航天特因环境影响及有关选拔训练项目和模拟方法

徐水红，闫 利，马爱军，赵 维，张 磊，逯忠国，邓金辉，毕建智

（中国航天员科研训练中心，北京 100094）

0 引言

航天员在轨飞行中面临的环境不同于人类长期生活的地球环境，是多因素复合而成的复杂且多变的环境，包括：真空、冷黑和太阳辐射等宇宙空间自然环境；超重、冲击、振动和失重等航天器飞行诱导环境；以及乘员舱大气环境和航天服内微小大气环境等人工环境。为保证航天员在轨飞行中的身体健康和生命安全，须在载人航天器的研制过程中采用各种有效的工程设计方法，对航天员可能经历的有害环境因素进行充分隔离防护，将其影响控制在医学要求的范围内；另外，在地面模拟航天特殊因素环境，通过试验来选拔和训练航天员[1]，可提高航天员对这些环境的适应和耐受能力。

1 航天特因环境及对人体的影响

1.1 超重环境及其对人体的影响

飞船由地面发射升空，需要在较短的时间内持续提高速度至第一宇宙速度以克服地球引力，在加速过程中飞船和航天员处于超重状态。在超重力作用下，航天员各部位的重量沿加速力（超重力）方向成倍增加，使体液在体内重新分配，体内各组织器官出现牵拉变形和挤压移位的现象，人体相关传感器向中枢神经的信息传入功能发生变化，使航天员出现心血管功能紊乱，视觉及呼吸功能减弱[2]；超重载荷过大时还会产生黑视、晕厥甚至意识短暂丧失，严重时可能危及生命[3-5]。

1.2 失重环境及其对人体的影响

载人飞行器一旦进入预定轨道，围绕地球作圆周运动后，器身及其内的航天员都处于失重状态。失重环境下流体的行为与地面有着明显的不同，可引发人体若干生理变化，如体液重新分布，血液和组织体液向头部转移，造成心血管功能失调，立位耐力降低；重力载荷的持续消失将造成肌肉萎缩和骨质丢失，以及前庭功能紊乱导致的空间运动病。失重环境对人体的进一步影响还表现在免疫功能的降低和内分泌系统改变等。

1.3 振动冲击、噪声环境及其对人体的影响

航天员在航天飞行中会经历发射阶段由运载火箭推进系统和气动力诱导而产生的高强度振动，在轨飞行时由载人航天器舱内动力设备运行而产生的振动，以及返回段由飞船再入大气层时气动减速、开伞减速、反推减速和着陆（溅落）等诱导而产生的振动和冲击。振动冲击环境会对航天员的心理和生理造成影响，主要包括干扰视觉、通话和操作能力，引起人体疲劳，降低工作效率等，高强度的振动冲击还会造成人体内脏损伤。

航天飞行主要噪声环境包括发射段火箭发动机所产生的喷气噪声，发射段和返回段穿过大气层附面湍流所造成的空气动力噪声，在轨飞行段来自于载人航天器舱内动力设备、电子设备以及姿态控制推力装置的噪声等[4]。这些噪声可引起人体听觉器官的暂时听力损伤，高强的噪声甚至可能引起永久性听力损失[4]。

1.4 载人航天器乘员舱环境及其对人体的影响

载人航天器飞行的近地轨道环境包括真空、冷黑、太阳辐射等恶劣因素，人类无法直接在这样的环境下生存，必须用一个密闭的乘员舱将航天员与空间环境隔离开。乘员舱内应保持一个适宜人类生存的大气环境，需要控制舱内大气压力、氧分压、温湿度，并限制有害气体成分等。

1）舱内大气压力：当大气压力降至70 kPa时，人体会出现明显缺氧反应，54 kPa是人体对缺氧耐受的极限；环境压力降低至35.6kPa以下易出现减压病；进一步降低到6.3 kPa以下时，会出现体液沸腾，3 min就会造成机体死亡。当人体所处的环境发生迅速减压（处于轨道上升段，或出舱活动准备前，或舱外航天服泄漏）时，肺很容易受到损伤；而当外界环境压力增加（出舱活动结束后航天员返回气闸舱，或密封舱返回再入），航天员耳咽管最狭窄处的峡部被压紧，内外不通，耳鼓膜凹陷，有耳胀或耳痛感，严重时会造成耳鼓膜穿孔[4,6]。

