载人航天医学工程的发展与展望

载人航天医学工程的发展与展望

中国的载人航空航天项目始于1992年。经过10多年的努力，在4项无人飞机试验的基础上，于2003年10月15日成功实施了第一次载人机场飞机，这标志着中国航天工艺的重大进步。它为继续实施中国的后续航空航天发展计划奠定了重要的技术基础。载人航天工程是一项高度复杂的巨大的系统工程。工程总体下属7个大系统,集合了不同领域、不同学科的科学研究和工程技术人员,综合集成了全国各相关研究部门、高等院校、工业部门大量先进的科学技术研究成果,采用大量的新技术、新材料、新工艺和新型元器件,建成了我国完整的载人航天科学技术体系。这个体系的建立在相当意义上代表了我国当代科学技术的综合能力。客观地评价,就载人航天工程而言,在众多的支撑学科中,航天医学工程学科的研究做出了独特而重要的贡献。医监医保和医学鉴定与无人的航天活动(如各种卫星)相比,所谓载人航天,第一要有人,即航天员(包括载荷专家)的参加;第二,要为航天员创造安全可靠的生存环境,保障航天员在飞行全过程中安全、健康、高效地完成任务。航天医学工程学科正是围绕着这两个方面展开相关的研究工作,并在工程的研制中发挥重要的作用。建设综合素质优秀的航天员队伍航天员在载人航天活动中的岗位和作用是不可替代的,他们将在航天的特殊环境条件下完成特殊的任务,因此必须具备特殊的品格和能力,必须具备特别优秀的综合素质。这包括政治思想、身体、心理、专业技能、文化修养等各个方面。从技术层面上看,围绕着航天员队伍的生成和建设,需要一系列研究工作和技术保障工作的支持,主要集中在3个方面:一是航天员的选拔。包括预备航天员的选拔、训练过程中动态的选优、乘员组梯队的确定及参飞航天员乘组的选定等。二是航天员的训练。包括航天基础理论训练、载人航天专业与技能训练、航天任务训练,以及贯穿于训练周期全过程的体能训练、航天特殊环境因素(简称航天特因)条件下生理耐力训练、心理素质训练和政治理论教育、文学艺术修养等。三是航天员的医学监督和医学保障(简称医监医保)。包括建立航天员健康档案,实施选拔过程、训练过程、日常工作生活中的医监医保和医学鉴定,特别是飞行任务前、中、后的医监医保工作。航天员选拔、训练和医监医保工作具有很强的实施性,但它们又是以充分的研究工作成果为基础的。选拔标准(重点是医学选拔标准)、选拔方法的制定,训练方案的制定和训练资源的准备,医监医保和医学鉴定标准、医监医保实施方案的制定,所有这些都是在前期大量研究工作的基础上完成的。尤其是涉及航天特因对于人体的影响及其防护技术研究,更离不开航天医学和空间生命科学深层次的更为基础性的研究支持。此外,实施过程也会不断产生一些需要同步研究的新问题。载人航天器设计的医学工效学要求及评价航天员安全性保障是载人航天工程的首要问题,必须纳入工程的顶层设计。在全系统各技术模块可靠性工作基础上,从飞行全任务剖面分析,针对航天员的安全性采取充分的安全性保障措施和必要的冗余措施,确保航天员的生命安全和操作安全。载人航天器是航天员执行任务的载体,应该体现“以人为本”的设计思想,充分考虑并满足航天员健康、安全、高效的需求。因此,与人紧密相关的医学要求和工效学要求是载人航天器(也包括工程其它与人安全有关的技术系统)的重要设计输入。医学要求,通常就是保障人体安全健康的基本要求,包括座舱大气环境(压力、气体成分、温度、湿度、微量有害物质控制等)、飞行过程动力学因素(振动、加速度、冲击过载)、声环境(稳态噪声、脉动噪声)、辐射环境等要求;工效学要求则更多与人机界面、工作条件、操作安全等相关,包括座舱人机界面的结构布局、人工控制的人机功能分配及界面部件的设计、仪表显示与照明系统设计、报警系统设计等工效学要求。所有这些要求的提出,均是以大量的航天医学和航天工效学研究为基础的。提出设计要求的同时,还要研究并提出相应的医学、工效学评价方法与规范。工程研制部门应将医学、工效学要求作为重要的设计输入纳入设计,在试验中予以验证,并在最终形成产品后通过评价。