別只看載人航天器安全著陸！這些“力學效應”才是對航天員的真正考驗

北京時間2025年11月14日17時21分，

神舟二十號航天員安全順利出艙，健康狀態良好，

神舟二十號航天員乘組的太空之旅順利結束。

載人航天任務是人類探索宇宙的重要途徑，它不僅體現了一個國家在航天科技領域的綜合實力，也展現了人類探索未知、挑戰極限的勇氣。自20世紀60年代人類首次進入太空以來，載人航天技術經歷了從起步到成熟的過程，但隨之而來的是對航天員身體和心理極限的嚴峻考驗。

在載人航天任務中，航天員要面對極端的復雜力學環境，如超重、沖擊、振動、旋轉等。這些環境因素對航天員的身體機能和心理狀態都提出了極高的要求。特別是EDL(entry，descent and landing)過程，即航天器進入大氣層、下降和著陸的階段，被認為是整個任務中最危險和最具挑戰性的環節。在這一過程中，航天員需要承受高達數倍于地球重力的過載，同時還要應對可能的旋轉和沖擊，這對航天員的身體造成了極大的壓力。

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超重環境對人體的影響

超重環境是航天員在航天飛行過程中必須面對的一種極端條件，它對人體健康有著顯著的影響。當飛船從地面發射并升空時，為了克服地球的引力束縛，必須在短時間內將速度提升至第一宇宙速度。在這個加速過程中，飛船及其內部的航天員會經歷超重狀態。

載人離心機整體俯視圖（上）；載人離心機吊艙側視圖（下）

不同形式、功能的大型載人離心機，已成為國際上航天員超重訓練及超重航天醫學研究的常用設備。圖為中國航天員科研訓練中心研發的98型載人離心機，便是大型載人離心機的杰出代表

在超重力的作用下，航天員體內的體液會因加速度的增加而重新分配和轉移。這種體液的重新分配導致體內各組織器官出現牽拉變形和擠壓位移的現象。由于這種變形和位移，人體中負責感知位置和運動的傳感器，如耳內的前庭器官，其向中樞神經系統傳遞的信息功能也會發生變化。

這些變化會對航天員的多個生理系統產生影響。如果超重載荷過大或持續時間過長，航天員甚至可能遭遇更為嚴重的癥狀，如暈厥或意識的短暫喪失。在極端情況下，超重環境可能對航天員的生命安全構成威脅，具體表現在以下幾個關鍵方面。

1.心血管系統的變化

在超重狀態下，航天員的體液分布會發生顯著變化。大約有2 升體液從下半身轉移至上半身，導致面部充血，俗稱月亮臉。此外，身體上部靜脈壓和毛細血管流體靜壓增加，引起體液由毛細血管內向血管外轉移。由于血漿體積減小和外周阻力降低，航天員心臟體積可能會減小。在超重過載情況下，每增加1

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2.視覺和呼吸功能的影響

超重環境可能導致眼內壓力變化，影響視網膜血流，甚至在意識喪失之前就可能出現昏迷、灰暗和隧道視力等眼部癥狀。同時，由于胸廓和肺壓力的增加，呼吸功能可能受到影響。

3.神經-體液調節變化

長期航天飛行的航天員返回時血液循環中腎上腺素水平升高，但心血管對腎上腺素的響應卻減弱，這可能是立位耐力不良發生的重要原因。

4.心律失常問題

心律失常也是航天員在超重環境下可能面臨的問題，這可能與失重、血鉀降低、心理生理應激、睡眠不良等因素有關。

因此，了解和研究超重環境對人體的影響對于航天醫學至關重要。通過模擬超重環境的訓練和醫學研究，可以開發出有效的防護措施和適應性訓練，以減輕超重對航天員健康的負面影響，確保航天任務的順利進行和航天員的安全。

02

失重環境對人體的影響

當載人飛行器成功進入預定軌道，并開始圍繞地球進行圓周運動時，飛行器本身及其內的航天員都會進入一種失重狀態。這種狀態對航天員的身體產生了深遠的影響，特別是對體內的流體行為，這些行為在失重環境下與地面環境相比有著顯著的差異。