2）舱内氧分压：维持乘员舱大气压力的同时必须维持适当的氧分压。过低的氧分压将引起人体缺氧，过高的氧分压会导致氧中毒[4,6]。国际空间站氧分压控制范围是19.4～23.7 kPa[7]；我国载人飞船内氧分压控制范围是 20.0～24.0 kPa[8]。

3）舱内温湿度：我国载人飞船内温度控制范围是17～25℃，湿度控制范围是30%～70%[8]。乘员舱温湿度环境因素对人体的影响相对温和，不会造成紧急伤害；但高温和低温环境对航天员工作和生活都有不利影响，过度的低温和高温将危及人的生命[4,6]。

4）舱内有害气体成分：载人航天器舱内大气的主要污染源包括：人体代谢，非金属材料出气，散布在舱内大气中的微小固体颗粒和微生物。有害气体浓度过高会降低航天员工作效率，危害航天员身体健康，甚至危及航天员生命，其中影响最大的是CO2和 CO[4,6]。GJB 4011A—2010《飞船乘员舱大气环境医学要求与评价方法》规定：载人飞船内CO2分压≤1 kPa，CO 浓度≤30 mg/m3[8]。航天头盔卫生学要求规定航天服内口鼻区CO2分压容许值为 1.3 kPa（短时间应急容许值为 1.6 kPa）[9]。

1.5 空间自然环境及其对人体的影响

近地轨道空间环境包括真空、冷黑、辐射、微流星和原子氧等环境，其中短时间暴露在冷黑、小当量辐射（含太阳辐射）、超小微流星和原子氧环境中不会对人体造成致命伤害，而真空环境能在短时间内致人死亡，故人体不能直接暴露在空间环境中。执行出舱活动任务的航天员，均需在地面模拟真空环境下进行出舱活动训练[6]。

2 航天特因环境选拔训练项目

2.1 航天特因环境耐力和适应性选拔项目

航天特因环境耐力选拔一般采用单因素刺激的检查方法，主要检查项目包括超重耐力检查、低压缺氧及耳气压功能检查、减压病易感性检查、前庭功能检查、下体负压耐力检查、头倒位耐力检查和立位耐力检查[5]。必要时，还进行噪声耐力、振动耐力、冲击耐力和高温耐力的检查或体验。

1）超重耐力检查：严格控制重力加速度大小、增长率和持续时间，分别检查人体胸背向（横向）和头盆向（纵向）对超重环境的耐受能力。

2）低压缺氧及耳气压功能检查：人体暴露在氧浓度20.8%、绝对压力54 kPa的低压环境30 min，进行缺氧敏感性检查；模拟环境压力变化速度严格可控，检查人体外耳道与中耳鼓室之间的耳鼓膜对压力变化率尤其是增压速率的耐受能力（简称耳气压功能）。

3）减压病易感性检查：在绝对压力26.5 kPa的低压环境中进行，受试者检查前先吸氧排氮，检查过程中全程吸纯氧，检测回心血流中的气泡数量，根据减压病症状，评定低压易感性。

4）前庭功能检查：使用模拟设备检查人体对线性加速度刺激的敏感性；评价受试者半规管对角加速度刺激的敏感性。

5）下体负压耐力检查：用下体负压筒进行下体负压耐力检查，根据人体对下体负压刺激的反应评价人体心血管机能的调节适应能力[5]。

6）头倒位耐力检查：头低位-6°长期卧床是目前应用最为广泛的模拟失重人体生理反应的方法。

7）立位耐力检查：一般用立位转床进行立位耐力检查，评价受试者对正向超重的耐受力和心血管机能的调节能力。

8）噪声耐力检查：载人航天初期，因航天器内噪声较大，提出在航天员选拔时进行噪声敏感性检查。目前，一般不进行此项检查，必要时视情选用[10]。

9）振动耐力检查或体验：目前已不列入航天员选拔项目，但必要时进行振动体验。

10）冲击耐力检查或体验：我国使用水刹车冲击塔模拟飞船返回时的冲击环境，航天员束缚于航天座椅上，座椅固定到冲击台面，航天员受到的冲击与着陆返回时一致，以体验为主，如果体验中航天员感到极度不适或受到伤害，则无缘航天飞行。

11）高温耐力检查：一般不进行此项检查，如果飞船返回时可能在夏天高温季节降落于热带海面上，可视情进行高温高湿耐力检查。

2.2 航天特因环境适应性训练项目

航天特因环境适应性训练的目的是提高和维持航天员对航天特因环境的耐受和适应能力，以及返回地面后的再适应能力。训练项目主要有超重耐力适应性训练、前庭功能训练、失重训练和血液重新分布适应性训练。出舱活动低压舱训练、模拟失重水槽训练、悬吊模拟低重力训练和气浮台训练等属于航天专业技术训练，因涉及真空环境和模拟失重环境，本文也作相应的介绍。

