载人月球探测任务大气环境压力制度设计与试验验证_刘朝霞.pdf

工程技术载人月球探测任务大气环境压力制度设计与试验验证刘朝霞，吴大蔚，陈 欣，吴 斌，刘伟波，费锦学，彭远开，翟志宏，仲崇发，张 兵，徐玉彬，黄伟芬（中国航天员科研训练中心，北京）摘要：针对载人月球探测任务连续出舱需求，综合人体生理学和工程技术要求，兼容国内外当前在用的舱外服压力体制，提出双服压、低服压压力制度建议，以实现连续每日出舱。对压力制度安全性进行试验验证，选取 名健康志愿者，分为 组，其中 名男性志愿者平均分为组，名女性志愿者分为 组；利用密闭实验舱模拟载人月球探测任务全包络压力环境，开展了 轮次、每轮次为期 、连续 、每日 全负荷模拟出舱活动的密封舱试验。试验结果表明：种压力制度方案均无减压病发生，也未观测到回心血流气泡，能够有效防护减压病。关键词：载人月球探测；压力制度；出舱活动；减压病中图分类号：；文献标识码：文章编号：（）收稿日期：；修回日期：基金项目：航天试验技术重点项目（）第一作者：刘朝霞，女，博士，研究员，研究方向为航天特种医学。：通讯作者：黄伟芬，女，博士，研究员，研究方向为航天医学工程。：，（，）：，（）（），：；第 卷 第 期 年 月 载 人 航 天 DOI:10.16329/ki.zrht.2023.01.005 引言 载人月球探测任务中，航天员地月往返将驾乘载人飞船，月面航天员在环月及着月期间在月面着陆器内工作生活。月面驻留期间，航天员需着登月服开展出舱活动（，），正常状态需常规性开展月面行走和科考工作，成为常态化，要求具备连续每日 的能力；故障时需紧急出舱维修。因此，载人月球探测任务必须实现连续多天每天均可出舱，短时随时出舱，以确保环境安全和月面作业任务高效完成。实现连续每日出舱、短时随时出舱的制约因素是飞行器和登月服的大气压力制度。大气压力制度是指密封舱内的大气总压、氧分压以及稀释气体的种类及其分压，是载人月球探测任务的顶层指标之一，与飞行器结构设计与安全、航天员健康安全、出舱活动任务设计、飞行资源代价等密切相关。各航天大国一直在探寻高效安全的大气环境压力制度。从 世纪 年代至今，舱内大气压力制度由 纯氧逐步过渡到 的氧氮混合气。截止目前，仅阿波罗任务实现了纯氧压力制度下的连续每日出舱，但也付出了火灾亡人事故的代价。当前的 氧氮混合气压力制度均不能连续每日出舱，且 前需阶梯降压、吸氧排氮。美国始终坚持 纯氧的舱外服压力制度，航天飞机阶梯压力制度出舱间隔为，空间站经气闸舱出舱间隔为 。苏联 俄罗斯与中国的压力制度相近，载人航天器均采用 氧氮混合气压力制度，舱外航天服始终采用 纯氧压力制度，吸氧排氮方案为气闸舱泄压至 ，服内吸氧排氮 后出舱，出舱间隔不小于 。截止目前，压力制度下尚未实现航天员连续多天每日均可出舱，也未见模拟连续出舱的地面试验的相关研究，目前对如何实现每日连续出舱，如何评估增减压重复暴露带来的减压病风险尚缺乏理论和实践认识。针对载人月球探测任务连续每日出舱需求，本文提出双服压、低服压的压力制度，对 种压力制度下实施连续多天每日出舱的安全性进行试验验证，旨在为载人月球探测任务大气环境压力制度的制定提供理论和试验依据。载人月球探测任务压力制度设计 载人航天器大气压力制度的选择，需综合统筹人体生理学要求和工程技术需求。.人体生理学要求 ）缺氧。根据人体急性缺氧生理效应，氧分压应 不 低 于 人 体 生 理 等 效 高 度（）。）氧中毒。高氧对人体最主要的影响为氧中毒，可引起呼吸、循环、血液系统及中枢神经系统不良反应。