載人深空探測任務(wù)航天醫(yī)學(xué)工程問題研究

齊 玢，果琳麗，張志賢，李志杰，聞 佳，葉培建

（1. 中國空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094；2. 中國空間技術(shù)研究院，北京 100081）

?

載人深空探測任務(wù)航天醫(yī)學(xué)工程問題研究

齊 玢1，果琳麗1，張志賢1，李志杰1，聞 佳1，葉培建2

（1. 中國空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094；2. 中國空間技術(shù)研究院，北京 100081）

摘要：航天醫(yī)學(xué)工程問題關(guān)系到載人深空探測任務(wù)中的人員生存及健康。文章從人員長期生存的生命保障、變重力生理效應(yīng)及防護(hù)、地外環(huán)境效應(yīng)與防護(hù)、人員生理健康監(jiān)測與維護(hù)、人員心理健康等方面的問題入手，分析了問題產(chǎn)生的原因及解決的必要性，并提出了解決思路，為后續(xù)深入開展相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)提供參考。最后，以載人月球基地任務(wù)為案例，提出了生命保障、變重力防護(hù)、輻射及月塵防護(hù)、生理及心理健康監(jiān)測及維護(hù)等問題的解決方案。

關(guān)鍵詞：載人深空探測；航天醫(yī)學(xué)工程；生命保障；月球基地

0 引言

隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展和太空探索需求的不斷擴(kuò)大，人類的活動將不斷向深空領(lǐng)域拓展。載人深空探測是深空探測的重要方式。自20世紀(jì)60年代起，蘇美兩國就開展了載人深空探測領(lǐng)域的角逐。在進(jìn)入21世紀(jì)后，美國、歐空局、俄羅斯等國家和組織紛紛制定了新的無人/載人深空探測計劃，強(qiáng)調(diào)深空資源的探測、評估、開發(fā)、利用，為人類的可持續(xù)發(fā)展做出積極貢獻(xiàn)[1-2]。盡管完成目標(biāo)的時間、到訪目的地的選擇和順序有所區(qū)別，但各主要航天國家和組織大都把火星作為載人深空探測的長期目的地，而到達(dá)該目的地之前，深空探測活動也將主要集中在分階段、分步驟地探索月球、小行星、拉格朗日點等區(qū)域。

與無人深空探測相比，載人深空探測最大的特點和優(yōu)勢就是人的存在，人的參與賦予了系統(tǒng)智能性和靈活性。但是，人的加入為深空探測任務(wù)帶來了航天醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的新問題。一方面，人類要想在地外空間生存，首先要解決空氣、水、食物等生命保障問題，擺脫對地球補(bǔ)給的依賴；另一方面，長期飛行中，失重、輻射、密閉隔離環(huán)境、晝夜節(jié)律改變等環(huán)境因素對人體產(chǎn)生的不利影響以及飛行中不可避免罹患疾病的風(fēng)險，都嚴(yán)重威脅著航天員的健康和安全[3]。載人深空探測任務(wù)應(yīng)以保證人員生命安全及健康為第一要務(wù)，因此，有必要對任務(wù)中影響人員生存及健康的問題進(jìn)行分析，提出這些問題的解決策略，為后續(xù)開展深入的技術(shù)研究提供參考。

1 人員生存及健康保障問題分析

載人深空探測任務(wù)中，宇宙空間惡劣的環(huán)境因素，如真空、輻射、高低溫、微重力等，會威脅人的生命。另外，隨著探測任務(wù)周期延長，變重力、地外環(huán)境等因素給人員健康帶來的問題顯得尤為突出[4]。因此必須有一套完備的生命保障系統(tǒng)，并采取相應(yīng)的防護(hù)手段對人員的生理及心理健康采取必要的監(jiān)測與維護(hù)，才能保證任務(wù)的成功。

1.1人員長期生存生命保障問題

生命保障問題是載人深空探測任務(wù)區(qū)別于無人任務(wù)的典型問題。人員要在地外天體長期駐留生存，首先要保證空氣、水、食物的持續(xù)供給，以及廢物的有效處理。

