楊振中,吳大蔚,費(fèi)錦學(xué),劉偉波,何新星,張 程,李瑩輝
(中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心,北京100094)
載人航天能量代謝研究的回顧與展望
楊振中,吳大蔚,費(fèi)錦學(xué),劉偉波,何新星,張 程,李瑩輝
(中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心,北京100094)
概述了直接測(cè)熱法、間接測(cè)熱法和心率法等目前主要的航天能量代謝測(cè)量方法,分析了航天環(huán)境對(duì)能量攝入、能量消耗和日代謝總量的影響,介紹了美國(guó)、俄羅斯和我國(guó)載人航天能量代謝設(shè)計(jì)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)內(nèi)容。在這些基礎(chǔ)上根據(jù)中國(guó)長(zhǎng)期載人航天任務(wù)的需求,提出了今后能量代謝研究的展望。
載人航天;微重力;能量代謝
人的生命活動(dòng)過(guò)程是一個(gè)耗能的過(guò)程,機(jī)體將攝入的蛋白質(zhì)、脂肪和碳水化合物氧化分解獲得能量(熱量),同時(shí)消耗一定比例的氧氣、產(chǎn)生一定比例的二氧化碳。因此,一般將能量代謝率(Energy Metabolism Rate,EMR)、耗氧率及二氧化碳(CO2)排出率稱為能量代謝參數(shù)。對(duì)于航天員來(lái)說(shuō),能量代謝是評(píng)價(jià)飛行任務(wù)乘組生理負(fù)荷和身體機(jī)能狀態(tài)、保持航天員工作效率和優(yōu)化作息制度的重要指標(biāo)。對(duì)于航天器來(lái)說(shuō),能量代謝參數(shù)是載人航天器環(huán)境控制和生命保障系統(tǒng)(ControlledEcologicalLifeSupportSystem,ECLSS)、航天食品配置等工程設(shè)計(jì)的重要輸入條件。飛行中ECLSS的氧氣攜帶量、CO2濾除能力、航天食譜的膳食結(jié)構(gòu)等均要依據(jù)航天員能量代謝參數(shù)進(jìn)行合理、優(yōu)化設(shè)計(jì)[1-2]。
隨著飛行時(shí)間的延長(zhǎng)和能量補(bǔ)給的增加,補(bǔ)給的配置量和實(shí)際消耗量之間不匹配的可能性加大,資源不足或資源過(guò)剩的潛在影響加劇。例如,對(duì)于一次三年期的駐留任務(wù),其能量需求即使低估10%,都會(huì)造成返回地球前食物的嚴(yán)重短缺;而若將能量需求多估算10%,則脫水食品發(fā)射重量將增加84 kg/人[3]。能量代謝參數(shù)的準(zhǔn)確制定在長(zhǎng)期飛行任務(wù)中發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。因此,有必要準(zhǔn)確了解乘組飛行期間個(gè)體的能量代謝水平,合理設(shè)計(jì)制定飛行任務(wù)特別是長(zhǎng)期飛行的能量代謝參數(shù)范圍,為航天員的健康和航天器工程設(shè)計(jì)提供支持。
準(zhǔn)確有效地獲得航天環(huán)境人體能量代謝相關(guān)研究結(jié)果是代謝參數(shù)制定的重要保證。目前載人航天中應(yīng)用的能量代謝估測(cè)方法,主要包括間接熱量法(氧消耗法、CO2吸收法、雙標(biāo)記水法)、直接熱量法(通風(fēng)液冷散熱法)、心率法、食物攝入和活動(dòng)記錄法等。
2.1 氧氣消耗法
