Автор: А.Р. Котовская

 

Котовская Адиля Равгатовна – заведующая лабораторией Государственного научного центра РФ – Института медико-биологических проблем РАН, доктор медицинских наук, профессор, действительный член Международной академии астронавтики, специалист в области гравитационной физиологии и медицины.

Является одним из основоположников отечественной космической биологии и медицины. Принимала непосредственное участие в исследованиях при подготовке первого полета животного (Лайки) на 2-м искусственном спутнике Земли, биологических экспериментах на кораблях-спутниках. Адиля Равгатовна проводила отбор и подготовку первого космонавта – Ю.А. Гагарина и последующих космонавтов для полетов на космических кораблях «Восток», «Восход», «Союз».

Ветеран Великой Отечественной войны, награждена двумя орденами Трудового Красного Знамени, другими отечественными и зарубежными орденами и медалями, почетный гражданин г. Тулузы.

Редколлегия журнала сердечно поздравляет Адилю Равгатовну с 90-летием со дня рождения и желает ей доброго здоровья и творческого долголетия.

 

Общие сведения об изучении действия перегрузок на организм человека

В течение многих десятилетий проблема влияния перегрузок на организм человека находится в центре внимания специалистов по авиационной и космической медицине. Этой проблеме посвящено огромное количество исследований с целью изучения характера и степени выраженности реакций со стороны разных жизненно важных систем организма при различных параметрах перегрузок, установления порогов переносимости, выявления основных механизмов расстройств, вызываемых действием перегрузок, а также разработке средств и методов повышения устойчивости организма человека к их воздействию. По всем этим вопросам накоплен большой материал, который опубликован в разных книгах [1, 2] или больших разделах, посвященных полетам на пилотируемых космических кораблях (КК) и орбитальной станции (ОС) «Мир» и Международной космической станции (МКС), а также в совместных советско-американском (1975) и российско-американском (1997) изданиях по космической биологии и медицине [3, 4].

Создание пилотируемых КК потребовало всестороннего изучения влияния на организм различных факторов космического полета (КП). Среди этих факторов существенное значение имеют перегрузки (ускорения), сопровождающие любой КП. Перегрузки являются специфическим и неотъемлемым фактором, предъявляющим организму человека повышенные требования. Поэтому сохранение хорошего состояния здоровья, высокой работоспособности и надежности каждого космонавта при выведении КК на орбиту и особенно при возвращении на Землю после предшествующего пребывания в невесомости является главной задачей медицинского обеспечения каждого КП.

 

Подготовка к первому полету человека в космос

Первому полету человека в космос предшествовала подготовительная научно-исследовательская и опытно-конструкторская работа на Земле.

Биологические эксперименты с собаками доказали возможность не только длительного пребывания в невесомости, но и успешного возвращения на Землю. Период 1958–1960 гг. – это время особой значимости, так как в Институте авиационной медицины Министерства обороны СССР, который позже получил название Государственный научно-исследовательский испытательный институт авиационной и космической медицины (ГНИИАиКМ), началась подготовка к первому полету человека в космос. Одновременно проводилась работа с людьми и эксперименты с животными. Предстояло решить новые и трудные задачи: определить для будущих космонавтов оптимальную позу в кресле применительно к действию перегрузок при выведении корабля на орбиту и спуске на Землю. Кроме того, необходимо было разработать систему медицинского отбора человека для полета в космос, а также систему подготовки человека к первому космическому полету. Отбор и подготовка человека к КП и сейчас непростая проблема. Подготовить же человека к первому полету было неизмеримо сложнее, так как не существовало готовых схем и рецептов, а предыдущий опыт авиационной медицины был хотя и полезен, но явно недостаточен. Для полетов в космос необходим был крайне строгий и научно обоснованный отбор людей для еще несуществующей профессии.

Выполнение подготовительных исследований являлось ключевым положением, так как к приезду первых кандидатов в космонавты в Москву должны были быть решены принципы построения схем, режимов, критериев оценки состояния здоровья и переносимости факторов, с которыми может встретиться человек в КП, и другие немаловажные вопросы отбора и подготовки к первому полету человека в космос. Оглядываясь назад в то время, следует признать, что была некоторая перестраховка. Но она была оправданна, потому что только так можно отобрать совершенно безупречно здоровых людей. К отбору для первых КП были допущены только летчики, имевшие опыт пилотирования современных реактивных самолетов. Связано это с тем, что требования к профессии космонавта оказались наиболее близкими к требованиям профессии летчика истребительной авиации. По медицинским и летным книжкам из более чем 3 тысяч человек были выбраны подходящие кандидаты и отобраны в первую группу, как теперь говорят, в группу «гагаринского набора», только 20 человек. В процессе отбора, а затем и подготовки к первому полету кандидаты в космонавты подвергались почти всем воздействиям, которые могли их ждать в полете (вибрации, перегрузки, гипоксия, повышенная температура, изоляция, катапультирование и т.д.).

Необходимо подчеркнуть, что в основу отбора и подготовки первых космонавтов было заложено следующее требование С.П. Королева: «...к моменту старта космического корабля в его кабине должен находиться пилот, способный выполнить куда более сложный полет, чем тот, который ему предстоит».

В Институте авиационной медицины и Центральном научно-исследовательском авиационном госпитале Министерства обороны СССР (ЦНИАГ) находились одинаковые трофейные центрифуги, вывезенные из Германии после окончания Великой Отечественной войны. Стараниями инженерно-технического персонала института одна центрифуга была «усилена» и усовершенствована, чтобы обеспечить нужную позу человека в кресле центрифуги, а также безопасность испытуемых и персонала при воздействии перегрузок значительно больших величин, чем обычно требовалось врачам госпиталя для медицинской экспертизы переносимости продольных перегрузок летного состава авиации.

В соответствии с общими принципами отбора людей для новой профессии космонавта медицинское обследование появившихся в начале 1960 г. первых 20 человек проводилось по правилу «от простого к сложному» или «от легкого к тяжелому». Это означало, что вначале выполнялось общеклиническое обследование здоровья человека, а затем определялся «запас прочности» и резервные возможности его организма при предъявлении различных функциональных проб и испытаний на специальных стендах, имитирующих действие различных факторов полета. Допуск к испытаниям на центрифуге по своей очередности был последним. Поэтому только летом 1960 г. на центрифуге появились первые кандидаты в космонавты, среди которых был и Юрий Гагарин.

Предстояло решить трудные задачи: определить устойчивость к перегрузкам, отобрать наиболее устойчивых к их воздействию, провести подготовку и тренировку к действию перегрузок, которые ждут космонавтов на участке выведения корабля «Восток» на орбиту и при его спуске на Землю.

 

Первые отечественные исследования по переносимости человеком перегрузок на Земле

В нашей стране в связи с отбором и подготовкой человека для первого полета в космос экспериментальные исследования при действии перегрузок начались в 1958 г. на центрифуге (ЦФ) радиусом 3,6 м, которая располагалась на базе ЦНИАГ.

Основные вопросы, связанные с действием перегрузок при полете в космос, необходимо было решить на ЦФ в возможно короткие сроки с участием испытателей, еще до появления первых кандидатов в космонавты. И эти исследования были выполнены. В результате были решены принципы построения программы разных режимов действия перегрузок, определены изменения основных физиологических систем организма, а также критерии оценки переносимости человеком перегрузок. В период с лета до осени 1960 г. на той же ЦФ военного авиационного госпиталя был осуществлен отбор к действию перегрузок первых кандидатов в космонавты. Это были 20 здоровых мужчин в возрасте 25–30 лет, которые подвергались на ЦФ воздействию поперечных перегрузок направления «грудь – спина» (+Gx) в кресле космонавта с углом наклона спинки кресла 65° от вектора ускорений. Все 20 человек подвергались воздействию перегрузок 7 ед. – 3 мин, 9 ед. – 3 мин и 10 ед. – 3 мин, а также 6 человек (из 20) – перегрузкам 12 ед. в течение 30 с. Цикл вращений на ЦФ завершался определением переносимости космонавтами перегрузок применительно к участкам выведения КК «Восток» на орбиту и спуску его на Землю. До и после каждого испытания на ЦФ проводился тщательный клинический осмотр. Переносимость упомянутых режимов перегрузок в ходе вращения лимитировали такие показатели, как зрительные нарушения в виде «серой» или «черной пелены», увеличение времени реакции на предъявляемые сигналы до 0,8–1,0 с, что являлось предвестником обморока, различные нарушения сердечного ритма в виде появления на ЭКГ множественных одиночных, множественных политопных экстрасистол, снижение артериального давления до 40 мм рт. ст. в сосудах мочки уха или снижение уровня плетизмограммы в сосудах мочки уха до 25 % и ниже от фоновых величин, снижение остроты зрения и сильные болевые ощущения за грудиной на фоне затруднения дыхания, а также резко выраженные вестибуловегетативные явления в последействии.

Анализ объективных физиологических данных, субъективные ощущения человека при действии перегрузок и медицинская оценка общего состояния каждого человека после окончания действия перегрузок на ЦФ позволили распределить их по переносимости перегрузок на 3 группы: лиц с хорошей, удовлетворительной и плохой устойчивостью к действию перегрузок упомянутых режимов. Кроме того, очень важными оказались результаты клинических анализов крови и мочи, а также обследования органов малого таза (состояние простаты). В конечном итоге по медицинским показаниям 2 человека были отчислены из первой группы кандидатов в космонавты и отстранены от дальнейших обследований.

