航天員長期駐留面臨的問題與對策

劉偉波，劉朝霞，陳金盾，夏云

（1.中國航天員科研訓練中心，北京100094；2.西安交通大學，西安 710048）

航天員長期駐留面臨的問題與對策

劉偉波1，2，劉朝霞1，陳金盾1，夏云1

（1.中國航天員科研訓練中心，北京100094；2.西安交通大學，西安 710048）

以保障航天員長期在軌健康生活和有效工作為目標，從環(huán)境安全、身心健康、正常生活、工作績效四個維度，識別人在空間長期駐留保障面臨的風險、問題和挑戰(zhàn)，提出應對策略和解決措施，并提出航天員長期駐留保障的技術(shù)體系，可用于指導空間站航天員駐留保障技術(shù)研究。

空間站；航天員；長期駐留保障；安全；身心健康；工作績效

1 引言

航天員長期在軌駐留保障技術(shù)，是建造空間站需要突破的關(guān)鍵技術(shù)。航天員在空間站上長期生活和工作，主要面臨空間惡劣環(huán)境威脅、長期飛行的健康風險、日常生活保障、工作績效保障等問題，這些問題均需要深入研究和解決，才能保障航天員在空間站上長期駐留。國際空間站主要從環(huán)境安全、營養(yǎng)與食品、失重生理效應防護、醫(yī)監(jiān)醫(yī)保、心理健康維護、日常生活、工作績效等幾個方面為航天員在軌長期駐留提供保障［1-2］。駐留保障的目標是保證航天員安全、健康和有效工作［3］。

本文從乘員艙環(huán)境安全、在軌生活保障、健康保障和工作績效保障的視角，分析識別人在空間長期駐留面臨的主要問題，提出解決措施。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建航天員長期在軌駐留的保障體系，并指出其驗證思路，以希對我國空間站航天員長期駐留保障有指導和借鑒意義。

2 環(huán)境安全問題與對策

2.1 長期飛行的主要環(huán)境風險

航天員飛行中會受到多種環(huán)境因素的作用，微重力、輻射、快速晝夜交替、艙內(nèi)氣體污染、振動、聲環(huán)境等，均會對人體產(chǎn)生不利影響，引起一系列的生理、心理乃至病理變化［1-2，4-7］，需要采取一系列措施加以防護。面向空間站長期駐留，需要特別關(guān)注那些有累積效應的環(huán)境因素帶來的風險，本文主要介紹氣體污染物超標、水質(zhì)污染、微生物滋生、噪聲和電離輻射長期暴露5種環(huán)境風險因素［1-2，4-5］。

1）氣體污染物超標風險

長期飛行，氣體毒性污染物慢性低濃度暴露和應急工況下高濃度暴露的危險始終存在。國外50多年的航天實踐中艙內(nèi)空氣化學污染事件時有發(fā)生。氣體污染物有三個主要來源：艙內(nèi)非金屬材料緩釋與事故性熱解、人體代謝產(chǎn)物、突發(fā)事件的污染物泄漏等。各種載人航天器座艙空氣中已檢測出300余種的污染物，許多污染物有多重毒理效應，最常見的效應是粘膜、呼吸道刺激和中樞神經(jīng)系統(tǒng)抑制［7-8］。需要有針對性地篩選目標污染物，制訂長期及應急暴露的最大容許濃度，并在材料選用、總裝工藝、凈化措施、監(jiān)測評估等方面采取綜合措施，確保大氣質(zhì)量。

2）水質(zhì)污染風險

空間站主要使用再生水作為飲用水，由冷凝水、尿液經(jīng)過再生凈化而來。飲用水再生處理過程中，可能受到大氣污染物、凈化設(shè)備內(nèi)部物質(zhì)脫出、人體汗液有機組分及添加劑等污染；長期使用和存儲環(huán)節(jié)還可能存在微生物滋生污染［9-10］，從而可能導致航天員胃腸炎、中毒性疾病等風險。

