用于人-航天服仿真的人體熱模型發(fā)展研究

方明元，王 晶，李西園，畢研強

(1. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所， 北京100094； 2. 可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點實驗室， 北京100094)

1 引言

人-航天服熱模型是一種將人體熱模型和航天服熱模型相耦合的數(shù)值仿真模型，能夠預測各種工況下航天服內(nèi)溫度、濕度、CO2濃度等參數(shù)的變化情況，用于評估航天服的性能，預測航天員在穿著航天服進行艙外活動時的熱舒適度等指標，為航天服系統(tǒng)的性能分析提供便利，同時為航天服及其生命保障系統(tǒng)的研制提供參考。

航天服熱模型一般由液冷/通風服熱模型和便攜式生保系統(tǒng)熱模型組成，雖然實際結(jié)構(gòu)復雜，但其傳熱機制相對簡單。 與此相對，人體作為生物體具有復雜的結(jié)構(gòu)和生理調(diào)節(jié)機制，其建模難度要大于航天服。 同時人體作為一個熱源又與航天服內(nèi)傳熱和傳質(zhì)情況相耦合，因此是否準確建立人體熱模型將直接決定人-航天服模型的準確度。

自上世紀60 年代起，各航天機構(gòu)均開展了面向航天服設計、優(yōu)化的人體熱模型研究，為航天服、環(huán)控生保系統(tǒng)的研制提供支撐。 與建筑空調(diào)、載具、醫(yī)療等領(lǐng)域的人體熱模型相比，航天服用人體熱模型在人體的幾何構(gòu)型、血液建模、個體差異影響等方面均存在明顯不同，并且其他領(lǐng)域的人體熱模型往往欠缺對航天環(huán)境低壓、失重因素的考慮。 本文整理近50 年來各機構(gòu)研究的用于航天領(lǐng)域的人體熱模型，對比其他領(lǐng)域典型的人體熱模型，從幾何構(gòu)型、血液建模、低壓失重、個體差異影響4 個方面給出未來航天服用人體熱模型的發(fā)展方向，為未來航天服的研制提供參考。

2 人體熱模型幾何精細度

自實施阿波羅計劃以來，美國開展了大量人-航天服的建模仿真研究。 從上世紀90 年代起，中國也開始相關(guān)研究。 早期大部分人體熱模型為一維10 節(jié)段模型，進入21 世紀后，人體熱模型的幾何精細度得到提升，主要體現(xiàn)在模型節(jié)段數(shù)量的增加和模型維數(shù)的提高。

對于模型節(jié)段的劃分，早期模型多基于一維10 節(jié)段的Stolwijk 模型[1]。 該模型將人體劃分成頭部、軀干、手臂、手、腿、腳等10 段，如圖1(a)所示。 隨著計算機性能的提升，相關(guān)軟件的發(fā)展以及人體生理學、解剖學數(shù)據(jù)的豐富，開始使用更細致的節(jié)段劃分人體熱模型。 如應用較為廣泛的基于Wissler 模型[2]和Fiala 模型[3]的15 節(jié)段人體熱模型。 相比于早期的10 節(jié)段模型，Wissler 模型對人的四肢和軀干進行了細致劃分(圖1(b))，將手臂分為上臂和下臂，腿部分為大腿和小腿，軀干分為胸部和腹部。 這樣的劃分不僅詳細地考慮了節(jié)段之間組織結(jié)構(gòu)的差異，還考慮了人在做不同運動時不同部位肌肉產(chǎn)熱的差異。 而Fiala 模型則增加了面部、肩部、頸部和腰部節(jié)段(圖1(c))。 面部的組織分布以及對溫度的敏感程度與頭部其他地方有較明顯的區(qū)別，因此把面部從頭部節(jié)段分離出來。 其他增加的節(jié)段同理。 由此可以看出越細致的節(jié)段劃分使得人體熱模型所考慮的人體細節(jié)更加豐富，模型更能反映真實情況。