Таким образом, первые кандидаты в космонавты подвергались на ЦФ большим по величине и длительности перегрузкам. Величины и режимы перегрузок были получены из ОКБ-1, которым руководил С.П. Королев. Величины перегрузок 9 и 10 ед. соответствовали штатному режиму перегрузок на спуске корабля «Восток» на Землю, а перегрузка величиной 12 ед. – баллистическому спуску. Работы на ЦФ проводились в условиях строжайшей секретности, а первые краткие результаты были опубликованы только в 1962 г. [5].

Самым важным для исполнителей этих работ явился очевидный факт, что поза человека в кресле космонавта корабля «Восток» не является оптимальной с точки зрения переносимости перегрузок «грудь – спина». Поэтому после окончания КП Ю.А. Гагарина и Г.С. Титова осенью 1961 г. на той же ЦФ специалистами ГНИИАиКМ и авиационного госпиталя с участием 6 испытателей была проведена экспериментальная работа, специально посвященная определению оптимальной позы человека в кресле космонавта при действии поперечных перегрузок (+Gx). Экспериментальные исследования выполнялись при разных углах наклона спинки кресла относительно вектора ускорений: 70, 80 и 90°. При выборе оптимального положения тела в кресле космонавта руководствовались результатами испытаний, которые свидетельствовали о максимальном уменьшении тех нарушений, которые были выявлены при позе человека в кресле под углом наклона спинки кресла 65° от вектора ускорений. Результаты исследований при угле 70° мало отличались от результатов, полученных ранее при позе 65° от вектора ускорений. При позе 90° загрудинные боли и диспноэ не позволяли использовать эту позу. Полученные нами результаты свидетельствовали о том, что оптимальной позой для человека в кресле космонавта следует считать положение тела при наклоне спинки кресла на 78–80° от вектора ускорений и поднятыми на уровень глаз коленями, что представляло собой наилучший компромисс для перегрузок направления +Gx («грудь – спина»). Различие в переносимости перегрузок в кресле с углом 65 и 80° от вектора ускорений определялось тем, что составляющая перегрузок «голова – таз» в первом случае составляла 40 %, а во втором – 18–20 %.

Впервые в этой позе находились космонавты на КК «Восход» и «Восход-2» и на всех последующих КК типа «Союз» [5]. При первых пилотируемых полетах американских астронавтов также было использовано кресло с углом наклона спинки кресла 65° от вектора ускорений.

В 1962 г. в ГНИИАиКМ была установлена новая ЦФ радиусом 7,25 м шведского производства. Поэтому на этой ЦФ выполнялись все дальнейшие работы, связанные с воздействием перегрузок применительно к полетам в космос, а именно отбор и подготовка космонавтов «гагаринского набора» и последующих космонавтов летных и гражданских профессий.

В 1970–1980-е годы уже в ИМБП в наземных условиях на ЦФ такого же радиуса и также шведского производства постоянно проводились экспериментальные исследования до и после различных сроков (от 30 суток до 1 года) пребывания в условиях антиортостатической гипокинезии (АНОГ), моделирующих некоторые физиологические эффекты невесомости. Объектами исследований были лица разного пола, здоровые, а также имеющие некоторые отклонения в состоянии здоровья. Важно подчеркнуть, что наземные исследования выполнялись с участием лиц нелетных профессий, как правило, заблаговременно до осуществления реальных КП возрастающей длительности. Также в начале 80-х годов прошлого столетия сотрудниками нашей лаборатории, в том числе В.Ю. Лукьянюком, выполнялись исследования, посвященные изучению переносимости перегрузок направления «голова – таз» (+Gz) и «грудь – спина» (+Gx) у лиц нелетных профессий различного возраста (от 21 до 58 лет), практически здоровых, но имеющих отклонения в состоянии здоровья в виде начальных признаков атеросклероза [6]. В результате было установлено наличие возрастной динамики переносимости перегрузок продольного (+Gz) и поперечного (+Gx) направлений. Наиболее высокая устойчивость к действию перегрузок наблюдалась в возрасте 31–40 лет, наименьшая – у обследуемых 21–25 и 46–58 лет. Нарушения физиологических реакций при действии перегрузок у этих лиц были разными. Для молодых лиц (21–25 лет) характерен астенический тип реакции артериального давления (АД), развитие функциональных нарушений сердечного ритма и потеря сознания, а для лиц старше 45 лет – нарушения сердечного ритма, ограничение максимальных значений частоты сердечных сокращений (ЧСС) и замедленное восстановление АД после окончания действия перегрузок (р < 0,005), свидетельствующее о снижении функциональных резервов сердечно-сосудистой системы. У лиц в возрасте 41–45 и 46–50 лет с начальными признаками атеросклероза переносимость перегрузок направления +Gz и +Gx была хуже, чем у практически здоровых лиц аналогичного возраста. Тем не менее сделан важный вывод, что лица старших возрастных групп, практически здоровые и имеющие начальные признаки атеросклероза, могут претендовать на участие в КП при условии хорошей переносимости перегрузок на ЦФ в системе первичного отбора [6].

В связи с планированием в конце 80-х годов прошлого столетия КП длительностью до одного года было важным оценить степень опасности и риска столь длительного пребывания в невесомости и обеспечения безопасности экипажа при возвращении на Землю. С этой целью в ИМБП на базе «Планерная» был проведен годовой эксперимент в условиях АНОГ -6 ̊. Этот комплексный эксперимент выполнялся под руководством А.И. Григорьева и Б.В. Морукова. Специалистов института, занимающихся переносимостью перегрузок, интересовала переносимость режима перегрузок баллистического спуска на Землю после имитированной невесомости длительностью 120, 240 и 360 сут. А.Р. Котовской и И.Ф. Виль-Вильямс установлено, что переносимость перегрузок +8 Gx после 120-суточной АНОГ без использования профилактических мероприятий и противоперегрузочного костюма (ППК) заметно снижалась по сравнению с контрольными исследованиями на ЦФ. Применение комплекса общепринятых профилактических мероприятий в период от 120 до 240 суток пребывания в АНОГ без использования ППК обеспечивало некоторое улучшение переносимости перегрузок. И наконец, использование комплекса мер профилактики в период с 240-х до 360-х сут АНОГ, а также применение гидратирующих средств и ППК во время вращения на ЦФ обеспечивало в целом удовлетворительный, хотя и понижений по сравнению с контрольным, уровень переносимости [7].

Таким образом, полученные в наземных условиях результаты свидетельствовали о необходимости использования всего комплекса средств профилактики в условиях имитированной невесомости и, конечно, в КП длительностью один год, а также обязательного применения противоперегрузочной защиты в виде ППК во время действия перегрузок на этапе возвращения на Землю.

 

Переносимость перегрузок космонавтами в КП на ОС «Салют-6», «Салют-7» и «Мир»

а. Физиологические реакции космонавтов при действии перегрузок +Gx при выведении корабля «Союз» на орбиту

По субъективным оценкам перед стартом общее состояние у всех космонавтов было хорошим. Находясь в кабине КК, они испытывали чувство волнения и тревоги перед предстоящей космической миссией. Однако они четко выполняли все необходимые рабочие операции, предусмотренные этапом подготовки к старту.

На участке выведения КК «Союз» на орбиту при действии перегрузок направления «грудь – спина» с максимальной величиной 4,0 ед. самочувствие космонавтов оставалось хорошим. Величины перегрузок по их ощущениям соответствовали реальным. Отмечалось также ощущение небольшого давления перегрузки на все тело, вибрации корабля «как поездки на телеге по булыжной дороге» и чувство «провала» при отделении первых двух ступеней ракеты-носителя. Со слов космонавтов: «все внутри находились в надежде на штатную работу всех трех ступеней ракеты-носителя». Зрение оставалось ясным, затруднений дыхания, речи и вестибуловегетативных реакций не было. Физиологические реакции космонавтов на этом участке полета носили умеренный характер. Изменения физиологических показателей перед стартом и на активных участках полета почти у всех космонавтов имели сходную динамику. Учащение пульса и дыхания, возникшее в предстартовом периоде, с началом полета продолжало нарастать. Наибольших значений ЧСС и частота дыхания достигали на первой минуте полета, когда перегрузки были незначительными по величине. Затем, несмотря на продолжающееся увеличение перегрузок, происходило постепенное урежение пульса и дыхания. Изменения временных показателей ЭКГ соответствовали увеличению ЧСС. Нарушения на ЭКГ в этот период полета были отмечены в 6,2 % случаев в виде одиночных монотопных суправентрикулярных или желудочковых экстрасистол. Значительных различий в изменениях упомянутых параметров на этом этапе полета в зависимости от возраста космонавтов не отмечено. Вместе с тем у космонавтов старше 45 лет выявлена тенденция к увеличению частоты нарушений сердечного ритма в виде одиночной экстрасистолии по сравнению с более молодыми космонавтами (31–35 лет).

При сопоставлении реакций космонавтов на участке выведения корабля на орбиту при первичных и повторных полетах различие установлено только по субъективным ощущениям. Перегрузки в повторных полетах переносились легче, чем в первом. Это проявлялось в менее выраженном чувстве тревоги и волнения, так как ощущения, характерные для действия перегрузок на этом участке полета, были им уже знакомы. Однако со стороны объективных физиологических реакций космонавтов достоверных различий при первом и повторных полетах не установлено.

