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太空失重环境下,宇航员是如何锻炼的? 第1页

  

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说说太空失重环境下宇航员为何要锻炼、国际空间站为宇航员锻炼提供的装置、天宫上的锻炼器械、NASA定制的宇航员太空训练计划。

国际空间站里的ARED
空间站的跑步机负重效果是一个变动值,宇航员刚上天,跑步机设定为宇航员自身体重的60%,而后慢慢增加,最终视身体的接受程度,达到85-100%

宇航员必须锻炼的三个关键词:肌肉量、骨密度和心血管健康

人在地面时,因为重力的作用,即便你感觉不出,实际骨骼、关节和肌肉都时时刻刻支撑着身体,可以视为它们一直都是在进行着“锻炼”的。

到了太空的微重力环境下,骨骼和肌肉对身体的支撑度出现大幅减弱,具体表现就是骨密度降低、肌肉萎缩/肌肉量降低。

另外人的心血管系统也会放缓工作效率,不像在地球时那么“努力”地抵消重力、把血液泵送到身体每个部位。

——所以宇航员才会被要求进行锻炼。

与很多人想象的不太一样,宇航员在太空中进行的抗阻训练,强度并不低


加拿大宇航局给宇航员锻炼目的列了五点:

  • 降低骨骼的退化/骨密度流失
  • 保持肌肉(包括心脏肌肉)的力量
  • 为太空行走和空间站工作维持足够的身体行动能力
  • 确保长期太空生活后,宇航员依然有足够的行动力,应对着陆期间的紧急程序
  • 保持身体健康,维持体型,这也有助于回归地面后的恢复

——这也是宇航员必须在太空进行锻炼的原因。后面所有锻炼器械、训练计划,也都是为实现这五点服务的。


人在地面进行锻炼,需要更多考虑安全幅度内的保护,宇航员则需要更好的固定,确保可以掌控发力方向


NASA有个全球最顶级的宇航员健身和康复专家,叫马克·古利亚姆斯(Mark Guilliams),他为超过40+位宇航员量身定制了在太空中的训练计划。古利亚姆斯的建议是,宇航员在空间站每天至少得花两个小时进行锻炼

并且,总体上宇航员们的锻炼强度还是相当高的,都是类似于HIIT的高强度间歇训练,再结合抗阻训练( resistance training )。

毕竟在微重力环境中,很多动作都要更轻松一些,有事倍功半的意思。

国际站的健身器械,也按照上述目的和要求来特别设计。

宇航员也会带一些球类上天,但多数只是象征意义。除了橄榄球这种大量传接的球类,其它项目很难进行


国际空间站为宇航员锻炼提供的「三件套」

载人火箭、航天飞机等设备的空间和重量都很宝贵,不可能给宇航员锻炼的空间,相对宇航员执行任务的时间也较短。国际空间站这种「长居寝室」就不一样了。国际空间站主要配备了三台健身设备,让宇航员得以用它们锻炼到全身:

  • 骑行台
  • 跑步机
  • ARED

这三台设备和地球上的骑行台、跑步机肯定不太一样,锻炼目的和方式也区别很大。依次说说——


  • 骑行台

太空骑行台可以拆卸坐垫——实际上骑行垫的存在也只是让宇航员贴着而已,无法真正坐在上面。宇航员需要靠腰部的锁扣+双手扶住,才能进行蹬踏骑行的动作。

地面模拟太空骑行台,因为有重力存在,就必须有坐垫,在太空坐垫就能省了


骑行台的踏板与有些死飞车的锁带一样,固定住脚面。


经常看NBA(如今CBA也有)的人可能看到过,比赛间隙,有些球星下场后也不会坐到板凳上,而是继续在场边骑行台骑行——这是一种保持身体热度、维持肌肉稳定在“运动待机”状态的方式。

空间站的骑行台也有类似效果,最主要锻炼的部位是心血管。

就运动强度而言,在空间站里它是相对最低的。

太空中测VO2max最大摄氧量数值时,也是在骑行台上进行(图只是示范,实际会戴上监测设备和呼吸罩)


