载人航天能量代谢研究的回顾与展望

杨振中，吴大蔚，费锦学，刘伟波，何新星，张 程，李莹辉

（中国航天员科研训练中心，北京100094）

载人航天能量代谢研究的回顾与展望

杨振中，吴大蔚，费锦学，刘伟波，何新星，张 程，李莹辉

（中国航天员科研训练中心，北京100094）

概述了直接测热法、间接测热法和心率法等目前主要的航天能量代谢测量方法，分析了航天环境对能量摄入、能量消耗和日代谢总量的影响，介绍了美国、俄罗斯和我国载人航天能量代谢设计参数的标准及相关内容。在这些基础上根据中国长期载人航天任务的需求，提出了今后能量代谢研究的展望。

载人航天；微重力；能量代谢

1　引言

人的生命活动过程是一个耗能的过程，机体将摄入的蛋白质、脂肪和碳水化合物氧化分解获得能量（热量），同时消耗一定比例的氧气、产生一定比例的二氧化碳。因此，一般将能量代谢率（Energy Metabolism Rate，EMR）、耗氧率及二氧化碳（CO2）排出率称为能量代谢参数。对于航天员来说，能量代谢是评价飞行任务乘组生理负荷和身体机能状态、保持航天员工作效率和优化作息制度的重要指标。对于航天器来说，能量代谢参数是载人航天器环境控制和生命保障系统（ControlledEcologicalLifeSupportSystem，ECLSS）、航天食品配置等工程设计的重要输入条件。飞行中ECLSS的氧气携带量、CO2滤除能力、航天食谱的膳食结构等均要依据航天员能量代谢参数进行合理、优化设计［1-2］。

随着飞行时间的延长和能量补给的增加，补给的配置量和实际消耗量之间不匹配的可能性加大，资源不足或资源过剩的潜在影响加剧。例如，对于一次三年期的驻留任务，其能量需求即使低估10%，都会造成返回地球前食物的严重短缺；而若将能量需求多估算10%，则脱水食品发射重量将增加84 kg/人［3］。能量代谢参数的准确制定在长期飞行任务中发挥着关键的作用。因此，有必要准确了解乘组飞行期间个体的能量代谢水平，合理设计制定飞行任务特别是长期飞行的能量代谢参数范围，为航天员的健康和航天器工程设计提供支持。

2　载人航天能量代谢估测方法

准确有效地获得航天环境人体能量代谢相关研究结果是代谢参数制定的重要保证。目前载人航天中应用的能量代谢估测方法，主要包括间接热量法（氧消耗法、CO2吸收法、双标记水法）、直接热量法（通风液冷散热法）、心率法、食物摄入和活动记录法等。

2.1 氧气消耗法

氧气消耗法是ISO8996［4］和GB/T18048［5］中规定的常规地面人体代谢率估测方法，其误差一般小于5%。该方法由于简便易行而成为航天任务中最常用的能量代谢估算方法，具体是根据环控氧瓶压力和舱内氧浓度等参数的变化以及乘员舱的容积、氧气泄漏率等，计算耗氧率和EMR。但由于该方法不能获取航天员个体的代谢情况、氧气消耗率数据受温度数据影响较大、MPa级氧瓶氧传感器数据的微小变化导致能量消耗数据的较大波动和生物再生生保系统中植物产氧状态的影响等因素，在精确进行能量代谢测算时具有较大的局限性。

和平号空间站和航天飞机任务均通过测量氧气消耗获得压力服中的代谢率［6-7］，在航天飞机任务STS-61B后，使用了新设计的氧气监测仪，可以每2分钟记录一次氧气的消耗量［7］。我国载人航天中，前期主要采用该方法获得了神舟六号、神舟七号、神舟九号和神舟十号飞行任务航天员平均EMR数据。