Кроме того, обращало на себя внимание, что в условиях реального полета степень напряжения физиологических реакций при действии перегрузок была более значительной, чем в дополетных исследованиях на ЦФ по аналогичному графику перегрузок. Эти изменения, по-видимому, были обусловлены увеличением психоэмоционального напряжения в реальных полетах, что, очевидно, в значительной мере определяло исходный уровень и характер изменений физиологических реакций со стороны кардиореспираторной системы.

Таким образом, результаты проведенных исследований показали, что физиологические реакции организма всех космонавтов на воздействие штатных режимов перегрузок на участке выведения на орбиту в полетах на кораблях «Союз» носили умеренный характер. Критических симптомов, ограничивающих переносимость перегрузок на этом участке полета, не наблюдалось, что свидетельствовало в целом о хорошей переносимости ими перегрузок и отсутствии необходимости использования ППК [8].

Полученные результаты дали основание принять очень ответственное и важное решение, что для противоперегрузочной защиты космонавтов на участке выведения КК на орбиту не требуется применять ППК. Многолетние наблюдения за переносимостью космонавтами перегрузок на этом участке полета КК «Союз» подтвердили правильность ра-нее принятого решения.

б. Физиологические реакции космонавтов при действии перегрузок при спуске корабля «Союз» на Землю

Совсем другая ситуация сложилась с переносимостью человеком перегрузок на участке спуска КК на Землю после предшествующего пребывания в условиях невесомости различной длительности. Это связано с тем, что воздействие перегрузок для космонавтов на заключительном и ответственном участке полета является первым испытанием, первой серьезной нагрузочной пробой для организма, детренированного в условиях невесомости. Спуск с орбиты на Землю является заключительным этапом полета, и от его исхода зависит успешность всей космической миссии в целом.

Именно поэтому изучению этой важной проблемы уделялось и всегда будет уделяться повышенное внимание.

в. Физиологические реакции космонавтов при действии перегрузок +Gx на спуске корабля «Союз» после кратковременной (< 1 мес) невесомости

Самочувствие космонавтов при воздействии перегрузок штатного режима (от 3,3 до 5,1 G) на этапе спуска на Землю после кратковременного (< 1 мес) пребывания в невесомости без применения профилактических средств в полете и без ППК на спуске было удовлетворительным. Космонавты отмечали общее утомление, связанное с подготовкой к спуску с орбиты. Во время действия перегрузок отмечалось чувство заметного давления перегрузки на тело, в отдельных случаях небольшое затруднение дыхания. Космонавты поддерживали умеренное напряжение мышц брюшного пресса и нижних конечностей для противодействия перераспределению крови от головы к ногам за счет продольной составляющей перегрузки +Gz, что вызывало явление физического утомления. Зрение оставалось ясным. Выраженных вестибуловегетативных реакций у большинства космонавтов не было. В отдельных случаях на участке спуска, особенно после раскрытия основного парашюта, при «закрутке» и раскачке спускаемого корабля на стропах, наблюдались явления вестибуловегетативных нарушений в виде общего дискомфорта. Сдвиги физиологических показателей, имеющие психоэмоциональное происхождение, возникали еще перед спуском. У всех космонавтов было зарегистрировано учащение пульса и дыхания, что, по всей видимости, было обусловлено ожиданием спуска как наиболее ответственного, заключительного этапа полета. Отмечалось заметное напряжение физиологических систем организма, хотя признаков срыва компенсаторных механизмов не было. Нарушения сердечного ритма на ЭКГ были зарегистрированы в 13 ± 7 % случаев. У всех космонавтов они проявлялись на ЭКГ в виде одиночных монотопных суправентрикулярных экстрасистол. Сравнительный анализ частоты нарушений сердечного ритма у космонавтов разного возраста не выявил достоверных изменений, хотя была отмечена тенденция (р < 0,3) к увеличению случаев аритмии сердечной деятельности у лиц старше 45 лет.

После приземления общее состояние космонавтов было удовлетворительным. При выходе из корабля «Союз» отмечались признаки ортостатической неустойчивости, бледность и гипергидроз лица на фоне общего дискомфорта, а при ходьбе – нарушения координации и равновесия. На коже спины и боковых поверхностях грудной клетки отмечены участки мелкоточечных петехиальных кровоизлияний.

Таким образом, физиологические реакции сердечно-сосудистой и дыхательной систем организма космонавтов при действии перегрузок на участке спуска КК на Землю после кратковременного (< 1 мес) пребывания в невесомости свидетельствовали о заметном напряжении этих систем. Причина ухудшения переносимости космонавтами перегрузок на этом этапе, по-видимому, заключалась в развитии в условиях кратковременного действия невесомости детренированности сердечно-сосудистой и мышечной систем организма, а также гиповолемии. Немаловажная роль принадлежала и психоэмоциональному напряжению космонавтов на заключительном этапе полета [9].

г. Физиологические реакции космонавтов при действии перегрузок +Gx на спуске корабля «Союз» после длительной (> 1 мес) невесомости

Подготовка космонавтов к спуску с орбиты на Землю после длительных космических миссий (> 1 мес) начиналась уже в условиях невесомости. С приближением даты спуска увеличивался объем физических тренировок и выполнялись тренировки с воздействием отрицательного давления на нижнюю половину тела (ОДНТ) с целью уменьшения детренированности сердечно-сосудистой системы организма и подготовки космонавтов к спуску на Землю. За несколько дней до спуска космонавты выполняли примерку и подгонку ППК в связи с изменением антропометрических данных нижней половины тела. Кроме того, в день спуска осуществлялся прием водно-солевых добавок для восстановления объема циркулирующей крови, сниженного в невесомости. Большой объем работы при сборе возвращаемого груза, перенос его в транспортный корабль «Союз» и эмоционально-психологическое напряжение в ожидании спуска приводили к ухудшению сна и появлению чувства усталости. Вот именно на таком фоне и начинается для экипажа завершающий этап полета. Перегрузки при прохождении плотных слоев атмосферы субъективно переносились после длительной невесомости заметно тяжелее, чем на наземной ЦФ по аналогичному режиму. Величины перегрузок космонавты, как правило, воспринимали на 2–4 ед. больше, чем они были на самом деле (от 3,3 до 5,1 ед.). Появлялись затруднение дыхания, ощущение учащенного сердцебиения, затруднения речи, неприятное чувство комка в горле с невозможностью вдохнуть, в ряде случаев нарушения зрения и др.

На участке спуска с орбиты после длительного пребывания в условиях невесомости (от 2 до 8 мес) при использовании в полете комплекса профилактических мероприятий, но без ППК на спуске самочувствие космонавтов было в целом удовлетворительным, а напряжение физиологических систем организма отчетливо возрастало по сравнению с кратковременными полетами без ППК. В отдельных случаях возникали начальные признаки срыва компенсаторных механизмов: в 1 случае на ЭКГ была зарегистрирована относительная брадикардия, еще в 2 случаях – нарушения зрения в виде сужения поля зрения и появления «серой пелены» [8].

Таким образом, физиологические реакции организма космонавтов ОС «Мир» при действии перегрузок на участке спуска корабля «Союз» после длительного (> 1 мес) пребывания в невесомости и без использования ППК свидетельствовали о выраженном напряжении сердечно-сосудистой и дыхательной систем. В целом в длительных полетах без ППК отмечалось заметное ухудшение переносимости перегрузок по сравнению с кратковременными полетами.

Объективная информация и подробный анализ субъективных ощущений космонавтов и их оценки переносимости перегрузок при прохождении плотных слоев атмосферы свидетельствовали о срочной необходимости использования специального ППК на заключительном этапе полетов. Начиная с 1985 г. на этапе спуска стали применять ППК бескамерного типа «Каркас», разработанный под руководством А.С. Ярова, а с 1992 г. и до настоящего времени – ППК «Кентавр» с его улучшенными эргономическими качествами [9].

Во всех случаях, когда в длительных полетах (от 2 до 14,5 мес) использовались средства профилактики, а при спуске – ППК, самочувствие космонавтов при воздействии перегрузок +Gx при возвращении на Землю было удовлетворительным. Применение ППК в указанных условиях уменьшало напряжение физиологических систем организма по сравнению с длительными полетами без использования ППК, создавало чувство уверенности в безопасности, предупреждало у многих людей возникновение зрительных нарушений, устраняло необходимость поддерживать статическое напряжение мышц брюшного пресса и ног, уменьшало чувство общего утомления. Позитивный эффект применения ППК при действии перегрузок на участке спуска был связан с «обжатием» нижней половины тела, что препятствовало перераспределению крови от головы в нижнюю половину тела и обеспечивало лучшие условия для функционирования сердечно-сосудистой системы, в том числе улучшало кровоснабжение головного мозга и сетчатки глаз в этих условиях. Важно отметить, что использование ППК хотя и предупреждало в ряде случаев возникновение зрительных расстройств, но не устраняло изменений в других системах организма – затруднений дыхания и речи, тахипноэ и вестибуловегетативных реакций. Выраженность синусовой тахикардии у космонавтов, использовавших ППК, была заметно меньше, чем в аналогичных условиях без ППК.

Однако применение ППК не предупреждало появления экстрасистолической аритмии.

В генезе возникновения нарушений сердечного ритма в указанных условиях важную роль, очевидно, играла совокупность факторов: перестройка регуляции сердечно-сосудистой системы в условиях невесомости, обусловленная изменениями гемодинамики, водно-солевого обмена (особенно гипокалиемии) и микроциркуляции, нарушения регуляции ритма сердца под воздействием перегрузок и возрастные особенности регуляции ритма сердца, связанные со снижением автоматизма синусового узла, ухудшением проводимости в отдельных участках миокарда и образованием очагов нарушенного метаболизма [10].