氧氣消耗法是ISO8996[4]和GB/T18048[5]中規(guī)定的常規(guī)地面人體代謝率估測(cè)方法,其誤差一般小于5%。該方法由于簡(jiǎn)便易行而成為航天任務(wù)中最常用的能量代謝估算方法,具體是根據(jù)環(huán)控氧瓶壓力和艙內(nèi)氧濃度等參數(shù)的變化以及乘員艙的容積、氧氣泄漏率等,計(jì)算耗氧率和EMR。但由于該方法不能獲取航天員個(gè)體的代謝情況、氧氣消耗率數(shù)據(jù)受溫度數(shù)據(jù)影響較大、MPa級(jí)氧瓶氧傳感器數(shù)據(jù)的微小變化導(dǎo)致能量消耗數(shù)據(jù)的較大波動(dòng)和生物再生生保系統(tǒng)中植物產(chǎn)氧狀態(tài)的影響等因素,在精確進(jìn)行能量代謝測(cè)算時(shí)具有較大的局限性。
和平號(hào)空間站和航天飛機(jī)任務(wù)均通過(guò)測(cè)量氧氣消耗獲得壓力服中的代謝率[6-7],在航天飛機(jī)任務(wù)STS-61B后,使用了新設(shè)計(jì)的氧氣監(jiān)測(cè)儀,可以每2分鐘記錄一次氧氣的消耗量[7]。我國(guó)載人航天中,前期主要采用該方法獲得了神舟六號(hào)、神舟七號(hào)、神舟九號(hào)和神舟十號(hào)飛行任務(wù)航天員平均EMR數(shù)據(jù)。
2.2 CO2吸收法
CO2吸收法是根據(jù)艙內(nèi)平均CO2濃度參數(shù)變化,以及乘員艙的容積、氣體流速、氣體泄露率等參數(shù)計(jì)算人體的CO2排除率和EMR[8]。蘇聯(lián)/俄羅斯和美國(guó)均曾采用CO2吸收法估測(cè)航天員飛行期間的能量消耗。例如,東方號(hào)(Vostok)、聯(lián)盟號(hào)(Soyuz)、雙子星座(Gemini)和禮炮9號(hào)(Salyut-9)任務(wù)中,采用CO2吸收法測(cè)量了飛行中航天員日常活動(dòng)的能量代謝[9-10]。和平號(hào)空間站任務(wù)通過(guò)計(jì)算污染物控制罐中CO2濃度和生命保障系統(tǒng)的氣體流速及氣體泄露,獲得了EVA能量代謝數(shù)據(jù)[6]。
神舟七號(hào)飛行任務(wù)利用艙外航天服的遙測(cè)參數(shù)(通風(fēng)流量、凈化罐入口/出口CO2濃度、服裝二氧化碳濃度、服裝壓力等)建立的航天員CO2排出率計(jì)算模型,成功獲得了我國(guó)首次艙外活動(dòng)(Extravehicular Activity,EVA)航天員能量代謝數(shù)據(jù),為飛天艙外服的后續(xù)研制提供了寶貴的飛行數(shù)據(jù)。
2.3 雙標(biāo)記水法
雙標(biāo)記水法(Doubly-Labelled Water,DLW)是口服經(jīng)非放射性同位素氘(2H)和氧(18O)雙重標(biāo)記的水,其中18O隨著CO2和H2O的代謝而消除,2H隨著H2O的代謝而消除,兩種消除之間差異可獲得CO2的生成率并進(jìn)一步計(jì)算出EMR[11]。DLW法具有精確度高、非侵入性、不影響人體自由活動(dòng)、樣本提取簡(jiǎn)單等多種優(yōu)點(diǎn),適宜用于4~20天之間的能量測(cè)定,被譽(yù)為能量評(píng)定方法的金標(biāo)準(zhǔn)[12-13]。與地面水相比,航天器太空廚房中的水含有更多18O,而2H的豐度變化較大,因此在飛行中使用雙標(biāo)記水時(shí)需要注意這些影響[14-15]。
NASA曾在1996年的航天飛機(jī)任務(wù)(Life and Microgravity Sciences,LMS)中應(yīng)用該方法獲得了4名航天員17天飛行的能量代謝數(shù)據(jù)[16]。航天員中心通過(guò)分析21名男性志愿者30天頭低位臥床期間不同周期和劑量所測(cè)能量代謝的準(zhǔn)確性,建立了適合15天至20天航天飛行任務(wù)的人體DLW估測(cè)方法。采用常規(guī)劑量DLW法和氧氣消耗法,估測(cè)了密閉艙內(nèi)按照飛行程序生活工作13天3名志愿者的能量代謝,全周期平均EMR結(jié)果顯示氧氣消耗法(417.4 kJ/h)與DLW法估測(cè)結(jié)果(408.9 kJ/h)非常接近[2]。在神舟九號(hào)和神舟十號(hào)交會(huì)對(duì)接飛行任務(wù)中,應(yīng)用該方法對(duì)飛行乘組航天員實(shí)施了測(cè)量,獲取了科學(xué)的能量代謝數(shù)據(jù)。