2.2 CO2吸收法

CO2吸收法是根据舱内平均CO2浓度参数变化，以及乘员舱的容积、气体流速、气体泄露率等参数计算人体的CO2排除率和EMR［8］。苏联/俄罗斯和美国均曾采用CO2吸收法估测航天员飞行期间的能量消耗。例如，东方号（Vostok）、联盟号（Soyuz）、双子星座（Gemini）和礼炮9号（Salyut-9）任务中，采用CO2吸收法测量了飞行中航天员日常活动的能量代谢［9-10］。和平号空间站任务通过计算污染物控制罐中CO2浓度和生命保障系统的气体流速及气体泄露，获得了EVA能量代谢数据［6］。

神舟七号飞行任务利用舱外航天服的遥测参数（通风流量、净化罐入口/出口CO2浓度、服装二氧化碳浓度、服装压力等）建立的航天员CO2排出率计算模型，成功获得了我国首次舱外活动（Extravehicular Activity，EVA）航天员能量代谢数据，为飞天舱外服的后续研制提供了宝贵的飞行数据。

2.3 双标记水法

双标记水法（Doubly-Labelled Water，DLW）是口服经非放射性同位素氘（2H）和氧（18O）双重标记的水，其中18O随着CO2和H2O的代谢而消除，2H随着H2O的代谢而消除，两种消除之间差异可获得CO2的生成率并进一步计算出EMR［11］。DLW法具有精确度高、非侵入性、不影响人体自由活动、样本提取简单等多种优点，适宜用于4～20天之间的能量测定，被誉为能量评定方法的金标准［12-13］。与地面水相比，航天器太空厨房中的水含有更多18O，而2H的丰度变化较大，因此在飞行中使用双标记水时需要注意这些影响［14-15］。

NASA曾在1996年的航天飞机任务（Life and Microgravity Sciences，LMS）中应用该方法获得了4名航天员17天飞行的能量代谢数据［16］。航天员中心通过分析21名男性志愿者30天头低位卧床期间不同周期和剂量所测能量代谢的准确性，建立了适合15天至20天航天飞行任务的人体DLW估测方法。采用常规剂量DLW法和氧气消耗法，估测了密闭舱内按照飞行程序生活工作13天3名志愿者的能量代谢，全周期平均EMR结果显示氧气消耗法（417.4 kJ/h）与DLW法估测结果（408.9 kJ/h）非常接近［2］。在神舟九号和神舟十号交会对接飞行任务中，应用该方法对飞行乘组航天员实施了测量，获取了科学的能量代谢数据。

2.4 心率法

心率法是预先通过测量心率（Heart Rate，HR）和相应的EMR，获得HR-EMR关系方程，进而通过HR估算EMR［17］。其具有飞行时较易实施评价，通过对HR的采集还可以获得人体在航天活动时的负荷强度等信息［18］的优点。航天员在进行EVA时，利用心率法适时评估航天员EMR是空间站EVA任务健康监测的主要手段之一［8］。心率法的缺点是不能对静息等低水平活动状态的能量代谢进行准确的估测［19］，Freedson等［20］观察到与摄氧量呈良好线性关系的HR范围是110～150 beats/min。

在神舟七号低压舱出舱活动程序训练中，通过建立的个体EMR-HR回归方程，成功地对航天员模拟出舱活动程序的EMR进行了监测。

2.5 食物摄入和活动记录法

由于飞行中食物通常以标准单包装食品的形式提供，而且航天员的活动通常也是按照详细安排进行实施，因此可以通过膳食摄入量和体力活动的详细记录对能量代谢进行估算。能量代谢的准确估测要求机体储备恒定即能量摄入与消耗相等，但是在微重力环境下，体液分布改变、机体水分丢失、肌肉质量丢失可能会掩饰机体脂肪储备的增加［21］。因此，热量测量法比基于食物摄入和活动记录的估测方法更客观和准确，其仍然是目前载人航天能量代谢估测的首选方法［22］。

2.6 通风液冷散热法

该方法属直接测量，是通过计算航天服内液体或气流出入口温度的温热量变化，对机体EMR进行近似估算［8］。和平号空间站任务曾应用该方法进行了随机检测，其估测结果的精确度较低，总误差约为20%［6］。