Важно было сравнить у одних и тех же космонавтов степень «напряжения» физиологических систем организма при действии перегрузок после длительных КП и в наземных условиях на ЦФ до полета. Оказалось, что в реальных КП при действии перегрузок +Gx величиной 4,0 ед. штатного режима спуска изменения физиологических систем организма соответствовали таковым при действии перегрузок +8,0 ед. на Земле. Иными словами, степень напряжения физиологических систем космонавтов после длительных КП при действии перегрузок спуска увеличивается в 2 раза по сравнению с испытаниями на Земле.

После приземления по окончании длительных полетов космонавты нуждались в посторонней помощи независимо от того, применялся или нет ППК на этапе спуска. При выходе из корабля «Союз» во всех случаях отмечались признаки ортостатической неустойчивости на фоне выраженных вестибуло-вегетативных нарушений в виде тошноты и рвоты, нарушения координации и равновесия. Во всех случаях на коже спины и боковых поверхностях грудной клетки множественные мелкоточечные и сливные петехиальные кровоизлияния были выражены больше, чем после кратковременных полетов.

Все это свидетельствует о том, что условия спуска с орбиты на корабле «Союз» не являются оптимальными.

д. Влияние нештатных ситуаций в КП на последующую переносимость перегрузок +Gx на участке спуска корабля «Союз» на Землю

Последние годы функционирования ОС «Мир» (1996–1999) характеризовались появлением 4 нештатных ситуаций. Нештатные ситуации в полетах ЭО-22–ЭО-27 требовали проведения большого объема ремонтно-технических работ. Это ограничивало время на выполнение космонавтами комплекса средств профилактики в полном объеме, что, конечно, отразилось на переносимости космонавтами перегрузок при спуске КК на Землю. У космонавтов этой группы при воздействии перегрузок после пребывания в невесомости от 6 до 12,5 мес синусовая тахикардия держалась на уровне 120–130 уд/мин, а нарушения сердечного ритма зарегистрированы в 42 % случаев, т.е. в 2 раза чаще, чем у первых 11 экипажей ОС «Мир». В одном случае (ЭО-23) на участке спуска после пребывания в невесомости длительностью 186 суток возникли множественные политопные одиночные и групповые желудочковые экстрасистолы (всего 152). Эти нарушения сердечного ритма носили прогностически неблагоприятный характер и свидетельствовали о резком снижении переносимости перегрузок. Эти материалы дали основание считать, что неполный объем применения комплекса средств профилактики в ходе полета следует рассматривать в качестве фактора, который приводит к ухудшению переносимости перегрузок на заключительном этапе полета, несмотря на применение ППК [8, 10].

 

Переносимость перегрузок космонавтами МКС

При полетах на ОС «Мир» и МКС в качестве транспортного корабля использовался и продолжает использоваться один и тот же тип КК, а именно «Союз» с внедрением соответствующих доработок технического характера. Основные параметры режимов перегрузок на участке выведения корабля «Союз» на орбиту и его спуска на Землю, поза космонавтов в кресле, система отбора и подготовки космонавтов принципиально остались прежними. Но вместе с тем анализ и обобщение физиологических реакций космонавтов и переносимости перегрузок в целом в экспедициях на МКС имеют очень важный смысл. Это связано с главным предназначением МКС – проведением на этой станции научных исследований, результаты которых будут необходимы при подготовке межпланетных полетов. Переносимость перегрузок космонавтами МКС достаточно полно представлена А.Р. Котовской и М.И. Колотевой в книге «Международная космическая станция»[11].

а. Переносимость перегрузок космонавтами-профессионалами и космонавтами-непрофессионалами

Эти особенности касались участия в полетах на МКС космонавтов-непрофессионалов, имевших до полета парциальную недостаточность в состоянии здоровья, более широкий возрастной диапазон (29–61 год и более), чем у космонавтов ОС «Мир» (31–49 лет), а также возникновение нештатных ситуаций в полете на МКС, в том числе на участке спуска корабля «Союз» на Землю. Проведены исследования переносимости перегрузок у 140 космонавтов МКС, выполнивших КП в течение 2000–2016 гг.

По данным В.В. Богомолова, И.Б. Гончарова и др., для медицинского обеспечения безопасности полетов космонавтов-непрофессионалов МКС и минимизации медицинских рисков потребовалось внести необходимые изменения в систему медицинского обеспечения КП: разработать специальные меры защиты организма человека, включая фармакологическую коррекцию состояния здоровья в полете, поставку индивидуальных аптечек с лечебно-профилактическими препаратами, коррекцию программы профилактических мероприятий и др. [12]. При их разработке учитывалась возможность появления негативных изменений в организме и, прежде всего, риск появления выраженных нарушений сердечной деятельности.

В кратковременных КП участвовали 23 космонавта, из них 16 космонавтов-профессионалов и 7 космонавтов-«туристов». В 3 случаях космонавты-«туристы» имели парциальную недостаточность разных физиологических систем организма. Их допуск к КП осуществлялся по оптимизированным критериям медицинского освидетельствования, отличным от тех критериев, которые использовались у космонавтов-профессионалов [12]. Средства профилактики неблагоприятного влияния невесомости на организм в коротких КП не применялись (кроме водно-солевых добавок – ВСД – в день спуска КК). В длительных КП, как всегда, использовались комплекс физических тренировок, ОДНТ-тренировки в конце полета, а также в день спуска ВСД.

Переносимость перегрузок при выведении КК на орбиту у всех космонавтов-профессионалов была хорошей, а у космонавтов-«туристов» у 6 человек из 7 также была оценена хорошей, и только у 1 – плохой. Именно этот человек в возрасте около 70 лет имел значительные отклонения в состоянии здоровья.

В результате проведенных исследований выявлены особенности физиологических реакций космонавтов-непрофессионалов МКС на действие перегрузок +Gx в кратковременных (8–12-суточных) полетах по сравнению с реакциями космонавтов-профессионалов ОС «Мир» [10]. Установлено, что «напряжение» физиологических систем организма у космонавтов-непрофессионалов МКС при действии перегрузок +Gx на участках выведения КК на орбиту и при его спуске на Землю было заметно больше, что проявлялось в более выраженной синусовой тахикардии и тахипноэ. У этих космонавтов чаще регистрировались нарушения сердечного ритма, которые носили более серьезный характер и имели больший полиморфизм, чем у космонавтов ОС «Мир». Кроме того, в 1 случае у космонавта МКС на участке спуска на Землю были зарегистрированы изменения ЭКГ ишемического характера [13, 14].

Изменения физиологических параметров при действии перегрузок у космонавтов-профессионалов МКС носили примерно такой же характер, как у космонавтов ОС «Мир». Однако у космонавтов МКС частота нарушений сердечного ритма и изменений ЭКГ были более высокими, чем у космонавтов ОС «Мир» [14].

Полученные результаты также показали, что наблюдаемые у космонавтов до старта индивидуальные особенности регуляции сердечного ритма могут привести к серьезным изменениям ЭКГ при действии перегрузок на участке спуска с орбиты на Землю, что следует учитывать при подготовке индивидуальных программ медицинских мероприятий для космонавтов-непрофессионалов МКС, направленных на минимизацию медицинских рисков.

б. Переносимость перегрузок при штатных и нештатных режимах спуска

Особый интерес представлял анализ переносимости космонавтами МКС перегрузок +Gx в нештатных условиях спуска КК на Землю. В этих условиях перегрузки превышали штатные величины (3,7–5,1 G) и достигали значений (6,26–8,68 G). При баллистических спусках на Землю после пребывания невесомости разной продолжительности (<1 мес и >1 мес) у космонавтов отмечалось более частое возникновение зрительных расстройств, вестибуловегетативных реакций, нарастание синусовой тахикардии и тахипноэ, более частое появление нарушений сердечного ритма и прогностически неблагоприятных изменений на ЭКГ по сравнению со штатными режимами [13].

Указанные изменения состояния космонавтов и их физиологических параметров при действии перегрузок носили преходящий, функциональный характер. Вместе с тем необходимо обратить внимание на значимость указанных нарушений с точки зрения сохранения работоспособности и общего состояния здоровья космонавтов на заключительном этапе полета. Нарушения зрения при прохождении спускаемым аппаратом (СА) плотных слоев атмосферы и действии перегрузок является крайне опасным, так как создает риск нарушения работоспособности и общего состояния здоровья космонавтов, и прежде всего командира КК, особенно при необходимости ручного управления спуском.

По данным А.Р. Котовской и М.И. Колотевой [15], у космонавтов МКС в послеполетном периоде впервые наблюдались кратковременные обмороки, в отличие от предыдущих КП на ОС «Салют» и «Мир», когда такой степени детренированности сердечно-сосудистой системы не возникало. Обмороки возникали сразу после выхода из СА при попытке принять вертикальное положение, а также спустя 15 ч после спуска КК на Землю. Всего было зарегистрировано 10 случаев возникновения обмороков, из которых в 8 случаях после штатного режима спуска, а 2 случая – после баллистического спуска. Кроме того, из этих 10 наблюдений 4 обморочных состояния наблюдались у российских космонавтов, а 6 – у астронавтов разных стран.

Появление после посадки КК кратковременных обмороков, а также вестибуловегетативных расстройств в виде тошноты и рвоты, трудности сохранения нормальной координации движений тела свидетельствуют о выраженном ухудшении общего состояния здоровья человека. Это означает, что космонавты на месте приземления нуждаются в посторонней помощи.