2.4 心率法
心率法是預(yù)先通過(guò)測(cè)量心率(Heart Rate,HR)和相應(yīng)的EMR,獲得HR-EMR關(guān)系方程,進(jìn)而通過(guò)HR估算EMR[17]。其具有飛行時(shí)較易實(shí)施評(píng)價(jià),通過(guò)對(duì)HR的采集還可以獲得人體在航天活動(dòng)時(shí)的負(fù)荷強(qiáng)度等信息[18]的優(yōu)點(diǎn)。航天員在進(jìn)行EVA時(shí),利用心率法適時(shí)評(píng)估航天員EMR是空間站EVA任務(wù)健康監(jiān)測(cè)的主要手段之一[8]。心率法的缺點(diǎn)是不能對(duì)靜息等低水平活動(dòng)狀態(tài)的能量代謝進(jìn)行準(zhǔn)確的估測(cè)[19],F(xiàn)reedson等[20]觀察到與攝氧量呈良好線性關(guān)系的HR范圍是110~150 beats/min。
在神舟七號(hào)低壓艙出艙活動(dòng)程序訓(xùn)練中,通過(guò)建立的個(gè)體EMR-HR回歸方程,成功地對(duì)航天員模擬出艙活動(dòng)程序的EMR進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。
2.5 食物攝入和活動(dòng)記錄法
由于飛行中食物通常以標(biāo)準(zhǔn)單包裝食品的形式提供,而且航天員的活動(dòng)通常也是按照詳細(xì)安排進(jìn)行實(shí)施,因此可以通過(guò)膳食攝入量和體力活動(dòng)的詳細(xì)記錄對(duì)能量代謝進(jìn)行估算。能量代謝的準(zhǔn)確估測(cè)要求機(jī)體儲(chǔ)備恒定即能量攝入與消耗相等,但是在微重力環(huán)境下,體液分布改變、機(jī)體水分丟失、肌肉質(zhì)量丟失可能會(huì)掩飾機(jī)體脂肪儲(chǔ)備的增加[21]。因此,熱量測(cè)量法比基于食物攝入和活動(dòng)記錄的估測(cè)方法更客觀和準(zhǔn)確,其仍然是目前載人航天能量代謝估測(cè)的首選方法[22]。
2.6 通風(fēng)液冷散熱法
該方法屬直接測(cè)量,是通過(guò)計(jì)算航天服內(nèi)液體或氣流出入口溫度的溫?zé)崃孔兓?,?duì)機(jī)體EMR進(jìn)行近似估算[8]。和平號(hào)空間站任務(wù)曾應(yīng)用該方法進(jìn)行了隨機(jī)檢測(cè),其估測(cè)結(jié)果的精確度較低,總誤差約為20%[6]。
3.1 航天環(huán)境對(duì)能量攝入的影響
短期飛行航天員可出現(xiàn)攝入量減少,在飛行初期航天員能量攝入甚至可減少50%~70%[23]。NASA在LMS任務(wù)中對(duì)4名航天員進(jìn)行了能量代謝測(cè)量研究,并同步開(kāi)展了17天頭低位臥床實(shí)驗(yàn)[16]。結(jié)果顯示,與飛行前后相比,航天員飛行中能量攝入量分別降低了43.5%和45.8%;頭低位臥床期間志愿者能量攝入量也分別降低了8.3%和9.1%。與飛行前相比,飛行后航天員體重平均減少3.8 kg,機(jī)體出現(xiàn)負(fù)氮平衡。該研究綜合比較了天空實(shí)驗(yàn)室(SkyLab)2、3、4號(hào)、Space Life Sciences(SLS)1、2號(hào)任務(wù)航天員攝入量的變化,認(rèn)為導(dǎo)致航天員能量攝入量明顯減少的原因并不是由于航天員能量消耗率降低,而是與空間運(yùn)動(dòng)病導(dǎo)致的飛行初期進(jìn)食量明顯減少,航天員嗅覺(jué)、味覺(jué)、胃腸道功能變化及過(guò)度疲勞等因素有關(guān)。
與短期飛行結(jié)果不同,長(zhǎng)期飛行的數(shù)據(jù)顯示能量攝入變化不大。例如,在Skylab任務(wù)期間,航天員的能量攝入量為11~12 MJ/d,這種差別可能是由于飛行時(shí)間延長(zhǎng),受到空間運(yùn)動(dòng)病和其他飛行初期不利影響的刺激減少所致[3]。表1顯示了部分航天器飛行任務(wù)記錄的平均能量攝入。