3）微生物滋生風險

空間站艙內(nèi)環(huán)境密閉、溫濕度適宜，利于微生物繁殖。美、俄近20年飛行研究中，在艙內(nèi)發(fā)現(xiàn)包括多種致病菌在內(nèi)的250多種微生物。國外飛行不乏微生物超標報道，飛行中感染性疾病也較為常發(fā)。微生物超標會危及航天員健康、甚至影響硬件設(shè)備穩(wěn)定性。研究還表明，空間飛行中部分微生物的毒力、生長速度、抗藥性等生物學特性發(fā)生變化，這些均給微生物控制帶來挑戰(zhàn)［11］。

4）噪聲暴露風險

與地面工作環(huán)境不同，空間站諸多機械設(shè)備連續(xù)工作，噪聲控制始終是個技術(shù)挑戰(zhàn)。航天員持續(xù)暴露于噪聲環(huán)境，無處躲避。長期噪聲暴露，將威脅航天員的身心健康，導致聽覺器官的損傷，出現(xiàn)漸進性聽閾偏移甚至永久性聽力損失［12］。國際空間站某些居住艙過高噪聲水平對航天員聽力有不良影響，退役航天員Jay Buckey聲稱，俄羅斯禮炮號和和平號空間站有航天員暫時和永久性聽力損傷的記錄［13］。噪聲還會對非聽覺系統(tǒng)，特別是神經(jīng)系統(tǒng)，心血管及內(nèi)分泌系統(tǒng)產(chǎn)生不良的影響。

5）空間電離輻射風險

外層空間輻射一直是威脅載人航天安全的重要物理因素，一直受到高度關(guān)注，在NASA發(fā)布的航天生物醫(yī)學發(fā)展路線圖中，被列為5大領(lǐng)域之一，在探月及登火星等任務(wù)中，更是被列為一級風險因素［14］?？臻g輻射生物效應主要有急性效應和后效應。由于地磁、大氣和航天器殼體對質(zhì)子的有效屏蔽，艙內(nèi)活動受到太陽粒子事件大劑量照射導致急性效應的可能性小。迄今為止載人飛行器上觀測到的最大質(zhì)子事件中，整個事件艙內(nèi)累積劑量當量僅為12.6 mSv［6］。因此，應重點關(guān)注后效應，主要包括：致癌風險、中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷、白內(nèi)障、心血管和消化系統(tǒng)疾病等。國際上規(guī)定：航天員職業(yè)生涯中，輻射累計致癌風險不得超過3%［1-2］。

2.2 安全保障的主要對策

乘員艙環(huán)境安全是航天員生存基本條件?？臻g站航天員長期駐留的環(huán)境安全保障可從環(huán)境醫(yī)學指標制定、環(huán)境控制的工程實現(xiàn)、環(huán)境安全評價等方面綜合實施，涉及的工作內(nèi)容見圖1。

圖1 空間站環(huán)境安全保障Fig.1 Assurance of environment safety in space station

1）研究制定空間站正常飛行的環(huán)境醫(yī)學要求，形成長期載人環(huán)境標準，包含座艙大氣環(huán)境、熱環(huán)境、聲環(huán)境、力學環(huán)境、輻射環(huán)境、致病微生物、再生水衛(wèi)生學指標，并通過國內(nèi)外飛行試驗和動物實驗驗證其正確性。

2）研究制定異常和應急環(huán)境下人的生理耐受限值，包括熱應急、壓力應急、有害氣體超標、二氧化碳濃度升高的情況下，人的耐受限值和耐受時間。出現(xiàn)異常工況時，在保證人的安全前提下，盡力維修和挽救空間站。

3）對空間站乘員艙環(huán)境進行控制，主要措施包括艙內(nèi)大氣環(huán)境控制、艙體結(jié)構(gòu)防護、振動與噪聲控制、非金屬材料篩選控制、設(shè)備EMC設(shè)計與電磁輻射控制的設(shè)計和驗證。

4）針對長期飛行中艙內(nèi)微生物滋生風險，設(shè)計時要選用抗菌原材料；發(fā)射前對艙體及產(chǎn)品消毒、檢疫和空氣凈化；在飛行中，通過大氣微生物過濾殺滅、設(shè)備表面擦拭、再生水消毒處理、航天員個人衛(wèi)生清潔、定期在軌監(jiān)測評估等綜合措施進行控制，確保微生物環(huán)境安全。