载人航天器环境控制/生命保障系统和乘员支持系统研制环境控制/生命保障系统(简称环控生保系统)是载人航天器最具载人航天特征的一个重要系统,直接关系到航天员生命安全,是突破载人航天的技术关键之一。环控生保系统将在载人航天器射前待命、上升段、轨道飞行、返回及着陆等待回收的各个阶段,为航天员创造合适的舱内生存环境条件,并提供生命活动的支持。从大的方面划分,环控生保系统包括‘座舱环境控制’和‘航天员生命保障’两大部分功能。前者实现座舱大气压力控制、气体成分控制(包括有害气体去除)、大气温度和湿度控制以及座舱的防火、防噪声和防辐射问题。后者则是为航天员提供各种生活支持设施,解决空间飞行条件下,特别是在轨运行的微重力条件下航天员进食、饮水和处理个人卫生所遇到的特殊困难,保证人的正常生活。乘员支持系统一定意义上是航天员生命保障系统功能的扩展,将为航天员飞行活动提供航天服(含通信头戴、生理测试背心)、舱内工作服、舱载医监设备、医保设施和航天药箱,航天员飞行文件、飞行工作用品、个人生活用品、航天食品、饮用水、个人救生用品等。其中,航天服是航天员重要的个人装备,在技术体系上也是环控生保系统的重要功能模块,与环控生保系统的航天服循环分系统协同,保障座舱压力应急等工况下航天员的生命安全。空间站一类大型载人航天器上设置了所谓的“居住系统”,就其属性而言,居住系统仍属于环控生保和乘员支持系统的功能范畴,只是规模的扩展和技术的延伸。其他配套的研究工作配套于上述直接进入载人航天器设计或直接参与航天飞行的技术项目或工作任务,航天医学工程学科还开展了以下研究和研制工作:1)用于航天医学研究、航天特因条件下航天员生理功能选拔和航天特因耐力训练的各特种装备的研制;2)用于飞船环控生保系统和乘员支持系统研究和试验验证的各种模拟试验设备的研制;3)用于航天员任务训练的各种模拟训练器研制;4)用于航天医学研究和实施航天员医监医保的各种生物医学测量技术的研究和设备研制;5)载人航天和航天医学工程情报信息研究。这样,就形成了以载人航天工程中航天员和航天员安全与生活保障两大特色任务为背景的,包括航天医学工程总体研究、航天环境医学研究、航天重力生理研究、航天分子生物学研究、航天工效学研究、航天员选拔训练技术研究、航天实施医学研究、航天环境控制与生命保障技术研究、航天服技术研究、航天医用电子技术研究、航天食品研究、航天环境模拟试验技术和设备研究、航天模拟训练器技术研究、航天医学工程情报信息研究以及通用保障技术研究在内的医工结合、多学科综合集成的航天医学工程学科体系。也正是以这样的任务定位和学科优势,航天医学工程学科为突破我国载人航天技术发挥了应有的作用。增加在一定、上下工夫的地区载人航天工程不仅是跨学科的高度复杂的系统工程,也是一项时间跨度很大,需要多少代人努力奋斗的不断滚动发展的事业。为此,我国载人航天计划制定之初就做出了“三步走”的发展规划:第一步,以载人飞船起步,突破载人航天技术,形成初步的载人航天技术体系;第二步,突破出舱活动和交会对接技术,建立空间实验室,形成一定规模的空间科学实验和空间应用能力,并为空间站建设积累经验;第三步,建造较大规模,长期有人照料的空间站。“三步走”发展规划,既借鉴了国外载人航天发展的经验,又充分考虑了中国的国情,技术路线上也完全符合循序渐进的原则。在完成载人飞船飞行试验,证明我国载人航天技术初步突破的基础上着手第二阶段任务,有3个目标是明确的:1)突破航天员出舱活动技术,验证航天员的舱外作业能力;2)突破飞船与空间目标飞行器(或空间实验室)的交会对接技术;3)建立一定规模的空间实验室。至于未来的空间站建设,除了规模扩大,应用载荷能力大幅提升外,重点需要生成和完善的将是有人值守的空间站长期运行的支持、保障和管理技术。任务带学科,学科的发展保障任务的完成,又为任务的延伸与发展提供了基础和条件。我国的航天医学工程学科是在上世纪六、七十年代国家相关航空任务和前期载人航天计划及其关键技术预先研究任务带动下形成的初步基础,又在完成载人航天工程第一阶段任务中得到了迅速发展。面对工程的后续任务和目标,航天医学工程学科的研究方向应该是明确的。