Возвращение на Землю является не только ответственным, трудным и эмоционально насыщенным этапом полета, но и первым серьезным испытанием для человека после пребывания в невесомости, когда при действии перегрузок спуска выявляются резервные возможности и «слабые места» организма. От прохождения этого этапа полета зависит успешность всей космической миссии в целом.

 

Значение космических кораблей многоразового использования

Реальное состояние дел по переносимости космонавтами заключительного этапа КП при возвращении на Землю очень беспокоило директора ИМБП О.Г. Газенко, а также руководителей различных отраслей науки и техники, имевших непосредственное отношение к отечественной пилотируемой космонавтике.

Речь шла о создании космического корабля нового типа, который мог бы неоднократно летать и возвращать космонавтов на Землю после их пребывания в невесомости на орбитальных станциях. К разработке этого нового типа космического корабля многоразового использования был привлечен Г.Е. Лозино-Лозинский, который был одним из главных конструкторов ОКБ Микояна. Этим новым проектом предусматривалось заменить КК «Союз» кораблем многоразового использования «Буран». Корабль многоразового использования «Буран» предназначался для выведения на орбиту, полета в управляемом режиме, посадки в пилотируемом и автоматическом режимах. «Буран» должен был спускаться по «самолетному типу» и при этом на космонавта будут действовать перегрузки неблагоприятного для человека направления «голова – таз» (+Gz) в отличии от направления перегрузок «грудь – спина», которое существует на кораблях «Союз». Второе отличие заключалось в том, что перегрузки должны действовать с очень медленной скоростью нарастания (порядка 0,003 ед./с), т.е. общее время их действия составляло более 20 мин. И наконец, важно было учесть возможность ручного управления спуском «Бурана» на Землю после 7-суточного пребывания в условиях невесомости.

В связи с этим в ИМБП была организована рабочая группа в составе А.М. Генина и Л.В. Гусевой, которая регулярно организовывала совещания для обсуждения разных вопросов выполнения проекта «Буран». В работе совещаний принимали участие сотрудники нашего института, а также представители разных фирм. В частности, Е.Н. Ярманова была представителем НПО «Молния». Иными словами, специалисты разных учреждений принимали активное участие в новом направлении исследований.

Сотрудниками лаборатории ускорений были определены пределы переносимости человеком перегрузок направления +Gz, основные причины, лимитирующие устойчивость человека к действию указанных режимов +Gz на ЦФ, критерии оценки состояния физиологических систем организма в условиях его обычной жизнедеятельности, а также после пребывания в условиях 7-суточной имитированной невесомости – «сухой» иммерсии. Определены взаимосвязи между гипогидратацией организма во время 7-суточной иммерсии и величиной индивидуального снижения переносимости перегрузок и многое другое [16–18].

Было создано 2 летных образца КК «Буран»: No 1.01 и 1.02. Первый и единственный полет был осуществлен 15 ноября 1988 г. полностью в автоматическом режиме. В 1991 г. все работы по проекту «Буран» были прекращены.

К выполнению этих работ были привлечены 5 летчиков-испытателей ЛИИ (г. Жуковский) во главе с И.П. Волком. Эта группа летчиков-испытателей затем стала летчиками-космонавтами. В конечном итоге была проделана огромная работа с участием большого числа людей самых разных профессий. Несмотря на то что, к сожалению, проект «Буран» был закрыт, сотрудниками лаборатории ускорений получен новый полезный научный материал для понимания огромной значимости градиента нарастания перегрузок (ед./с) и большой длительности их действия для переносимости человеком перегрузок направления +Gz при возвращении космонавтов на Землю [16].

Не сомневаюсь, что при создании перспективных пилотируемых космических аппаратов будут использованы результаты наших исследований по определению пределов переносимости человеком перегрузок направления +Gz.

 

Разработка проблемы искусственной гравитации

Человек создан для жизни на Земле. Невесомость – чуждая для него среда. Земное тяготение наложило свой отпечаток на развитие, строение, функцию и поведение всех организмов, существующих на Земле. Человек обладает удивительной способностью адаптироваться к окружающей его среде. В условиях невесомости организм человека вынужден приспосабливаться к новым условиям жизни. Отсутствие земной силы тяжести приводит к соответствующим перестройкам в организме: де-тренированности сердечно-сосудистой системы и в целом снижению его функциональных возможностей. Практика КП свидетельствует о возможности длительной, в течение 1–1,5 года, жизни в невесомости, при условии выполнения комплекса мер профилактики.

Вместе с тем практика КП свидетельствует также о том, что, несмотря на меры профилактики, явления детренированности организма сохраняются, и это особенно ярко проявляется при возвращении человека на Землю.

В настоящее время результаты медико-биологических исследований не дают достаточно веских оснований прогнозировать безопасность для здоровья и жизни человека в КП любой продолжительности. Причиной детренированности сердечно-сосудистой системы человека и всего организма в целом является отсутствие в невесомости гидростатического давления крови.

Для снижения риска развития детренированности организма требуется создание и последующее использование искусственной силы тяжести в качестве нового профилактического средства.

Наиболее реальный путь решения этой проблемы – создать на борту космической станции искусственную гравитацию с помощью центрифуги короткого радиуса (ЦКР).

В настоящее время применительно к переносимости человеком перегрузок на ЦКР решен только один вопрос: о направлении действия перегрузок при его вращении на ЦКР, а именно перегрузки должны действовать в направлении «голова – ноги» (+Gz). Только при этом направлении действие перегрузок +Gz восстановит исчезнувшее в невесомости гидростатическое давление крови, характерное для вертикальной позы человека в условиях земной силы тяжести. Важно определить минимальную длительность воздействия перегрузки +Gz, при которой уменьшаются расстройства, вызываемые невесомостью. Наибольшая эффективность воздействия перегрузок определяется оптимальной комбинацией величины +Gz и их длительностью: высокие уровни перегрузок потребуют меньшей длительности при аналогичных положительных эффектах малых величин перегрузок, но большой длительности. Иными словами, время действия перегрузок – чрезвычайно важный фактор.

Необходимо учитывать возможность появления негативных эффектов, характерных для перегрузок +Gz, а именно возможность появления предвестников обморока или обморока, а также вестибуловегетативных расстройств [19]. Кроме того, при частых и длительных по времени перегрузках возможно появление негативных признаков кумуляции в виде патологических нарушений со стороны органов малого таза. И это не предположение, это факты, опубликованные отечественными учеными [20, 21]. Это означает, что при длительном действии перегрузок направления +Gz и +Gх есть риск навредить здоровью человека. Таковы общие сведения, которые следует учитывать при использовании ЦКР.

а. Исследования с участием человека

Возможность использования ЦКР для профилактики снижения ортостатической устойчивости человека после 40-суточной гипокинезии впервые в мире установлена в 1965 г. в США доктором W.J. White [22]. По данным этого автора, перегрузки «голова – таз» (+Gz) величиной 4 ед. с небольшой длительностью воздействия оказывали выраженный профилактический эффект.

В нашей стране по инициативе О.Г. Газенко в ИМБП впервые Е.Б. Шульженко и И.Ф. Виль-Вильямс провели научные исследования на ЦКР с участием человека. В 1978 г. сотрудниками ИМБП был разработан стенд ЦКР с длиной «плеча» 2 м [23]. ЦКР была оборудована ложементом, который позволял изменять углы сгибания в тазобедренных и коленных суставах от 180° (ноги полностью выпрямлены) до 90° (ноги согнуты в тазобедренных и коленных суставах). На уровне головы величина перегрузки приближалась к нулю (без учета земной гравитации). На уровне стоп можно было создавать перегрузку направления «голова – таз» (+Gz) величиной до 4 ед.

На этой ЦКР И.Ф. Виль-Вильямс выполнила большой объем исследований. С целью выбора предпочтительных режимов было использовано 8 различных режимов вращения на ЦКР. Эти режимы различались между собой по величине перегрузки (от 1,3 до 1,9 ед.), длительности одного вращения (30, 40 и 60 мин), частоты вращений в течение суток (2 или 3 раза), длительности периодов применения (3 или 6 сут), а также по сочетанию с другими средствами профилактики – с искусственной гидратацией организма с помощью ВСД или с физической нагрузкой на велоэргометре (ВЭ). Оценивалась переносимость человеком заданного конкретного режима воздействия перегрузок на ЦКР и эффективность этого режима с точки зрения предотвращения или уменьшения неблагоприятного влияния моделируемой невесомости на физиологические системы организма и гравитационную устойчивость.

Для моделирования эффектов невесомости использовался метод «сухого» погружения человека в иммерсионную среду длительностью 3 и 28 сут.

