Влияние тренировок по внекорабельной деятельности в условиях гидросреды на физическую работоспособность и силу мышц космонавтов

Т.Б. Кукоба1,2, , 1 Научно-исследовательский испытательный Центр подготовки космонавтов имени Ю.А. Гагарина, Звёздный городок, Московская область, Россия 2 Российский государственный социальный университет, Москва, Россия

Введение. В настоящее время в международном космическом сообществе ведется обсуждение приоритетных направлений по программам исследования и освоения дальнего космоса. Рассматриваются различные сценарии освоения дальнего космоса, чаще наблюдается следующая тенденция: первым объектом освоения планируется Луна, вторым Марс, затем освоение околоземных объектов Солнечной системы [12, 13, 15]. Перспективные программы пилотируемых полетов на Луну предусматривают выполнение космонавтами множества исследований на ее поверхности, что обуславливает увеличение времени внекорабельной деятельности (ВКД) [1, 5, 10]. Некоторые условия работы космонавтов на поверхности Луны будут достаточно близки к условиям ВКД на Международной космической станции (МКС). В настоящее время в России накоплен большой опыт и сформированы эффективные системы подготовки космонавтов к ВКД на низких околоземных орбитах. Отбор космонавтов в экипаж осуществляется в том числе и с учетом их физической подготовленности, гарантирующей высокую работоспособность при длительной многоплановой ВКД. Это подтверждается успешной работой космонавтов на МКС при выполнении работ по ВКД [4]. Космонавты проходят отработку операций ВКД на разных технических средствах подготовки космонавтов ФГБУ «НИИ ЦПК имени Ю.А. Гагарина» (ЦПК). В нашем исследовании рассматриваются данные, полученные в процессе тренировки в условиях гидросреды (ГС) в гидролаборатории (ГЛ) ЦПК. Эффективность профессиональной деятельности космонавта в специфических условиях ВКД в большей степени определяется уровнем общей физической работоспособности (ОФР) и силовой подготовленности.

Под физической работоспособностью понимают возможности человека, обеспечивающие ему длительное выполнение какой-либо двигательной деятельности без снижения ее эффективности [2, 7]. С физиологической точки зрения работоспособность – это способность человека выполнять в заданных параметрах и конкретных условиях профессиональную деятельность, сопровождающуюся обратимыми, в сроки регламентированного отдыха, функциональными изменениями в организме [8]. Работоспособность представляет собой реакцию организма на определенную нагрузку и указывает на то, какой физиологической ценой для человека обходится эта работа, т. е. чем, например, организм космонавта «расплачивается» за длительное выполнение операций по ВКД в СК в ГС. Специальная работоспособность космонавта в процессе тренировок по ВКД в условиях ГС в значительной мере определяется способностью сердечно-сосудистой и нервно-мышечной систем выдерживать тяжелые длительные физические нагрузки.

Цель исследования: оценить влияние тренировок по ВКД в условиях ГС на физическую работоспособность и силу мышц космонавтов.

Методы и организация исследования. В исследованиях приняли участие шестнадцать космонавтов, из которых: один космонавт, выполнивший три космических полета (КП); один космонавт, выполнивший два КП; четыре космонавта, выполнивших по одному КП; десять космонавтов, не имеющих опыта КП. Возраст космонавтов в среднем по группе составлял 39,5 ± 6,5 года, средний рост – 176,7 ± 4,8 см, средняя масса тела – 82,9 ± 9,2 кг. В исследовании в качестве модели, воспроизводящей эффекты невесомости, использовали

ГЛ ЦПК. В процессе тренировки в ГЛ космонавты, снаряженные в СК, выполняли типовые операции (ТО) ВКД в условиях ГС.

Средняя продолжительность тренировок космонавтов в скафандре «Орлан-ГН» (СК) по выполнению ТО ВКД в условиях ГС составила 4 ч 50 мин ± 25 мин. Внутри СК создавалось рабочее избыточное давление воздуха 0,4 кг/см2.

В процессе тренировки в реальном масштабе времени с помощью телеметрических комплексов ГЛ осуществлялся оперативный медицинский контроль состояния здоровья космонавтов (частота сердечных сокращений (ЧСС), частота дыхания (ЧД), температура тела заушная (ТТз)), а также контроль технических параметров СК (температура воды на входе и выходе костюма водяного охлаждения, температура воздуха на входе и выходе скафандра, расход воздуха и воды, процентное содержание СО 2 ).

ЧСС у космонавтов рассчитывалась по кривой ЭКГ, регистрируемой в отведении D-S. ТТз измерялась термистором, укрепленным на коже в заушной ямке космонавта.