人員生命保障問題與任務(wù)特征密切相關(guān)，包括航天計劃的具體要求、任務(wù)時間、離地球距離、乘組人數(shù)等[5]。隨著任務(wù)時間的延長，生命保障系統(tǒng)規(guī)模將大大增加。短期載人航天任務(wù)，人員消耗的資源較少，可以用飛行器攜帶的方式，即非再生式生命保障方式來保證。而對于載人深空探測任務(wù)，資源消耗量大，且飛行距離越來越遠(yuǎn)，難以依靠地球發(fā)射的方式供給，必須采取物質(zhì)再生的方式來解決。

對于長期生存生命保障問題，當(dāng)前廣泛關(guān)注的是如何在密閉的空間中創(chuàng)造生物再生式生命保障系統(tǒng)，其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是利用生物循環(huán)實現(xiàn)空氣和水的凈化、生產(chǎn)食物、處理廢物。在生物生長過程中，需要控制氣壓、氣體成分，溫濕度等大氣環(huán)境，并保持食品生產(chǎn)和廢物處理過程中的生態(tài)平衡，維持系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，解決這些問題是實現(xiàn)載人深空探測任務(wù)中人員長期生存的必要前提。

1.2變重力生理效應(yīng)及防護(hù)問題

在不同的重力環(huán)境下，人體的心血管、骨骼、肌肉、免疫系統(tǒng)等會發(fā)生變化，可能會影響人員的健康、工作能力，影響太空探索任務(wù)的完成[5-6]。長期處在微重力作用下航天員主要生理功能可能發(fā)生的變化如表1所示。

表1　長期微重力作用下航天員主要生理功能變化Table 1 The main physiological change of astronauts under the influence of long-term microgravity

載人深空探測任務(wù)中，人員除了會經(jīng)受往返途中的長期微重力影響外，在月面和火星表面還會受到低重力環(huán)境的影響。在登月飛行和月球居住工作中，人員要經(jīng)歷飛行過程中的微重力和月球表面的低重力（0.16g）的轉(zhuǎn)換。在火星飛行任務(wù)中人員要經(jīng)歷200天失重—0.375g重力環(huán)境—200天失重—1g重力這樣劇烈的重力環(huán)境變化。不同的重力環(huán)境對人體生理效應(yīng)的影響及其防護(hù)措施研究是載人深空探測任務(wù)迫切需要解決的問題之一。

1.3地外環(huán)境效應(yīng)與防護(hù)問題

對于載人深空探測任務(wù)，人員在長期飛行或生存作業(yè)過程中面臨的特殊環(huán)境因素，尤其是空間輻射環(huán)境，會對人體健康造成顯著影響。以月球任務(wù)為例，如不采取屏蔽措施，月球表面的銀河宇宙輻射將達(dá)到每年0.3Sv，太陽風(fēng)將達(dá)到0.4～0.5Sv，太陽粒子事件平均輻射劑量約為每次事件1Sv，且偶爾的大太陽粒子事件將比平均值高得多[7]。輻射對人體的影響主要表現(xiàn)在嚴(yán)重的短期影響和有延遲的長期影響2個方面：短期影響主要發(fā)生在接受輻射后的數(shù)天，甚至更短的時間內(nèi)，主要癥狀表現(xiàn)為惡心、腹瀉、脫發(fā)等；而長期影響一般在受到輻射數(shù)月或數(shù)年后才會顯現(xiàn)，主要包括癌癥、遺傳性疾病等。輻射吸收劑量與身體危害的關(guān)系如表2所示。

表2　輻射吸收劑量與身體危害的關(guān)系Table 2 The relationship between absorbed dose of radiation and its harm to body

另一方面，星塵對人員長期生存作業(yè)造成嚴(yán)重威脅。以月球任務(wù)為例，月塵中含有多種高反應(yīng)活性的粉塵，其中包括大量的可吸入顆粒物（占10%），這些可吸入顆粒物中的粗顆粒、細(xì)顆粒和極細(xì)顆粒分別會對人體的不同部位造成不同程度的影響。研究表明：在低重力條件下，呼吸道對粉塵的凈化作用會下降，在這種條件下極細(xì)的月塵顆粒容易到達(dá)肺葉內(nèi)部，甚至肺泡的深處，從而產(chǎn)生更為嚴(yán)重的危險[7]。此外，月塵中含有可溶性微粒。當(dāng)月塵進(jìn)入體內(nèi)，不溶性微粒被巨噬細(xì)胞、黏液纖毛或淋巴系統(tǒng)清除，而可溶性微粒依然停留在肺間質(zhì)中，其中超細(xì)顆粒在某些情況下能夠轉(zhuǎn)運到大腦，而類似的粒子可能到達(dá)肺的鄰近器官，如肝臟等。