對于模型維數(shù)的選擇，早期模型多為一維模型，每一個節(jié)段上各層組織的物理參數(shù)沒有周向和軸向的差別(圖2(a))。 進入21 世紀之后，二維和三維模型開始發(fā)展起來，如Fiala 模型是典型的二維模型，該模型對每一個節(jié)段進行了徑向劃分，使得模型節(jié)段能夠反映周向溫度的變化(圖2(b))。 三維模型則一般通過對節(jié)段進行網(wǎng)格劃分來建立(圖2(c))，通過有限元或有限差分的數(shù)學方法求解，三維模型能夠比二維和一維模型獲得更詳細的溫度場分布，適應性更廣，尤其適用于溫度梯度較大的情況。 另外在某些特殊情況下，如航天服液冷服管路的分布設計需要三維的人體熱模型來反映人體各個節(jié)段周向和軸向的溫度分布差異。

圖1 人體熱模型節(jié)段劃分示意[1-3]Fig.1 Schematic diagram of segmentation of human thermal model[1-3]

圖2 不同維數(shù)的人體熱模型節(jié)段對比Fig.2 Comparison of segments with different dimensions

綜上所述，采用更多的節(jié)段劃分和三維構(gòu)型是未來航天服熱仿真研究中的人體熱模型的發(fā)展趨勢。 需要注意的是，節(jié)段不是劃分得越多越好，一方面節(jié)段的增加會導致模型的結(jié)構(gòu)變得復雜，增加建模難度和仿真時間；另一方面節(jié)段劃分越多，人體劃分越細致，需要測量的生理參數(shù)就越多，相鄰兩節(jié)段之間的生理差異也越小，整個模型預測精度的提升也越小。 此外，在工程實際應用中，還需要根據(jù)具體的熱邊界條件，如液冷服的分布等有針對性地對人體熱模型節(jié)段的劃分作出調(diào)整。 目前用于航天服仿真的人體熱模型普遍在15節(jié)段及15 節(jié)段以下，節(jié)段劃分標準也不統(tǒng)一。 綜合各種模型的劃分優(yōu)點，可將比較流行的Wissler的模型、Fiala 的模型和Berkeley 模型[4]的劃分方法相結(jié)合，即在Fiala 模型的基礎上考慮上臂和下臂、大腿和小腿，并將胸部節(jié)段分成前胸和后背兩部分，構(gòu)成20 節(jié)段的人體熱模型(圖1(d))。 對于手臂和腿部的分割，由于它們位于活動關(guān)節(jié)的兩側(cè)，一側(cè)為近心端，一側(cè)為遠心端，生理參數(shù)會有差異，組織溫度也不同，比如大腿溫度一般比小腿溫度要低。 對于航天服來說，液冷服管路中的液體和通風服中的氣體溫度，遠心端也會比近心端要低一些；對于前胸和后背的分割，除了考慮這兩部分對人體熱感覺的敏感程度不同，艙外航天服背部還安裝有便攜式生保系統(tǒng)，這也是液冷服液體的出口位置，因此艙外航天服內(nèi)側(cè)前胸和后背的邊界條件也會略有不同。 綜上差異，將人體熱模型節(jié)段增加到20 節(jié)段可進一步提升模型精度，且不至于把模型變得過于復雜和冗余。