5）針對乘員艙大氣污染問題，需加強大氣質(zhì)量控制，建立艙內(nèi)污染物溢出模型，研制高效、可靠的大氣凈化系統(tǒng)，采用經(jīng)過測試的綠色環(huán)保材料，控制艙內(nèi)氣體污染物水平，并配置質(zhì)譜儀、便攜式分析儀，在線監(jiān)測評價艙內(nèi)大氣質(zhì)量；針對座艙泄漏、火災、有害物質(zhì)泄漏的應急工況，依據(jù)人體生理耐受限值，設(shè)計可行、安全的應急飛行方案。

6）針對長期飛行水質(zhì)污染風險的控制，國際空間站使用了在軌監(jiān)測手段，美國艙段在線監(jiān)測電導率和氣體含量［10］，離線檢測TOC（總有機碳）和微生物總數(shù)，俄羅斯艙段則使用電導監(jiān)測儀監(jiān)測，收集樣品用于化學和微生物檢測等，控制水質(zhì)污染風險［10］。這些措施值得我們借鑒，首先要針對我國空間站水再生系統(tǒng)特點，制定專門標準；其次要確保水再生系統(tǒng)長期運行可靠性；第三要配置在軌水質(zhì)TOC監(jiān)測措施，確保飲水安全。

7）針對噪聲風險，首先應研究提出噪聲控制醫(yī)學要求，作為工程研制的依據(jù)；有噪聲源設(shè)備要合理布局、在軌調(diào)度開機，為航天員創(chuàng)造一個相對安靜的睡眠、休息空間；工程設(shè)計上采用設(shè)備降噪措施、人員主動噪聲防護技術(shù)等；還應監(jiān)測站內(nèi)實際噪聲水平，定期評估乘員聽力影響，力求提供一個不會對乘員產(chǎn)生傷害作用或者聽覺損傷、也不會干擾通話和其他通訊、不會導致航天員疲勞的聲環(huán)境。

8）針對空間輻射風險，一方面要加強輻射防護措施和質(zhì)子事件預報措施，另一方面還需綜合采取飛行軌道選擇、出艙弧段選擇、制定暴露限值、在軌個人劑量監(jiān)測、職業(yè)風險評估等措施，防止發(fā)生確定性效應，并將隨機效應降低到可接受水平。

9）為確保環(huán)境安全，還需要按照研制階段和飛行階段由第三方實施醫(yī)學評價。研制階段，對整體環(huán)境實施評價；應用載荷發(fā)射前，完成載荷設(shè)備環(huán)境指標測試，并評價其對整體環(huán)境的影響；乘組進駐前和飛行中，實施環(huán)境監(jiān)測，出現(xiàn)異常時及時開展安全評估；乘組飛行后對下行樣本開展全指標測試和評價。

3 健康風險問題與對策

3.1 長期飛行的主要健康風險

長期在軌飛行，航天員始終處于失重、狹小密閉環(huán)境，工作繁重、生活簡單重復，晝夜節(jié)律改變，導致航天員健康風險增加。國外飛行任務(wù)曾發(fā)生過因航天員健康問題提前返回的事件［15］。NASA載人航天和星際探索路線圖中，始終把人的健康風險與對抗措施研究放在最重要位置［14］。從宏觀層面看，長期飛行中人的健康風險主要包括：營養(yǎng)不良、生理功能下降、臨床疾病和心理問題［1，13］。

1）營養(yǎng)保障問題

足量飲食和營養(yǎng)攝入是保持健康的基礎(chǔ)。在空間站長期駐留任務(wù)中，由于食品保質(zhì)期延長而帶來的可接受性差是導致營養(yǎng)攝入不足的主要風險。對我國空間站來說，要為航天員提供長保質(zhì)期、可接受性好、營養(yǎng)均衡的中式飲食，難度更大［16］。而營養(yǎng)素需求和供給方式的確立也面臨挑戰(zhàn)，既需考慮長期航天特因環(huán)境對人體的不良影響，還需考慮長期儲存的營養(yǎng)穩(wěn)定性變化。ISS最新實驗結(jié)果顯示：航天食品及添加劑的穩(wěn)定性在飛行環(huán)境中隨時間發(fā)生變化。其中，維生素補充劑、蔬菜，葉酸、部分食品的風味因子在存儲較短時間即顯著改變［17］。