因此，載人深空探測任務(wù)中把空間輻射、星塵等地外環(huán)境效應(yīng)的損傷評估和防護(hù)放在解決人員健康問題的重要位置。

1.4生理健康監(jiān)測與維護(hù)問題

伴隨著飛行時間的延長，失重、輻射、噪聲、振動、晝夜節(jié)律改變等航天環(huán)境對人體不利影響的累積，人員罹患疾病的概率增加。同時，飛行時間延長也使航天器系統(tǒng)故障發(fā)生的概率增加，可能出現(xiàn)有害氣體中毒、低壓缺氧、燒傷等緊急醫(yī)療事件。

飛行實踐表明，盡管參加飛行的航天員均為通過嚴(yán)格選拔的健康人群，且飛行中采用了周密的健康支持保障措施，航天員仍不可避免地出現(xiàn)一些功能性或器質(zhì)性失調(diào)，但嚴(yán)重疾病發(fā)生概率很低。經(jīng)常發(fā)生的疾病主要包括空間適應(yīng)綜合征，便秘、頭痛、背痛、外傷、失眠、疲勞、皮膚感染、上呼吸道感染、無癥狀心律失常、眼部疾病、口腔疾病、尿路感染、腸炎、鼻出血問題等。

因此載人深空探測任務(wù)必須建立相應(yīng)的人員生理健康監(jiān)測與維護(hù)手段，對人員生理系統(tǒng)的功能與狀態(tài)進(jìn)行跟蹤。醫(yī)學(xué)監(jiān)測與維護(hù)應(yīng)覆蓋心血管系統(tǒng)、運動系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)、血液系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)等重要生理系統(tǒng)。必要時，還應(yīng)采取醫(yī)學(xué)手段對人員進(jìn)行診斷和救治，以保證人員生理健康。

1.5心理健康問題

長期飛行中的各種環(huán)境會對人員的心理狀態(tài)產(chǎn)生負(fù)面影響，如：睡眠減少、節(jié)律紊亂、長期覺醒和負(fù)荷工作導(dǎo)致的疲勞將使得航天員工作錯誤增加；團(tuán)隊合作、協(xié)同、交流和社會心理適應(yīng)性不足將導(dǎo)致航天員工作效率下降。同時，不利的行為條件和精神紊亂的風(fēng)險將隨著任務(wù)時間的延長而增加。這些都將直接影響人員的身心健康與工作績效，甚至影響任務(wù)完成。因此，隨著探測任務(wù)飛行周期的延長，心理健康與作業(yè)能力問題越來越被認(rèn)為是影響任務(wù)成敗的重要因素之一[8]。長期飛行中人員心理狀態(tài)的改變是一個連續(xù)變化的過程，它們的發(fā)生、表現(xiàn)形式、狀態(tài)的轉(zhuǎn)化存在著明顯的個體差異。

2 問題解決思路

2.1生物再生式生命保障技術(shù)研究

對于長期生存生命保障問題，當(dāng)前廣泛關(guān)注的是如何在密閉的空間中建造生物再生式生命保障系統(tǒng)。生物再生式生命保障技術(shù)涉及植物、動物、微生物等多學(xué)科交叉與綜合技術(shù)，包含大量的基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)的研究內(nèi)容，也是多種技術(shù)門類并存的復(fù)雜工程系統(tǒng)，需要解決大量關(guān)鍵技術(shù)難題。

2.1.1植物栽培技術(shù)

在空間環(huán)境中長時間保持較高水平的光合作用效率，是提高植物生物量的必要條件。最大限度提高系統(tǒng)中植物的生產(chǎn)力是生物再生式生命保障系統(tǒng)研究的關(guān)鍵，具體包括：1）進(jìn)行空間栽培植物品種的篩選研究；2）進(jìn)行空間栽培條件以及空間環(huán)境對植物光合作用效率影響的研究；3）充分研究植物的光合作用、呼吸作用和蒸騰作用等過程在生物再生式生命保障系統(tǒng)中的活動規(guī)律以及相互作用，實現(xiàn)生物再生式生命保障系統(tǒng)中植物的高物質(zhì)轉(zhuǎn)化效率，達(dá)到最大的栽培目的，并為空間植物的定向培育和基因改造提供依據(jù)。