目前用于航天服仿真的三維人體熱模型較少，新模型的開發(fā)可參考其他領(lǐng)域的三維人體熱模型，如Shoji[5]開發(fā)的用于預測著裝人體生理反應的模型、趙陽[6]開發(fā)的用于暖通空調(diào)領(lǐng)域的模型、Ferreira[7]開發(fā)的通用人體模型、Sun[8]開發(fā)的用于非均勻熱環(huán)境的模型、Tang[9]開發(fā)的用于功能性服裝設計和舒適度評估的模型等。 將其他領(lǐng)域三維人體熱模型用于航天服仿真的難點在于人體熱模型與其邊界條件即航天服中液冷/通風服熱模型的耦合。 對于各節(jié)段需進行徑向扇面劃分的人體熱模型，液冷/通風服熱模型需要進行同樣的徑向劃分，使每一個服裝扇面與人體節(jié)段扇面相吻合；通過有限元方法建立的三維人體熱模型，液冷/通風服熱模型也要使用相同的方法進行三維建模。 李杰[10]建立了三維人-液冷/通風服熱模型來研究人與液冷/通風服的換熱情況，但模型中沒有考慮人體血液調(diào)節(jié)作用和人體與手套、頭盔的熱交換，三維人-航天服熱模型距離工程化應用還需要進一步完善。 另外，對于與液冷/通風服耦合的便攜生保系統(tǒng)模型，其輸入和輸出量一般為冷卻液流量、通風量等一維參數(shù)，因此其建模的方法和維數(shù)可以和人體熱模型、液冷/通風服熱模型不同，仍可保持其常用的一維集總參數(shù)結(jié)構(gòu)。表1 列出了在航天服研究中使用的人體熱模型幾何結(jié)構(gòu)。

3 血液循環(huán)系統(tǒng)換熱模型

人體的血液循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，對其進行建模時需要合理簡化。 血液循環(huán)系統(tǒng)對人體內(nèi)部的傳熱及熱調(diào)節(jié)過程有較大影響，有研究表明人體的血液循環(huán)轉(zhuǎn)移了人體50%～80%的熱量[31]，建模時不恰當?shù)暮喕瘯е氯梭w熱模型的瞬態(tài)響應結(jié)果偏離實際。 對于曾廣泛應用于航天領(lǐng)域的10 節(jié)段人體熱模型，研究人員為了簡化模型，對血液循環(huán)系統(tǒng)模型做了許多與解剖學不同的假設，例如假設心臟直接向所有節(jié)段供血，使得所有節(jié)段輸入的動脈血液溫度相同，與血液溫度沿肢端逐漸降低的事實相悖；假設血流速率和肌肉代謝率成正比[32]，使得人體熱模型在模擬寒冷環(huán)境出現(xiàn)寒顫時，血流速率會突然升高；假設動脈血液直接流向各個節(jié)段，使得模型各節(jié)段溫度會快速升高，甚至觸發(fā)出汗機制，這與實際結(jié)果存在較大偏差。 因此血液循環(huán)系統(tǒng)對模型的瞬態(tài)響應影響顯著。

近年來其他領(lǐng)域的人體熱模型已經(jīng)使用了較為復雜的血液循環(huán)模型，大大提高了模型對瞬態(tài)環(huán)境的響應能力。 如UC Berkeley 模型、Fiala 模型、Salloum 模型[33]、JOS-2 模型[34]等，這些模型均模擬了動靜脈血液從心臟處依次流到各個人體節(jié)段的循環(huán)過程中的傳熱，并考慮了動靜脈逆流換熱、毛細血管與各組織的換熱(圖3)。 這些精細化考慮，保證了人體熱模型在瞬態(tài)條件下溫度預測不會明顯偏離實際。 在此基礎上，引入如JOS-2 模型中對人體熱模型的手、腳部構(gòu)建的淺表靜脈和動靜脈吻合結(jié)構(gòu)，使得模型中手部和腳部的溫度預測更加準確。 另外，可以考慮類似Salloum 模型中用Avolio[35]精確的生理數(shù)據(jù)構(gòu)建真實尺寸的動脈樹結(jié)構(gòu)，見圖4。 通過動脈樹可以計算每條動脈的特性阻抗、傳播常數(shù)、波反射系數(shù)和輸入阻抗，進而較為精確地預測每條動脈和靜脈中的血流速率，從而使得血液和組織內(nèi)的傳熱計算更加準確。 但這種動脈樹模型仍存在一些問題，如各節(jié)段的血流量無法根據(jù)人體的熱狀態(tài)進行調(diào)整，動脈血液進入皮膚、肌肉和直接進入靜脈的血流量的比例還無法確定[31]。 對于研究人員來說，一方面可以對現(xiàn)有血液循環(huán)系統(tǒng)換熱模型所存在的問題進行改進，另一方面可將近年來生理學和解剖學領(lǐng)域涌現(xiàn)出的優(yōu)秀血液循環(huán)系統(tǒng)換熱模型引入航天領(lǐng)域人體熱模型中，來提高模型的預測精度[31]。