2）失重生理效應防護問題

長期飛行失重生理效應更為突顯：骨丟失速率為每月1%-2%，且沒有穩(wěn)定適應期；心血管功能失調(diào)更為普遍，肌肉萎縮、有氧工作能力下降和返回后立位耐力不良問題突出［18-19］；免疫功能下降程度進一步增加［20］等。這些均將嚴重影響航天員在軌正常工作能力及重返地球的重力再適應能力。美俄一直致力于改進失重生理效應防護技術(shù)。ISS新近研究顯示，通過改進營養(yǎng)供給和鍛煉措施，尤其是抗阻鍛煉裝置升級后，骨丟失防護能力明顯改善［21］。但并不能完全阻止骨質(zhì)丟失［22］，如何以最優(yōu)資源，以可接受方式，提高防護效能，實現(xiàn)長期飛行失重生理效應的有效防護任重而道遠。

3）傷病糾治和心理保障問題

飛行時間延長、應急概率增加，均增加航天員在軌發(fā)生臨床疾病和心理問題的風險。國外飛行實踐表明，航天員經(jīng)歷長期飛行，會不可避免地出現(xiàn)一些功能性或器質(zhì)性變化［1，13］，以往國外飛行中曾出現(xiàn)過2次提前返回的醫(yī)學事件［15］；在心理方面，情緒焦慮、人際關(guān)系緊張、應對行為變化、工作能力下降、心理疲勞和神經(jīng)衰弱等問題高發(fā)，俄羅斯曾發(fā)生過3次因航天員心理問題提前中止飛行的事件［15］。受限于空間資源，如何在有限的在軌診治手段下，確保長期飛行乘組的身心健康，存在技術(shù)挑戰(zhàn)。

3.2 健康保障的主要對策

針對上述健康風險，可從營養(yǎng)食品保障、失重生理效應防護、醫(yī)監(jiān)醫(yī)保和心理健康維護等方面采取綜合的健康保障措施，來應對和控制長期飛行的航天員健康風險，健康保障技術(shù)構(gòu)成見圖2。

圖2 航天員長期駐留健康保障Fig.2 Health assurance of astronauts during long-term residence in LEO

1）航天營養(yǎng)食品保障

食品可口、營養(yǎng)均衡，是健康保障首要任務(wù)。美國、俄羅斯均致力于研發(fā)食品加工工藝，豐富食品種類，從食品色香味、食品種類、加工方式、就餐環(huán)境等多方面改進食品可接受性［16］。國際空間站食譜周期已由和平號時期的8天，分階段延長到16天、30天，國際空間站還讓航天員吃上在軌種植的生菜，對調(diào)節(jié)口味和心情非常有幫助［17］。空間站研制中，要制定適應長期飛行的膳食營養(yǎng)供給量標準［17］，豐富食品種類，逐步延長食譜周期，提供多種主食、副食、即食食品、飲品、調(diào)味品、功能食品。開發(fā)適用于中式菜肴的加工工藝，包括專用調(diào)味料選用、真空低溫烹調(diào)、氮洗真空包裝和超高壓減菌處理等，提高食品感官接受性，實現(xiàn)中式蔬菜菜肴長保質(zhì)期，即中式食品工程化。利用載人飛船，定期補充新鮮果蔬，調(diào)節(jié)口味；建立食品安全、營養(yǎng)和可接受性的綜合評價方法，持續(xù)改善和提高航天營養(yǎng)與食品保障水平。

2）失重生理效應綜合防護

以當前主流防護技術(shù)為基礎(chǔ)，以盡可能模擬地面鍛煉負荷和做功模式，確保防護效能為指導思想，研制防護設(shè)施、防護方案，實施飛行全過程的失重生理效應綜合防護。入軌初期，使用藥物、專用裝具對空間運動病、體液頭向轉(zhuǎn)移等進行防護；長期飛行中，以體育鍛煉防護為主，航天員利用太空自行車、太空跑臺和抗阻鍛煉裝置進行鍛煉防護（太空鍛煉方式見圖3），同時輔以藥物等防護措施，對抗骨丟失、肌肉萎縮、心肺功能和運動機能下降，保證航天員在軌駐留6個月以上仍具備較好的工作能力，能承擔出艙活動等大負荷工作，具備承受返回過載的能力，返回后能較快適應地面重力環(huán)境。為保證在軌駐留期間的失重生理效應防護效果，需通過地面頭低位臥床試驗，優(yōu)化、確定綜合防護方案；同時加強防護效果在軌評估，動態(tài)調(diào)整鍛煉防護方案。