В условиях 3-суточной иммерсии были выполнены исследования без применения профилактических мероприятий и при использовании на ЦКР с 1-х по 3-и сутки иммерсии перегрузок направления «голова – таз» (+Gz) величиной 1,3; 1,6 и 1,9 ед. по 40 мин 3 раза в сутки. Гравитационный градиент по продольной оси тела был равен 100 %. Скорость набора и спада перегрузок составляла 0,01 ед./c. До и после иммерсии на ЦФ радиусом 7,25 м проводили функциональную пробу с воздействием перегрузок +3 Gz до 5 мин. Результаты исследований показали, что переносимость человеком указанных режимов перегрузок в подавляющем большинстве исследований была хорошей. Зрительные расстройства отсутствовали. Вестибуловегетативные реакции в виде слабости, тошноты и головокружения были отмечены в 2,6 % наблюдений (4 случая из 153). После фиксации головы обследуемых с целью предупреждения появления прецессионных ускорений эти явления не возникали. Изменения физиологических функций организма во время вращений на ЦКР носили умеренный характер. Важно отметить, что при воздействии перегрузок величиной от 1,3 до 1,9 ед. у обследуемых, находящихся в горизонтальном положении, моделировался гидростатический градиент давления крови вдоль продольной оси тела, величина которого не отличалась от значений градиента, возникающего в условиях вертикальной позы. После остановки ЦКР в 0,6 % наблюдений (1 случай из 153) после воздействия перегрузки +1,6 Gz были отмечены множественные петехиальные геморрагии в кожные покровы голеней и стоп, что, являлось следствием застойных явлений в указанных областях. Использование на фоне 3-суточной иммерсии различных режимов воздействия перегрузок на ЦКР оказывало положительное влияние на гравитационную устойчивость организма. Так, до иммерсии время воздействия перегрузок +3 Gz соответствовало заданному – 300 с. После 3-суточной иммерсии без применения средств профилактики время переносимости перегрузок +3 Gz снизилось до 237 ± 16 с (на 21 %). После иммерсии и применения на ЦКР перегрузок +Gz величиной 1,3; 1,6 и 1,9 ед. время последующего воздействия перегрузок +3 Gz возрастало соответственно до 246 ± 34, 278 ± 14 и 299 ± 12 с и приближалось к исходному. Оно было меньше исходного лишь на 18, 7 и 1 % соответственно [24]. Положительные эффекты воздействия перегрузок +Gz на ЦКР проявлялись также в уменьшении отрицательного влияния моделируемой невесомости на физиологические системы организма, особенно на сердечно-сосудистую систему и водно-электролитный обмен. Полученные результаты свидетельствовали о принципиальной возможности использования перегрузок направления +Gz на ЦКР величиной от 1,3 до 1,9 ед. для профилактики эффектов детренированности организма в условиях моделируемой невесомости. Предпочтительным режимом в указанных условиях были воздействия перегрузок величиной +1,6 Gz, так как этот режим хорошо переносился человеком и был достаточно эффективным. Учитывая имеющиеся данные, что гипогидратация организма, развивающаяся в условиях невесомости, играет важную роль в генезе снижения ортостатической устойчивости космонавтов после приземления, важно было выяснить, позволяет ли сочетанное применение ЦКР + ВСД получить более заметный профилактический эффект по сравнению с использованием только ЦКР. Для ответа на этот вопрос в условиях 3-суточной иммерсии были проведены исследования без применения средств профилактики и при воздействии на ЦКР с 1-х по 3-е сутки иммерсии перегрузок + Gz величиной 1,3; 1,6 и 1,9 ед. по 60 мин 2 раза в сутки в сочетании с приемом ВСД. Следует напомнить, что до иммерсии время воздействия перегрузок +3 Gz составляло 300 c. После 3-суточной иммерсии без использования средств профилактики оно снизилось до 237 ± 16 с (на 21 %). После применения на фоне иммерсии перегрузок величиной 1,3 и 1,6 ед в сочетании с ВСД время последующего воздействия перегрузок +3 Gz возрастало соответственно до 262 ± 24 и 288 ± 12 с и было больше по сравнению с применением аналогичных режимов вращения ЦКР без ВСД (соответственно на 6 и 3 %). Проведенные исследования свидетельствовали о том, что сочетанное применение ЦКР + ВСД, как правило, оказывало более выраженное положительное влияние на гравитационную устойчивость организма, чем применение одной ЦКР. Предпочтительным режимом в указанных условиях было сочетанное применение перегрузок на ЦКР величиной 1,6 ед. и ВСД. Необходимо также было провести исследования по оценке возможности улучшения гравитационной устойчивости организма после пребывания в условиях моделированной невесомости и предотвращения застойных явлений в нижних конечностях с помощью сочетанного применения перегрузок +Gz на ЦКР и физической нагрузки на ВЭ. Известно, что сокращение мышц нижних конечностей во время работы на ВЭ обеспечивает улучшение венозного возврата крови к сердцу и снижает гидростатическое давление в венах стопы.

Исследования проводились в условиях 28-суточной иммерсии. Схема исследований была построена таким образом, что в первые 7 сут иммерсии профилактические средства не использовались. В течение 6 дней, с 9-х по 14-е сутки иммерсии, проводились воздействия на ЦКР перегрузок +Gz величиной от 1,3 до 1,9 G 2 раза в сутки. Затем в течение последних 5 дней, с 16-х по 21-е сутки иммерсии, осуществлялась физическая нагрузка на ВЭ в объеме 600 кгм/мин по 10 мин 3 раза в течение 60-минутного периода без вращений на ЦКР. И наконец, с 23-х по 27-е сутки иммерсии проводилось сочетанное воздействие перегрузок на ЦКР и физической нагрузки на ВЭ с использованием указанных режимов их применения. В качестве функциональной пробы до иммерсии, через 7 и 28 сутки иммерсии использовалось воздействие перегрузок +3 Gz до 5 мин на ЦФ радиусом 7,25 м. Сочетанное воздействие перегрузок малых величин на ЦКР и физической нагрузки на ВЭ хорошо переносилось человеком. Общее состояние и самочувствие обследуемых лиц было хорошим. Зрительные расстройства и вестибуловегетативные реакции отсутствовали. Отмечалось положительное влияние физической нагрузки на кровообращение в бассейне сонных артерий, что проявлялось увеличением амплитуды ушной пульсограммы (УПГ). Важно отметить, что при действии перегрузок величиной от 1,3 до 1,9 +Gz в течение 6-суточного периода (с 9-х по 14-е сутки иммерсии) без применения ВЭ у всех обследуемых были обнаружены петехиальные кровоизлияния в кожные покровы голеней и стоп, связанные с развитием застойных явлений. Амплитуда пульсограммы (ПГ) первого пальца стопы при этом снижалась до 10–20 % от исходной, а в отдельные моменты достигала изоэлектрической линии. Развитие эффектов кумуляции при частых воздействиях перегрузок на ЦКР (2 раза в сутки в течение 6-суточного периода) свидетельствовало о нецелесообразности применения периодических вращений на ЦКР [25, 26].

Во время воздействия на ЦКР аналогичного режима перегрузок в сочетании с физической нагрузкой на ВЭ (с 23-х по 27-е сутки иммерсии) петехиальные геморрагии не возникали. Амплитуда ПГ первого пальца стопы также была достоверно больше, чем в исследованиях без физической нагрузки на ВЭ, что, очевидно, было связано с уменьшением эффектов депонирования крови в сосудах стопы и голени в связи с функционированием «мышечного насоса» и снижением уровня гидростатического давления крови в венах стопы. Эти данные свидетельствовали о положительном влиянии физической нагрузки, создаваемой с помощью ВЭ, на региональное кровообращение нижних конечностей во время вращений человека на ЦКР [25].

Сочетанное воздействие перегрузок на ЦКР и физической нагрузки на ВЭ оказывало также положительное влияние на гравитационную устойчивость организма в условиях иммерсии длительностью 28 сут. До иммерсии время воздействия перегрузок +3 Gz составляло 298 ± 2 с. Через 7 сут иммерсии без использования средств профилактики оно снизилось до 130 ± 87 с (на 56 %). После применения профилактических мероприятий (ЦКР, ВЭ и ЦКР + ВЭ) время последующего воздействия перегрузок +3 Gz возрастало до 273 ± 50 с и было лишь на 8 % меньше исходного.

Таким образом, по данным И.Ф. Виль-Вильямс, проведенные в ИМБП исследования показали, что наиболее предпочтительными в плане переносимости и эффективности были такие режимы применения ЦКР, которые сочетались с использованием средств профилактики в виде физической нагрузки на ВЭ или ВСД. В механизме положительного влияния на организм человека перегрузок +Gz, создаваемых на ЦКР, важная роль придается перемещению крови из верхней половины тела в нижнюю. Это способствует созданию гидростатического градиента давления крови на сосуды, тренировке прессорных сосудистых рефлексов, увеличению секреции антидиуретического гормона, альдостерона, ренина, катехоламинов, уменьшению диуреза, экскреции осмотически активных веществ и электролитов (солей калия, кальция, магния и натрия). Следствием этих реакций является увеличение объема циркулирующей крови. Немаловажное значение имеет и создание весовой нагрузки на костно-мышечный аппарат [27].

Основные итоги первых отечественных исследований на ЦКР следующие:

• установлена принципиальная возможность применения на ЦКР перегрузок + Gz величиной от +1 до +2 Gz для профилактики и коррекции отрицательного влияния моделируемой невесомости на физиологические системы организма и гравитационную устойчивость в целом;
• установлена целесообразность сочетанного применения ЦКР с физической нагрузкой на ВЭ или с искусственной гидратацией организма с помощью ВСД;
• определены отрицательные кумулятивные эффекты воздействия на человека перегрузок +Gz на ЦКР.