表1 國內(nèi)外人-航天服熱仿真模型結(jié)構(gòu)Table 1 The structure of human thermal model used in space suit development

圖3 血液換熱示意 Fig.3 Schematic diagram of blood heat transfer

4 低壓和失重對人體的影響

圖4 Salloum 模型中的動脈樹結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of arterial tree in Salloum model

目前絕大多數(shù)人體熱模型只適用于地面正常壓力和重力情況，人-航天服熱模型需要考慮低壓、失重對人體的影響。

4.1 低壓

中國“飛天” 系列航天服內(nèi)的氣壓約為40 kPa，氧氣含量不低于95%[36]。 在該低壓環(huán)境下，液體的沸點降低，人體蒸發(fā)散熱量增加，進而使得人體皮膚的散熱及呼吸散熱增加；由于空氣密度改變，人體與環(huán)境之間的換熱系數(shù)也發(fā)生變化。 崔代秀等[37]的實驗表明，23 ℃環(huán)境下壓力從1 atm 降到0.47 atm，人體的汗液蒸發(fā)量增加了17%。 低氣壓下人體血液氧分壓降低，會引起呼吸系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)的活動增加，使得人體代謝率增加。 童力[38]的研究表明，當大氣壓力從1 atm 降到0.8 atm 時，靜坐的人體代謝率增加22.2%。

低壓環(huán)境下的人體蒸發(fā)量可以通過改變模型中呼吸散熱和皮膚汗液蒸發(fā)散熱計算中的環(huán)境壓力項來計算；對于人體與環(huán)境的各項換熱系數(shù)的改變，也可以從修改模型中的相關(guān)公式入手。 對于低壓對人體呼吸和代謝率的影響，可通過人體實驗獲得。 低壓環(huán)境的人體實驗一般在低壓艙中進行，低壓艙的空調(diào)系統(tǒng)調(diào)節(jié)艙內(nèi)的溫度和濕度，受試者在低壓艙中處于靜坐或運動狀態(tài)，通過皮膚上的溫度傳感器記錄受試者的皮膚溫度變化情況，通過心肺功能測試系統(tǒng)測量人的呼吸速率、呼吸氣體中的氧分壓和二氧化碳分壓等多項指標，獲得人體的呼吸速率、代謝率等指標[38]。

4.2 失重

失重環(huán)境下，人的生理情況會發(fā)生多方面的變化：①心臟供血能力下降，血液流速變慢，血管內(nèi)徑變小，血液管壁收縮能力下降，和平號空間站在軌實驗表明6 個月的空間飛行使航天員的心率下降了20%[39]，SLS-2 火箭在軌數(shù)據(jù)表明航天員的血液循環(huán)總量在36 h 內(nèi)降低了20%[40]，導致人體的熱調(diào)節(jié)能力下降；②血流量在四肢的分配發(fā)生變化，下肢血壓降低，上肢、頭部血壓升高[39]，導致人體上肢和頭部的皮膚層和核心層的溫度升高，下肢的皮膚層和核心層溫度降低，禮炮6 號數(shù)據(jù)表明在軌航天員的胸部溫度上升3 ℃，小腿溫度下降3 ℃[41]；③在軌飛行中，多種因素使得航天員的攝入能量減少，人體長時間生活在狹小的航天器內(nèi)，肌肉活動受到限制，失重環(huán)境使得支撐人體所需的力量減少，人體的代謝率會降低[40]；④由于下肢不再需要力量來支撐人體，人體運動模式發(fā)生了顯著改變，人體在工作時的代謝率分布會發(fā)生變化；⑤由于代謝率的降低，進一步影響人體對環(huán)境的散熱量，人的蒸發(fā)散熱、呼吸散熱均會下降；⑥失重影響人的心理狀態(tài)，人在失重環(huán)境中容易出現(xiàn)抑郁、焦慮、緊張等負面情緒，這將降低人體的熱舒適程度。 綜上所述，人體熱模型建模時需要考慮失重的影響。