圖3 失重生理效應防護鍛煉（左至右：自行車、跑步、抗阻鍛煉）Fig.3 Exercise countermeasures to physiological effects of microgravity（From left to right：cycling exercise，treadmill exercise，anti-resistance exercise）

3）醫(yī)監(jiān)醫(yī)保

實施飛行前、中、后的醫(yī)監(jiān)醫(yī)保，預防為主、防治結(jié)合、天地一體醫(yī)療診治，確保航天員不因一般醫(yī)學問題提前返回。制定長期飛行疾病譜，建立在軌診治能力模型，配置醫(yī)學監(jiān)測與診療設(shè)備及藥品。飛行前，實施醫(yī)學隔離與放飛檢查。飛行中，采取定期與按需相結(jié)合的醫(yī)監(jiān)模式，建立在軌健康評價與維護技術(shù)，應用藥物與非藥物相結(jié)合、特色中醫(yī)藥等醫(yī)學技術(shù)，保障航天員健康［24］；建立遠程醫(yī)療系統(tǒng)，充分發(fā)揮專業(yè)醫(yī)療機構(gòu)及專家的作用，協(xié)助開展航天員健康判斷和疾病診治［25］。返回后，以骨骼、肌肉、心血管系統(tǒng)和運動能力為重點，采用營養(yǎng)素供給、理療、低負荷力量與耐力訓練等恢復措施，促進航天員身體狀態(tài)盡快恢復，使之具備再次參加飛行任務(wù)訓練的能力。

4）心理健康保障

從在軌心理狀態(tài)監(jiān)測與評估、在軌心理支持方面實施心理健康保障。借用南極科考、長期密閉試驗、類似人群訪談等數(shù)據(jù)，獲得小型團隊在孤立環(huán)境中長期心理變化歷程的規(guī)律性認識；運用心理學專業(yè)方法，建立長期飛行心理健康評估與支持技術(shù)，實現(xiàn)航天員在軌心理健康狀態(tài)的準確評估，并對心理不良反應進行干預、調(diào)節(jié)；提高乘組自我調(diào)節(jié)能力，維護乘組凝聚力和士氣；加強家庭、親友、同事等社會心理支持；為航天員提供豐富的個人娛樂、休閑和互聯(lián)網(wǎng)瀏覽手段［2］；同時，還需加強空間站工程設(shè)計的心理學考慮，創(chuàng)建適宜的居住、就餐等環(huán)境，降低長期復雜任務(wù)的負面影響，確保6個月以上飛行不出現(xiàn)影響飛行任務(wù)的心理問題［13-14］。

4 生活保障問題與對策

4.1 長期飛行的主要生活問題

良好的生活保障是航天員長期在軌駐留和工作的基礎(chǔ)。生活保障涉及要素多，尤其隨著飛行時間延長，原本不是問題也變成了問題，如曾出現(xiàn)的軌道艙異味、食品接受性不好、工作安排不盡合理等問題，涉及到垃圾收集、大小便裝置、航天食品、生活區(qū)域布局、作息制度等多個要素［7］。深層次的原因是對生活保障要素識別不全，地面驗證不全面。因此，空間站任務(wù)中需要重點關(guān)注和解決的問題主要是：生活保障體系完整性、生活物資有效管理、垃圾長期貯存安全性。

1）生活保障體系化問題

航天員生活涉及衣、食、住、吃、喝、大小便、衛(wèi)生清潔、休息、娛樂、垃圾處理、物質(zhì)存放與管理、空間布局與功能分區(qū)等諸多環(huán)節(jié)和要素，如何識別這些要素間的內(nèi)在聯(lián)系及其與航天的耦合關(guān)系，怎樣建立一個有機、完整的在軌生活保障體系，防止個別生活物資短缺導致航天員中斷駐留，是擺在我們面前的一個重要問題。