б. Исследования с различными биообъектами

В 70-е годы прошлого столетия в нашей стране при активном участии и под руководством О.Г. Газенко и Е.А. Ильина впервые в мире были проведены исследования по проблеме ИГ с помощью специализированных биоспутников, на борту которых были установлены ЦФ. Основной задачей экспериментов, выполненных на биоспутниках «Бион-3» (1975), «Бион-5» (1979), «Бион-10» (1992) и «Бион-11» (1996), являлось сравнительное изучение биологических эффектов ИГ величиной 1 G и невесомости на таких живых системах, как насекомые (мухи дрозофилы), семена, проростки высших растений, клеточные растительные культуры и ткани млекопитающих. После окончания полета длительностью до 19,5 сут каких-либо принципиальных различий у биообъектов, находившихся в полете в условиях ИГ, и в наземном контроле не обнаружено, чего нельзя сказать про биообъекты, находившиеся в условиях невесомости. Полученные данные впервые дали экспериментальные основания рассматривать ИГ в качестве эффективного средства, заменяющего земную силу тяжести и предотвращающего развитие биологических эффектов невесомости [28].

В 1977 г. на биоспутнике «Космос-936» с животными на борту (крысы), находившимися в течение 18,5 сут в условиях невесомости и на бортовых ЦФ, впервые были получены данные, что ИГ величиной 1 ед., создаваемая в полете с помощью бортовой ЦФ, может предупредить многие неблагоприятные эффекты невесомости. Особенно следует отметить нормализующее влияние ИГ на функциональное состояние миокарда, опорно-двигательного аппарата и выделительной системы крыс. Эти данные позволили в совокупности с результатами других исследований рассматривать ИГ в качестве одного из перспективных средств поддержания оптимального состояния организма человека в длительных КП [28–30].

В 1996 г. вышла из печати книга под названием «Медико-биологические аспекты проблемы создания искусственной силы тяжести», авторами которой были А.Р. Котовская, А.А. Шипов и И.Ф. Виль-Вильямс [31]. В этой книге приведены результаты экспериментальных исследований на животных и с участием человека по указанной проблеме, выполненные к 1995 г. в нашей стране и за рубежом.

В рамках комплексного наземного эксперимента, проведенного в ИМБП в 1998–2000 гг. совместно с лабораторией В.И. Королькова, были выполнены исследования на обезьянах макаках-резусах. Режимы тренировочных воздействий перегрузок направления «голова – таз», разработанные И.Ф. Виль-Вильямс на ЦКР для человека, были апробированы на приматах. В качестве модели невесомости использовалась антиортостатическая гипокинезия (АНОГ) сроком 4 нед. Одна группа животных не подвергалась тренировочным вращениям (контроль), а другая группа испытывала перегрузки направления «голова – таз». Сначала животные подвергались воздействию перегрузки величиной 1,2; 1,4 и 1,6 G при длительности 1 вращения до 30–40 мин 4–5 раз в неделю. Для оценки гравитационной устойчивости обезьян до и после АНОГ проводилась функциональная проба с воздействием перегрузок +3 Gz до 30 с. Первые вращения на ЦФ обезьяны переносили вполне удовлетворительно. После повторных вращений возникали отчетливые признаки кумуляции отрицательных эффектов перегрузок. Обезьяны становились вялыми, отказывались от еды. Во время вращений отмечалось критическое снижение амплитуды ушной пульсограммы (< 25 % от исходной), что свидетельствовало о развитии признаков предобморочного состояния. В связи с развитием кумулятивных эффектов было принято решение перейти на более щадящий режим тренировочных вращений с использованием перегрузок + Gz величиной 1,2 ед. до 30 мин 2–3 раза в неделю. Однако кумулятивные эффекты сохранялись, хотя их выраженность была меньшей, чем при частоте вращений 4–5 раз в неделю. При менее частых вращениях (2–3 раза в неделю) эффективность тренировочных вращений, определяемая по переносимости нагрузочной пробы с воздействием перегрузок +3 Gz – 30 с, также была меньше, чем при более частом их воздействии (4–5 раз в неделю) [32].

Проведенные исследования на обезьянах позволили установить 2 важных факта. Во-первых, выбор оптимальных режимов перегрузок +Gz для человека должен определяться в экспериментальных исследованиях только с участием человека. Во-вторых, те режимы перегрузок, которые использовались на ЦКР с участием человека не являлись оптимальными, так как при их использовании уже возникали отрицательные признаки нарушений кумулятивного характера. Кроме того, в этих первых исследованиях с участием человека вполне могли возникнуть негативные изменения со стороны органов малого таза, но их появление не проверялось.

Таким образом, в настоящее время единственный параметр перегрузок, который принят всеми исследователями, работающими в этой области, это направление перегрузок, а именно, действие перегрузок на ЦКР должно быть направлено вдоль продольной оси тела, т.е. от головы к ногам (+Gz). Только при этом направлении действия перегрузок восстановится исчезнувшее в невесомости гидростатическое давление крови, характерное для человека при вертикальной позе в условиях земной силы тяжести. Иными словами, решен вопрос о направлении действия перегрузок при вращении на ЦКР в полете: направление должно быть +Gz.

Использование ЦКР в США, России и Японии в наземных исследованиях с участием человека позволило установить принципиальную возможность профилактики негативного влияния имитированной невесомости для человека.

Положительное влияние периодического вращения человека на ЦКР проявлялось уменьшением негативного влияния невесомости на сердечно-сосудистую систему, систему внешнего дыхания, костно-мышечную систему, водно-электролитный и транскапиллярный обмен, показатели гематокрита и объема плазмы.

Ключевой задачей при разработке проблемы искусственной гравитации является определение оптимального режима (режимов) действия перегрузок с позиции их переносимости и эффективности [33, 34].

Предстоит выполнить огромный объем научных исследований по выбору позы человека в кресле, частоты применения ЦКР, длительности одного вращения, периодичности и количества экспозиций, выбору скорости и спада перегрузок +Gz и решить многие другие задачи. В целом выполненные к настоящему времени исследования свидетельствуют о том, что ЦКР следует считать потенциально новым профилактическим средством в общей системе профилактики неблагоприятного воздействия невесомости на человека при полетах по околоземной орбите, а также в полетах за пределами земной орбиты, например, в полете на Марс. Стенд ЦКР не следует считать универсальным средством профилактики от всех факторов неблагоприятного влияния невесомости. ЦКР должна использоваться наряду с другими средствами профилактики.

Таким образом, критериями эффективности оптимального действия перегрузок +Gz на ЦКР следует считать допустимые степени снижения: устойчивости к перегрузкам +Gx на этапе возвращения человека на Землю; ортостатической устойчивости человека в КП при пробе с ОДНТ и после спуска его на Землю; физической выносливости и сохранности всех систем организма, включая костную ткань.

в. Основные задачи и этапы разработки проблемы искусственной гравитации.

Основными крупными задачами исследований по проблеме искусственной гравитации следует считать:

1. Определение оптимального режима воздействия перегрузок +Gz («голова – ноги») на ЦКР с позиции их переносимости и эффективности, а также определение оптимальной позы человека в ложементе ЦКР.
2. Исследование переносимости человеком повторных воздействий с большим гравитационным градиентом с целью предупреждения развития отрицательных эффектов кумуляции.
3. Разработку мер, направленных на оптимизацию пребывания человека в условиях вращения на ЦКР.
4. Разработку способов и критериев отбора и подготовки космонавтов применительно к полету с искусственной гравитацией.
5. Разработку средств и методов телемедицины.
6. Стандартизацию медицинских исследований для оценки эффективности используемого режима перегрузок +Gz на ЦКР.
7. Определение места и протокола использования ЦКР в интегрированной общей системе профилактики.

 

Разработка проблемы искусственной гравитации должна выполняться поэтапно. Условно выделено 3 этапа работ.

I этап НИР – исследования на Земле:

• наземные исследования на ЦКР с участием человека, в том числе с использованием имитированной невесомости разной длительности;
• разработка и определение оптимального режима действия перегрузок +Gz на ЦКР;
• разработка способов и критериев отбора и подготовки человека применительно к полетам с искусственной гравитацией;
• разработка и создание бортовой (летной) модели ЦКР для последующей ее поставки на орбитальную станцию (модуль);
• участие специалистов технического профиля (инженеров, баллистиков и др. является необходимостью.

II этап НИР. Исследования на орбитальной станции (модуле):

• оценка переносимости и эффективности выбранных на Земле режимов перегрузок +Gz на ЦКР; внесение замечаний, уточнений и коррекция режима действия перегрузок +Gz на ЦКР с возможностью повторной оценки переносимости и эффективности измененного режима.

III этап НИР. Использование ЦКР в сверхдлительных орбитальных полетах и полетах в дальний космос.

 

Выводы

1. Переносимость перегрузок при выведении КК на орбиту у всех космонавтов сохраняется хорошей и мало отличается от переносимости аналогичного режима перегрузок на ЦФ до полета. Многолетние наблюдения подтвердили правильность принятого в свое время решения не использовать на этом участке полета противоперегрузочный костюм.
2. Ретроспективный анализ материалов по переносимости космонавтами перегрузок после пребывания в невесомости свидетельствует о необходимости использовать противоперегрузочный костюм на этапе спуска КК после КП любой длительности.
3. Переносимость перегрузок на участке спуска снижается у всех космонавтов после всех КП по сравнению с наземными исследованиями на ЦФ.
4. Возникновение различных нарушений в физиологических системах организма и ухудшение общего состояния человека при действии перегрузок спуска с орбиты после длительных КП (> 1 мес) больше, чем после кратковременных КП, а также больше при баллистических спусках, чем при штатных режимах перегрузок, и даже при нарушении режима и общего объема физических тренировок в невесомости – больше, чем при выполнении полного объема и регулярности этих тренировок во время полета.
5. Практика КП свидетельствует о том, что, несмотря на меры профилактики, используемые в условиях невесомости, явления детренированности сердечно-сосудистой системы и всего организма в целом сохраняются, и это особенно ярко проявляется при возвращении человека на Землю, к условиям земной гравитации. Детренированность сердечнососудистой системы человека возникает в связи с отсутствием гидростатического давления крови в невесомости.
6. Установлено, что человек после возвращения на Землю нуждается в посторонней помощи, которая и оказывается ему на месте посадки космического корабля.
7. ЦКР следует считать новым средством в системе профилактики неблагоприятного влияния невесомости в КП, которое направлено на создание гидростатического давления крови и весовой нагрузки на костно-мышечный аппарат. ЦКР не является универсальным средством профилактики и должна использоваться в сочетании с другими традиционными методами профилактики.