其容许限值没有确定性结论，为确保长期飞行航天员的健康和工作效能，同时考虑工程安全性，选取与地面大气环境生理等效的氧分压。）减压病。时航天员将在短时间内从 航天器过渡到低气压的舱外航天服有可能产生减压病。环境气压降低过快或幅度过大时，溶于体内的惰性气体超过过饱和安全限值，逸出形成不溶性气泡是导致减压病的主要原因。根据 的减压理论，不发生减压病的安全高度为 （.）。评估减压病风险的核心指标为氮气过饱和系数（值），即减压前人体组织内氮分压与减压后总压的比值。当前降低 值的方法包括提前降低舱外活动前大气环境总压、执行吸氧排氮等。航天标准规定，不产生减压病的 值为.，值为.及.可分别作为空间站及航天飞机的可接受安全 值，但需要吸氧排氮 阶梯减压，且出舱间隔至少 。.工程技术需求 针对工程技术因素，资源代价是最大约束，环境安全是核心保障，灵活高效是最高目标。大气压力制度需要考虑的工程技术需求包括：与发射、返回当地大气压匹配，利于航天员快速开舱；考虑防火安全设计，严控氧氮比例，针对最高氧浓度水平严格筛选非金属材料；适当降低总压，优化舱体强度设计，有效减少气体消耗和补给；较低舱压将减少热交换的可能影响；器 服匹配性及舱外活动工作效能。航天服压力、机动性、预呼吸时间、时间间隔等的权衡一直是涉及出舱活动效率的重要因素。针对 前 的预呼吸需求，力求通过实现高气压提高机动性予以解决。但从载 人 航 天第 卷目前工程技术发展看，仍需选择 较低服装压力。从航天器大气环境压力制度的发展看，当前的 制度均无法实现连续每日出舱，要实现连续每日出舱、简化吸氧排氮快速高效出舱，就要降低总压，以减控减压病风险；但同时需要避免氧浓度过高，确保环境安全，这又需要尽可能选取较高的舱压；压力制度的选择需要同步满足高效率和低风险，实现最优匹配，如图 所示。图 大气压力制度选择需考虑的技术要素 .压力制度选择原则与目标 载人月球探测任务运输代价巨大，应秉承安全、经济、效能原则，研究提出安全、高效、经济、可行的大气压力制度，以达到降低物资消耗和提高出舱效能的目的。大气压力制度选择的目标为：航天员每天均可执行舱外活动，无需长时吸氧排氮，不出现减压病；保证登月服的机动性能；降低月面停留和出舱活动的资源消耗；保证正常和应急情况下航天员的安全。.压力制度方案.压力制度选择方法 依据 值不大于 的条件下，尽可能减控舱内氧浓度的原则，以发射返回时 为计算起点，入轨后阶梯减压，以尽可能减少 前的吸氧排氮时长，选择正常氧分压，以避免引起高氧和低氧不良生理反应。针对当前已有 种服装压力，从 连续计算座舱各总压及不同氧分压配比条件下降至舱外服压力的 值、氧浓度。低压暴露后 值计算方法见式（）：（.）（）其中，为减压前初始总压，.为肺泡水蒸气分压，为氮气百分比，为减压后总压。种服装压力制度的器服压力组合最大包络典型工况计算结果如表 所示。表 月面出舱活动减压病风险分析 飞行器总压 飞行器氧分压 飞行器氮分压 人体组织氮分压 服压 值 服压 值氧浓度.注：综合考虑舱内氮分压和氧分压传感器的测量精度，建议舱内总压控制波动范围最小为，氧分压控制波动范围为，按照该范围选取压力范围。第 期 刘朝霞，等 载人月球探测任务大气环境压力制度设计与试验验证 按照上述原则，综合分析计算结果，论证提出分别针对 双服压、低服压的大气环境压力制度建议。.双服压压力制度 ）月面着陆器压力制度。如表 所示，针对 服装压力，当座舱总压为 时，值接近.，因此按照总压控制范围（）、氧分压控制范围（）、供氧优先的控制策略设计月面着陆器压力制度。