3　航天环境对人体能量代谢的影响

3.1 航天环境对能量摄入的影响

短期飞行航天员可出现摄入量减少，在飞行初期航天员能量摄入甚至可减少50%～70%［23］。NASA在LMS任务中对4名航天员进行了能量代谢测量研究，并同步开展了17天头低位卧床实验［16］。结果显示，与飞行前后相比，航天员飞行中能量摄入量分别降低了43.5%和45.8%；头低位卧床期间志愿者能量摄入量也分别降低了8.3%和9.1%。与飞行前相比，飞行后航天员体重平均减少3.8 kg，机体出现负氮平衡。该研究综合比较了天空实验室（SkyLab）2、3、4号、Space Life Sciences（SLS）1、2号任务航天员摄入量的变化，认为导致航天员能量摄入量明显减少的原因并不是由于航天员能量消耗率降低，而是与空间运动病导致的飞行初期进食量明显减少，航天员嗅觉、味觉、胃肠道功能变化及过度疲劳等因素有关。

与短期飞行结果不同，长期飞行的数据显示能量摄入变化不大。例如，在Skylab任务期间，航天员的能量摄入量为11～12 MJ/d，这种差别可能是由于飞行时间延长，受到空间运动病和其他飞行初期不利影响的刺激减少所致［3］。表1显示了部分航天器飞行任务记录的平均能量摄入。

表1　空间飞行中航天员的平均能量摄入（平均值±标准差）Table 1 Average energy intake of astronauts during space flight（Mean±SD）

3.2航天环境对能量消耗的影响

3.2.1 静息代谢率

NASA的研究认为航天环境下的静息代谢率与地面可能并无明显差异。Skylab任务在安排的体能锻炼前进行了静息代谢率的测定，6名航天员的静息代谢率为5.5±0.5 kJ/min，与飞行前地面1 g条件下（5.4±0.5 kJ/min）及飞行返回后2天（5.4±0.7 kJ/min）的测定值均为无显著差异［26］。

卧床模拟微重力效应的研究显示，静息代谢率无明显变化或有降低趋势［21，27-29］。Stremel等［27］、Greenleaf等［28］和Lee等［29］在13～14天6°头低位卧床研究中发现，静息状态下耗氧量无显著变化。Greenleaf等［30］在随后的研究中认为随着卧床时间延长（7～70天），基础代谢率有降低2%～22%的趋势，并且其降低与体重和肌肉萎缩质量减少有关。Gretebeck等［21］在10天6°头低位卧床的研究中发现，早晨的基础代谢率比预期值低9%，晚餐后4～5小时的静息代谢率显著增加（比早晨高25%），但该增加被认为是食物热效应发生了延迟，而不是静息代谢率本身升高［31］。

3.2.2 工作活动的代谢率

1）日常工作

飞行中，航天员睡眠外的大部分时间用于日常工作活动。俄罗斯的飞行数据显示日常工作的代谢率可能是升高的。Vostok、Soyuz和Salyut-9任务中，采用CO2吸收法测量了飞行中日常工作（包括食物热效应、航天员躯干和上肢的正常活动及热调节）航天员的能量代谢，结果显示代谢率较1g条件下的测定值升高约2.6 kJ/min，并比其基础代谢率约高50%［10］。

2）体能锻炼

体能锻炼是对抗航天环境下心血管系统脱适应、骨丢失、抗重力骨骼肌萎缩与平衡系统机能改变等不利影响的主要防护措施［32-33］。Skylab任务分别对低负荷和较高负荷水平的运动时的能量代谢进行了测量，结果显示能量代谢稍有降低或无显著变化；9名航天员自行车功量计运动（150 W）结果表明，飞行中的耗氧量（1.86±0.12 L/min）比飞行前（2.05±0.12 L/min）低10%（P＜0.05），返回地面后的耗氧量居中（1.94±0.07 L/min），与飞行前和飞行中差异均不显著［32］。能量代谢的减少可能与定期训练以及在蹬自行车过程抬腿不需要做功等因素有关［34］。

