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军事极端环境模拟技术与设施发展趋势及建设策略

王晓明  
【摘要】:军人和武器装备时刻处于并受到各种环境因素的复合作用。特别在当前国际形势下,各国围绕南北极、赤道沙漠、极高海拔等具有丰富自然资源和重要战略地位的地区的争夺愈发激烈,这些地区自然资源丰富,战略位置重要,但自然条件恶劣。同时,随着未来战争模式向跨区域、快速机动变化,部队在上述地区不仅要快速、反复进驻,甚至可能需要长期驻留。作为执行任务的军人及各类装备,不仅会受到多种复杂、恶劣环境因素的反复影响,甚至会受到多种环境因素的长期、复合作用,这些因素不仅损害了人体健康,降低了作业能力,严重时还将致残致死。同时,恶劣环境诸因素还直接危及各类装备的质量与可靠性。据美国国家标准局调査,由于环境温湿度腐蚀导致武器装备每年的损失高达700亿美元,相当于国民生产总值的4%。如何从满足未来作战需要出发,全面系统地研究复杂复合环境对军人健康与作战能力、对武器装备环境适应性以及人机环一体化影响的关键科学问题,确保军人能够有效生存和战斗,确保武器装备能够安全、高效运行,已成为关系国家安全和民族未来发展的迫切需要。未来战场环境的拓展和战争模式的改变,对军人和武器装备环境适应性提出了更高要求,为了能够提升军人在各种恶劣环境下的适应和作战能力,提高武器装备对各种恶劣环境的适应性,尤其是对军人和武器装备在各种复杂、未知极端环境下进行全面系统的定量评价,这就需要把军事环境医学研究领域由维护健康的健康医学向促进强健的能力医学、由单一损伤因素向复合损伤因素、由机体损伤防护向认知提升研究领域拓展,并配套建设先进的环境模拟设施,进行复杂、动态环境模拟试验,开展人机系统综合效能方面的科学研究。环境模拟试验在人和装备环境可适性研究中具有极为重要地位。从国内外环境模拟设施现状来看,已经建设了大量的4参数以下的环境模拟设施,基本可实现对一般环境的研究。但是,这些设施存在的主要问题是:模拟参数少、模拟环境种类少、模拟技术手段少、研究对象单一,还无法实现对复杂环境的准确模拟和多个环境参数的动态变化,无法准确建立人-机-环之间的有机联系。从国内外环境医学研究现状来看,还不能研究复杂因素动态变化情况下军人作业能力和人机工效变化规律。从环境模拟技术的发展趋势看,环境模拟设备和试验技术正处于转折时机,正从单参数模拟向多参数模拟、静态模拟向动态模拟、短时程模拟向长时程模拟转变,模拟参数可控范围由幅度较小向幅度较大转变,模拟环境因素的能力越来越强而且越来越趋于全面。随着环境模拟技术的充分发展,建设国内乃至全球领先的,在一个设施里能模拟南北极、赤道沙漠、极高海拔各种因素的超大型、综合性极端环境模拟设施,已完全可行。因此,充分分析国防建设重大战略需求,详细了解和掌握国内外环境医学、环境模拟技术和设施发展现状,系统分析军事环境医学、环境模拟技术和设施未来发展趋势,提出全过程综合动态环境模拟设施建设策略,对于支撑特殊环境医学的基础研究和学科发展、开拓特殊环境模拟技术的创新与突破、提升我军联勤服务与保障能力,具有十分重要的意义。本课题的研究主要基于情报研究视角,采用文献调研、专家咨询、对比分析、归纳总结等软科学研究方法,对国内外环境医学、环境模拟设施发展现状及未来发展趋势进行系统梳理,仔细分析未来战场环境变化对人员和装备适应性所带来的影响,针对我军未来20-30内进入南北极、赤道沙漠、极高海拔等极端环境地区所面临的挑战,提出建设一个综合性动态环境模拟设施的初步方案,为开展人员作业能力提升、装备环境适应性评价、人机整体效能提升等研究提供先进技术平台。