2）生活物資有效管理問題

本文測算，3人乘組半年飛行需要生活物資總量達3 t，包括7大類30小類，若考慮規(guī)格和型號，達數(shù)百種，需占用約150多個標準貨包，總體積約6.3 m3。管理這些物資，首先要解決在軌有序堆放、便捷查找問題，國際空間站10多年運行中得出的教訓是：在有限的空間內(nèi)難以實現(xiàn)物資有序堆放和有效管理，未使用的物資就等于廢物［7］。因此，如何實現(xiàn)生活物資配比合理、補給經(jīng)濟高效、管理使用有序，是生活保障面臨的一個大問題。

3）垃圾長期貯存安全性問題

大多數(shù)生活物資，最終都會轉(zhuǎn)變成垃圾，根據(jù)本文測算，乘組半年飛行產(chǎn)生的生活垃圾，自然形態(tài)將占用4.6 m3的空間，由此帶來擠占生活空間、污染密封艙環(huán)境的問題。根據(jù)空間站技術(shù)要求，生活垃圾需要在軌貯存不少于1年，這是地面生活根本無需考慮的問題。因此，需要深入研究在軌生活垃圾的種類、數(shù)量、含水量、微生物滋生與腐敗等特性，建立有效、可行的垃圾處理技術(shù)。

4.2 生活保障的主要措施

系統(tǒng)、全面、周到、細致的生活保障是航天員長期在軌駐留和工作的前提。要為航天員提供與地面生活盡可能接近的進餐、飲水、著裝、個人衛(wèi)生、大小便等基本生活保障，并考慮空間站特點提供個人空間、娛樂休閑、站務(wù)管理、存儲堆放等保障，其技術(shù)構(gòu)成見圖4。下面重點針對航天員長期在軌生活面臨的問題提出解決措施。

1）生活保障技術(shù)建立

根據(jù)人的生活需求，通過分析、仿真和試驗獲得在封閉環(huán)境中正常生活的定量數(shù)據(jù)和統(tǒng)計規(guī)律，建立長期飛行生活物資消耗模型和物資補給規(guī)劃技術(shù)，在嚴格的重量和體積約束下，實現(xiàn)艙內(nèi)空間和物資的高效利用，還要開展深入的故障影響分析和風險預測，進行抗風險設(shè)計。

圖4 航天員長期在軌生活保障Fig.4 Daily living support of astronauts during longterm residence in LEO

2）生活環(huán)境創(chuàng)建和生活設(shè)施研制

設(shè)置睡眠、衛(wèi)生、就餐等獨立功能分區(qū)，合理布局，保護個人隱私，裝飾美化生活環(huán)境。提供“太空廚房”（圖5）、衛(wèi)生清潔、大小便收集、站務(wù)清潔、娛樂設(shè)備設(shè)施等，以良好用戶體驗為導向，將工業(yè)設(shè)計、微重力適應性納入開發(fā)流程，確保在軌生活較為舒適、便捷。

圖5 在軌就餐Fig.5 Dining onboard

3）物資信息管理

以生活物資消耗模型為基礎(chǔ)，利用信息技術(shù)，建立天地聯(lián)動的物資管理信息系統(tǒng)，能夠掌握不同種類和規(guī)格生活物資的庫存數(shù)量、位置、保質(zhì)期等信息，能夠統(tǒng)計分析消耗速率、保障周期，具備存量和保質(zhì)期預警功能，協(xié)助航天員快速查找、定位和合理使用各種物品，并給出在軌使用調(diào)整建議和補給需求，實現(xiàn)生活物資高效管理。

4）生活垃圾處理

針對餐后垃圾、廢棄服裝和衛(wèi)生用品、大小便、醫(yī)療等不同垃圾來源，重點開展重量、密度、硬度、含水量、微生物滋生等垃圾分類特性研究，開發(fā)防腐措施，研制添加脫氧劑和抗菌劑，確定垃圾收集、抽真空、機械壓縮、密封等處理方案和流程，確保垃圾處理后可在軌安全存放不少于1年。