6名航天员按照飞行前75%最大耗氧量进行自行车功量计运动，飞行前中后进行定期测试，能量代谢率结果显示飞行中（52±7 kJ/min）与飞行前（52±8 kJ/min）及返回后（51.3±7 kJ/min）无显著差别［26，34］，飞行时长不会对体能锻炼过程中能量消耗的产生明显的影响。虽然以75%最大耗氧量锻炼5分钟后的耗氧量比飞行前测定值明显升高，但其迅速恢复，产生的能耗增量小于全天总能耗增量的0.5%［35］。

因此，尽管在微重力环境中锻炼的能量代谢有一些小的变化，但对总体的能量需求的影响很小，故可以基于1g条件下锻炼的测定值对能量代谢进行估算［3］。

3）舱外活动

EVA是实施太空探索不可缺少的组成部分，从1965年3月18日列奥诺夫第一次从事EVA到2016年9月1日国际空间站EVA，共执行EVA726人次，平均每年进行的EVA约为81 h［36］。2008年9月27日中国航天员翟志刚打开神舟七号的轨道舱舱门，首度实施了我国空间EVA。

多次飞行任务表明，EVA时能量消耗可能是降低的。在月球表面1/6g重力条件下的阿波罗（Apollo）任务EVA过程中，月球车漫游的能量消耗（510 kJ/h）比地面（850 kJ/h）减少40%；普通活动的能量消耗（1150 kJ/h）比地面（1590 kJ/h）减少28%；整个EVA过程的总能耗（960 kJ/h）比地面（1640 kJ/h）减少41%［3］。

总体上，随着飞行任务的延续，微重力环境EVA的能量消耗已逐渐下降。EVA过程中的能量消耗范围为570 kJ/h～1.1 MJ/h，在Apollo任务和Skylab任务期间，平均能量消耗接近1.1 MJ/h，在航天飞机任务中，已降到820 KJ/h，而自STS-61B任务后，70次EVA的平均能量代谢为760 KJ/h，低于地面行走的能量代谢［7］。能量代谢的下降主要是由于舱外服设计的改进、灵活性提高，对航天员的培训加强。航天飞机STS-61任务中有着丰富的训练计划，5次EVA的平均代谢率为740.6 kJ/h，低于所有航天飞机EVA平均代谢率的水平［7］。前苏联/俄罗斯和美国航天员在EVA期间的代谢率水平虽较为相近［7，23］，但与俄罗斯航天员相比，美国航天员代谢率略低，原因可能是完成作业的类型和不同压力下航天服有限的灵活性差异［6］。

性别因素对单位体重的EVA能量代谢影响较小。对4名女性航天员EVA过程中的能量代谢研究显示，尽管其代谢平均值（670 kJ/h）低于男性的典型值，但仅是由于身体重量相对较低，而每千克体重的代谢值并无显著差异（女性航天员：10.5± 2.4 kJ/kg/h；男性航天员：10.9±2.3 kJ/kg/h）［15］。

3.3 航天环境对日能量代谢总量的影响

早期飞行任务中，由于飞行器体积限制了航天员的自由移动和锻炼，平均能量消耗约为9 MJ/d［9，37］。Gemini任务航天员日能量消耗比地面减少2615～4184 kJ/人［38］。随着后续任务期延长，任务中体力活动增多，能量消耗增加约10%～30%。如航天飞机任务中的航天员可以随意活动、有许多常规性锻炼、参与在轨试验等，男性航天员平均能量消耗为11.8 MJ/d，比飞行前地面1g条件下测定值低约4%（0.5 MJ/d）［14］。Skylab任务中，每次任务比前一次任务延长1个月，后续任务航天员平均能量消耗增加0.5 MJ/d（P=0.05）。并且能量消耗增加最多的是前两个月，第二、三月间的变化是第一、二月间变化量的一半。飞行记录显示，随着驻留时间的延长，航天员平均每日的摄入和锻炼相应增加，食物热效应和体力活动能耗的增加促进了总能耗的升高［24］。在后期的飞行任务中，航天员的能量消耗总量接近地面非航天员水平（表2）。Prentice等［39］采用双标水法测定了319名生活在发展中国家志愿者的能量代谢。测定结果与飞行进行对比，男性日能量消耗总量（PLA）仅比微重力条件下航天飞机航天员高5%（P=0.05）［3］。