任务背景不变,仍然是航天员和航天员的安全与生活保障两大部分,但研究的重点应当聚焦在后续任务的目标上。航空航天工程专业的研究方向和重点加强运营管理的训练,提高运营质量从后续载人航天任务的需求出发,航天员除了掌握第一阶段要求的所有训练内容,具备执行“神舟”飞船飞行任务的能力外,还将具备以下能力:1)作为天地往返工具的载人运输飞船的操作控制;2)飞船与空间目标飞行器交会对接的操作控制;3)实施出舱活动,完成规定的舱外作业;4)实施对于空间实验室的工作访问,完成在轨期间对于空间实验室的操作、控制和必要的维护、补给工作;5)完成对于空间实验室需要有人照料的载荷实验的操作管理。为此,面对第二阶段任务,航天员的训练应突出如下重点:1)与交会对接、出舱活动、有效载荷实验及应用相关的专业理论和技术技能的训练;2)载人运输飞船和空间实验室的操作控制,尤其是手动控制、故障诊断与排除、在轨维护补给等能力的训练;3)交会对接,尤其是近距离靠拢、绕飞、入坞、对接、对接后状态检查、访问及组合飞行期间管理、分离准备、分离、脱离并进入返回程序等操作控制技术训练;4)出舱活动,包括舱外活动航天服的使用及在线维护、“吸氧排氮”实施、气闸舱设备操作、气闸舱门启闭及在线检漏、舱外作业及工具使用、舱外活动中的通讯、微重力条件下人的体位活动规律的认识和把握等;5)有效载荷实验和应用项目的在轨操作。载人航天的任务周期和航天员选拔训练周期都有一定的时间跨度,这是航天员队伍建设必须考虑的因素。要在充分分析载人航天后续任务对于航天员要求的基础上,对航天员队伍未来若干年的发展趋势做出评估,对航天员队伍数量、专业、任务分工、年龄梯次、性别等综合构成做出科学的规划,并制定相应的选拔、训练的长期工作目标,根据任务的发展,适时研究载荷专家和女性航天员的相关问题。医学、工效学要求与评价载人航天工程系统是一个典型的人-机-环境系统。系统中人—航天员,机—运载火箭、载人航天器、测控网、发射回收设施等,环境—航天器的外部环境和载人航天器内部的人工控制环境,构成了系统的三要素。针对后续任务,特别是中长期载人飞行的特点和需求,进行人、机、环境的整合设计,提出相关的总体性要求和工程设计的医学、工效学要求,分析三者之间的界面关系及其物质、能量、信息的交换,合理分配界面功能和接口参数,寻求三者的最佳协配以达到系统总体性能的优化,保证系统中人的安全、健康和高效工作,医学、工效学要求与评价在载人航天工程第一阶段任务运行中发挥了重要作用。对于完善工程系统功能和品质,保障航天员生命安全、操作安全做出了贡献。但这方面工作也存在某些不足,面对工程后续任务,医学、工效学要求与评价工作一要强调进入顶层设计,二要有一定的超前性,使之从设计顶层和设计之初就成为必要的设计输入条件,并在研制过程中进行滚动的评价与调整。医学要求与评价,在一期工程的基础上将主要考虑长期飞行载人航天器座舱环境和航天员出舱活动两个方面。重点是:1)舱内有害气体和微量有害物质控制要求;2)舱内噪声控制要求;3)舱内大气温、湿度控制和航天员手控调节能力要求;4)舱内辐射防护要求;5)航天员睡眠区小环境控制要求;6)舱外活动航天服设计的医学要求(压力制度、气体成份、温度、湿度、通风、光和空间辐射防护、静电防护、医学测量等);7)气闸舱压力制度和泄压、复压速率控制要求;8)航天减压病的预防与航天员出舱前吸氧排氮要求。工效学要求与评价,在一期基础上重点放在空间实验室/空间站座舱人机界面设计和出舱活动、交会对接任务方面,包括:1)舱载设备、载荷项目和舱内布局的人机界面工效学要求,尤其是可操作性、可维修性要求;2)交会对接的手动控制要求;3)对接机构布局、对接的舱门操作和访问通道设计的工效学要求;4)舱外活动航天服设计的工效学要求(穿脱性能、穿着舒适度、关节活动度、面窗视场、手控操作能力、通话性能等);5)气闸舱专项设备操作界面、舱门设计,舱内外专用扶手设计、进出和舱外作业的定位安全性等;6)舱外作业专用工具设计的工效学要求。长期飞行维护员工的社会监督航天员的医学监督、医学保障和医学鉴定属航天实施医学范畴,包括日常生活、训练和任务医监医保三部分。