空間實驗室任務航天員選拔訓練與飛行保障

黃偉芬 劉朝霞　(中國航天員科研訓練中心)

空間實驗室任務航天員選拔訓練與飛行保障

黃偉芬 劉朝霞(中國航天員科研訓練中心)

1　引言

空間實驗室任務是我國載人航天工程第二步第二階段的收官之戰(zhàn)，承上啟下，意義深遠?？臻g實驗室任務主要包括兩個方面∶一是開展較大規(guī)模的空間科學實驗和空間應用試驗，以及航天醫(yī)學實驗；二是考核驗證航天員中期駐留、推進劑補加、在軌維修等空間站建造運營關鍵技術。

天宮-2空間實驗室已于2016年9月15日成功發(fā)射，作為我國第一個真正意義的空間實驗室、我國空間站建造前的重要試驗平臺，它的成功發(fā)射標志著我國載人航天進入應用發(fā)展新階段。

在本次任務中，航天員駕乘于2016年10月17日發(fā)射的神舟-11飛船于10月19日進入天宮-2空間實驗室，首次執(zhí)行為期33天的飛行。期間，航天員需完成航天器巡檢、組合體照料、大量在軌試驗和實驗研究等任務。如何選拔培養(yǎng)合格的飛行乘組，如何高效維護航天員在軌健康和工作效能，如何科學規(guī)劃在軌試驗、驗證空間站關鍵技術、獲取重要數據，對中國航天員科研訓練中心來講都是重大挑戰(zhàn)。

中國航天員科研訓練中心的主要任務是“培養(yǎng)人、保障人、研究人”，其核心目標是保障航天員長期在軌的健康生活和高效工作。針對空間實驗室任務全新要求，需要深入分析任務特點，結合空間站技術驗證需求和航天醫(yī)學工程發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，系統策劃實施飛行乘組選拔訓練，開展航天員在軌生活、健康和工作保障設計與驗證，開展面向長期飛行的航天醫(yī)學實驗研究，為空間站任務研制奠定技術基礎、積累飛行數據。

2　飛行乘組選拔與訓練

選拔訓練出優(yōu)秀的、滿足任務要求的飛行乘組是確保任務成功的重要前提。針對更長飛行時間、更多復雜精細操作的任務需求，飛行乘組選拔在充分繼承和利用以往成果的基礎上，對選拔方案和選拔側重點進行了適應性調整，同時，在選拔策略上還進一步考慮了航天員隊伍現狀、建設發(fā)展和后續(xù)任務的需求。

神舟-11飛行乘組的選拔仍從思想政治素質、身體情況、心理素質、知識與技能等方面實施了全面考評。在構成模式上，確立了新老結合的選拔策略，通過 “以老帶新” 執(zhí)行任務，確保乘組工作效能，實現航天員隊伍更替中的飛行經驗保持。

在醫(yī)學和心理選拔中，加強了對潛在疾患和功能紊亂的深入排查，重視情緒穩(wěn)定性、危機處理能力和心理相容性等的評定；在知識與技能考核方面，突出了對專業(yè)知識和技能掌握情況的考核，更加重視飛行程序與計劃管理、空間實驗與有效載荷操作、應急故障處理和醫(yī)學處置能力等組合體駐留能力。

“神舟”飛船飛行訓練模擬器

針對飛行乘組訓練，中國航天員科研訓練中心系統開展了理論培訓、體質訓練、心理訓練、航天環(huán)境適應性訓練、救生與生存訓練、航天專業(yè)技術訓練、飛行程序與任務模擬訓練等。在訓練科目上，強化了飛船駕駛、交會對接等基本和關鍵技能，以及飛行計劃管理能力、航天醫(yī)學實驗、在軌維修技術試驗、空間科學和應用實驗等新任務；在訓練方法上，更加注重提升能力，發(fā)揮航天員主觀能動性，安排實施多個大型聯合演練，航天員直接參與一線研制，尤其是“人的健康研究”、“人的行為能力研究”、“人因工程技術研究”和“人的保障技術驗證等航天醫(yī)學與工程試驗和實驗、機械臂維修驗證、陰影區(qū)手控交會對接等新任務，通過評審、體驗、驗證等多種方式，全面系統深入地參與了設計、研制、驗證等全過程，并深度參與了飛行手冊、操作指南、故障處置程序的設計。針對組合體駐留30天，航天員結合1∶1密封艙驗證試驗完成了全程序模擬訓練，通過工程實踐，進一步加深了認識，熟練掌握了航天專業(yè)技能，提高了執(zhí)行正常飛行程序和故障處置的能力。