表1 空間飛行中航天員的平均能量攝入(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Table 1 Average energy intake of astronauts during space flight(Mean±SD)
3.2航天環(huán)境對(duì)能量消耗的影響
3.2.1 靜息代謝率
NASA的研究認(rèn)為航天環(huán)境下的靜息代謝率與地面可能并無(wú)明顯差異。Skylab任務(wù)在安排的體能鍛煉前進(jìn)行了靜息代謝率的測(cè)定,6名航天員的靜息代謝率為5.5±0.5 kJ/min,與飛行前地面1 g條件下(5.4±0.5 kJ/min)及飛行返回后2天(5.4±0.7 kJ/min)的測(cè)定值均為無(wú)顯著差異[26]。
臥床模擬微重力效應(yīng)的研究顯示,靜息代謝率無(wú)明顯變化或有降低趨勢(shì)[21,27-29]。Stremel等[27]、Greenleaf等[28]和Lee等[29]在13~14天6°頭低位臥床研究中發(fā)現(xiàn),靜息狀態(tài)下耗氧量無(wú)顯著變化。Greenleaf等[30]在隨后的研究中認(rèn)為隨著臥床時(shí)間延長(zhǎng)(7~70天),基礎(chǔ)代謝率有降低2%~22%的趨勢(shì),并且其降低與體重和肌肉萎縮質(zhì)量減少有關(guān)。Gretebeck等[21]在10天6°頭低位臥床的研究中發(fā)現(xiàn),早晨的基礎(chǔ)代謝率比預(yù)期值低9%,晚餐后4~5小時(shí)的靜息代謝率顯著增加(比早晨高25%),但該增加被認(rèn)為是食物熱效應(yīng)發(fā)生了延遲,而不是靜息代謝率本身升高[31]。
3.2.2 工作活動(dòng)的代謝率
1)日常工作
飛行中,航天員睡眠外的大部分時(shí)間用于日常工作活動(dòng)。俄羅斯的飛行數(shù)據(jù)顯示日常工作的代謝率可能是升高的。Vostok、Soyuz和Salyut-9任務(wù)中,采用CO2吸收法測(cè)量了飛行中日常工作(包括食物熱效應(yīng)、航天員軀干和上肢的正常活動(dòng)及熱調(diào)節(jié))航天員的能量代謝,結(jié)果顯示代謝率較1g條件下的測(cè)定值升高約2.6 kJ/min,并比其基礎(chǔ)代謝率約高50%[10]。
2)體能鍛煉
體能鍛煉是對(duì)抗航天環(huán)境下心血管系統(tǒng)脫適應(yīng)、骨丟失、抗重力骨骼肌萎縮與平衡系統(tǒng)機(jī)能改變等不利影響的主要防護(hù)措施[32-33]。Skylab任務(wù)分別對(duì)低負(fù)荷和較高負(fù)荷水平的運(yùn)動(dòng)時(shí)的能量代謝進(jìn)行了測(cè)量,結(jié)果顯示能量代謝稍有降低或無(wú)顯著變化;9名航天員自行車(chē)功量計(jì)運(yùn)動(dòng)(150 W)結(jié)果表明,飛行中的耗氧量(1.86±0.12 L/min)比飛行前(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),與飛行前和飛行中差異均不顯著[32]。能量代謝的減少可能與定期訓(xùn)練以及在蹬自行車(chē)過(guò)程抬腿不需要做功等因素有關(guān)[34]。
6名航天員按照飛行前75%最大耗氧量進(jìn)行自行車(chē)功量計(jì)運(yùn)動(dòng),飛行前中后進(jìn)行定期測(cè)試,能量代謝率結(jié)果顯示飛行中(52±7 kJ/min)與飛行前(52±8 kJ/min)及返回后(51.3±7 kJ/min)無(wú)顯著差別[26,34],飛行時(shí)長(zhǎng)不會(huì)對(duì)體能鍛煉過(guò)程中能量消耗的產(chǎn)生明顯的影響。雖然以75%最大耗氧量鍛煉5分鐘后的耗氧量比飛行前測(cè)定值明顯升高,但其迅速恢復(fù),產(chǎn)生的能耗增量小于全天總能耗增量的0.5%[35]。
