“国际空间站”航天员出舱活动医学保障主要结果

孙海鹏 王永生 赵东明 （中国航天员科研训练中心）

空间站航天员出舱活动医学保障工作，是载人航天长期飞行医学保障的重点，也是空间站运营和发展的重要保障。本文主要以“国际空间站”俄罗斯舱段为背景，介绍了“国际空间站”航天员舱外活动的概况、舱外活动的工作组织原则与医学保障系统，阐述了舱外活动的减压安全保障措施、舱外活动期间航天员作息制度的特点，最后分析了“国际空间站”航天员舱外活动的主要结果。

随着航天员舱外活动个体装备技术的完善及其功能可靠性的提高，舱外工作逐渐由短时行为变为航天员有计划的长时活动。1987-2000年，在和平号空间站考察期间，航天员共完成78次出舱活动，他们完成了大量的工作，包括在广阔的太空进行独特的科学实验、在空间站表面运输和安装大型构件、进行维修和调整作业、更换出现故障的部件和设备、试验航天员独立机动设备、检查舱的密封性等。由于使用了有效的综合设备和预防失重不利因素对机体影响的有效方法，在长期飞行中，舱外活动参与者保持了高效的身体工作能力。

1 “国际空间站”航天员舱外活动概况

“国际空间站”在2001年6月—2010年6月运行期间，利用俄罗斯“海鹰”舱外服进行了30次出舱活动。航天员们完成了相当大的工作量，这些工作包括进行独特的科学试验、在“国际空间站”外表面进行搬运和组装大型结构件、进行维修和调整操作、更换出故障的部件及机组、使接收货运飞船准备等等。

根据出舱活动的目的和任务，每年“国际空间站”安排出舱活动的频率是1~5次。大部分舱外活动（62%）是在飞行的第60~120昼夜期间完成的。最早一次出舱活动是在飞行的第25昼夜进行的。在超过4个月的飞行中有7次舱外活动，而且其中2次舱外活动是乘员组在轨飞行的第158~168昼夜完成的。

“国际空间站”舱外活动规模及持续时间汇总数据

“国际空间站”俄罗斯舱段上进行的舱外活动频次

2 舱外活动的工作组织原则与医学保障系统

飞行规则、MORD和AMERD是“国际空间站”上进行舱外活动所要遵守的文件。众所周知，为了在开放空间完成工作，在“国际空间站”上使用2种航天服：美国的EMU和俄罗斯的“海鹰”。虽然它们有相同的功用而且外表相似，但EMU和“海鹰”在技术结构、使用方法和出舱活动准备程序方面有本质上的区别。

乘员组在穿着“海鹰”服工作期间，飞行医学保障的控制权转给各专业小组，即“出舱”活动医学保障小组。出舱活动医学保障小组由各单位的专家们组成。

在“国际空间站”俄罗斯舱段上，舱外活动医学保障按照俄罗斯的备忘录进行，这个备忘录以前在完成“和平”号轨道组合体飞行任务时使用过。在“国际空间站”俄罗斯舱段航天员穿着“海鹰”舱外服进行舱外活动时，舱外活动的准备和进行时的医学监测阶段和方法见表“舱外活动各阶段的医学监测方法”。

在“和平”号空间站上进行舱外活动时，一个医学监测周期的时间长短取决于与地面站点通讯持续时间的长短，但在利用通信卫星时这一时间可以增加。最新情况是每个监测周期达到过60min。除了把医学遥测信息，诸如心脏收缩频率、体温和舱外服生保系统主要参数传递给飞控中心外，这些信息也能反映在舱载计算综合体的监测器上，而且必要时可被其他乘组人员分析处理，这些人员中包括医生航天员。常规医学监督的计算机综合系统“科马斯特拉”（комастра）对舱外活动期间医学生物学参数进行接收、处理、表现和记录，它可以实时地获得一系列快速医监指标，以反映舱外活动人员能耗紧迫程度、散热量和产热量，并对传送的所有信息以及记录在纸上和磁记录载体上的信息进行追溯分析。

舱外活动各阶段的医学监测方法

“出舱”活动完成后，对舱外活动人员的监测内容包括他们的自我感觉报告、无线通话数据、视频图像和尿的生化分析。对舱外活动人员这一阶段的监测与“和平”号空间站飞行计划有所不同的是，对体重的测量只是在“国际空间站”考察最初阶段进行，并且是针对完成前7次出舱活动的航天员来进行的。

有些舱外活动的操作作业是在“国际空间站”的设备舱上进行的，设备舱离定向发动机不远。这时舱外活动人员随身带着毛巾，在发动机附近的工作结束后用毛巾擦拭舱外服（特别是擦拭手套）。用过的毛巾包在软包装箱里并扔在太空中。