5 工作績效保障

5.1 工作績效保障問題

充分發(fā)揮航天員作用，是空間站建設(shè)的目標之一［1］。航天員將參與空間站在軌組裝建造、監(jiān)控與管理、科學實驗、設(shè)備安裝調(diào)試與維護維修、機械臂操作、艙段遙操作對接、設(shè)備轉(zhuǎn)運等艙內(nèi)工作，并出艙完成艙外設(shè)備轉(zhuǎn)移、安裝與檢查、維護維修及有效載荷操作等艙外作業(yè)。要讓航天員高效完成這些工作，設(shè)計上必須保證航天員能操作、好操作［2-3］。為此，空間站人機界面必需友好，要滿足工效學設(shè)計要求；其次要通過訓練提升并維持航天員能力；第三是科學規(guī)劃航天員任務(wù)，制定合理工作計劃、操作指南和程序；第四是配置必要的工作用具用品，并對航天員工作提供專業(yè)支持。其中空間站工效學設(shè)計、要求與評價是航天員長期在軌駐留工作績效保障設(shè)計方面面臨的主要問題。

5.2 解決措施

航天工效學主要解決航天員人體參數(shù)及其工作能力與航天器、航天環(huán)境間的匹配性問題，其目標是確保航天員在特因環(huán)境下能夠高效工作［26］。

在設(shè)計階段，要貫徹以人為本的理念，強調(diào)適人性，從人的能力特性和人體測量參數(shù)出發(fā)，研究提出空間站工效學設(shè)計要求，作為工程設(shè)計的輸入；研制過程中要適時進行工效學設(shè)計、驗證和改進，通過必要的迭代工作，保證空間站人機界面友好，適合航天員長期駐留和工作；研制完成后，要編制操作指南和程序，配備必要的工具，并培訓航天員掌握操作使用方法和技能；飛行過程中工程技術(shù)人員要對航天員在軌重要和復雜操作提供專業(yè)支持。

1）研究制定人體測量參數(shù)標準

包括航天員不同著服（艙內(nèi)工作服、企鵝服、艙內(nèi)壓力服等）工況和不同操作姿態(tài)下的人體形態(tài)參數(shù)；不同操作姿態(tài)下施力特性數(shù)據(jù)；微重力環(huán)境中的人體運動學和動力學特性；視覺和聽覺感知、運動感知能力等認知能力數(shù)據(jù)等，為制定艙內(nèi)活動工效學要求提供依據(jù)。

2）研究確定人著艙外服狀態(tài)下的作業(yè)能力基線

梳理我國神舟七號出艙活動數(shù)據(jù)，并開展人著艙外服狀態(tài)下作業(yè)能力試驗，在參考國外飛行經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，提出我國艙外作業(yè)的能力基線參數(shù)，包括人-服系統(tǒng)的形態(tài)參數(shù)、工作活動空間、視野范圍、可達域、手操作能力、運動力學特性、機動性、運送物品能力等，也包括對艙外輔助設(shè)施的約束，如：扶手、腳限制器、扶手與腳限制器布局位置關(guān)系等，作為艙外活動工效學要求的依據(jù)。

3）研究提出空間站工效學設(shè)計要求

工效學要求內(nèi)容要涵蓋空間站艙內(nèi)活動、出艙活動、機械臂，以及貨運飛船、載人飛船、艙外航天服和有效載荷等方面，作為空間站工程人-系統(tǒng)整合設(shè)計的依據(jù)。機械臂是空間站組裝、維修的重要工具，人控機械臂是個“人在回路”的復雜人機系統(tǒng)，其人機界面的優(yōu)劣影響了航天員能力的發(fā)揮［26］。要針對機械臂控制過程復雜、參數(shù)信息多，對航天員的認知、控制力要求高的特點，研制原型系統(tǒng)，建立人控機械臂模擬仿真平臺和虛擬驗證平臺，開展機械臂控制特性、控制方式、控制策略、作業(yè)負荷、人工控制模型等研究，提出機械臂工效學設(shè)計要求，保證機械臂控制特性、顯示界面等與人的能力匹配。

4）工效學評價與設(shè)計改進

要利用仿真、水下試驗、地面操作演示等技術(shù)手段，分層次、分階段對空間站工效學設(shè)計進行評價，評價要涵蓋單機、分系統(tǒng)和系統(tǒng)等不同層次，評價要覆蓋工效學要求項目，覆蓋飛行任務(wù)剖面，確保評價全面性；多種評價方法相結(jié)合，能夠反映飛行狀態(tài)，確保評價結(jié)果準確。通過評價、改進設(shè)計和再評價的迭代過程，保證空間站設(shè)計滿足工效學要求。