 

Литература

1. Сергеев А.А. Физиологические механизмы действия ускорений. Л., 1967.
2. Газенко О.Г., Какурин Л.И. Космические полеты на кораблях «Союз». Биомедицинскиеисследования. М., 1976.
3. Васильев П.В., Котовская А.Р. Длительные линейные и радиальные ускорения. Совм. сов.-амер. изд.: В 3 т. / О.Г. Газенко (СССР), М. Кальвин. (США), ред. Основы космической биологии и медицины. 1975. Т. II. Кн. I. C. 177–231.
4. Котовская А.Р., Вартбаронов Р.А. Длительные линейные ускорения // Космическая биология и медицина. Совм. рос.-амер. изд.: В 5 т. / В.В. Антипов, А.И. Григорьев (РФ), К. Лич Хантун (США), ред. 1997. Т. 3. Кн. 2. С. 10–67.
5. Котовская А.Р., Лобашков С.И., Симпура С.Ф. и др. Влияние длительных поперечных ускорений на организм человека // Проблемы космической биологии. М., 1962. С. 238–245.
6. 6. Лукьянюк В.Ю. Переносимость перегрузок лица-ми нелетных профессий различного возраста, здоровыми и имеющими отклонения в состоянии здоровья в виде начальных признаков атеросклероза: Автореф. дис. канд. мед. наук. М., 1984.
7. Виль-Вильямс И.Ф., Котовская А.Р., Моруков Б.В., Суханов Ю.В. Переносимость человеком перегрузок направления «грудь – спина» (+Gx) после антиортостатической гипокинезии длительностью 120, 240 и360 суток// Авиакосм. иэкол. мед. 1994. Т. 28. No 4. С. 12–16.
8. Котовская А.Р., Виль-Вильямс И.Ф., Лукьянюк В.Ю. Физиологические реакции человека на действие перегрузок при выведении на орбиту и спуска на Землю космических кораблей «Союз» // Физиология человека. 2003. Т. 29. No 6. С. 23–30.
9. Котовская А.Р., Виль-Вильямс И.Ф., Гаврилова Л.Н. и др. Переносимость человеком перегрузок направления +Gx на участке спуска с орбиты космических кораблей типа «Союз» при использовании противоперегрузочных костюмов // Авиакосм. и экол. мед. 1998. Т. 32. No 6. С. 30–36.
10.  Котовская А.Р., Виль-Вильямс И.Ф. Переносимость космонавтами ОС «Мир» перегрузок +Gz // Орбитальная станция «Мир». Космическаябиологияимедицина. 2001. Т. 1. Гл. 13. С. 500–551.
11.  Котовская А.Р., Колотева М.И. Переносимость перегрузок космонавтами МКС // Международная космическая станция. Российский сегмент. Космическая биология и медицина. Воронеж, 2011. Т. 1. С. 236–267.
12. Богомолов В.В., Гончаров И.Б., Богатова Р.И. и др. Медицинское обеспечение космонавтов-непрофессионалов, совершивших кратковременные космические полеты на Международной космической станции // Авиа-косм. и экол. мед. 2008. Т. 42. No 1. С. 15–19.
13. Котовская А.Р., Виль-Вильямс И.Ф., Лукьянюк В.Ю., Катаев Ю.В. Переносимость космонавтами перегрузок +Gx в полетах на кораблях типа «Союз» в экспедициях МКС-1, -6–9 и ЭП 1–7 // Там же. 2005. Т. 39. No 5. С. 3–9.
14. Котовская А.Р., Виль-Вильямс И.Ф. Особенности физиологических реакций космонавтов-непрофессионалов МКС на действие перегрузок +Gx в кратковременных космических полетах // Там же. 2007. Т. 41. No 3. С. 7–13.
15. Котовская А.Р., Колотева М.И. Переносимость перегрузок космонавтами МКС // Международная космическая станция. Российский сегмент. Космическая биология и медицина. Воронеж, 2011. Т. 1. С. 236–267.
16. Котовская А.Р., Виль-Вильямс И.Ф., Кокова Н.И., Провоторов Н.В. Проблемы переносимости человеком перегрузок применительно к участку спуска многоразового орбитального корабля // Труды Первой Междунар. авиакосм. конф. «Человек – Земля – Космос». (Москва, 28 сент. – 2 окт. 1992). М., 1995. Т. 7. С. 46–53.
17. Кокова Н.И. Переносимость человеком медленно-нарастающих перегрузок направления «голова – таз» и эффективность применения водно-солевых добавок при различном функциональном состоянии организма: Автореф. дис. ... канд. мед. наук. М., 1985.
18. Кокова Н.И. Влияние водно-солевых добавок к рациону питания на переносимость перегрузок направления «голова – таз» после семисуточной «сухой» иммерсии и при обычных режимах двигательной активности // Косм. биол. и авиакосм. мед. 1984. Т. 18. No 4. С. 33–36.
19. Суворов П.М. Физиологические исследования на центрифуге в практике врачебно-летной экспертизы в системе отбора: Автореф. дис. ... д-ра мед. наук. М., 1969.
20. Барер А.С., Охоботов А.А., Сорокина Е.Н., Тардов В.М. Некоторые патологические явления в органах мало-го таза после действия перегрузок +Gz большой величи-ны и длительности // Косм. биол. и авиакосм. мед. 1986. Т. 20. No 6. С. 81–82.
21. Котовская А.Р. Признаки негативных эффектов кумуляции у человека и животных при действии перегрузок разного направления применительно к практике авиационных и космических полетов // Авиакосм. и экол. мед. 2015. Т. 49. No 6. С. 14–18
22. White W.J. Space-based centrifuge. Status Report. // Douglas Paper No 3436. Douglas Aircraaft Company. Inc. Santa Monica, California, 1965.
23. Адамович Б.А., Шульженко Е.Б., Ширяев Д.К. и др. Устройство для создания искусственной силы тяжести в невесомости: Авторское свидетельство No 622247 от 6 мая 1978 г.
24. Виль-Вильямс И.Ф., Шульженко Е.Б. Функциональное состояние сердечно-сосудистой системы после 3-суточной иммерсии и профилактических вращений на центрифуге короткого радиуса // Физиология человека. 1980. Т. 6. No 2. С. 323–327.
25. Виль-Вильямс И.Ф., Шульженко Е.Б. Реакция сердечно-сосудистой системы в условиях сочетанного воздействия 28-суточной иммерсии, вращений на центрифуге короткого радиуса и физиологической нагрузки на велоэргометре // Косм. биол. и авиакосм. мед. 1980. Т. 14. No 2. С. 42–45.
26. Виль-Вильямс И.Ф., Шульженко Е.Б. Реакция сердечно-сосудистой системы при периодическом воздействии перегрузок «голова – таз» на центрифуге короткого радиуса // Там же. No 1. С. 27–31.
27. Виль-Вильямс И.Ф. Исследование переносимости человеком перегрузок применительно к медицинскому обеспечению длительных космических полетов: Автореф. дис. ... д-ра мед. наук. М., 1994.
28. Газенко О.Г., Генин А.М., Ильин Е.А. Основные результаты эксперимента с млекопитающими на биоспутнике «Космос-782» // Космическая биология. 1978. Т. 12. No 6. С. 43–49.
29. Газенко О.Г., Ильин Е.А., Генин А.М., Котовская А.Р. и др. Основные результаты физиологических экспериментов с млекопитающими на биоспутнике «Космос-936» // Там же. 1980. Т. 14. No 2. С. 22–25.
30. Ильин Е.А., Генин А.М., Корольков В.И. и др. Эксперименты с искусственной силой тяжести на биоспутнике «Космос-936» // Авиакосмическая медицина. М.; Калуга, 1979. Ч. I. С. 58–59.
31. Котовская А.Р., Шипов А.А., Виль-Вильямс И.Ф. Медико-биологические аспекты проблемы создания искусственной силы тяжести. М., 1996.
32. Котовская А.Р., Виль-Вильямс И.Ф., Гаврилова Л.Н. и др. Влияние гравитационных нагрузок в условиях антиортостатической гипокинезии на гравитационную устойчивость обезьян макакрезус // Авиакосм. и экол. мед. 2001. Т. 35. No 5. С. 15–21.
33. Котовская А.Р. Проблемы искусственной гравитации: состояние и перспективы // Там же. 2008. Т. 42. No 6. С. 74–83.
34. Котовская А.Р., Виль-Вильямс И.Ф. Проблема физиологии ускорений и искусственной гравитации // Космическая медицина и биология / А.И. Григорьев, И.Б. Ушаков, ред. Воронеж, 2013. С. 209–229

 

Источник: журнал «Авиакосмическая и экологическая медицина», Том 51 №7, 2017