3　航天員健康保障

經過一個月的失重飛行，航天員心血管功能下降至峰谷、肌肉萎縮和骨質丟失更為明顯，出現睡眠障礙、疲勞、感染、胃腸道病癥及心血管功能失調等不適和應急醫(yī)學問題的幾率增高，長期進食預加工食品還將帶來營養(yǎng)供給不足的風險。在心理方面，雖然在太空中航天員產生嚴重心理問題的可能性較小，但密閉狹小空間、只有2個人的高負荷工作，不排除飛行中后期可能出現情緒和人際關系的問題。

針對上述在軌健康新風險，我們在以往地面和飛行試驗成果的基礎上，從醫(yī)學健康監(jiān)測與保障、失重生理效應防護、營養(yǎng)保障、心理保障等方面，系統實施保障。

醫(yī)監(jiān)醫(yī)保

在健康監(jiān)測與評估方面，進一步豐富了醫(yī)監(jiān)指標，優(yōu)化醫(yī)監(jiān)模式，在飛行關鍵時段，實時監(jiān)測航天員關鍵生理指標，其他時段，采取定期與按需相結合的模式，及時準確評估航天員健康狀態(tài)，針對本次心血管健康風險增加的特點，加強了對心血管功能的評估措施。

在醫(yī)學保障方面，針對長期密閉環(huán)境帶來的座艙微生物繁殖污染風險，完善了微生物控制與清潔措施，確保環(huán)境清潔，減少感染疾病風險；針對心血管系統功能失調風險，強化“太空養(yǎng)心丸”心血管保障措施。

在軌疾病診治方面，基于飛行任務時長和乘組人員特點，綜合分析了我國大型地面試驗及以往飛行數據、國外載人航天資料等，制定醫(yī)學預案，增配了治療泌尿系結石等飛行時間延長帶來的新疾病的藥物。同時，增加遠程醫(yī)療天地協同會診，增強對國內優(yōu)勢醫(yī)療資源的調配，共同保障對在軌航天員可能的醫(yī)學的問題診治。

航天員返回后，存在重力再適應問題。針對飛行時間延長，再適應能力將進一步下降的問題，為此，我們進一步優(yōu)化了出艙模式，同時，在著陸場、后送途中和返回后恢復期間也增強了前庭平衡功能、心血管及肺功能改變、肌肉萎縮及骨質丟失、疲勞等飛行后突出醫(yī)學問題的醫(yī)學保障。

失重生理效應防護

相比神舟-10飛行任務，神舟-11飛行任務航天員將在軌飛行1個月余，失重生理效應更加凸顯，其中心血管系統變化達到最大，對骨骼肌的影響也更加顯著，有氧運動能力和肌肉萎縮明顯，骨質丟失效應也逐步顯現?？臻g實驗室任務，以心血管系統及骨骼肌肉失重生理效應為防護重點，綜合利用了套帶、企鵝服、自行車功量計和拉力器裝備，從緩解改善體液頭向分布、減少心血管脫鍛煉效應、增加肌肉靜態(tài)/運動負荷等方面進行了綜合防護，返回前口服補液，提高立位耐力。飛行期間，加強對鍛煉防護效果的評估，必要時做出適應性調整。

營養(yǎng)保障

這次更加關注了能量和膳食營養(yǎng)素攝入量的全面、平衡。科學規(guī)劃了飛行食譜，定期獲取膳食攝取信息，對能量及營養(yǎng)攝入狀態(tài)進行評估，加強膳食指導，保障航天員在軌營養(yǎng)平衡，并增配營養(yǎng)素補充制劑，確保膳食營養(yǎng)平衡。

心理保障

由于飛行時間延長，航天員暴露在狹小、隔離、失重、限制、單調、枯燥、噪聲、高風險等航天特殊因素下的時間加長，所以增加了慢性心理應激強度，出現心理不適和第三季現象的可能性。同時，2人乘組一旦關系緊張，且情況不易解決，容易出現領地現象，即各自為政。針對上述問題，實施常規(guī)和按需的個性化專業(yè)心理支持，配置心理舒緩系統，調節(jié)航天員心情，并采用豐富的心理支持方式開展心理支持，包括利用天地通話、上下行郵件/短消息、雙向視頻等手段，與家屬、領導、親友、戰(zhàn)友等定期、不定期交流，并利用飛行任務期間節(jié)日等特殊事件，進一步調節(jié)在軌生活。