1）超重耐力适应性训练：训练目的主要是使航天员掌握正确的呼吸对抗动作，增强和维持航天员抗超重的能力和稳定性。

2）前庭功能训练：被动前庭训练主要利用特殊设计的转椅和秋千对受训者反复进行角加速度和线加速度的刺激，提高人体对运动刺激的耐受能力。

3）失重飞机训练：包括失重条件下人体的感受和体验、漂浮训练和定向能力训练；以及操作技能训练，如航天服穿脱、进食进水、转移物体、抛接重物、阅读书写、摄影录像、仪器设备操作和工具使用等训练。

4）血液重新分布适应性训练：反复改变受训者的体位，给受训者心血管感受器官施加刺激，锻炼其心血管调节机能，使其达到对快速血液分布有一定的适应能力。

5）出舱活动低压舱训练：目的首先是使航天员感受舱外航天服在真空条件下的操作特点和工作情况，消除心理障碍，增强完成出舱活动的信心；其次，使航天员体验舱外航天服水升华器工作情况，获得此方面的真实感受。

6）模拟失重水槽训练：目的是使航天员在模拟失重条件下掌握出舱活动操作技能，一般将全尺寸的航天器模型置于水槽内，进行特定装配或维修训练。水下训练用航天服、工具以及需要移动的部件通过配重或浮漂器配成中性浮力状态。

7）悬吊模拟低重力训练：用于模拟月面或火星表面的低重力，分水平/倾斜悬吊和垂直悬吊2种。

8）气浮台训练：主要是利用气浮台的微摩擦力进行航天员使用舱外服救援装置的训练。

3 载人航天特因环境模拟

3.1 航天超重环境模拟

一般用载人离心机模拟航天超重环境，离心机主轴与地面垂直，运转时，臂架带动吊舱围绕主轴在水平面上旋转，吊舱作圆周运动时的向心加速度产生一个沿半径向外的离心惯性力，使吊舱内的受试者承受着水平方向的离心惯性力与垂直方向的地球引力的合力所形成的超重力的作用[10]。通过调整吊舱内座椅安装方向，使航天员感受到的超重力与飞船发射、逃逸救生和应急返回时一致。

载人离心机为高速旋转载人设备，其结构必须有足够的安全系数，应具有冗余的超速保护功能和应急停车措施，以及完善的安全连锁保护措施。

3.2 失重（低重力）环境模拟

失重模拟方法一般有以下3种：

1）短时间失重（微重力）环境物理参数模拟，可采用跌落法和失重飞机飞抛物线来近似模拟，其中跌落法不适于人体试验，本文不作赘述。

2）受训者主观感受及动力学特性模拟，一般有中性浮力模拟和悬吊法模拟等方法。

3）人体失重生理效应模拟，目前较多采用的是头低位卧床方法。

3.2.1 失重飞机模拟失重环境

用经过改装的失重飞机来模拟失重环境。飞机进行抛物线飞行时，经历一个与自由落体大体相当的失重过程，如图1所示，可产生持续时间为15～30 s的失重（微重力）环境，微重力模拟精度为10-1g～10-6g。失重飞机一个起落可重复进行10～30次抛物线飞行[2]。

图1 失重飞机抛物线飞行示意Fig.1 Parabolic flight of weightless plane

3.2.2 中性浮力模拟失重环境

中性浮力模拟失重的原理是：沉浸在液体中的物体受到重力和浮力的共同作用，当浮力和重力相等时，物体在水中既不上升也不下沉，可停留在液体中的任何位置，像失重一样处于悬浮状态，称为中性浮力。

这种方法模拟的并不是真正的失重环境，只是模拟物体在漂浮状态下的部分动力学特点[11-12]。中性浮力模拟的优点是模拟微重力时间几乎没有限制，航天员在中性浮力环境中以很小的速度运动时运动和施力的感觉与在太空中类似，试验对象没有约束，可6个自由度运动。

中性浮力模拟设备水环境中应禁止使用强电设备，水下用电设备应采取可靠的密封和绝缘措施。吊车应选用气动吊车或其他形式的绝缘吊车。所有入水设备材料要与水质兼容，不得锈蚀或污染水环境。