模擬失重訓練水槽及水下訓練場景

中國航天員科研訓練中心的模擬失重訓練水槽是一個中性浮力模擬設備。它是一個直徑達到23m，擁有10m有效水深的圓筒形結構設備，采用強度高且耐腐蝕的不銹鋼材料制作而成。圖展示了我國模擬失重訓練水槽及航天員水下訓練場景。

失重環境對人體的影響是多方面的，具體表現在以下幾個關鍵方面。

1.心血管系統的調整

在失重狀態下，由于缺乏重力的引導，體液特別是血液會從下肢向上部轉移，尤其是向頭部。這種體液的重新分布可能導致面部浮腫，同時增加了頭部的血容量，可能引起心血管系統的壓力感受器做出調整，從而影響心率和血壓的調節。此外，由于血流量的重新分布，心臟可能不需要像在地面上那樣努力工作來維持循環，這可能導致心臟體積減小，影響其泵血能力。

2.肌肉和骨骼的變化

失重環境下，由于缺乏地面活動時的重力負荷，肌肉和骨骼不再承受正常的應力和負荷。這會導致肌肉逐漸萎縮，特別是負責支持身體和運動的下肢肌肉。同時，骨骼也會因為缺乏負荷而逐漸失去礦物質，導致骨質疏松癥，增加了骨折的風險。

被動式外骨骼重力補償系統

3.前庭系統的紊亂

前庭系統負責維持身體的平衡和空間定位感。在失重環境中，由于缺少重力的定向作用，前庭系統可能無法正確地感知身體的位置和運動，這可能導致空間運動病，癥狀包括眩暈、惡心和嘔吐。

4.免疫功能的抑制

失重環境可能影響免疫系統的功能，導致免疫功能降低。這可能使航天員更容易受到感染，且恢復時間可能比在地面上更長。

5.內分泌系統的改變

失重環境可能影響內分泌系統的正常運作，導致激素水平的變化，使人體的免疫功能降低，影響身體對疾病的抵抗力。同時激素水平的變化還可能會影響航天員的情緒、能量代謝和骨代謝等。

6.立位耐力的降低

在失重狀態下，由于心血管系統的調整和體液的重新分布，航天員在返回地面或站立時可能會遇到立位耐力降低的問題，表現為頭暈、心率加快，甚至暈厥。這些影響凸顯了在設計載人航天任務時，需要考慮航天員的健康和安全，并采取相應的防護措施，如制訂科學的鍛煉計劃、營養補充、藥物干預等，以減輕失重環境對人體的不良影響。通過這些措施，可以有效地保護航天員的健康，確保他們能夠在太空環境中有效地工作和生活。

03

振動和沖擊對人體的影響

航天員在執行航天任務期間，會面臨多種環境挑戰，其中振動和沖擊是尤為關鍵的因素，它們對人體的心理和生理健康有著顯著的影響。

1.振動的影響

發射階段，航天員會經歷由運載火箭推進系統和氣動力引起的高強度振動。這種振動的頻率和幅度可能會對航天員的骨骼和臟器造成影響，尤其是在脊柱和關節等部位。還可能會干擾航天員的視覺穩定性和通話清晰度，影響操作能力和任務執行的精確性。

國內臥姿人體電液振動實驗

電液振動臺屬于低頻振動實驗臺，與高頻振動的電動振動臺相比，能夠產生大推力和大位移振動，更適合載人振動實驗，圖為國內臥姿人體電液振動實驗場景。

在軌飛行時，航天器內部的動力設備運行也會產生振動，這些振動雖不如發射階段強烈，但長期暴露在振動環境中，會引起人睡眠效率降低，身體疲勞，工作效率降低，甚至可能導致心理壓力和情緒波動。主要原因是振動導致盤狀組織所承受的以及擴散到盤狀組織的機械應力過度，進一步可能會導致腰部各部分組織的退化(脊柱變形、椎骨間軟骨炎、關節變形)，長期振動環境會使腰部脊柱及相連的神經系統患病的危險增加。