此外，應充分利用空間站平臺開展人因問題飛行實驗研究，獲得航天員長期在軌飛行時操作運動能力、認知決策能力、社會心理與認知、人機交互特性等人因工程數(shù)據(jù)，研究和總結(jié)這些特性和數(shù)據(jù)隨時間歷程變化的趨勢，不斷補充完善人系統(tǒng)整合設(shè)計標準，引領(lǐng)航天人因工程學科發(fā)展［26］，為后續(xù)深空探測積累數(shù)據(jù)和經(jīng)驗。

6 長期駐留保障的技術(shù)體系

環(huán)境安全、身心健康、正常生活、高效工作，是保障航天員在空間站長期駐留的目標［1-2］，這四個方面的保障是密切聯(lián)系的有機整體，構(gòu)成了空間站航天員長期駐留保障的技術(shù)體系，見圖6，其內(nèi)涵和聯(lián)系可概括為：

圖6 長期駐留保障體系Fig.6 Assurance system for long-term residence in LEO

1）環(huán)境安全保障是空間站長期載人飛行的根本。需研究確定長期飛行的乘員艙環(huán)境醫(yī)學要求指標，研制長期可靠運行的環(huán)境控制系統(tǒng)，可量化評估環(huán)境變化對航天員安全、健康的影響。

2）身心健康保障實現(xiàn)乘組不因一般醫(yī)學問題提前返回，是保持航天員長期工作能力的基礎(chǔ)。需要研究航天特因環(huán)境對人的影響，從營養(yǎng)與食品保障、失重生理效應防護、醫(yī)監(jiān)醫(yī)保和心理健康維護四個方面，維護航天員健康狀態(tài)。

3）日常生活保障是實現(xiàn)航天員長期駐留的前提。需要遵循天地同步原則建立科學合理的作息制度，創(chuàng)造適宜的生活環(huán)境，配置便捷的生活設(shè)備，本著按需和經(jīng)濟的原則補給生活物資。正常生活制度也是促進身心健康的重要措施。

4）工作績效保障發(fā)揮人在空間的作用，是提升載人航天應用效益的根本途徑［26］。需要遵循人的特性和能力，制定空間站工程設(shè)計的工效學要求，開展工效學驗證和評價，確保航天器交會對接、組裝建設(shè)、維護維修、出艙活動等設(shè)計合理、操作高效。

駐留保障技術(shù)體系為用于指導空間站長期駐留保障方案設(shè)計。方案需經(jīng)過專項試驗驗證、綜合試驗驗證、保障能力分析仿真驗證和空間實驗室飛行驗證改進后，可在空間站任務(wù)中實施。

7 結(jié)語

我國空間站建造和運營期間，將有數(shù)十個乘組將到訪空間站進行長期飛行。隨著技術(shù)進步及對人在空間生理、心理和行為特性研究的逐步深化，特別是隨著空間站規(guī)模的不斷擴大和飛行經(jīng)驗的積累，長期駐留保障技術(shù)水平必將不斷提升。

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Challenges and Solutions for Long-term Residence of
Astronauts in LEO

LIU Weibo1，2，LIU Zhaoxia1，CHEN Jindun1，XIA Yun1
（1.China Astronaut Research and Training Center，Beijing 100094，China；2.Xi'an Jiaotong University，Xi'an 710048，China）

To ensure the health and performance of astronauts during long-term spaceflight missions，the potential risks，difficulties and challenges were identified in this article.Technology system and solutions of residence assurance were put forward including the environmental safety，normal life，physical and psychological health.These proposed solutions could be used to guide the technical researches related to space station.

space station；astronaut；long-term residence；safety；physical and psychological health；performance

V57

A

1674-5825（2015）06-0545-08

2015-03-09；

2015-11-03

中國載人航天工程基金資助項目（2012SY54B0101）；國家留學基金委（CSC）公派訪問學者資助項目（CSC-201304740098）

劉偉波（1970-），男，碩士，研究員，研究方向為航天員系統(tǒng)總體技術(shù)。E-mail：weiboliu@sina.com