登月服采用 纯氧压力制度时，各种情况下 值均小于，不存在减压病风险，出舱前不需要吸氧排氮，出舱活动无时间间隔限制，整体上出舱活动效能高。同时，舱内氧浓度最高为.，虽超出 舱内氧浓度不高于 的着火风险控制要求，但满足俄罗斯提出的舱内氧浓度不高于 的控制标准。）登月服压力制度。考虑到在 纯氧服装环境工作期间有吸氧排氮作用，登月服首先采用 压力，工作一段时间后降至 ，以提升着服操作灵活性。式（）为吸氧排氮的 值公式：（）（）（）其中，为减压前初始氮分压，为吸入气氮分压，为组织氮气清除率常数，为低压暴露时间，为减压后总压。按照式（）计算，从 标称值及 舱压高限进入 服装纯氧环境，工作 后将服压降到 的 值。因此，登月服压力制度为：首先采用 纯氧压力制度，停留 后可按需将压力降至 ，舱 外 作 业 结 束 后 舱 压 恢 复 至。该服装压力制度一方面应能满足减压病防护需求，另一方面可满足精细操作需要。考虑到方案的安全性、重复暴露时 值评估的有限性，出舱前可结合服内操作，在 纯氧环境下进行不少于 的吸氧排氮。）载人飞船压力制度。载人飞船发射段和返回着陆段，为与发射场和着陆场环境匹配，座舱总压选取 。从地面到月轨飞行的过程中逐步减压至月面着陆器压力，共分 步：由 减压至 ，借鉴俄罗斯与中国出舱活动经验，不需要吸氧排氮。为充分排放组织中的氮气，在 停 留 至 少 。减 压 至，由 经 停留 后减压至 的 值小于，可直接减压；从停留不同时间的 值看，停留 后 值随时间延长而进一步减少的趋势已相对较缓，停留 则慢排放组织内的氮气已得到较充分地释放，因此，要求 停留不小于 。综上，双服压压力制度为：地月飞行段，载人飞船从 择机减压至 ，停留 后减压至 ，按照总压（）、氧分压（）控制大气压力环境，并停留 以上。环月及月面驻留阶段，载人飞船及月面着陆器按照总压（）、氧分压（）控制。登月服首先采用 纯氧压力制度，服内纯氧环境下操作 及以上后（相当于吸氧排氮）出舱，在 服装纯氧环境工作 后，服压可降至 ，停留不大于 。结束后月面着陆器舱压恢复至 ，每日重复。月地飞行段，载人飞船从 复 压，按 照 总 压、氧分压（）控制。双服压压力制度的全任务包络示意图见图。图 双服压压力制度示意图 （）载 人 航 天第 卷.低服压压力制度 ）月面着陆器压力制度。飞行器总压（）、氧分压（）条件下，若登月服采用 纯氧压力制度，值在.之间，仍存在一定的减压病风险，出舱前需要吸氧排氮，出舱活动间隔不小于 。为实现连续出舱要求，必须进一步下调舱压。为保证航天员安全和正常工作，氧分压不能低于 。根据表 计算结果及压力制度选取原则，月面着陆器的压力制度为：与载人飞船对接后，舱内总压控制范围（），氧分压（），供氧优先。该制度舱内氧浓度偏高，需加强着火安全性相关工程控制要求。）登月服压力制度。服装采用 纯氧压力制度。从载人飞船转入月面着陆器后如快速出舱，则载人飞船的总压 氧分压 大气环境暴露在短时间内无法平衡，需以该大气环境为初始状态分析减压病风险。根据式（）的计算结果见表：首次出舱活动时需吸氧排氮，出舱活动结束后舱压恢复至 ，后续可每日出舱。出舱活动前以服内纯氧环境下 及以上的相关操作替代吸氧排氮。）载人飞船的压力制度同双服压压力制度，对接前，按需将舱内总压降至与月面着陆器总压相同。综上，低服压压力制度为：载人飞船压力制度同上。环月阶段，月面着陆器总压从 直接降至 ，氧分压保持不低于 ；后续及驻月阶段，舱压按照总压（）、氧分压（）控制。登月服采用 纯氧压力制度，首次 前，吸氧排氮 ，停留不大于 后结束，舱压恢复至 。后续 前，在 服内纯氧环境下操作 及以上，工作不大于 后结束，舱压恢复至 ，每日重复。