3 舱外活动的减压安全保障

舱外活动医学保障的重要任务之一就是制定措施，保护乘组预防高空减压病。高空减压病的最常见症状就是在肢体末端产生不同程度的疼痛，这些疼痛可能成为舱外活动计划不能完成的原因。但在很多情况下，高空减压病可能会发展成对身体的严重系统性破坏，如中枢神经系统的崩溃、呼吸和血液循环障碍，这些病会对当事人（受害者）的健康造成顽固性破坏，甚至导致停飞。

起初在俄罗斯的舱外服中预先具备两种工作压力模式；主要模式是40kPa，备用模式是27kPa，备用模式用于进行特殊操作时增加舱外活动人员灵活性。在现代改进的俄罗斯轨道空间站中只有40kPa的主压力模式航天服（海鹰-M），这种航天服用于和平号空间站和“国际空间站”的出舱活动。

根据俄罗斯在“国际空间站”上出舱活动的准备工作及进行过程中的记录，为使穿“海鹰”服的舱外活动人员预防高空减压病而使用这样的程序，即在周围压力是73kPa的情况下，向航天服内充填氧气以降低氮的饱和度。有一种情况就是在气闸舱压力降低之前，在完成排氮之后，需要有一个舱外活动人员从航天服中出来，以便打开两套航天服的主氧气瓶阀门。这就有必要重新排氮，其结果就是这次舱外活动的第2名人员的实际排氮时间会超过计划1倍。

迄今为止，所有出舱活动包括从俄罗斯飞船和空间站出去的，也包括“国际空间站”的30次出舱活动都顺利完成而没有发生高空减压病症状。根据舱外活动实际次数和在真空舱里穿服装进行模拟舱外活动的次数总和，经计算确定，俄罗斯方案在预防产生高空减压病置信度为0．95时的可靠性不低于0．995。特别要强调的是，这个数据是在短暂的出舱准备过程中获得的，本身包括30min的有目的机体排氮。这时机体组织中氮气的过饱和系数的初始值是1．64～1．93，它取决于具体的气体成份和航天器居住舱一天的压力和服装里的具体压力。

当发生高空减压病时，采取的治疗措施应该是针对迅速消除这一病症的临床表现、减小身体中形成的气泡大小、使这些气泡加速溶解到血液和人体组织中，保持给组织相同的输氧并消除因气泡对血液真正成份及蛋白蛋结构的二次作用而产生的功能破坏。

当舱外活动期间产生高空减压病时，患者应该停止工作，立即返回空间站气闸舱并进行反向过闸，其目的就是使他服装内的压力提高到空间站生活舱的水平，也就是1．01×105Pa。此时服装内的气体介质应由纯氧组成。为了从身体中加速排出气泡、改善对组织的供氧并降低患血栓综合症的风险甚至在加压到1．01×105Pa使高空减压病症状完全消失时，建议继续吸纯氧30～60min，并且服用阿斯匹林和药液。

当航天员已经返回空间站后，加压至1．01×105Pa高空减压病症状仍没有完全消除，也就是在常压舱情况下症状复发或出现症状，表明应立即使用超压输氧。但是完全实现这一治疗，要求只有在有人操作航天器装备专用超压设备之后才成为可能，该超压设备的治疗压力达到2．5～3．0×1．01×105Pa大气压，这应该认为是在飞行条件下完善航天员紧急医学救助系统的重要任务之一。在缺乏专用技术手段时，就像现在的“国际空间站”也存在这种情况，可以利用“海鹰”服进行超压、输氧，该服装的技术性能允许在里面产生压力达1．4×1．01×105Pa的氧环境。

在开发宇宙空间的工作中，医学保障系统要使用超声波气泡检波器，这样能够对舱外活动时航天员的健康状况实施快速的医学监督，勿庸质疑，这将提高出舱活动的安全性。在下面的情况下也可以使用这种类型的仪器，即在出舱活动完成后的一段时间内，在航天员身上出现或具备不明显的体征变坏征兆时，可以做出对高空减压病的细微诊断，也可以监督治疗效果。

在高空减压病没有复发时，在完全达到内科指标超过72h后是可以允许例行的出舱活动的。而且在完成过闸后的最初48h，患过病的航天员必须保持平静，忌讳进行强度大的身体训练和热治疗。当出现延后的高空减压病或在飞行的所有后续阶段上重复出舱过程中出现复发时，这名乘组人员应该被禁止进行舱外活动。当在空间站的内科治疗没有好的效果以及患病航天员身体状况变坏时，建议停止其飞行，并在地面继续进行治疗。

4 舱外活动准备和实施阶段航天员作息制度的特点

合理的作息制度是长期航天飞行中保持乘组最佳工作能力的重要手段。为了编制“国际空间站”俄罗斯舱段上舱外活动准备及实施阶段的作息制度，曾利用了“和平”号空间站长期飞行时舱外活动中积累起来的经验。

