Глава 2. Влияние динамических факторов космического полета на организм человека

Во время космического полета на человека оказывают действие, помимо комплекса факторов внешней среды, в которой протекает полет космического объекта (статические факторы полета), также и факторы, обусловленные динамикой полета. К ним в первую очередь относятся ускорения и обусловливаемые ими перегрузки, вибрации, невесомость, шум, оказывающие воздействие как на конструкцию корабля, так и на его обитателей.

В зависимости от продолжительности и назначения космического полета влияние тех или иных динамических факторов проявляется в разной степени. При изучении их влияния на космонавта особое внимание обращается на повышение устойчивости организма к экстремальным воздействиям, а также на разработку мер безопасности и снижения неблагоприятного влияния этих факторов на космонавта.

Ускорения

В авиационной и космической медицине в связи со специфичностью реакций организма ускорения подразделяют на ударные, т. е. кратковременные, и длительнодействующие.

Наряду с термином "ускорение" здесь используют термин "перегрузка". Перегрузка показывает, во сколько раз равнодействующая внешних сил превышает вес тела. Направление ускорения обозначают в координатах тела человека, например, голова - таз (от головы к тазу), грудь - спина и т. п.

Ударное ускорение характеризуется малой продолжительностью (менее 1 секунды) и большой скоростью нарастания перегрузки (от нескольких сот до нескольких тысяч g/сек). В космическом полете ударное ускорение возникает при катапультировании, при аварийном отделении (отстреле) капсулы с космонавтом от ракеты-носителя и, наконец, при посадке корабля. На рисунке показана установка для изучения ударных перегрузок.

Устойчивость организма к ударному приложению механических сил определяется в первую очередь прочностью органов и тканей. Нарушения функций организма при ударном ускорении могут также возникнуть на уровне микроструктур и не иметь четкой локализации в общеклиническом представлении. Непосредственно перед воздействием ускорений отмечается ряд эмоционально обусловленных реакций - повышение пульса и частоты дыхания, рост артериального давления и т. п. В ряде случаев тотчас после воздействия можно наблюдать выраженную тормозную реакцию (замедление пульса, падение артериального давления, снижение двигательной активности и т. п.). При отсутствии травматических повреждений довольно быстро наступает нормализация функций.

Длительнодействующие ускорения в космическом полете возникают при взлете и спуске космического корабля, а также иногда могут появиться во время маневров корабля в процессе полета. В лабораторных условиях с целью тренировки и для изучения влияния длительнодействующих ускорений на организм человека и животных используют специальные центрифуги.

Длительнодействующее ускорение субъективно оценивается как повышение веса тела с выраженным затруднением дыхательных движений и движений конечностей. Постепенно развивается чувство утомления. Иногда могут возникнуть боли в загрудинной и подложечной областях. Если длительнодействующее ускорение направлено по оси ноги - голова или голова - ноги, то ощущается прилив крови к лицу и боль в конечностях, усиливающаяся к кистям рук и ступням. Это явление связано с тем, что под влиянием инерционных сил происходит резкое перераспределение крови в сосудах конечностей. Если длительнодействующее ускорение направлено по оси спина - грудь или грудь - спина, использование кресла с индивидуально моделированным ложементом предохраняет пилота от указанных явлений, связанных с перераспределением крови. Если предусматривается противоположное направление длительнодействующего ускорения, то большее внимание должно быть уделено рациональному выбору привязной системы, на которой космонавт фактически повисает. Большое значение при этом приобретает фиксация головы и конечностей.

Схематическое изображение направлений ударных перегрузок но отношению к сидящему человеку: 1-6 - направления перегрузок

Ускорения изменяют функциональное состояние централь ной нервной системы, что может быть связано не только с нарушением кровоснабжения и повышенной нервной импульсацией, но и с непосредственным действием инерционных сил на ткань головного мозга. Функция зрения изменяется при поперечном направлении ускорений в меньшей степени, чем при продольном их направлении. Меньше страдает и слуховой анализатор. Его функция по дифференцированному приему информации практически сохраняется до тех пор, пока не потеряно сознание.

При тренировке на наземной катапульте приобретаются навыки управления выбрасыванием и принятия правильной позы

Установка для изучения действия ударных перегрузок (стенд для катапультирования)

Довольно часто в практике авиационной медицины в качестве критерия при оценке переносимости человеком длительнодействующих ускорений используют зрительные расстройства. Обусловлено это тем, что нарушения функции зрения в виде сужения поля зрения, возникновение "серой", а затем и "черной" пелены при продольно направленном (ноги - голова) длительнодействующем ускорении или "красной" пелены (при направлении голова - ноги) являются предвестниками потери сознания как следствия снижения уровня мозгового кровообращения. По-иному обстоит дело при поперечных длительнодействующих ускорениях. Хотя в этом случае зрительные расстройства также свидетельствуют о нарушении кровоснабжения сетчатки, однако они обусловлены в первую очередь нарушением регионарного кровообращения в сосудах глаза за счет инерционных сил, действующих в направлении лоб - затылок, и фактически не являются предвестниками снижения общего уровня мозгового кровообращения.