全任务包络的低服压压力制度示意图见图。.种压力制度比对分析 种压力制度均采取地月飞行阶梯降压，逐步释放组织中氮气的减压病防护思路。月面活动期间，双服压压力制度无需专门安排吸氧排氮时间，仅需结合服内纯氧环境不少于 的操作实现吸氧排氮功能；低服压压力制度首次出舱需吸氧 ，后续出舱也只需结合不少于 的服内纯氧环境操作实现吸氧排氮功能。种压力制度均有望实现连续每日出舱，相关比对情况如表 所示。上述论证分析是基于理论计算的结果，种服压的安全 值基本均不大于，虽然推测应能够有效避免减压病，不影响后续减压病防护效能，但对于 值的风险评估效能是基于单次出舱的风险评估系数。多次连续出舱，反复暴露的风险如何需开展相关试验研究。表 吸氧排氮不同时间的 值 减压前总压 减压前组织氮分压 吸氧排氮时间 吸氧排氮后组织氮分压 减压至 后 值.图 低服压压力制度示意图 （）第 期 刘朝霞，等 载人月球探测任务大气环境压力制度设计与试验验证表 两种压力制度候选方案比对分析 项目双服压方案低服压方案减压病风险与低服压方案相当与双服压方案相当吸氧排氮更优，可直接出舱首次需吸氧排氮 着火风险相对低，高于 要求，但满足俄罗斯不超出 的要求高，存在氧浓度高于 工况，但均未超出 安全冗余压力应急时多一层压力防护，有更多处置的空间，距离人体无法耐受的压力低限更近登月服灵活性经近地轨道验证操作绩效应能满足，需要精细操作时可临时下调更灵活，操作绩效相对更好技术继承性有成熟的压控研制经验与中国空间站舱外服压控方案不同，需新研 试验方法.志愿者与分组 选取志愿者 人（男性 人、女性 人），年龄 岁，.，经医学和心理学检查，均身心健康，排除了与减压病密切相关的卵圆孔未闭疾患，并通过了高空减压病易感性筛查。男性志愿者分 组，每组 人，参加双服压、低服压 种压力制度试验；女性志愿者 组共 人，参加低服压压力制度试验。志愿者基本情况及分组见表，组志愿者共完成 轮次试验。表 志愿者基本情况统计表 组别模式年龄 岁身高 体重 第一组双服压 低服压.第二组双服压.第二组低服压.第三组双服压 低服压.第四组低服压.注：第四组为女性志愿者.试验方案 针对 种压力制度，利用中国航天员中心研制的飞船内环境模拟舱开展密封舱试验，模拟载人月球探测任务全包络压力环境。志愿者按照一日三餐、每日睡眠.、工作 的方式在舱内连续生活，其中连续 每日模拟 ，通过综合分析减压病及心前区气泡分级情况，验证压力制度的减压病相关人体安全性。压力环境模拟流程为：地月、月地模飞时段，舱内总压、氧分压按照载人飞船压力制度控制，舱内有害气体和 控制通过新风置换实现。地月模拟飞行时段，总压由 减压至 停留 ，减压至 停留 。驻月模飞阶段，非 时段舱内总压、氧分压，分别按照双服压、低服压中的月面着陆器压力制度进行控制；时段，通过整舱泄压模拟 种登月服压 力 环 境，通 过 高 空 供 氧 面 罩（）及头盔（，襄樊救生装备有限公司）供纯氧模拟登月服内纯氧环境。出舱活动模拟监控：采用质谱仪（，英国）全程监测面罩内氧氮浓度。通过自行车、跑步机、踏板等实现代谢负荷模拟。男性志愿者平均运动负荷 ，最大 ；女性志愿者平均负荷为男性的，最高负荷 。减压病相关人体安全性评估：减压病，根据模拟 期间志愿者症状体征判定有无减压病发生；结束后跟踪随访，统计迟发性减压病情况。心前区回心血流气泡，各组志愿者中 人（代号）使用多普勒气泡检测仪（，法国）检测模拟 全程胸骨左缘 第 肋间隙处的气泡音；其他志愿者（代号 ）使 用 笔 记 本 彩 超 （粤 械 注 准，深圳开立生物医疗科技股份有限公司），相互检测右心回心血流气泡情况，超声图像通过信号线缆无损传输至舱外，医生实时指导并判定气泡分级。