尽管国内外对航天能量代谢已经开展了大量研究，但仍存在结果不一致的情况。NASA目前正在持续进行长期飞行航天员能量需求研究，对国际空间站长时间驻留任务的航天员的能量代谢进行研究分析，并对防护航天员体重减少和返回后增加的措施进行评价验证，为今后更长时间的飞行任务（如登月、火星计划等）的航天员健康保障和物资供给设计进行准备［40-41］。

4　载人航天能量代谢设计参数

为了准确计算ECLSS的控制能力和上行资源配置量，必须合理设计制定航天员预期不同工作强度的代谢量。在近60年的载人航天活动中，美国和前苏联/俄罗斯在航天员能量代谢参数方面开展了大量研究，基于各自的飞行任务特点和航天员体质特征等制定了航天员能量代谢工程设计参数。

俄罗斯国家标准《载人航天器中航天员的居住环境医学-工程总要求》［43］提出了载人航天器工程设计的代谢参数（表3），随后未见相关修订报道。和平号空间站的食品配餐显示，航天员的日能量代谢总量参数为12.1 MJ±0.4 MJ（2900 kcal±100 kcal）。

表2　空间飞行中的总能量消耗（平均值±标准差）Table 2 The total energy expenditure during space flight（Mean±SD）

表3　俄罗斯载人航天器中航天员的代谢参数［43］Table 3 Metabolic parameters of astronaut in Russia manned spacecraft［43］

近20年，美国NASA载人航天器航天员能量代谢参数制定的模式从STD-3000版到STD-3001版发生明显变化。STD-3000［44］基于早期Sky-Lab2、3、4任务的飞行数据，按照不同工作负荷等级提出了相应的代谢参数（表4），每日代谢总量按照要因加算法进行计算，模式与俄罗斯及我国的相关要求类似。在2014年修订的STD-3001［45］中设计了微重力条件及21℃、70.3 kPa等特定环境下，82 kg体重的男性航天员在一个标准飞行日内的平均能量代谢参数，其将24小时在轨生活模式划分为3种状态，即睡眠、常规工作和体能锻炼，明确了航天员8小时睡眠期间EMR为316 kJ/h，睡眠以外的常规工作状态平均EMR为500 kJ/h，并单独给出了体能锻炼期间能量代谢参数，日能量代谢总量（12.0 MJ）与STD-3000（11.8 MJ）基本一致。

表4　NASA-STD-3000不同强度负荷时能量消耗［44］Table 4 Energy consumption at different intensity load in NASA-STD-3000［44］

NASA还基于航天员的性别、年龄、身高和体重等因素，提出了式（1）、（2）所示航天员每日能量摄入需求（EER）预估模型。并且规定了执行EVA任务时，可根据其时间，相应增加836.8 kJ/h的热量［45］。

19岁以上男性（kcal/d）：

NASA研究人员Stein等［16］和Lane等［14］通过对Skylab等任务的飞行数据分析，提出了式（3）所示的个体化的航天员能量需求预估模型，但在修订版的STD-3001中并未予以采纳。

自上世纪60年代开始，我国开始航天环境医学研究，在载人航天任务中建立了能量代谢评估体系［46］。根据曙光号任务期间4名志愿者卧床8天模拟飞行实验等多项试验数据，我国制定了神舟飞船短期正常飞行期间能量代谢参数，并分为睡眠状态、静息、轻度活动和中度活动四种负荷等级。该参数经过我国神舟五号至神舟十号载人运输飞船飞行试验和多次地面模拟飞行试验验证及逐步完善，成为我国设计飞行能量消耗和气体代谢参数的重要依据，满足短期载人航天任务需要。

与短期飞行相比，我国空间站任务航天员驻留时间将大大延长，不仅作息制度接近地面的日常生活和工作，而且工作内容更加丰富、航天员活动空间明显加大。因此，需要研究完善适合长期航天任务的负荷等级内容及标准。