Для определения энерготрат (ЭТ) методом непрямой дыхательной калориметрии производили непрерывные измерения расхода вентиляции и концентраций углекислого газа в атмосфере скафандра, а именно: разности концентрации СО₂ на входе и выходе поглотителя СО 2 системы жизнеобеспечения, снабженной контуром вентиляции и контуром водяного охлаждения [1, 3].

До начала и через 15 минут после начала тренировки измеряли массу тела космонавтов.

По результатам теста Руфье – Диксона оценивали ОФР и скорость восстановительных процессов. Силу мышц кисти и спины определяли с помощью кистевой и становой динамометрии соответственно.

Оценка достоверности различий между результатами, полученными до начала тренировки и по её окончании, осуществляли на основе применения t-критерия Стьюдента. Различия считались значимыми при p < 0,05.

Результаты и их обсуждение. За тренировку масса тела снижалась у всех космонавтов, средние потери составляли 1,5 %, индивидуальные потери составляли от 1,05 до 1,95 кг.

Анализ данных, полученных во время тренировки, показал, что реакция физиологических систем космонавтов на нагрузку в виде типовых операций ВКД в условиях ГС была в пределах возрастной физиологической нормы на протяжении всей тренировки (см. таблицу).

Средняя ЧСС космонавтов во время тренировки по ВКД в среднем по группе составляла 101 ± 17,0 уд./мин, что указывает на то, что большую часть тренировки нагрузка оценивается как низкоинтенсивная. При выполнении наиболее сложных операций ВКД ЧСС возрастала в среднем до 143 ± 18,1 уд./мин. Диапазон индивидуальных максимальных значений ЧСС за тренировку составлял от 125 до 161 уд./мин. ТТз во время тренировки была в пределах физиологической нормы и находилась в диапазоне (35,2 ± 0,8)–(37,2 ± 0,7) °С. ЭТ в состоянии относительного покоя составляли от 2,2 ± 1,4 ккал/мин, а при максимальных нагрузках достигали 7,4 ± 1,5 ккал/мин, скорость энергопотребления составляла в сред-

Функциональное состояние космонавтов в процессе тренировки по внекорабельной деятельности в условиях моделированной невесомости в гидросреде Functional performance in cosmonauts during EVA training in simulated weightlessness under water

Показатель Parameter Среднее за тренировку Average per training session Х ± σ Максимальное за тренировку Max per training session Х ± σ Минимальное за тренировку Min per training session Х ± σ ЧСС, уд./мин HR, bmp 101 ± 17,0 143 ± 18,1 59 ± 9,2 ТТз, °C Behind the ear temperature, °C 36,7 ± 0,3 37,2 ± 0,7 35,2 ± 0,8 ЧД, циклов в мин Breathing rate, cycles / min 21 ± 2,1 40 ± 1,4 7 ± 0,2 ЭТ, ккал/мин Energy metabolism, Kcal / min 4,2 ± 0,7 7,4 ± 1,5 2,2 ± 1,4 ЭТ, ккал за тренировку Energy metabolism, Kcal per workout 1133,20 ± 137,26 нем 4,2 ± 0,7 ккал/мин. Диапазон индивидуальных максимальных значений ЭТ за тренировку составлял от 5,56 до 10,64 ккал/мин. За время тренировки космонавты в среднем тратили 1133,20 ± 137,26 ккал.

Масса тела космонавтов за период тренировки снизилась в среднем по группе на 1,5 %, индивидуальные потери находились в диапазоне от 1,05 до 1,95 кг. По окончании тренировки ЧСС в состоянии покоя превышала исходный уровень на 12,6 ± 8,3 % (Р = 0,03). АДд снизилось на 10,7 ± 5,9 % (Р = 0,01). Показатели АДс и ЧД после тренировки практически не изменились.

До тренировки ОФР у двух космонавтов оценивалась как «отличная», у четырнадцати – как «хорошая». После тренировки оценки «отличная» не выявлено ни у одного космонавта. Оценка «хорошая» осталась у семи космонавтов. У одного космонавта оценка с «отличной» снизилась до «средней», у одного космонавта оценка с «отличной» снизилась до «хорошей». У пяти космонавтов оценка с «хорошей» снизилась до «средней», у двух – с «хорошей» до «слабой». До тренировки в первые 15 с после нагрузки в среднем по группе ЧСС поднималась на 20 уд./мин, после тренировки – на 31 уд./мин. Время восстановления ЧСС после пробы увеличилось у десяти космонавтов, у шести не изменилось.

Сила мышц как кисти, так и спины космонавтов достоверно значимо снижалась после тренировки. До тренировки сила мышц кисти в среднем по группе составляла 60,0 ± 6,0 кг, сила мышц спины составляла 152,1 ± 18,0 кг. После тренировки сила мышц кисти снизилась на 10 % (Р = 0,04), сила мышц спины снизилась на 12 % (Р = 0,02).