发现较明显气泡时，种设备相互印证。双服压组检测时机为压力降至 即刻至 内及 ，压力降至 即刻至 内、；低服压组检测时机为载 人 航 天第 卷压力降至 即刻至 内、。结果与分析.压力制度执行情况 图、图 为 种候选压力制度实际控制情况时间历程曲线的随机示例。从曲线可知，整舱压力严格按照设计条件实施控制。.面罩内氧浓度 各组志愿者吸氧排氮期间、模拟出舱活动期间的口鼻区氧浓度均基本满足不低于 的要求，少数口鼻区氧浓度低于 的工况，为高负荷运动时人体呼出 增多，口鼻区呼气相 浓度增高所致，人体的氮气吸入量并没有增加，不增加减压病风险。同时，面罩供氧方式为吸气相时通过吸气活门由供氧器供氧，呼气时通过呼气活门排出。质谱仪连续监测结果显示，吸气相时面罩内 浓度最低，因此只要保证面罩吸气相供氧充分，不会出现高 和缺氧反应。.减压病发病率 轮次试验中，志愿者连续 模拟，其中双服压力制度志愿者每日在 停留 、停留 ，低服压压力制度志愿者每日在 停留。根据模拟 期间定时医监询问、志愿者主诉，以及模拟 结束后的 跟踪随访情况，种压力制度的 轮次志愿者均无皮肤刺痛、蚁走感、瘙痒、屈肢痛、关节痛、肢体痛、咳嗽、胸痛、神经系统症状等不适，无局部皮疹、斑点、荨麻疹、皮肤斑纹等减压病相关症状体征，无减压病发生。双服压力制度试验 人、低服压力制度试验 人，均未发生减压病。.心前区气泡检测情况 气泡是减压病发展的必要但不充分条件。目前，利用超声波检测开展减压研究仍具有技术优势，但研究结果受检测者技能水平影响。针对该问题，本文选取与中国空间站任务技术状态一致的超声诊断仪，具备舱内外同步图像检测能力，选取有生物背景并经培训合格的志愿者进行超声检测操作，舱外同步由长期从事心血管超声检测的专业人员同步监测指导。各组志愿者中气泡检测仪检测结果均未发现心前区回心血流有气泡音，心前区超声检测均显示，右心腔内未见白色光团，未发现气泡影。代表性的超声检测图像参见图 图。图 双服压候选压力制度实现时间历程曲线示例 图 低服压候选压力制度实现时间历程曲线示例 第 期 刘朝霞，等 载人月球探测任务大气环境压力制度设计与试验验证图 志愿者双服压超声多普勒检测气泡图像示例（暴露.内）（.）图 志愿者低服压超声多普勒检测气泡图像示例（降至 暴露.内）（.）载 人 航 天第 卷图 女性志愿者低服压超声多普勒检测气泡图像示例（暴露.内）（.）讨论 根据当前认知，减压病发病的根本原因是惰性气泡的生成，其发病的核心要素是压差，其与低压暴露时间、减压速度、重复暴露、胖瘦、体力负荷等密切相关。以下从减压病的发病机制及相关影响因素对试验结果进行讨论。.核心要素压差 减压前后的压差是发生减压病的关键性因素，压差越大，发病率越高。为实现连续每日出舱，种压力制度方案均利用较长时间的地月飞行进行阶梯降压，使得体内氮气首先得到较充分释放，并进一步结合服装纯氧环境准备和工作时间进一步脱氮，从而有效降低出舱活动低压暴露的 值，使得 值。从理论上去除了氮气泡产生的根本因素，但由于 值安全性的研究经验是基于非连续出舱活动提出的。出舱活动时的肌肉关节等组织收缩，将使得组织局部产生压力梯度，促使产生微核这一减压病气泡形成的基础。连续出舱活动时 次出舱的时间间隔较短，能否促进体液内氮气泡的产生、集聚，从而加大减压病发生风险，尚属未知。