Изменения функционального состояния центральной нервной системы и анализаторных систем, а также затруднение в движениях конечностей при ускорениях приводят к снижению работоспособности человека. Значительно изменяется и состояние вегетативных функций. Сердечно-сосудистая система реагирует повышением частоты сердечных сокращений и артериального давления (на уровне сердца). Нарушается гемодинамика большого и малого кругов кровообращения. При больших величинах ускорения (10 g и выше), несмотря на рост потребности организма в кислороде, понижается вентиляция легких за счет уменьшения глубины дыхания. При 20-22 g дыхательный объем приближается к объему "мертвого пространства", когда вдыхаемый воздух фактически попадает не в легкие, а лишь в верхние дыхательные пути. Данные рентгенографии свидетельствуют, что в изменении функции внешнего дыхания немалая роль принадлежит изменению конфигурации и уровня стояния диафрагмы. Глубокие изменения претерпевает газообмен в организме, в том числе и в легких. Отмечаются эндокринно-гуморальные изменения, а также морфологические нарушения в органах и тканях, степень которых зависит от силы, длительности, направления и повторности ускорения. Изменяется напряжение мышечной ткани.

При исследовании влияния длительных поперечных ускорений (равных 7, 9, 10 g) на организм человека было выявлено значительное увеличение частоты дыхательных движений, а также резкое снижение дыхательного объема легких и, следовательно, легочной вентиляции.

У отдельных лиц наблюдались выраженные нарушения функции возбудимости сердца, которые проявлялись в виде единичных желудочковых экстрасистол. При этом отмечалось заметное снижение артериального давления в сосудах ушной раковины. Вследствие падения артериального давления, уменьшения потребления организмом кислорода возникала гипоксия центральной нервной системы с последующим появлением зрительных расстройств.

При поперечнодействующих ускорениях порядка 10 g происходит резкое нарушение функции внешнего дыхания, заключающееся в задержке дыхательного акта на фазе вдоха, и крайнее перенапряжение сердечно-сосудистой системы.

Длительное пребывание испытуемых с нормальной вестибулярной чувствительностью в условиях вращения вызывает функциональные изменения. При воздействии угловых ускорений, равных 30, 40, 60, 120 град/сек², у испытуемых наблюдались иллюзорные ощущения, нарушение равновесия тела, а у лиц с повышенной вестибулярной чувствительностью изменения положения головы в момент вращения или после одного-двух воздействий углового ускорения вызывали вестибуло-вегетативные реакции: общую слабость, бледность, потливость и тошноту.

Действие поперечного ускорения в 8 g длительностью 3 мин вызывало у людей падение насыщения крови кислородом на 25%. Обнаружено, что действие поперечных ускорений приводит к изменению уровня насыщения кислородом тканей головного мозга. При этом происходит изменение биоэлектрической активности мозга в зависимости от величины и времени действия ускорения.

Эффективным способом повышения переносимости ускорений является погружение человека в жидкость. Защитный механизм этого метода заключается в максимальном распределении перегрузки на всю поверхность тела. Однако применение этого метода вызывает значительные трудности с технической точки зрения.

Вибрация

Фактором механического воздействия на организм являются также вибрации, возникающие при работе двигателей космического корабля.

Вибрации - механические колебания, происходящие с частотой от одного в секунду и выше. На практике вибрация представляет собой сложные колебательные движения, чаще всего имеющие одновременно различные направления и параметры. Простейшая форма вибрации - гармонические колебания, когда тело отклоняется по синусоиде от некоторого устойчивого положения равновесия. Как известно, периодические колебательные движения характеризуются частотой, амплитудой и так называемым виброускорением. Виброускорение, или виброперегрузка, - максимальное изменение скорости в единицу времени (обычно выражается в см/сек²).

Работа двигателя и аэродинамическая нагрузка корабля создают в космическом полете вибрацию. Частота вибрации, возникающей на активном участке полета, доходит примерно до 50 гц. Величина виброперегрузки при этом не превышает 1 g. При воздействии на человека вибрация вызывает специфические ощущения сотрясения тела.

Принято делить вибрации на низкочастотные (менее 50 гц) и высокочастотные. Степень воздействия вибрации зависит от ее параметров и продолжительности, прежде всего от частоты колебаний. На колебания различной частоты организм отвечает реакциями, разными как по степени выраженности, так и по характеру. Например, низкочастотные вибрации при ограниченном распространении по телу человека вызывают расширение сосудов, а высокочастотные - их спазмы.

Низкочастотные вибрации являются специфическим раздражителем вестибулярного аппарата, приводящим при длительном воздействии к нарушению его функций.

Под влиянием вибраций претерпевают изменения функции дыхания, сердечно-сосудистой системы, пищеварения, опорно-двигательного аппарата и т. д. Нет такого органа или системы в организме человека, которые в той или иной степени не реагировали бы на вибрационное воздействие. При вибрации отмечаются закономерные изменения в использовании кислорода тканями мозга. Потребление кислорода во время вибрирования начиная с первого воздействия резко увеличивается, причем наиболее отчетливо в двигательной области коры головного мозга. После вибрации в течение первых двух часов происходит волнообразное развитие тормозного процесса, характеризующегося уменьшением потребления кислорода тканями мозга.