本课题主要分为以下五个部分:第一部分是军事极端环境的形成及其内涵,主要解释环境、极端环境的定义,未来战场环境发展的变化,以及军事极端环境范围拓展导致的损伤新特征,提出针对这种损伤新特征,军事环境医学应着重从研究理念、技术平台等方面进行更新提升。第二部分是国内外环境医学、环境模拟技术和设施发展现状及问题分析。通过分析发现,在环境医学研究理念上,外军高度重视依托环境模拟设施开展特殊环境下人员作业能力提升技术与装备研究、特种作战部队极端环境适应性训练、各类装备环境适应性评价。在环境模拟技术和设施上,目前国内外已建的环境模拟设施大部分仅可实现对某种单一环境的简单模拟,少数设施可实现2个参数协调变化,但是,仍无法全面正确反映复杂环境的真实特点,并且在复杂环境下人-机动态、协同效应研究方面还有待进一步强化。第三部分是提出军事极端环境模拟设施建设构想。该部分详细分析了环境模拟技术的发展趋势,提出未来环境模拟技术将发生五大转变:由单参数模拟向多参数模拟转变、由静态模拟向动态模拟转变、由真实环境向计算机仿真模拟转变、由物理控制向数字化控制发展、由固有范围向新型范围拓展。同时,提出伴随着环境模拟技术的发展,环境模拟设施也将在前两代的基础上向第三代模拟设施发展。第一代环境模拟设施主要特点是规模小、模拟因素单一、模拟参数范围不大、连续工作时间较短、模拟参数无法耦合变化,主要用于对某种特定环境的简单模拟。第二代环境模拟设施无论在舱体容量、模拟参数范围、连续工作时间等都有所改进或延长,个别设施可实现两参数耦合变化,能够在一个设施里实现对多种环境的模拟。我们认为为满足未来复杂多变战争环境对军人作战能力提出的新要求、新挑战,针对南北极、极高海拔、赤道沙漠等新环境,应建设第三代环境模拟设施,即在一个设施内可准确模拟上述环境特点、并可开展综合、动态人机效能研究的大型环境模拟设施。该设施主要特点包括多因素复合、动态化模拟、全过程覆盖、计算机虚拟现实,包括三大部分,主体结构为一个可实现多因素、全过程、动态化、计算机虚拟现实的立式结构环境舱,最大可容纳30人同时进入且能够组织小范围军事作业,主要技战术指标包括温度、压力、湿度等8项,整体尺寸为Φ15×10m,设置两个气闸舱;二是附属动力设施,包括制冷、加热、加温等17个模块,主要用于为环境模拟舱提供动力支持和数据传输;三是科学实验设施,包括极端环境机体生理变化在线监测技术实验室、人机效能提升技术实验室、计算机虚拟仿真评估实验室、极端环境耐受生物信息技术实验室、生物仿生技术实验室等,主要开展特殊环境下生物耐受机制与防护技术、人机效能增强技术、卫生装备环境可适性评价等研究。同时,也提出了建设第三代环境模拟设施亟待攻克的五个关键技术难点。第四部分是提出全过程综合动态环境模拟原理机设计方案。军事极端环境模拟设施建设还面临着诸多技术难点,不确定因素还比较多、技术风险比较大。为突破上述技术难点,降低设施建设的技术风险,我们与北京航空航天大学王浚院士课题组共同设计了全过程综合动态环境模拟原理机,来开展先期技术研究,验证关键技术的可行性和实用性,为军事极端环境模拟设施的建设、利用提供技术储备和技术支撑。该原理机主要复合温度、湿度、压力、光照四个环境参数,可实现外界环境动态变化的模拟,拟采用空气制冷技术获得低于-80℃的低温环境,采用进、排气压力快速双向调节技术实现环境舱内压力的快速变化,采用低温冷板技术保证低气压条件下环境舱内温湿度的均匀度,采用先进解耦控制技术保证各环境参数的精确调节。第五部分是军事极端环境模拟研究应用领域展望。该部分主要是展望了利用该环境模拟设施未来可开展的一些研究内容,主要用于开展基础研究和卫生防护装备效能评价,可适用于国内从事特殊环境医学损伤与防护研究、人员能力提升研究、防护药物与装备环境适应性评价研究、人机协同性研究的大学、科研机构、医院使用。


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