在一期工程建立起来的医监医保工作制度的基础上,后续任务的重点将是航天员飞行任务的医监医保:1)长期飞行乘员组飞行作息制度的研究、验证与实施;2)长期飞行乘员组的医监医保制度的制定与实施;3)长期飞行乘员组医保用品,健身设备及在线医监设备的配置与新设备研制;4)航天员出舱活动前、中、后的医学监督与保障。面对中、长期载人飞行的航天医学问题,特别是失重、空间辐射和封闭隔绝等环境因素的累积效应和复合效应对于人体生理、心理的影响及防护措施等涉及航天基础医学和航天环境医学的研究,是后续载人航天任务医学研究的重点。在地面实验室条件下,从人的整体、器官、组织、细胞、分子到基因等宏观微观的不同层面,进行综合-分解、分解-综合的迭代研究。在此基础上逐步创造条件过渡到空间飞行条件下的实验研究。通过机理研究,制订中长期飞行的环境医学标准,完善飞行医监医保方案和防护措施,研制适应于长期飞行的舱载医监仪器和医保设备,为建立中长期飞行的综合防护体系的建立奠定基础。环控生保技术:生物处理水从根本上再生?载人航天器环境控制与生命保障系统按其再生循环利用能力可分为3类。第一类为非再生系统,适用于短期飞行的航天器,航天员所需的氧气、水以及实施控制所需的消耗性物质都由地面携带或运送,所有废弃物也不再生利用;第二类为物理化学再生式系统,实现氧气和水的再生利用,适用于中长期飞行的航天器;第三类为受控生态生保系统,引入生态平衡概念和经过优选的生物部件,参与水、氧气和食物的循环再生利用,适用于永久性空间站或月球、火星基地计划。“神舟”飞船环控生保系统属第一类,其中相当一部分技术也可应用于未来的空间实验室和空间站。面对中长期有人照料的空间站计划,为减少地面补给,即减少等效发射重量,节省运行成本,必须发展物理化学再生式环控生保技术,重点解决氧气和水的循环再生利用。氧气的再生人体代谢呼出的CO2,经收集浓缩后进行还原反应生成水,水电解后产生氧气和氢气,氧气重复供人体呼吸使用。这就构成了氧的再生循环回路。水的再生处理更为复杂,包括冷凝水、卫生用水和生理废水(尿)3部分。冷凝水处理人体呼吸排出的水蒸气和体表出汗或蒸腾生成的水蒸气进入座舱大气,通过座舱温湿度控制系统的降温除湿组件使水蒸气冷凝为水,并有效地实现了微重力条件下冷凝水的分离和收集。冷凝水是一种相对干净的废水,采用过滤和离子交换技术进行净化处理,采取灭菌与保鲜措施并加入人体所需的微量元素,生成符合卫生学标准的饮用水,重新供人饮用。卫生用水的处理处理个人卫生时产生的废水含有较多的杂质,通常采用多级过滤装置去除其中如皮屑、毛发一类固态杂质,在一定温度条件下进行灭菌处理后进入去离子床去除水中的离子和洗涤剂类的化学物质,同时加碘杀灭细菌。处理后的水一般仍作为卫生用水重复使用。生理废水的处理生理废水主要是尿,人均日产尿量约1.5～1.6L。尿的处理最为复杂,通常采用膜技术和相变技术相结合的方法。收集到的尿液经预处理后加热到一定温度,然后在低压环境下进行低压渗透蒸发,渗透蒸发后生成的蒸汽经冷凝后成为尿液再生水。再生水经过相应的后处理,从技术上讲可以满足饮用水的卫生学标准,可重复饮用。但考虑到心理学上的因素,在氧和水再生循环回路的系统设计上对技术路线加以调整,将尿液再生水经适当后处理后用于电解制氧,而将上述的CO2反应生成的水(这是一种化学产水)经后处理后用于饮用。环控生保的保障特点1)关键功能部件的研制。包括固态胺CO2收集浓缩装置、Sabatier加氢甲烷化反应的CO2还原反应装置、固体聚合物电解池(SPE)式水电解制氧装置、中空纤维膜与相变技术组合的尿处理装置、多级过滤与去离子技术组合的冷凝水/卫生水净化装置、高效的静态/动态水气分离器等。针对长期飞行的特点,要特别注重产品的小型化、轻量化、高可靠性和在线可维修性设计。2)系统集成技术研究。再生式环控生保系统是一个长期运行的多功能、多界面的复杂系统,系统的顶层设计和系统集成中应考虑如下因素:a.根据系统的功能分配、总体布局要求和长期在轨运行的特点,突出系统模块化设计和良好的可维修性设计;b.