航天员舱外活动日作息制度的制定，要考虑到乘组与飞控中心联络的时间长短以及轨道上的照明条件。一个工作日的安排要符合当前出舱活动的目的。一个工作日的航天员活动可以分成以下几个阶段：

- 准备工作（检查“国际空间站”、晨间医监、气闸舱和运输飞船准备、关闭“国际空间站”各舱门、穿上装备、检查舱外服密封性、前期输氧、直接过闸）；

- 实施舱外活动；

- 进行结束阶段的工作（反向过闸、脱掉航天服、医监、使工作舱和运输飞船进入初始状态、干燥和更换舱外服的可换元件）。

在“和平”号空间站上进行舱外活动时，准备阶段操作和收尾操作占一昼夜时间的38%，舱外活动时间占17%、睡眠时间占35%、解决其他问题的时间占10%。

当“国际空间站”上有第三名乘组人员时，他的活动也要和舱外人员相谐调。随着过闸的开始，连接“国际空间站”和其余舱段的舱口也开始关闭。第3名人员参加舱外活动就是监视舱载系统、工作图和进行电视报道。

舱外活动的开始时间取决于乘组与飞控中心最长的通信时区及轨道照明条件，这就经常导致乘组昼夜活动周期的明显偏移，出舱作业前休息时间和睡眠时间偏移1．5～7h，同样也使唤醒乘组的时间推迟到舱外活动完成后的第二天。

根据飞行计划，工作和休息时间可按着乘组的意见倒换一次或一昼夜倒换1～2h。当有夜间舱外活动时，午饭后给乘组补充个人休息时间。但远非所有航天员都把休息用于睡眠，很多航天员习惯于夜间工作。

“国际空间站”舱外活动规模及持续时间汇总数据

舱外活动期间航天员心脏收缩频率、能耗水平和体温

在准备及实施舱外活动阶段，经常要发生违反已习惯了的昼夜秩序、使工作日延期、休息时间不够、取消用餐和夜间工作之间的间隔等现象。

5 舱外活动医学监督的主要结果

舱外活动期间，（等待“阴影”结束、听无线电通话）航天员能耗值约是1．8～2．0kCal/min。这时心率不超过51～70次/分。能耗峰值就像心率一样取决于工作特性、舱外服内微气候参数和航天员心理负荷水平。最大负荷时能耗达到7．9～9．8kCal/min，这时心脏收缩频率峰值为150～168次/分。

心脏收缩频率的平均水平是100次/分，这就是舱外活动的最佳生理负荷水平。只在4种情况下观察到了心收缩频率超过150次/分。第一种情况是发生了计划外情况；其余3种情况是在“国际空间站”外表面进行复杂操作时航天员表现出了身体紧张。参加舱外活动的女航天员的生理指标表明她有好的身体训练和对开放空间工作条件稳定的适应性。舱外活动期间，她的心脏收缩频率没超出78～120次/分这一范围，体温在36．3～37．0℃之间。

舱外活动人员身体热感受总的来说是舒适的。只在一种情况下热感受由舒适偏向“热”，就是在航天员以前没有舱外活动经验时。

很常见（10种情况）的是热状态由舒适状态偏向“凉爽”，这些情况在航天员承受高强度生理负荷之后，并在轨道阴影区域休息时发生。值得注意的是手指出现极冷而不舒服的征兆，这是由于手指与冷金属物体及“国际空间站”外表面设备长时间接触所致。

对14人次出舱活动的研究表明，舱外活动人员体重的变化情况为：在11种情况下发现体重减轻，有5名航天员体重降低1．3～2．5kg，有6名航天员体重减少0．1～0．6kg。其余3种情况下舱外活动后体重测量结果和原始体重值没区别。根据舱外活动人员的报告，在开放空间进行操作期间对液体的需求量是300～400ml。

在完成特别紧张且长时间的工作后，舱外活动人员感觉除了普遍疲劳外，不少人都指出手臂肌肉疲劳，并出现手指和脚趾处的皮肤疼痛和被磨破。个别还出现了暂时性蛋白尿症和糖尿病。蛋白尿症和糖尿病通常在舱外活动期间心收缩频率升高和体重减轻超过2kg的航天员身上检查到。

根据现有文献资料，出现蛋白尿和糖尿病被认为是舱外活动期间身体承受繁重负荷的结果，可以根据所得数据资料来制定乘组完成出舱活动后恢复阶段的作息制度。

6 小结

在“国际空间站”俄罗斯舱段上，各不同阶段进行的30次出舱活动都成功完成了。舱外活动人员的生理反应是与工作性质和心理生理紧张程度相一致的。所用的舱外活动医学跟踪系统能够快速评价航天员的身体状况、预报和警告不良状态的发展。所取得数据可用于载人登月或火星飞行舱外活动医学保障的论证中。