В связи с планированием в перспективе полетов на Луну интерес вызывают исследования, направленные на определения уровня физической подготовленности человека в условиях микрогравитации [14] и при ВКД в моделируемых эффекты невесомости экспериментах [15, 16]. Полученные нами данные о динамике изучаемых физиологических параметров во время выполнения космонавтами тренировки по ВКД в условиях ГС согласуются с данными, полученными при реальной ВКД, проведенной на Российском сегменте (РС) МКС [6, 9]. В.П. Катунцевым с соавторами было отмечено снижение массы тела у космонавтов после выполнения реального ВКД, у шести из четырнадцати космонавтов потери составили от 0,1 до 0,6 кг, у пяти – от 1,3 до 2,5 [6]. Было выявлено, что у астронавтов масса тела за пятичасовой выход в открытый космос снижалась до 2,6 кг [11]. Иностранные специалисты показали, что в условиях моделированной лунной гравитации (1/6 G) в процессе ходьбы со скоростью до 3 км/ч на беговой дорожке в скафандре скорость метаболизма испытуемого составляла примерно 17 мл/кг–1/мин–1, при моделировании марсианской гравитации (1/8 G) – 28 мл/кг–1/мин–1 [14].

Во время реальной ВКД энерготраты в периоды низкоинтенсивной работы космонавтов составляли 1,5–2,5 ккал/мин, ЧСС при этом находилась в диапазоне 51–60 уд./мин. В нашем случае при минимальных за тренировку по ВКД энерготратах 0,8–3,6 ккал/мин ЧСС составляла 50–68 уд./мин. В период максимальных нагрузок во время реального ВКД значения энерготрат могли достигать 8–9,8 ккал/мин при ЧСС 150–168 уд./мин. В тренировках по ВКД в условиях ГС максимальные значения ЭТ были меньше и достигали 5,9–8,9 ккал/мин при ЧСС 125–161 уд./мин. При выполнении операций ВКД в открытом космосе средние ЭТ находились в диапазоне от 3 до 6 ккал/мин, ЧСС при этом варьировала от 75 до 115 уд./мин [6]. В нашем случае средние ЭТ составляли 3,5–4,9 ккал /мин при ЧСС 84–119 уд./мин. Опыт реальной ВКД показал, что в целях обеспечения безопасности выполнения ВКД операции с ЭТ больше 6,0 ккал/мин могут продолжаться не более 10 мин, так как длительная работа высокой интенсивности может привести к резкому снижению физических возможностей космонавта и значительно увеличить время восстановления его работоспособности [6]. Снижение ОФР космонавтов после тренировки подтверждается данными, полученными нами в пробе Руфье – Диксона. У большинства космонавтов снизился индекс Руфье – Диксона, и увеличилось время восстановления ЧСС после дозированной нагрузки.

Известно, что выполнение всех операций как в реальной ВКД, так и в процессе тренировки по ВКД осуществляется преимущественно с помощью рук. Таким образом, длительное время преобладает региональный тип физической нагрузки, направленной на мелкие группы мышц верхних конечностей и плечевого пояса [6]. Это усиливает ощущение утомления как локального (кисти, верхние конечности), так и общего характера. Полученные нами данные динамометрии кисти указывают на значительное утомление мышц плечевого пояса и верхних конечностей. Снижение силы мышц кисти (Р = 0,04) космонавтов согласуется с данными, полученными при моделировании в ГС ВКД у астронавтов, сила мышц рук которых после тренировки снижалась на 10 %. Тренировка по ВКД вызывает утомление крупных мышечных групп. Так, нами выявлено снижение силы мышц спины на 13 % (Р = 0,02), а у астронавтов за пятичасовую ВКД зафиксировано снижение силы мышц бедра до 30 % [10].

Заключение. Тренировки по внекорабель-ной деятельности в условиях гидросреды оказывают негативное влияние на физическую работоспособность и силу мышц космонавтов. Полученные данные свидетельствуют о значительном снижении физической работоспо- собности и силы мышц кисти и спины после тренировки. После пятичасовой тренировки у космонавтов наблюдались такие негативные изменения, как: дегидратация организма, напряжение деятельности сердечно-сосудистой системы в покое, ухудшение толерантности к физической нагрузке, признаки утомления мышечной системы.

Полученные данные необходимо учитывать при планировании операторской деятельно сти в процессе подготовки ко смонав-тов к ко смиче скому полету и выполнению ВКД на МКС.

Для планирования подготовки космонавтов к выполнению лунной миссии и осуществлению ВКД на лунной поверхно сти требуется проведение дополнительных исследований.