Длительное воздействие вибрации вызывает боль в суставах, тошноту, головную боль, общую разбитость, заметное снижение работоспособности.

Однако, так как вибрации действуют кратковременно, лишь на активном участке полета (когда работают двигатели), заметного влияния их на организм космонавтов не обнаружено.

Невесомость

Невесомость - состояние, при котором сила гравитации отсутствует или уравновешивается инерционными силами. Это наиболее специфический фактор космического полета.

Невесомость наступает на космическом корабле сразу после выключения ракетных двигателей, при переходе к орбитальному полету.

Отсутствие влияния силы тяготения в значительной степени осложняет работу человека на борту космического корабля-спутника и приводит к потере работоспособности. При этом наступает понижение мышечного тонуса, нарушается координация мышечных движений. Действие невесомости на сердечно-сосудистую систему выражается в небольшом понижении артериального давления и частоты сердцебиений с периодическим учащением пульса. Такие функции, как дыхание, глотание пищи, дефекация и мочеиспускание, не нарушаются.

Схема параболического полета самолета для воспроизведения кратковременной невесомости

Тренажер невесомости (по Мюллеру)

Научные исследования на космических кораблях позволили выбить некоторые физиологические механизмы влияния невесомости на организм человека. Было установлено, что ортостатические нарушения у человека происходят во время спуска с орбиты, а также непосредственно после посадки корабля. В этот же период выявляются Признаки ослабления тонуса мускулатуры, отмечается сердечная аритмия. Однако было бы опрометчиво в настоящее время объяснять природу этих реакций у космонавтов только предшествующим пребыванием их в состоянии невесомости. Здесь необходимы более тщательные исследования, так как к числу влияющих факторов необходимо отнести еще такие, как длительное пребывание в условиях сниженной мышечной активности, изоляции и пр.

До сих пор не было замечено изменений в психических функциях под влиянием невесомости. Отмечается, однако, возможность появления у человека в условиях невесомости пространственных иллюзий.

Изучение невесомости в лабораторных условиях затруднено тем, что ее невозможно создать искусственно. Полную невесомость в атмосфере Земли длительностью 1-2 сек можно испытать в свободном падении, когда сопротивление воздуха не сказывается из-за первоначально малой скорости падающего тела. Невесомость длительностью 30-40 сек возникает во время полетов на самолетах-лабораториях, летающих по параболическим траекториям.

Некоторое подобие статической невесомости создается, если поместить человека в бассейн с жидкостью, плотность которой равна средней плотности его тела. В этом случае гравитационные силы уравновешиваются поверхностным давлением жидкости, создающим по закону Архимеда выталкивающую силу. Следует подчеркнуть, что гравитационные рецепторы внутренних органов при этом не выключаются и, таким образом, полная имитация невесомости не достигается.

Состояние невесомости предъявляет особые требования к конструкции и оборудованию космического корабля. Так, каждый космонавт должен иметь возможность зафиксировать тело в нужном месте, чтобы не "всплыть" во время работы. Все предметы должны быть укреплены на отведенных им местах. Так как поведение жидкости при невесомости определяется силами поверхностного натяжения, для воды и других жидкостей нужны эластичные сосуды и герметичные контейнеры, предотвращающие их разбрызгивание. В связи с отсутствием при невесомости конвекционного перемешивания воздуха его циркуляция внутри кабины должна обеспечиваться вентиляторами.

Выход человека из корабля в открытое космическое пространство выдвигает на передний план новую проблему - биомеханику управления положением тела и перемещением в безопорном пространстве.

Советские ученые внесли большой вклад в изучение невесомости. Запусками животных на геофизических ракетах (начиная с 1949 г.) была доказана способность живых организмов переносить кратковременную невесомость. Полетом собаки Лайки на втором искусственном спутнике Земли была доказана переносимость длительной невесомости.

Полет Ю. А. Гагарина показал, что невесомость не опасна для организма человека. Вслед за тем Г. С. Титов провел в состоянии невесомости сутки. Последующие полеты советских и американских космонавтов подтвердили, что человек при пребывании в условиях невесомости длительностью в несколько месяцев (до 86 суток) сохраняет здоровье и хорошую работоспособность. Важные научные данные были получены во время 18-суточного полета А. Г. Николаева и В. И. Севастьянова на космическом корабле "Союз-9". Выяснилось, что в состоянии невесомости при хорошей организации труда и отдыха человек может не только нормально жить, но и эффективно выполнять сложные высококоординированные трудовые операции и длительно сохранять хорошую работоспособность. Результаты исследований показали, что после продолжительного пребывания в состоянии невесомости адаптация к земным условиям достигается более значительным напряжением регуляторных систем, чем приспособление к состоянию невесомости.

Вопрос о влиянии на человека длительной невесомости приобретает не только теоретическое, но и чисто практическое значение. Наиболее важной задачей современной науки является изыскание активных способов предотвращения вредного влияния невесомости на организм космонавта и повышения его работоспособности.