为了适应人的代谢水平随生活节律和工作负荷变化而出现的较大波动,系统应具有一定的自适应性。c.为实现环境控制和生命保障的全部功能,系统技术构成上,除了氧和水的再生外,还必须集成座舱供气调压、通风净化、温湿度控制、测量控制、烟火检测与灭火、废物收集、供食供水保障等相关技术。考虑长期飞行的因素,要加强座舱微量有害物质的监测和去除能力。从环控生保技术的长远发展看,还应该为未来受控生态生保技术的加入留有一定的接口。d.确定飞行运行周期、乘组规模以及各种设计约束条件后,对系统的物质流、信息流和能量流进行充分的研究和分析计算,在此基础上进行系统的配置设计、接口设计和界面参数的计算与分配。3)系统的综合集成演示验证。以密闭的模拟试验舱为平台,建立以物理化学再生技术为核心的再生式环控生保技术地面综合集成演示验证系统,进行有模拟乘员组参加的长时间(不少于60d)的连续试验,对系统功能、性能指标、人机功能分配、界面关系、医学工效学要求、长期运行可靠性、安全性、在线可维修性等进行考核与评价,验证系统物质流、信息流、能量流设计计算的正确性,为系统的工程化研制提供技术依据。环控生保系统的保障对象是航天员,系统的综合演示验证又是以未来长期载人飞行任务为背景的人机联试的大型试验地面模拟试验,因此在系统研制和地面试验的全过程中必然融入航天医学和航天工效学的研究内容。包括系统设计的输入条件(尤其是与航天员健康、安全和高效工作相关的医学、工效学设计要求)的确定,产品与系统品质的动态医学、工效学评价,集成演示验证试验的医学、工效学支持和受试人员的医学保障等。同时也包括了与系统试验,更与未来空间实验室、空间站长期载人飞行任务相关的的乘员作息制度研究、医监医保制度研究、舱载医监设备研制、长期密闭舱室微量污染物生物效应和检测控制技术研究、长期密闭的狭小环境条件下乘员的工效学研究、心理学及心理支持方法研究等等。舱外活动航天服载人航天器安全运行、航天员出舱活动和航天器交会对接,并列为载人航天近地轨道活动的三大技术,是建立空间实验室/空间站的重要前提。出舱活动和交会对接技术都需要航天员的直接参与,因此,除了前面已经提到的与之相关的航天医学和工效学的研究内容外,还有一些直接保障航天员生命安全和操作安全的关键技术及关键设备研究和研制。出舱活动相关技术航天员出舱活动一般包括3方面的任务:航天器在轨故障排除与维护保养,有效载荷的布放、回收和在轨照料,大型空间站和空间设施的在轨安装、构建。完成这些任务都需要航天员穿着舱外航天服,离开母体航天器进入太空。因此,突破出舱活动技术的重点是舱外航天服的研制和进出航天器使用的气闸舱的建立。舱外航天服一定意义上是舱内航天服技术的延伸,但它被要求在脱离母体飞行器的情况下保障航天员的安全,同时又能完成必要的操作任务,所以功能上相当于一个具有环控生保功能的小型航天器,技术远比舱内航天服复杂,安全可靠性要求极高。舱外活动航天服包括3个主要技术模块:1)航天服本体舱外航天服必须按气密和绝热要求设计;构形符合人体工程学要求,内部留有适当空间,以便建立满足航天员生存需要的小环境;以高强度轻型合金为材料的硬式结构件为主,主要活动肢体段采用具有良好气密性的活动关节连接;外层包覆特种多功能复合材料,高强度、绝热、防空间辐射和光辐射、防原子氧、防静电,局部特殊设计的部位还可起到通信天线的作用;面窗应具有良好的防雾、防空间辐射和防光辐射的能力。2)便携式环控生保系统创造航天服内部的生存环境,提供航天员呼吸用氧,去除二氧化碳和水汽,控制内部压力、温度、湿度,保持良好通风,排除废热。便携式环控生保系统在方案原理和技术上可充分借鉴飞船座舱环控生保技术,但要着重解决小型化、轻量化和高可靠性问题。重点研制水升华原理的高效冷源,实现服装内的降温除湿。3)测量通信系统包括航天服内的环境参数测量、便携式环控生保系统的重要性能参数测量与控制,以及反映航天员健康状态的生理参数测量;以无线方式实现与航天器的数据通信及航天员的通话,并通过航天器实现与地面的通信。气闸舱主体技术属于航天器总体,但以下技术必须由航天器座舱环控生保