  • 跑步机

空间站的跑步机与地面区别很大,需要一套相当繁琐的锁扣将人体固定,确保与跑步机跑带垂直,从而才能“跑”——与其说跑,倒不如更像是李宁点燃圣火时的那种空中漫步。

因而,锁扣也有比较高弹性的部分,类似于蹦极的弹力绳,将人稍微刻意的拽到跑带上,肩膀和臀部会感觉到压力,这样才能感觉到摩擦力,真正的跑起来。


空间站的跑步机负重效果是一个变动值,宇航员刚上天,跑步机设定为宇航员自身体重的60%,而后慢慢增加,最终视身体的接受程度,达到85-100%。

——所以下面放的几位太空马拉松,可以理解为他们的真实水准,并没有最终计时的数据那么“快”。


地面上模拟体验太空跑步机


2007年,美国女宇航员苏尼特·威廉斯在国际空间站跑完“波士顿马拉松”,4小时23分46秒,她也是世界上第一个在太空跑马拉松的人 ↓↓


2016年4月25日,英国宇航员蒂姆·皮克为地球上同时间的伦敦马拉松“发枪”,然后自己以3小时35分21秒跑完全程,刷新了吉尼斯世界纪录 ↓↓

同为“伦敦马拉松”,蒂姆·皮克完成的这个距离地面402公里
地面同步有吉尼斯工作人员为蒂姆·皮克统计里程和时间


插个题外话,上述图片的宇航员(不知道咱们自己宇航员穿的什么牌子),尽管诸如蒂姆·皮克旁边有很明显的伦敦马拉松赞助商、adidas Boost的广告,这些宇航员几乎清一色都选择了 @ASICS亚瑟士 的鞋子。不知是否巧合。


  • ARED

ARED全称The Advanced Resistive Exercise Device,字面翻译就是抗阻力训练装置。它的“玩法”比较多样,基本所有肌肉都能锻炼到,深蹲、硬拉、腿部肌群训练、拉伸……等等。

——包括目前不少已经投入商业健身房使用的设备,有些灵感和专利也是来自ARED。


ARED 2008年11月上天,设计使用寿命15年,总寿命预计1120万次(NASA关于ARED的官方资料说明:ntts-prod.s3.amazonaws.com )。


这是加拿大宇航员鲍勃·瑟斯克的锻炼视频 ↓↓


可以看到宇航员在ARED上做深蹲(是否模拟负重未知)时,双手摆放的状态(握住杠杆),也有避免自己飘动的原因。而每次深蹲,ARED实际上是一个双向的过程,相比地面,对锻炼到的肌群更加丰富。

ARED能提供的最大阻力是272公斤,这也是根据重力数据设计出的一个模拟地面的重量。


一套完整的ARED设备


ARED这一套可以各种拆分组合,也算非常先进了。但如果看得更远一些,跑步机骑行台也好,ARED也好,都依然难堪重任,能提供的效果还是太有限。比如人类未来真的去火星,动辄飞行时间以月计算,那就只能考虑「人造重力」了。

当下的思路是通过离心机模拟地球上的重力,这种离心机像一个滚筒,里面会有一把椅子,离心机带来的被动重力,可能要比失重状态下人主动单项锻炼,效果更好些。


天宫上的锻炼器械

这是我国的天宫内部,2016年陈冬和景海鹏第一次完成太空跑步。天宫的跑步机,履带更接近传统跑步机的滚筒式样 ↓↓

陈东表示自己最开始根本跑不起来,“直到第三天,景海鹏跑起来了,还一下子跑了一小时。”
航天员在天宫里使用骑行台进行锻炼


除了跑步机和骑行台外,天空还有用于锻炼肩部和背部肌肉的拉力器,以及下体负压筒

下体负压筒可以对下半身施加负压,促使血液向下半身流动,改变失重环境中血液朝头部转移的情况,这些也是目前国际空间站通用的失重防护锻炼器。

没找到天宫的拉力器图片,原理接近于上图这个


NASA定制的宇航员太空训练计划

前面提到的马克·古利亚姆斯,为宇航员定制训练计划。每个宇航员的体质和工作职能不同,生理数据差异也很大,训练都是量身定做的。

有一个20分钟版本的宇航员太空训练计划,整个形式接近HIIT——

  • 先进行3分钟的热身(跑步机或骑行台);
  • 通过ARED装置完成3组不同训练,而后进行2分钟的冷身,以及运动后的拉伸。


以上图的迈克尔·霍普金斯为例,这是他在空间站的训练视频 ↓↓


俯卧撑(卧推)、硬拉、卷腹和深蹲各100次。当然这些动作在太空和在地面做会有不小的区别。

每小组次锻炼45秒,然后休息15秒,而后再进行下一个动作。

迈克尔·霍普金斯原来是美国空军的一员,身体素质和强度要比科研人员都更好一些。


在地面时,宇航员无论什么职能,都进行了长期且大量的核心、背部、上肢力量训练,以及身体柔韧性和灵活度练习,因为在太空,宇航员会有更多翻转动作,狭小的空间里也需要身体尽可能灵活。

即便只是太空游客,也会被要求进行足够的这方面训练,确保到了微重力环境,你对自己身体依然有足够的掌控力。






  

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