着陆冲击生物力学

在航空航天飞行过程中，飞行人员会遇到各种特殊的力学环境，着陆冲击就是其中必须给予特别重视的力学环境。在这种环境下作用于人体的冲击力，对乘员的安全影响极大，着陆安全已是决定航空航天飞行是否成功的主要环节之一。在正常情况下，飞船乘降落伞的着地速度是6～8 m/s，设计上要求一般不超过10 m/s，着水速度可高达20～30 m/s，目前的缓冲技术尚能够保证乘员的安全。但在应急情况下，如降落伞或缓冲火箭发动机出现故障、民航飞机发生意外时，则后果就比较严重。比如苏联“联盟1 号”飞船于1967 年4月24 日升上太空，24 h 后，因为返回地球过程中主伞没有打开，航天员弗拉基米尔·科马罗夫遇难身亡。又如2014 年10 月31 日，维珍银河公司商业宇宙飞船“宇宙飞船二号”在美国加利福尼亚州的沙漠地带坠毁，一人死亡，另一人受伤。40 年来，全球共发生了9 次重大航天事故，死亡人数约600 人，其中包括22 名航天员。飞机发生坠地更是时有发生，仅2018 年前三个月，全球就发生3 起严重飞机坠毁事件，2 月11 日，俄罗斯一架安−148 飞机坠毁，机上71 人全部遇难；2 月18 日，伊朗一架ATR−72 双涡轮螺旋桨客机坠毁，机上65 人全部遇难；3 月12 日，孟加拉国一架客机在尼泊尔加德满都特里布万国际机场降落时坠毁，49 人遇难。我国自1982 年至2004 年发生了17 次空难，严重的一次是2002 年5 月25 日，台湾“中华航空公司”C1611 班机在澎湖附近海域坠机，机上乘客和机组人员共225 人全部遇难。着陆冲击力就其力的作用特点来说，作用时间短，一般小于1 s，但其量值却可以很大。具有这一特点的作用力在跳伞、车辆碰撞和高空坠落等事故中均普遍存在。全球发生的交通死亡人数无法统计，单就我国来说，据2015 年5 月世界卫生组织表示，每年的交通事故死亡人数超过20 万。其他在建筑业的“三大伤害”——高处坠落、坍塌和物体打击中，冲击力造成的伤害所占比例在80%以上。所以，研究冲击力对人体造成的伤害，不仅是保障飞行人员的着陆安全，也是减少或减轻社会各种冲击力伤害的迫切需要。
飞行器坠地时，由于运动速度突然消失，人体承受着较大的冲击过载，造成人员损伤的危险极大。人是空中飞行活动的核心，为保证着陆过程中人员的健康和安全，人们开展了广泛的研究，所涉及的基础研究包括冲击损伤机理、和组织的力学响应、人体动力学模型和人体冲击耐受性等；应用研究包括医学评价与防护、损伤防止、控制和治疗、人体代用品等。本书汇集了国内外学者在这方面的研究成果，虽然本书主要阐述的是航空航天着陆冲击问题，但是这些问题在交通事故或其他腾空落地的运动、高空坠落等事故中均普遍存在，因此，本书介绍的理论和方法具有广泛的适用性。本书编写的宗旨是强调科学性、实用性和新颖性，主要目的是阐明在飞行器着陆过程中，机体对冲击力作用的响应规律、耐受限度及应采取的防护措施，为防护装备的研制及生理鉴定提供重要依据。
全书共分为8 章。第1 章主要阐述着陆冲击生物力学的概念、研究内容和方法、历史渊源，以及目前国内外的研究进展；第2 章主要介绍力学基本概念、人体骨骼肌肉系统解剖和生物力学基础知识；第3～6 章分别介绍着陆冲击的生物学响应、冲击损伤机制、人体冲击耐限、防护技术；第7 章介绍常用测量技术；第8 章介绍试验技术及仿真分析。在附录中，给出NASA 3001 标准中有关加速度部分的内容。本书内容全面、层次清楚，是一部学术性、原创性和可读性均较强的著作，可作为从事航空、航天事业及相关的生命科学、工程专业技
术人员和高等院校师生的参考书。
本书在编写过程中得到了中国航天员科研训练中心各级领导的大力支持，得到中心老一辈专家王玉兰、成自龙等教授的悉心指导和帮助。本书除了介绍作者自己多年的研究成果外，还汇集了许多国内外专家和学者们公开发表的教学和科研成果，在此一并致谢。在编写过程中，尽管我们力求严谨、细致和全面，并对内容多次进行修改和审核，但也难免存在不少缺点和不足，诚恳希望读者、专家与同行不吝指正，以臻完善。

着陆冲击是载人航天飞行中必然会遇到的动力学因素之一，直接威胁航天员的生命安全和载人航天任务的成败。因此，世界各国都非常重视载人飞行着陆安全问题的研究。本书汇集了国内、外学者在这一领域的研究成果，并由浅入深、图文并茂地介绍了基本概念、基本理论和实用技术。全书系统地阐明了在飞行器着陆过程中机体对冲击力作用的响应规律、耐受限度以及应采取的防护措施等。这些研究成果将为防护装备的研制及生理鉴定提供重要依据。本书介绍的理论和方法可应用与交通事故、腾空落地的体育运动、高空坠落等冲击损伤研究及事故分析领域，也可作为航空航天医学工程研究人员的理论参考书和工具书，也可作为相关领域高年级本科生和研究生的教科书。

着陆冲击是载人航天飞行中必然会遇到的动力学因素之一，直接威胁航天员的生命安全和载人航天任务的成败。因此，世界各国都非常重视载人飞行着陆安全问题的研究。本书汇集了国内、外学者在这一领域的研究成果，并由浅入深、图文并茂地介绍了基本概念、基本理论和实用技术。全书系统地阐明了在飞行器着陆过程中机体对冲击力作用的响应规律、耐受限度以及应采取的防护措施等。这些研究成果将为防护装备的研制及生理鉴定提供重要依据。本书介绍的理论和方法可应用与交通事故、腾空落地的体育运动、高空坠落等冲击损伤研究及事故分析领域，也可作为航空航天医学工程研究人员的理论参考书和工具书，也可作为相关领域高年级本科生和研究生的教科书。

马红磊，博士，研究员，博士生导师，航天生物力学专家，长期从事航天生物动力学、航天环境医学、材料力学等学科研究工作，主持国家自然基金、航空预先研究、载人航天预先研究等十余项课题，发表论文六十余篇，SCI收录二十余篇，授权专利十余项。

章 概论 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 001
节 定义 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 002
第二节 研究内容 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 003
第三节 研究方法 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 005
第四节 常用数学模型 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 009
第五节 研究历史与发展趋势 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 013
第二章 基础知识 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 019
节 人体骨骼解剖学 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 020
第二节 软组织的功能解剖 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 041
第三节 骨的力学性质 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 047
第四节 软骨的力学性质 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 054
第五节 软组织的力学性质 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 056
第六节 脊柱的力学性质 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 064
第三章 人体生物力学响应 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 071
节 冲击生物力学的基本参数 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 072
第二节 着陆冲击作用下人体的生物力学响应 •••••••••••••••••••••••••••••• 086
第三节 头部冲击生物力学响应 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 092
第四节 脊柱冲击生物力学响应 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 093
第五节 胸部冲击生物力学响应 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 095
第六节 腹部冲击生物力学响应 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 097
第七节 骨盆和下肢的冲击生物力学响应 •••••••••••••••••••••••••••••••••••• 097
第八节 上肢的冲击生物力学响应 &bul