3.2.3 悬吊法模拟低重力

用悬吊法模拟低重力环境分水平/倾斜悬吊法和垂直悬吊法2种。

水平悬吊模拟法的典型设备是垂直跑台（图2），将人体水平悬吊，跑台垂直放置，这样人体与跑台之间没有重力[13]。倾斜悬吊法（图3）用于模拟月面或火星表面低重力，例如，用绳索将人体悬吊起来，使人体轴线与水平面夹角为9.5°时，作用到人体轴线及足底部的作用力等于人体在月面感受到的重力。

图2 以水平悬吊方式模拟低重力的垂直跑台Fig.2 Low gravity vertical treadmill simulated by horizontal suspension

图3 以倾斜悬吊方式模拟低重力Fig.3 Low gravity simulation by inclined plane method

垂直悬吊模拟法主要是通过吊丝的垂直拉力平衡被试对象自身重力的方法来模拟失重，分被动重力补偿和主动重力补偿2种。被动重力补偿使用吊丝机构和滑轮组，利用配重来抵消被试对象自身的重力。主动重力补偿通过卷扬电机替代滑轮和配重来调整吊丝，使吊丝一直保持垂直状态和恒定的张力。

3.2.4 头低位卧床

人体失重生理效应地面模拟目前较多采用的是头低位卧床方法。使受试人员数天、数十天甚至上百天保持躺在床板纵向（受试人员身体主轴向）与地面有一个夹角（一般为0°～-12°）的特殊床具上，头在较低的一端，称为低位卧床。卧床期间被试者除可沿人体z轴方向翻转及下床大便外，其余活动全部在床上进行。研究结果表明[14-15]，头低位-6°卧床能较好地模拟航天环境人体失重生理效应。

3.3 冲击振动和噪声环境模拟

3.3.1 冲击环境模拟

航天飞行中航天员感受到的是较低加速度峰值和较长持续时间的冲击，模拟该环境效应的设备和方法较多，以结构形式划分有水平式冲击机和垂直式冲击机，以刹车所使用的阻尼介质划分有弹性金属带减速刹车、气动刹车和液体阻尼刹车等。用水刹车作为阻尼介质，能够获得较大的脉冲宽度（即较长的持续时间）且重复性好，非常适用于载人冲击试验设备。

3.3.2 振动环境模拟

载人振动台比产品振动台增加了人用座椅和生理信号测量系统，振动频率范围主要在低频段（一般为0.1～80 Hz），可用于航天振动环境人体效应研究，人体减振防护研究，载人航天器振动防护医学要求以及评价标准和评价方法研究，人体振动防护装具性能测试等。

3.3.3 声环境模拟

地面一般用声环境模拟试验室模拟载人航天声学环境，主要包括高噪声室、半消声室、隔声室、测听室和语音评价室。高噪声室模拟发射段和返回段噪声。半消声室模拟无反射的自由声场。隔声室可模拟载人航天器轨道飞行段舱内噪声。测听室进行听力测定。

3.4 载人航天器乘员舱环境模拟

一般模拟乘员舱的压力、增减压过程（含爆炸减压过程）、温湿度、气体成分等环境参数。航天员选拔训练中，模拟5 km高空的氧分压环境（压力54 kPa、氧浓度20.8%）且舱内压力变化速度严格可控，用于低压缺氧及耳气压功能检查；模拟10 km高空的压力环境（压力26.5 kPa），用于减压病易感性检查；模拟高温高湿环境，用于高温耐力检查[6]。

3.5 出舱活动训练用低压环境模拟

模拟容器须能够保证舱外航天服正常工作的环境压力，主要保证舱外航天服压力控制系统和水升华器能正常工作，一般要求容器内压不高于20 Pa。需配置服装悬吊装置，用于减轻航天员训练时所承担的舱外航天服的重量；配置训练辅助设备，用于模拟气闸舱舱载设备；配置紧急复压和舱外航天服应急供氧设备，用于出现意外时确保航天员安全[16-17]。

4 结束语

随着人类现代科技水平的提高，航天探索活动正在逐步拓展，各航天大国和机构已将对月球以及更远的天体或空间环境的载人探测作为当前和未来航天领域的发展重点之一。新的航天任务必将对航天员选拔训练提出新的要求。总结航天特因环境模拟技术和方法，跟踪前沿科学技术，研究适应航天任务发展需求的载人航天环境模拟技术和方法将会是摆在我们面前的新课题。