从目前对 种压力制度的右心回心血流的气泡音检测和气泡超声图像检测结果看，名志愿者，每人在各轮试验中连续 的安全模拟出舱结果提示，值 时，多次连续每日出舱并没有促进氮气泡的生成。同时，各组志愿者均未出现减压病症状和体征，没有发生减压病，进一步说明 值 的压力制度减压病风险较小。.重复暴露及暴露时长 短时间内重复暴露是减压病发生的重要诱发因素，当前各国压力制度均要求，连续两次出舱活动时间间隔不短于 。减压病出现症状的时间规律为：最早出现减压病症状的时间为低压暴露 ，期间新发生减压病的几率较高，而后逐渐减慢，后减压病累积发生率很少变化，最迟发病时间可为。本文研究按照每天 模拟，连续 实施模拟，暴露时间长，重复次数高。.减压速率 本文基本按照 的速率控制舱压下降，从数据看，从初始压力降至目标压力的时间在 间，对减压病防护安全性验证效率无影响。.志愿者代表性 减压病的发生具有个体差异，存在易感人群，与性别、胖瘦、年龄有明确的相关性。在易感性方面，考虑到航天员人群特性，参加本文研究的志愿者均为高空减压病易感性检查合格者。在体重方面，减压病与胖瘦相关，肥胖人群更易发生减压病。本研究的各组志愿者平均 均不低于正常范围，且有 组接近正常上限，其中 名志愿者 高于，最高达.；体脂成分中有 人高于，覆盖指标范围。在年龄方面，志愿者年龄平均 岁，最高 岁，相对于飞行乘组可能的最高年龄稍偏年轻。由于本文研究方案中舱体压力下降平衡时间较长，年龄对于组织氮排放速率的影响可以忽略。.体力负荷 低压力暴露情况下的减压病发生率与体力负荷相关。体力 工作负荷越大，减压病发病率及严重程度越高。同时其对减压病的影响程度与活动的类型、强度、时间有关。各组男性志愿者平均代谢负荷接近或略高于第 期 刘朝霞，等 载人月球探测任务大气环境压力制度设计与试验验证 的平均代谢水平设计值；女性志愿者平均代谢水平达到平均设计值的 左右，与 出舱活动任务的平均代谢负荷相当。绝大多数志愿者的最高代谢负荷达到 的设计值，超出 的志愿者最高代谢负荷超出设计值，已能较充分验证该风险因素。.样本量 本研究在试验设计阶段，针对样本量需求，按照对照组（条件下实施连续出舱）减压病发病率为、试验组（压力制度）减压病发病率为.的保守估计，样本量为 时，统计学差异的检验效能为.，检验水准为.，满足统计效能要求。综上，本文研究结果初步提示，双服压力制度和低服压力制度志愿者均未发现氮气泡的产生，无主观症状及相关体征，未发生减压病，能够实现在每日出舱的前提下有效避免减压病的发生。结论 本文针对载人月球探测任务连续出舱需求，基于人体的生理学和工程技术要求，论证提出了双服压、低服压压力制度建议，通过多人多天载人及连续高负荷长时程模拟 的密封舱试验，开展了以执行连续每日出舱任务为目标的压力制度的人体安全性研究。研究结果表明，本文提出的双服压和低服压 种压力制度建议能够实现每日连续出舱，能有效防护减压病，可适应当前国内外在用的所有类型舱外航天服，具有广泛的国际合作前景，对载人登月、月球科考等未来航天任务发展具有良好的适应性。参考文献（）刘伟波，刘朝霞，陈金盾，等 载人探月航天器大气压力制度选择 载人航天，（），（），（）祁章年 航天环境医学基础 北京：国防工业出版社，：，：，：，（），（）：，：陈信，袁修干 人机环境系统工程生理学基础 北京：北京航空航天大学出版社，：，：，：（），（）：，（）：，：，：贾司光，陈景山 太空减压病的发病率与预防 航天医学与医学工程，（）：，（）：（），（）：，（）：，：，（）：孙喜庆，姜世忠 空间医学与生物学研究 西安：第四军医大学出版社，：，：（），（）：（责任编辑：高 慧）载 人 航 天第 卷