長期在軌駐留期間，航天員可能會使用手持動力工具進行安裝、維修等工作。手部長期暴露于手持工具傳遞的高強振動環境，會引起手部組織病變的健康風險增加。過度手傳振動可能引起手指血管失調及手和手臂的神經及運動能力失調。手指血管失調嚴重時可能導致振動性白指，可能感到觸覺完全喪失，反復和嚴重的白指引起指尖皮膚潰瘍。過度暴露于振動環境還可能引起嵌壓性神經病，如腕管綜合征、上肢腱鞘炎，會引起內耳供血血管收縮從而導致聽力損害，以及與腦中樞機能障礙有關的頭疼、易怒、睡眠障礙等表現和癥狀。

2.沖擊對人體的影響

沖擊環境，主要來自飛船發射階段可能出現的應急逃逸救生、載人飛船軌返分離、返回時開傘減速、反推減速以及最終的著陸或濺落過程。這些過程中產生的高

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跌落式水剎車沖擊塔

沖擊環境模擬是航天領域中一項至關重要的技術，它專注于重現航天器在發射、返回和著陸過程中可能遭遇的各種沖擊條件。在中國航天員科研訓練中心，有一臺獨特的設備——跌落式水剎車沖擊塔，它專門用于模擬這些沖擊環境。這臺設備是國內最早的大型載人沖擊環境模擬設備，如圖所示，其塔架高達15.5 m，提供了充足的空間以模擬真實的沖擊條件。

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旋轉對人體的影響

旋轉因素對人體的影響主要是由角加速度和徑向加速度共同作用，前者刺激人的前庭器官，引起植物神經反應，使人眩暈、惡心、嘔吐或失去定向能力，后者則使血液向慣性力方向轉移，使人產生類似正、負加速度作用的生理反應。具體影響因素還有旋轉速率、旋轉中心、旋轉軸向以及持續時間等。旋轉軸(俯仰、偏航、滾轉)旋轉速率越大、持續時間越長，對人的負面影響就越大。人體

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立位轉床

依賴于軸、方向、旋轉速率，旋轉效應的變化范圍很大。在雙子星座8號任務期間，一個失控的助推器引起左滾和偏航達幾分鐘，太空艙達到300°/s(50 r/min)持續46s。乘員頭暈眼花，他們的視力模糊且接近黑視點，這使得他們很難看到頭頂上面板的刻度。太空艙最終從旋轉中恢復姿態，但是停止助推器和恢復姿態過程使用了大量的燃料，導致飛行任務提前終止。

通過在地面上模擬太空中的各種環境條件，不僅可以有效地開展航天醫學研究工作，還可以使航天員能夠在類似的太空環境中進行訓練和適應鍛煉，而且科學家和工程師可以更好地了解航天員在太空環境中的生理和心理反應，從而設計出更加安全和有效的航天器和訓練程序。載人航天環境模擬技術，尤其復合動力學航天環境模擬技術的發展對于進一步提高航天員的安全性，優化航天器設計，以及推動航天醫學學科發展具有重要意義。隨著技術的不斷進步和創新，我們有理由相信，未來的載人航天任務將會更加安全、高效，為人類探索宇宙的旅程提供更加堅實的基礎。

本文摘編自《 航天復合動力環境生物力學》（馬紅磊等著.北京: 科學出版社, 2025. 12）一書“第1 章 緒論”，有刪減修改，標題為編者所加。

責任編輯：郭 媛 楊 然

本書闡述航天復合動力學環境的模擬技術和生物效應等，主要內容包括目前主要航天力學環境模擬研究的平臺和方法、創新研究平臺的設計、典型航天復合動力學環境因素生物效應研究、部分航天生物動力學物理防護技術等。

本書適合航空航天相關專業領域科技人員及高校相關專業研究生參考使用。

（本文編輯：劉四旦）

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