4　航天員生活保障

用于超重耐力檢查的人用離心機

空間實驗室任務生活保障體系

飛行時間延長也給航天員在軌生活保障帶來眾多新要求。以盡可能為航天員提供舒適、多彩生活環(huán)境，保證航天員工作效率為目標，從生活場所、就餐飲水、物資存放與管理、垃圾處理、個人衛(wèi)生清潔、著裝、作息制度、睡眠、娛樂等多個方面，對航天員的衣、食、住、娛實施了全方位保障，確保在軌生活品質。

在生活場所方面，空間實驗室進行了宜居環(huán)境優(yōu)化設計，在原有就餐、睡眠、工作、娛樂、個人衛(wèi)生處理等不同功能區(qū)域的基礎上，進一步改善了就餐和睡眠環(huán)境，加強了隱私保護，使航天員能夠在相對狹小的空間感覺舒適、便利、放松。

在飲食供應方面，按照逐步向空間站任務食譜周期過渡的設計思路，豐富食品種類和品種，延長食譜周期，兼顧個性化特點，進一步提高了食譜的感官接受性。本次飛行任務，食譜周期由原先的4天延長至5天1個食譜周期，配置的航天食品達100余種，其中還有幾種歐洲航天局提供的歐洲食品，為空間站任務未來可能的國際合作飛行奠定基礎。在食譜框架設計方面，充分考慮了營養(yǎng)搭配，并注意與飛行不同時段航天員生理反應和飛行任務負荷相匹配。

生活垃圾處理是1個月的飛行需要解決的重要問題。我們配置了帶有單向收納設計的垃圾收納儲存裝置，以克服失重環(huán)境下的垃圾飄逸問題，同時，配置垃圾壓縮裝置，按照濕性物與干性物分類處理收納原則，對生活和工作垃圾進行抽真空壓縮處理，防止微生物滋生和異味逸出污染艙內環(huán)境。這些處理措施均經過了地面的充分試驗驗證。

空間實驗室任務在軌物資配置量雖不龐大，但其種類和數量也較以往有成倍增加。各類設備和物資均有明確的存放、轉移空間和路徑要求。同時，針對消耗性物資，為了在軌有序生活，同時為驗證空間站任務物資管理模式，我們研制了物資管理系統，規(guī)劃了乘員物資在軌管理的顆粒度和管理模式，通過航天員在軌定期統計管理，天地信息同步獲取，對飛行中航天員物資使用、消耗情況的定期統計分析，從而使地面和航天員能夠及時準確了解在軌的物資使用情況，確保無超配使用，并為后續(xù)飛行物資配置提供寶貴數據。

為適應飛行時間延長和工作種類的豐富，我們新采取了“以周為單位”的6+1的工作制度，即每工作6天，休整1天，這也是空間站任務擬執(zhí)行的作息制度；還進一步根據在軌工作需求，豐富了服裝類型；按照航天員的個人需求配置個性化、多樣化的休閑用品和資料，滿足航天員個體的在軌休閑娛樂需求，也為駐留時間延長心理健康保障提供了有力措施。

5　航天員工作保障

航天員在軌工作，不僅關系工程效益，關鍵操作更涉及飛行器和航天員安全，政治意義重大。為減控人誤，確保航天員在軌精準高效工作，我們從工作環(huán)境、產品人機界面、飛行程序和手冊設計、飛行計劃管理、天地協同等多個方面給予全方位保障。

在工作環(huán)境和人機界面方面，加強了飛行器和飛行產品的結構布局、色澤與照明、控制顯示、標識標記的適人性設計，針對失重特因環(huán)境，根據在軌操作需求，精細設計各類身體、設備限動裝置和操作輔助裝置，確保工作環(huán)境適宜、人機界面友好、滿足失重環(huán)境人體開展工作的需求。

在飛行程序及手冊設計方面，對駕乘飛船、交會對接、組合體駐留與撤離等各任務剖面進行了系統設計，覆蓋任務包絡，覆蓋正常飛行、應急與故障飛行各工況，在程序設計上，乘組間任務分工合理，工作的復雜度及負荷要求適宜，充分考慮了空間干涉和時序要求問題，在呈現形式上，飛行程序與手冊易讀、易懂，還新增電子手冊，實現人機互動、在軌下傳、天地互動和動態(tài)管理功能。