因此,盡管在微重力環(huán)境中鍛煉的能量代謝有一些小的變化,但對(duì)總體的能量需求的影響很小,故可以基于1g條件下鍛煉的測(cè)定值對(duì)能量代謝進(jìn)行估算[3]。
3)艙外活動(dòng)
EVA是實(shí)施太空探索不可缺少的組成部分,從1965年3月18日列奧諾夫第一次從事EVA到2016年9月1日國(guó)際空間站EVA,共執(zhí)行EVA726人次,平均每年進(jìn)行的EVA約為81 h[36]。2008年9月27日中國(guó)航天員翟志剛打開(kāi)神舟七號(hào)的軌道艙艙門(mén),首度實(shí)施了我國(guó)空間EVA。
多次飛行任務(wù)表明,EVA時(shí)能量消耗可能是降低的。在月球表面1/6g重力條件下的阿波羅(Apollo)任務(wù)EVA過(guò)程中,月球車(chē)漫游的能量消耗(510 kJ/h)比地面(850 kJ/h)減少40%;普通活動(dòng)的能量消耗(1150 kJ/h)比地面(1590 kJ/h)減少28%;整個(gè)EVA過(guò)程的總能耗(960 kJ/h)比地面(1640 kJ/h)減少41%[3]。
總體上,隨著飛行任務(wù)的延續(xù),微重力環(huán)境EVA的能量消耗已逐漸下降。EVA過(guò)程中的能量消耗范圍為570 kJ/h~1.1 MJ/h,在Apollo任務(wù)和Skylab任務(wù)期間,平均能量消耗接近1.1 MJ/h,在航天飛機(jī)任務(wù)中,已降到820 KJ/h,而自STS-61B任務(wù)后,70次EVA的平均能量代謝為760 KJ/h,低于地面行走的能量代謝[7]。能量代謝的下降主要是由于艙外服設(shè)計(jì)的改進(jìn)、靈活性提高,對(duì)航天員的培訓(xùn)加強(qiáng)。航天飛機(jī)STS-61任務(wù)中有著豐富的訓(xùn)練計(jì)劃,5次EVA的平均代謝率為740.6 kJ/h,低于所有航天飛機(jī)EVA平均代謝率的水平[7]。前蘇聯(lián)/俄羅斯和美國(guó)航天員在EVA期間的代謝率水平雖較為相近[7,23],但與俄羅斯航天員相比,美國(guó)航天員代謝率略低,原因可能是完成作業(yè)的類(lèi)型和不同壓力下航天服有限的靈活性差異[6]。
性別因素對(duì)單位體重的EVA能量代謝影響較小。對(duì)4名女性航天員EVA過(guò)程中的能量代謝研究顯示,盡管其代謝平均值(670 kJ/h)低于男性的典型值,但僅是由于身體重量相對(duì)較低,而每千克體重的代謝值并無(wú)顯著差異(女性航天員:10.5± 2.4 kJ/kg/h;男性航天員:10.9±2.3 kJ/kg/h)[15]。
3.3 航天環(huán)境對(duì)日能量代謝總量的影響
早期飛行任務(wù)中,由于飛行器體積限制了航天員的自由移動(dòng)和鍛煉,平均能量消耗約為9 MJ/d[9,37]。Gemini任務(wù)航天員日能量消耗比地面減少2615~4184 kJ/人[38]。隨著后續(xù)任務(wù)期延長(zhǎng),任務(wù)中體力活動(dòng)增多,能量消耗增加約10%~30%。如航天飛機(jī)任務(wù)中的航天員可以隨意活動(dòng)、有許多常規(guī)性鍛煉、參與在軌試驗(yàn)等,男性航天員平均能量消耗為11.8 MJ/d,比飛行前地面1g條件下測(cè)定值低約4%(0.5 MJ/d)[14]。Skylab任務(wù)中,每次任務(wù)比前一次任務(wù)延長(zhǎng)1個(gè)月,后續(xù)任務(wù)航天員平均能量消耗增加0.5 MJ/d(P=0.05)。并且能量消耗增加最多的是前兩個(gè)月,第二、三月間的變化是第一、二月間變化量的一半。飛行記錄顯示,隨著駐留時(shí)間的延長(zhǎng),航天員平均每日的攝入和鍛煉相應(yīng)增加,食物熱效應(yīng)和體力活動(dòng)能耗的增加促進(jìn)了總能耗的升高[24]。在后期的飛行任務(wù)中,航天員的能量消耗總量接近地面非航天員水平(表2)。Prentice等[39]采用雙標(biāo)水法測(cè)定了319名生活在發(fā)展中國(guó)家志愿者的能量代謝。測(cè)定結(jié)果與飛行進(jìn)行對(duì)比,男性日能量消耗總量(PLA)僅比微重力條件下航天飛機(jī)航天員高5%(P=0.05)[3]。