2015年，中国航天员科研训练中心利用“能量代谢实验舱（Metabolic chamber）”开展了745人次967小时的“长期飞行任务人体能量代谢测量试验”。24名志愿者的身高、体重、最大耗氧量等代谢率相关身体指标覆盖我国航天员队伍相应参数。试验的服装、工作方式、温度环境等状态与我国空间站任务一致。针对18航天员在轨典型动作，开展了23℃和25℃单个动作及23 hr代谢总量试验，获得了18种典型负荷项目的平均代谢率及日代谢总量数据。试验还发现与23℃环境相比，25℃环境对耗氧率、CO2排出率和EMR等代谢参数无明显影响。这些数据的获得为制定长期飞行任务航天员代谢率设计参数提供了可靠的依据。

5　我国载人航天能量代谢研究的发展方向

5.1 能量代谢估测方法完善

我国目前短期飞行中应用的能量代谢估测方法在长期飞行任务中面临挑战，有待通过地面和在轨试验及理论计算分析等对其进行改进、验证和评价［46］。例如，空间站任务时，再生水的电解制氧将对基于氧气消耗法的估测准确性产生影响；DLW法估测时的氧再生和体液丧失因素影响有待针对性研究；飞行过程中应用运动肺功能仪测定锻炼过程的代谢率仍需完善等。另外，在我国首次出舱活动任务中，利用飞天舱外服监测参数获得的航天员能量代谢数据较为有限，应基于我国空间站任务舱外航天服研制和EVA监测的需要，优化并完善EVA能量代谢评估方法。

5.2 能量代谢预估模型建立

航天员能量代谢预估模型对于设计科学合理的代谢参数、制定高效的作息制度和降低能量代谢估测误差等具有重要价值。目前通过持续收集反映航天员群体特质（体重、身高、年龄、体况、基础代谢等）的能量代谢数据，结合地面不同负荷状态及历次载人飞行任务飞行中能量代谢数据，分析获得我国航天员群体代谢规律。在此基础上，后续需要通过深入研究我国航天员长期空间飞行的能量代谢数据，建立我国航天员长期飞行的能量消耗和需求预估模型。

5.3 能量代谢设计参数优化

目前我国航天员代谢设计参数适用于短期载人飞行航天器工程设计，需根据飞行时间延长不断修订和完善长期载人飞行人体代谢参数，同时开展针对长期飞行任务人体能量代谢的变化及天地间的差异系列研究。另外，在载人登月过程中，航天员所处的环境与近地轨道的空间环境有较大的区别，航天员将经历不断变化的重力环境。需要根据我国载人登月任务、航天员月面可能的活动任务以及月面重力环境，通过试验研究和数据分析提出我国航天员月面活动的人体代谢参数。

6　结语

随着载人航天任务时间的逐步延长，掌握航天员的能量代谢规律和制定合理的航天员能量代谢设计参数是航天任务圆满完成的重要基础。我国空间站任务处于起步阶段，未知领域很多，为了实现载人航天的长足发展，需紧跟国际发展的步伐，获取更多的航天员在轨能量代谢实验数据，系统深入开展我国航天员能量代谢的相关研究。

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Review and Prospect of Study on Energy Metabolism in Manned Space Flight

YANG Zhenzhong，WU Dawei，FEI Jinxue，LIU Weibo，HE Xinxing，ZHANG Cheng，LI Yinghui
（China Astronaut Research and Training Center，Beijing 100094，China）

Energy metabolism，one of the basic characteristics of life activity，is an important rating index for astronaut's physical functions.Importantly，the energy metabolism parameter designed scientifically and reasonably is the basic input and key element in engineering design of environmental control and life support system and food supply for manned spacecraft.Main energy metabolism measurements in spaceflight including direct/indirect calorimetry and the heart rate method were summarized.The effects of spaceflight environment on intake，energy expenditure and total energy expenditure were analyzed in detail.The standard of energy metabolism design parameter for manned spaceflight in the US，Russia and China were mainly discussed.The directions of energy metabolism research were also proposed according to the requirements of long-term manned space missions in China.

manned space flight；microgravity；energy metabolism

R852

A

1674-5825（2016）05-0655-08

2016-01-18；

2016-08-12

杨振中（1980-），男，博士，助理研究员，研究方向为航天环境医学。E-mail：footstep11@126.com