在飛行計劃管理方面，探索性實施了周計劃與日計劃相結合的動態(tài)管理模式，強調航天員自主性。針對較長時間組合體駐留，除有特殊要求的項目外，航天員可根據飛行手冊自主安排每日工作計劃，對飛行計劃完成情況主要以周為單位進行監(jiān)督、評估與調整。

在天地協同方面，采用了天地通話、雙向視頻、上下行郵件和短消息等多種方式，實現雙向溝通和有效管理。針對航天員在軌操作，以發(fā)揮航天員自主能動性、不過多干擾為主導思想，地面主要針對重要飛行事件、天地協同復雜項目、時效性強的項目進行管理，對關重項目實施事前提醒、關注進度，必要時及時提醒的方式進行支持，而非一步一動，為未來長期飛行的飛控支持模式積累經驗。

6　航天員在軌試驗和實驗與研究

在完成空間實驗室任務中，航天員將在軌開展豐富的科研活動和科普展示。其中，在軌試驗和實驗與研究共22項，包括航天醫(yī)學與工程技術研究，空間環(huán)境高等植物生長特性研究，半導體光電子晶體、納米復合材料和新型金屬等空間材料制造學研究，以及基于機、電、液等部件組成的在軌維修，基于機械臂的人機協同，原子氧防護材料試驗等航天器相關技術試驗等。

將針對航天醫(yī)學與工程技術研究，以探索中長期載人航天飛行人的問題，驗證部分駐留保障關鍵技術，為空間站任務積累數據和經驗為目標，從“人的健康研究”、“人的行為能力研究”、“人因工程技術研究”和“人的保障技術驗證”四個方面系統布局，開展在軌研究。

在人的健康研究方面，主要針對空間飛行任務時長對人體生理、心理的可能影響，瞄向空間飛行主要醫(yī)學風險，系統開展研究，主要包括空間環(huán)境對航天員心血管功能、視功能、聽力、味嗅覺、物質營養(yǎng)代謝、情緒調控、睡眠-清醒生物節(jié)律、藥代動力學等影響的研究等；在人的行為能力及人因工程技術方面，基于在軌工作涉及的人體能力要素及空間飛行的可能影響，開展在軌飛行人體運動特性、施力特性、腦力負荷、眼手協調性、時間資源占用分布等變化的研究，并初步建立在軌評估方法，還基于未來可能的人機交互模式，開展腦機交互技術在空間飛行適用性驗證等前沿性研究，為空間站工程工效學設計提供寶貴的空間飛行試驗數據；在人的保障技術方面，針對空間站任務駐留保障亟需的技術，選擇性開展太空跑臺束縛系統技術驗證、植物栽培關鍵技術驗證試驗，這些涉及空間站長期飛行駐留保障的技術，也是國際上持續(xù)開展研究和優(yōu)化設計的重要課題。

值得一提的是，對于空間實驗室任務，我們將首次在航天醫(yī)學領域開展在軌研究的國際合作。我們將與法國國家空間研究中心（CNES）在失重心血管領域開展合作，從失重對心臟、血管的結構/功能、自主神經調控、負荷響應與評估等四個方面系統開展心血管系統整合生理調控機制的探索性研究。在該項研究中，利用激光多普勒研究空間飛行對皮膚微循環(huán)的可能影響，在國際上也屬首次，數據十分珍貴。

除了上述在軌試驗和實驗研究，航天員還將開展太空養(yǎng)蠶、高分子聚合物膜、雙擺實驗等科學實驗展示活動，拍攝大量試驗和實驗視頻圖像，積累相關數據資料，為我們后續(xù)開展科學普及工作提供鮮活素材。

7　結束語

按照載人航天工程三步走的發(fā)展戰(zhàn)略，在我國掌握了天地往返運輸、航天員出艙活動和航天器交會對接三大載人航天基本技術之后，要實施空間實驗室任務，并將于2020年前后完成空間站的建造。

由航天大國邁向航天強國的征程中，我們即將完成一段重要里程，面向空間站任務、未來載人探月、載人深空探測任務，航天人必將持續(xù)奮進，創(chuàng)新發(fā)展，逐步位居世界前列！

朱敏悅/本文編輯

Taikonauts Selection Training and Flight Support for Space Laboratory Mission