盡管?chē)?guó)內(nèi)外對(duì)航天能量代謝已經(jīng)開(kāi)展了大量研究,但仍存在結(jié)果不一致的情況。NASA目前正在持續(xù)進(jìn)行長(zhǎng)期飛行航天員能量需求研究,對(duì)國(guó)際空間站長(zhǎng)時(shí)間駐留任務(wù)的航天員的能量代謝進(jìn)行研究分析,并對(duì)防護(hù)航天員體重減少和返回后增加的措施進(jìn)行評(píng)價(jià)驗(yàn)證,為今后更長(zhǎng)時(shí)間的飛行任務(wù)(如登月、火星計(jì)劃等)的航天員健康保障和物資供給設(shè)計(jì)進(jìn)行準(zhǔn)備[40-41]。
為了準(zhǔn)確計(jì)算ECLSS的控制能力和上行資源配置量,必須合理設(shè)計(jì)制定航天員預(yù)期不同工作強(qiáng)度的代謝量。在近60年的載人航天活動(dòng)中,美國(guó)和前蘇聯(lián)/俄羅斯在航天員能量代謝參數(shù)方面開(kāi)展了大量研究,基于各自的飛行任務(wù)特點(diǎn)和航天員體質(zhì)特征等制定了航天員能量代謝工程設(shè)計(jì)參數(shù)。
俄羅斯國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《載人航天器中航天員的居住環(huán)境醫(yī)學(xué)-工程總要求》[43]提出了載人航天器工程設(shè)計(jì)的代謝參數(shù)(表3),隨后未見(jiàn)相關(guān)修訂報(bào)道。和平號(hào)空間站的食品配餐顯示,航天員的日能量代謝總量參數(shù)為12.1 MJ±0.4 MJ(2900 kcal±100 kcal)。
表2 空間飛行中的總能量消耗(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)Table 2 The total energy expenditure during space flight(Mean±SD)
表3 俄羅斯載人航天器中航天員的代謝參數(shù)[43]Table 3 Metabolic parameters of astronaut in Russia manned spacecraft[43]
近20年,美國(guó)NASA載人航天器航天員能量代謝參數(shù)制定的模式從STD-3000版到STD-3001版發(fā)生明顯變化。STD-3000[44]基于早期Sky-Lab2、3、4任務(wù)的飛行數(shù)據(jù),按照不同工作負(fù)荷等級(jí)提出了相應(yīng)的代謝參數(shù)(表4),每日代謝總量按照要因加算法進(jìn)行計(jì)算,模式與俄羅斯及我國(guó)的相關(guān)要求類(lèi)似。在2014年修訂的STD-3001[45]中設(shè)計(jì)了微重力條件及21℃、70.3 kPa等特定環(huán)境下,82 kg體重的男性航天員在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)飛行日內(nèi)的平均能量代謝參數(shù),其將24小時(shí)在軌生活模式劃分為3種狀態(tài),即睡眠、常規(guī)工作和體能鍛煉,明確了航天員8小時(shí)睡眠期間EMR為316 kJ/h,睡眠以外的常規(guī)工作狀態(tài)平均EMR為500 kJ/h,并單獨(dú)給出了體能鍛煉期間能量代謝參數(shù),日能量代謝總量(12.0 MJ)與STD-3000(11.8 MJ)基本一致。
