1.超重模型
重力(g)是宇宙中兩個物體間的一種引力，其值可從零到無窮大。例如月球上的重力為０.１７ｇ，火星上是０.３ｇ,地球是１ｇ，離心機可產生大于１個ｇ的重力。使用超高速離心器則可以產生103105g的力。航天器在進入200英里(321.8公里)高度的地球軌道時，其重力相當于在地球表面的95％，但由于飛船的向心加速度抵消了地球引力，以致于圍繞地球運動的飛船上的物體處于10-2～10-5個ｇ的重力狀態(tài)。航天器從發(fā)射-飛行-返回的過程中，經受了超重-微重力-超重的重力變化。為了把航天器射入不同的軌道，一般采用多級運載火箭的方法，每級運載火箭都會產生一定的加速度，形成不同ｇ值的超重。早期的火箭形成７～８ｇ的超重，新式的火箭低于５ｇ，航天飛機發(fā)射時的峰值控制在３ｇ左右。航天器在返回的過程中，也遇到超重作用，早期的超重峰值控制在１０ｇ以上，新型的航天器的峰值降低為５～７ｇ，航天飛機的超重值控制在２ｇ以內。
生活在航天器內的動植物和人在航天的過程中同樣也要經受超重和失重的影響。地球上的生物是在１ｇ的環(huán)境下進化的，他們已形成適應１ｇ重力環(huán)境的組織結構。當植物和動物進入另一個重力環(huán)境時，它們必須重新適應新的重力環(huán)境。它們對重力的反應與重力之間的關系可能是一種線性或數學函數的關系。生物體中適應１ｇ的組織結構在超重或低重力的環(huán)境中就會失調或退化，以適應新的重力環(huán)境。航天員在飛行中出現心血管功能紊亂、肌肉萎縮、骨質疏松就是一個很好的例證。當生物體適應了新的環(huán)境再返回地面１ｇ的環(huán)境時，會出現不適應反應，需要經過一段再適應的過程。因此，研究重力改變對生物體的影響，尤其是微重力的影響是航天事業(yè)發(fā)展的需要。同時，通過此項研究，對于了解重力在生物體進化中的作用，也有重要的理論意義。
超出１ｇ重力的研究是比較容易的，在地球上可通過使用不同類型的離心機來實現。在地球上進行長時間、低于１ｇ重力的研究是不可能的，只能離開地球，到太空實驗室中或到那些重力低于地球的星球(如月亮和火星)上進行。但在太空中進行多項的生物學研究是不現實的，主要的理由是：
(１)在太空中進行生物學研究的費用很高，每次飛行的任務也很多，不可能專門進行生物學和醫(yī)學的研究。
(２)航天過程中除微重力因素外，還有超重、振動、噪聲、輻射、艙內氣體環(huán)境、有害物質等對被測對象都有影響，影響實驗結果的分析。
(３)生物體、尤其是人的個體差異大，需進行多次重復實驗才能發(fā)現其規(guī)律性。同時，需要研究的項目很多。在航天中不可能進行這么多的研究。
(４)每項研究需要有此學術領域的專家參加，并有各種專門的科學儀器，航天中不具備此條件。因此，在地面上建立模擬重力變化的模型是十分必要的。
地面建立的模擬航天過程中超重和微重力的模型有助于實現以下目的：
(１)了解生物體中的哪些系統(tǒng)是感受重力的，
確定它們的閾值、適應重力變化的機制、適應的能力和適應時間。
(２)預測已適應超重和低重力的機體是如何重新適應１ｇ環(huán)境的。
(３)提出預防措施以減輕在重新適應１ｇ的環(huán)境時會發(fā)生的潛在問題。
在地球上可用離心機來實現超重。離心機的向心加速度產生了平行于地面的離心力，它和重力構成了直角三角形的兩個邊，其合力為離心機旋轉所產生的重力。因此，１.５ｇ的向心加速力可以產生１.８ｇ的合力，４ｇ的向心加速力可以產生４.１ｇ的合力。離心機由動力系統(tǒng)、中心轉軸和剛性的旋轉臂構成(圖１)。離心機的臂長從１～８米不等。離心機的臂長與轉速有關，臂越長，轉速越低；臂短，可產生高ｇ值。但是，在短臂中的被試者如果很高，其身體的不同部位受到的離心力會不同，對被試者的影響因素就復雜了。因此，短臂離心機一般用于小的動植物。根據實驗目的不同，可建造大小不同和形式不同的離心機。一些離心機可以改變座艙在連接臂上的位置以根據不同的試驗要求產生不同大小的重力，而其它離心機座艙只能固定在機械臂的末端，以提供特定大小的重力。
離心機的座艙一般可以在臂上自由轉動，以保持重力分量在地球重力的方向上。有的離心機的座艙本身就可以改變方向，以適應特殊的實驗要求。美國航宇局一研究中心有一套離心機，它包括前庭研究專用離心機(ＶＲＦ，有兩個０.８米長的臂，可在３個軸上旋轉)，人用離心機(臂長７.６米)和旋轉屋(臂長８.１２５米)。ＶＲＦ離心機用于研究一些復合因素對小動物如貓、猴子、鳥、魚的影響。在ＶＲＦ離心機上可進行數小時至數天的實驗。其它的動物離心機主要用來研究超重環(huán)境下嚙齒動物的適應性反應，以及為一些太空試驗提供超重條件。