失重對人體影響的定量分析需要通過人體實驗來實現(xiàn)。 由于在軌實驗費用昂貴，失重的生理學研究一般采用大量地面實驗和少量在軌實驗相結(jié)合的方法。 在地面實驗中，一般采用臥床方式來模擬人體在失重情況下的生理變化情況[42]，當臥床角度為頭低位-6°時，人體的心血管、肌肉等組織的工作情況與失重時最為相似。 另外也可使用大鼠尾吊法模擬微重力，通過測量大鼠生理指標變化探究失重對生物體的影響機理，從而推測失重環(huán)境下人體的生理指標變化情況[36]。

目前中國在失重條件下人體生理學研究還不能滿足相關(guān)工程的需求，失重對人體生理指標的影響尚未完全量化，失重環(huán)境下人在各種工作狀態(tài)下的代謝率、血流速率等數(shù)據(jù)較少，需要通過實驗來獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。 考慮到航天員常常同時處于低壓和失重環(huán)境，2 種環(huán)境對人的影響是互相耦合的，因此需要將低壓和失重環(huán)境實驗相結(jié)合來獲得更準確的數(shù)據(jù)。 在地面模擬實驗中，可以在低壓艙中營造低壓純氧環(huán)境，充分做好防火措施，受試者采用頭低位臥床姿勢模擬失重環(huán)境，空調(diào)系統(tǒng)控制不同的溫度環(huán)境，通過貼在受試者皮膚上的溫度傳感器獲取人體溫度變化數(shù)據(jù)，通過心肺測試系統(tǒng)獲取人體呼吸及代謝率相關(guān)數(shù)據(jù)。 未來也可以通過在軌實驗獲得更為真實可信的數(shù)據(jù)以修正地面模擬實驗。

5 個體差異

一般來說，人體的年齡、性別、健康狀況、脂肪含量、BMI(Body Mass Index)指數(shù)、BMR(Basal Metabolic Rate)指數(shù)都會顯著影響人體的生理參數(shù)，進而影響人體的溫度分布和熱舒適度[43]。 研究表明個體差異對人體熱模型平均皮膚溫度的影響可達1.2 ℃[44]。 在現(xiàn)階段，航天員一般來自于層層選拔、經(jīng)過訓練的空軍飛行員，體質(zhì)優(yōu)于普通人。 未來會有更多專業(yè)人員執(zhí)行航天任務，如載荷專家、工程師等，他們的體質(zhì)更接近于一般人，因此在未來航天服設計中，應當考慮針對種群、年齡、性別等引起的個體差異，通過重要特征參數(shù)化及參數(shù)特征化的迭代與回歸形成適用于不同群體的人體熱模型，以提升預測精度。