表4 NASA-STD-3000不同強(qiáng)度負(fù)荷時(shí)能量消耗[44]Table 4 Energy consumption at different intensity load in NASA-STD-3000[44]
NASA還基于航天員的性別、年齡、身高和體重等因素,提出了式(1)、(2)所示航天員每日能量攝入需求(EER)預(yù)估模型。并且規(guī)定了執(zhí)行EVA任務(wù)時(shí),可根據(jù)其時(shí)間,相應(yīng)增加836.8 kJ/h的熱量[45]。
19歲以上男性(kcal/d):
NASA研究人員Stein等[16]和Lane等[14]通過(guò)對(duì)Skylab等任務(wù)的飛行數(shù)據(jù)分析,提出了式(3)所示的個(gè)體化的航天員能量需求預(yù)估模型,但在修訂版的STD-3001中并未予以采納。
自上世紀(jì)60年代開(kāi)始,我國(guó)開(kāi)始航天環(huán)境醫(yī)學(xué)研究,在載人航天任務(wù)中建立了能量代謝評(píng)估體系[46]。根據(jù)曙光號(hào)任務(wù)期間4名志愿者臥床8天模擬飛行實(shí)驗(yàn)等多項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù),我國(guó)制定了神舟飛船短期正常飛行期間能量代謝參數(shù),并分為睡眠狀態(tài)、靜息、輕度活動(dòng)和中度活動(dòng)四種負(fù)荷等級(jí)。該參數(shù)經(jīng)過(guò)我國(guó)神舟五號(hào)至神舟十號(hào)載人運(yùn)輸飛船飛行試驗(yàn)和多次地面模擬飛行試驗(yàn)驗(yàn)證及逐步完善,成為我國(guó)設(shè)計(jì)飛行能量消耗和氣體代謝參數(shù)的重要依據(jù),滿足短期載人航天任務(wù)需要。
與短期飛行相比,我國(guó)空間站任務(wù)航天員駐留時(shí)間將大大延長(zhǎng),不僅作息制度接近地面的日常生活和工作,而且工作內(nèi)容更加豐富、航天員活動(dòng)空間明顯加大。因此,需要研究完善適合長(zhǎng)期航天任務(wù)的負(fù)荷等級(jí)內(nèi)容及標(biāo)準(zhǔn)。
2015年,中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心利用“能量代謝實(shí)驗(yàn)艙(Metabolic chamber)”開(kāi)展了745人次967小時(shí)的“長(zhǎng)期飛行任務(wù)人體能量代謝測(cè)量試驗(yàn)”。24名志愿者的身高、體重、最大耗氧量等代謝率相關(guān)身體指標(biāo)覆蓋我國(guó)航天員隊(duì)伍相應(yīng)參數(shù)。試驗(yàn)的服裝、工作方式、溫度環(huán)境等狀態(tài)與我國(guó)空間站任務(wù)一致。針對(duì)18航天員在軌典型動(dòng)作,開(kāi)展了23℃和25℃單個(gè)動(dòng)作及23 hr代謝總量試驗(yàn),獲得了18種典型負(fù)荷項(xiàng)目的平均代謝率及日代謝總量數(shù)據(jù)。試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)與23℃環(huán)境相比,25℃環(huán)境對(duì)耗氧率、CO2排出率和EMR等代謝參數(shù)無(wú)明顯影響。這些數(shù)據(jù)的獲得為制定長(zhǎng)期飛行任務(wù)航天員代謝率設(shè)計(jì)參數(shù)提供了可靠的依據(jù)。
5.1 能量代謝估測(cè)方法完善
