速降低，所以不能食用粉剂，以免随气流吸入肺内。在宇宙飞行时食物需做成膏剂，从“牙膏管”内压送入口腔。
要进行人体适应失重的训练，首先要研究失重的规律。飞机作抛物线飞行时，只能造成10—20秒的失重。利用直上直下的弹道火箭，可以造成几分钟的失重。至于像“东方一号”和“东方二号”中的长时间失重，则不是一个简单的问题。
在我们祝贺“东方二号”胜利完成任务的时候，可以从以上超重和失重这样两个比较简单的重力生理学问题上看到它的伟大成就。