人體個性化生理參數(shù)的獲得方法可分為2類：間接估算和直接測量。 在有實驗條件的情況下，對航天員的生理數(shù)據(jù)進行直接測量能夠獲得更加準確的結(jié)果；但某些參數(shù)，如熱導率、血液灌注率和組織代謝率等測量比較困難[45]，在條件限制的情況下，可采用間接估算的方法，通過測量人體一些容易獲得的參數(shù)來估算那些不易測量的參數(shù)。 許多人體熱模型都通過估算的方法來考慮個體生理參數(shù)差異影響，如Berkeley 模型、Fiala 模型[46]、ThermoSEM 模型[47]等，但這幾種模型考慮的參數(shù)都不夠全面，Davoodi 的人體模型[48]較為全面地考慮了各種個性化參數(shù)，使用身高、體重、性別、年齡等容易獲得的參數(shù)來估算其他不易獲得的參數(shù)，如皮膚面積、各層組織的厚度、組織的熱容和熱阻、皮膚血流量、代謝率以及人體在熱調(diào)節(jié)過程中的血流變化、出汗率和寒顫產(chǎn)熱量等，計算公式由實驗數(shù)據(jù)回歸分析獲得。 這種通過簡單易測的數(shù)據(jù)來估算難測的生理參數(shù)的方法值得借鑒。 不過由于Davoodi 人體模型使用的是2 節(jié)點模型，并且各參數(shù)的估算方法基于外國人的體質(zhì)，無法直接用于中國的多節(jié)點人體熱模型。 Zhou等[44]基于Fiala 模型建立了適用中國人體質(zhì)的人體模型，模型在皮膚面積、脂肪含量等生理參數(shù)上按中國人的體質(zhì)進行了調(diào)整，其數(shù)據(jù)和方法可作為參考。 由于缺少基于中國人體質(zhì)的熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)的相關(guān)生理數(shù)據(jù)，模型中有關(guān)人體熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)如寒顫產(chǎn)熱量、出汗率以及人體對環(huán)境溫度變化的響應特征等并未進行個性化修正。

綜上，為中國航天員建立覆蓋更多人群的個性化人體熱模型關(guān)鍵在于獲取他們的人體生理數(shù)據(jù)。 對于各節(jié)段的皮膚面積、脂肪含量等生理解剖方面的數(shù)據(jù)可通過直接測量與估算相結(jié)合的方式獲?。粚τ谌梭w對環(huán)境變化做出的響應差異，如出汗臨界溫度、寒顫產(chǎn)熱量等需要通過實驗來測量；對于人體主動熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的各項控制系數(shù)可以通過對皮膚溫度在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)溫度環(huán)境中的響應數(shù)據(jù)進行回歸分析來反解算獲得。 隨著中國載人航天活動逐漸頻繁，航天員在軌時間逐漸增加，研究人員可考慮通過在軌實驗采集航天員在低壓失重環(huán)境下的個性化生理數(shù)據(jù)，在軌實驗數(shù)據(jù)相比地面模擬實驗數(shù)據(jù)更加真實可信，并通過地面模擬實驗數(shù)據(jù)與在軌數(shù)據(jù)對比，提出地面實驗方法及數(shù)據(jù)處理的修正方案，以此來完善地面模擬實驗。

6 結(jié)論

1)用于人-航天服仿真系統(tǒng)中的人體熱模型的幾何結(jié)構(gòu)應向更加精細的方向發(fā)展，以三維20節(jié)段的構(gòu)型為宜。 三維結(jié)構(gòu)使得模型的應用范圍更廣，20 節(jié)段的劃分形式使得模型在溫度場計算精度與計算復雜度之間獲得平衡。

2)引入生理學、解剖學領(lǐng)域的先進血液循環(huán)系統(tǒng)模型可以精確模擬血管與組織間的換熱過程，改善人體熱調(diào)節(jié)模型的瞬態(tài)響應。

3)低壓失重環(huán)境對人體影響的數(shù)據(jù)較為缺乏，需要進一步開展相應的生理學實驗獲取數(shù)據(jù)來提高人體熱模型在低壓失重環(huán)境下的仿真精度。

4)考慮到個體差異的影響，應為中國航天員建立覆蓋更多人群的個性化生理數(shù)據(jù)庫，經(jīng)過個體參數(shù)優(yōu)化的人體熱模型，預測結(jié)果才能更貼近航天員的實際生理情況。

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大賽的題目都是面對當前的實際問題，結(jié)合最前沿的技術(shù)和主流技術(shù)的發(fā)展趨勢，對軟件進行設計和開發(fā)，學生在實際參賽過程中，會通過各種手段去學習最新最前沿的技術(shù)方法，對問題進行解決，從而進一步提升了學生學習新技術(shù)的能力[4]。

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