人體離心機主要用來研究人在太空飛行返回段和臥床后超重狀態(tài)下的生理反應和感覺的變化，也可用于航天員超重耐力的選拔和訓練。人體離心機的試驗時間通常不會超過一小時。受試的生物體對抗超重的能力與其本身的質量成反比。植物、昆蟲和嚙齒類動物承受重力的能力遠遠超過人。例如，小的、年輕的植物可以在３０～４０ｇ的環(huán)境下輕松地堅持１０分鐘之久而沒有發(fā)生明顯的結構變化，甚至數百ｇ的作用也不會造成植物結構的明顯破壞；鼠類只能承擔１５ｇ的重力１０分鐘，如重力達到２０ｇ，就會全部死亡；人耐受頭盆方向的耐力僅４～５ｇ，時間為１０秒左右。
2.加速度生理實驗室
始建于1988年，屬于“211工程”、“2110工程”及“三重建設”項目。自建成以來，承擔了國家自然科學基金、國家863-2基金及軍隊醫(yī)藥衛(wèi)生基金等多項科研任務，還承擔我校空軍臨床醫(yī)學專業(yè)本科生(《航空航天生物動力學》)和航空航天醫(yī)學專業(yè)碩士研究生、博士研究生三個層次的教學實習任務，已培養(yǎng)博士和碩士多名。
實驗室擁有動物離心機、雙動力人體短臂離心機、多功能旋轉床、三維滾輪、抗荷動作訓練器、人工動力下體負壓訓練艙等特色大型設備，還擁有下體負壓褲、自行下體負壓訓練器等專項設備。實驗室配備有完善的微機化多功能生理記錄儀、心電、血壓和血氧飽和度監(jiān)測設備，以及腦血流和心功能監(jiān)測設備，可進行無創(chuàng)逐跳血壓、心功能和心率監(jiān)測、腦血流多普勒監(jiān)測、基本生理信號遙測和心率變異性分析等工作。
該室具有七大功能：
①前庭功能訓練；
②立位耐力功能評價；
③推拉效應的模擬及評價；
④航天體液轉移地面預適應的評價；
⑤抗荷動作模擬訓練；
⑥抗荷生理訓練；
⑦人工重力生理訓練。
該實驗室整體達到國內領先水平。
主要研究方向為加速度生理學。在航空醫(yī)學方面開展了超重生理學研究，主要進行了高G致意識喪失的發(fā)生機理及其監(jiān)測、高性能戰(zhàn)斗機飛行員高G防護措施的研究，
①建立了快速下體負壓模擬G-LOC的大鼠模型，為深入研究G-LOC的機理提供了一個有用的動物模型。首次提出以頸總動脈血流量降為零作為動物發(fā)生意識喪失的監(jiān)測指標。
②系統(tǒng)地揭示了高G暴露后大鼠學習記憶功能和腦皮層神經元形態(tài)學改變的性質、時程及其恢復情況。
③提出了高G致腦損傷和學習記憶障礙的多重機制假說：即高G暴露引起的腦缺血是導致腦損傷和學習記憶障礙的主要原因，其生物化學及分子生物學機制涉及腦能量代謝降低、腦離子平衡紊亂、血腦屏障通透性增加、腦一氧化氮合酶和c-fos表達增加及HSP70的保護作用；顱內壓力劇烈變化和應力增加是高G致腦損傷的重要因素之一；血液流變學特性改變在高G致腦損傷中起一定作用。
④提出低G預適應對高G所致的腦損傷和學習記憶障礙具有保護作用。
⑤提出了高性能戰(zhàn)斗機飛行員下體負壓抗荷訓練方案。
⑥建立了仿真立位應激下心血管系統(tǒng)反應的數學模型對指導飛行員訓練；在航天醫(yī)學研究方面主要開展了失重生理學研究，主要進行了中長期失重的生理影響及防護措施的研究，闡明了模擬失重致立位耐力不良的機理涉及心血管功能改變、腦血流降低及內分泌改變等，首次提出了我國載人航天飛行時航天員下體負壓對抗方案，應用所建立的模型對航天飛行后心血管功能失調的機理問題進行了仿真研究，為我國載人航天飛行時航天員的醫(yī)學保障提供了實驗依據。
以上部分研究成果達到國內領先和國際先進水平。
為了克服長期失重對人機體的影響，最有效的方法是在載人航天器中設置人工重力。前蘇聯在“宇宙”系列生物衛(wèi)星上研究的結果表明，人工重力對防止失重對人生理系統(tǒng)的一些影響是有效的，不過研究也發(fā)現生活在航天器離心機上的鼠出現一些不良的副作用，例如動物腦皮層的工作能力下降，抑制了腦有關區(qū)域(特別是運動區(qū))的蛋白質代謝，同時也觀察到動物半規(guī)管的敏感性和反應能力降低。這可能是由于離心機的臂太短、轉速太快造成的。
人在轉速快的離心機中也會產生前庭器官的一些反應和幻覺。所以，在設計人工重力環(huán)境時，必須考慮離心機的轉速和旋轉半徑對人體的影響，合理地匹配旋轉半徑和轉速，并對有關人員進行適應性訓練，將副作用減小到可以接受的程度。人工重力防護措施的設計和驗證，除了進行人體試驗外，還需要在航天中進行動物實驗。