我國(guó)目前短期飛行中應(yīng)用的能量代謝估測(cè)方法在長(zhǎng)期飛行任務(wù)中面臨挑戰(zhàn),有待通過(guò)地面和在軌試驗(yàn)及理論計(jì)算分析等對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)、驗(yàn)證和評(píng)價(jià)[46]。例如,空間站任務(wù)時(shí),再生水的電解制氧將對(duì)基于氧氣消耗法的估測(cè)準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響;DLW法估測(cè)時(shí)的氧再生和體液?jiǎn)适б蛩赜绊懹写槍?duì)性研究;飛行過(guò)程中應(yīng)用運(yùn)動(dòng)肺功能儀測(cè)定鍛煉過(guò)程的代謝率仍需完善等。另外,在我國(guó)首次出艙活動(dòng)任務(wù)中,利用飛天艙外服監(jiān)測(cè)參數(shù)獲得的航天員能量代謝數(shù)據(jù)較為有限,應(yīng)基于我國(guó)空間站任務(wù)艙外航天服研制和EVA監(jiān)測(cè)的需要,優(yōu)化并完善EVA能量代謝評(píng)估方法。
5.2 能量代謝預(yù)估模型建立
航天員能量代謝預(yù)估模型對(duì)于設(shè)計(jì)科學(xué)合理的代謝參數(shù)、制定高效的作息制度和降低能量代謝估測(cè)誤差等具有重要價(jià)值。目前通過(guò)持續(xù)收集反映航天員群體特質(zhì)(體重、身高、年齡、體況、基礎(chǔ)代謝等)的能量代謝數(shù)據(jù),結(jié)合地面不同負(fù)荷狀態(tài)及歷次載人飛行任務(wù)飛行中能量代謝數(shù)據(jù),分析獲得我國(guó)航天員群體代謝規(guī)律。在此基礎(chǔ)上,后續(xù)需要通過(guò)深入研究我國(guó)航天員長(zhǎng)期空間飛行的能量代謝數(shù)據(jù),建立我國(guó)航天員長(zhǎng)期飛行的能量消耗和需求預(yù)估模型。
5.3 能量代謝設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化
目前我國(guó)航天員代謝設(shè)計(jì)參數(shù)適用于短期載人飛行航天器工程設(shè)計(jì),需根據(jù)飛行時(shí)間延長(zhǎng)不斷修訂和完善長(zhǎng)期載人飛行人體代謝參數(shù),同時(shí)開(kāi)展針對(duì)長(zhǎng)期飛行任務(wù)人體能量代謝的變化及天地間的差異系列研究。另外,在載人登月過(guò)程中,航天員所處的環(huán)境與近地軌道的空間環(huán)境有較大的區(qū)別,航天員將經(jīng)歷不斷變化的重力環(huán)境。需要根據(jù)我國(guó)載人登月任務(wù)、航天員月面可能的活動(dòng)任務(wù)以及月面重力環(huán)境,通過(guò)試驗(yàn)研究和數(shù)據(jù)分析提出我國(guó)航天員月面活動(dòng)的人體代謝參數(shù)。
隨著載人航天任務(wù)時(shí)間的逐步延長(zhǎng),掌握航天員的能量代謝規(guī)律和制定合理的航天員能量代謝設(shè)計(jì)參數(shù)是航天任務(wù)圓滿完成的重要基礎(chǔ)。我國(guó)空間站任務(wù)處于起步階段,未知領(lǐng)域很多,為了實(shí)現(xiàn)載人航天的長(zhǎng)足發(fā)展,需緊跟國(guó)際發(fā)展的步伐,獲取更多的航天員在軌能量代謝實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),系統(tǒng)深入開(kāi)展我國(guó)航天員能量代謝的相關(guān)研究。
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Review and Prospect of Study on Energy Metabolism in Manned Space Flight
YANG Zhenzhong,WU Dawei,F(xiàn)EI 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
楊振中(1980-),男,博士,助理研究員,研究方向?yàn)楹教飙h(huán)境醫(yī)學(xué)。E-mail:footstep11@126.com