2.1.2動物飼養(yǎng)技術(shù)

國內(nèi)在生命保障系統(tǒng)動物飼養(yǎng)方面，涉及動物種類較少，研究不夠深入，尤其在動物參與系統(tǒng)整合方面的研究非常缺乏。動物飼養(yǎng)技術(shù)是生物再生式生命保障技術(shù)需要解決的關(guān)鍵問題之一，具體包括：1）變重力、弱磁場和特殊光照周期等條件下動物培養(yǎng)方法及動物的適應(yīng)性反應(yīng)機(jī)制；2）低重力條件下動物的水分、養(yǎng)分供應(yīng)方法；3）動物的生長發(fā)育、生理生化、遺傳變異等特性和規(guī)律研究。

2.1.3廢物處理技術(shù)

由于受到空間狹小、微重力、密閉等因素的影響，地面上廣泛采用的廢物/廢水生物處理技術(shù)不能直接移植于太空，必須對相關(guān)技術(shù)開展深入研究。具體需要突破以下關(guān)鍵技術(shù)：1）密閉環(huán)境中固體廢物高效再生循環(huán)利用技術(shù)；2）密閉環(huán)境中廢水高效再生循環(huán)利用技術(shù)；3）密閉環(huán)境中廢氣高效再生循環(huán)利用技術(shù)。

2.2變重力生理效應(yīng)及防護(hù)技術(shù)研究

2.2.1不同重力水平下生理效應(yīng)研究

針對長期飛行失重生理效應(yīng)及地外行星低重力生理效應(yīng)，需重點開展以下研究：1）從動態(tài)負(fù)荷刺激條件下捕獲各系統(tǒng)長期失重生理效應(yīng)的變化特征，通過動、靜態(tài)生理效應(yīng)研究相結(jié)合，生理學(xué)與體液生化學(xué)研究相結(jié)合，整合生理與系統(tǒng)生物學(xué)機(jī)制研究相結(jié)合，實現(xiàn)變重力生理效應(yīng)研究的多維度融合，揭示不同重力水平下生理效應(yīng)的本質(zhì)規(guī)律；2）開展各生理系統(tǒng)的協(xié)同調(diào)控作用研究；3）開展基于細(xì)胞分子水平的重力適應(yīng)與調(diào)控模式研究，研究微/低重力條件下基因組、蛋白質(zhì)組、代謝組的變化規(guī)律；4）研究個體差異對變重力生理效應(yīng)的影響，形成基于性別、遺傳傾向、年齡等個人特征的生理效應(yīng)記錄。

2.2.2變重力效應(yīng)防護(hù)技術(shù)

目前的變重力效應(yīng)對抗措施旨在消除人體的副反應(yīng)比如骨骼和肌肉的退化或者體位性不適。對于載人深空探測任務(wù)，變重力效應(yīng)防護(hù)技術(shù)還需要從以下方面開展研究：1）制定應(yīng)對多種應(yīng)激環(huán)境的對策，發(fā)展抵御多種風(fēng)險的綜合措施；2）發(fā)展明確有益于人體整體的物理或藥學(xué)、生物學(xué)對抗措施；3）開發(fā)優(yōu)化的整合人體功能的對抗措施程序和方案，考慮個體差異和對抗措施之間相互作用；4）系統(tǒng)研究人體適應(yīng)太空環(huán)境和發(fā)展有效對抗措施的項目；5）建立采用標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議和程序并運用對抗措施開展研究獲取地基和天基實驗結(jié)果的數(shù)據(jù)庫；6）研發(fā)新型有效的對抗失重生理效應(yīng)的防護(hù)措施，設(shè)計新穎的治療方法，以對抗長期生理功能失調(diào)。

2.2.3人工重力生成與評價技術(shù)

通過旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生人工重力是最簡單可行的方法，但旋轉(zhuǎn)速度過快會使人身體不適；旋轉(zhuǎn)速度較慢則飛行器的規(guī)模就要大幅度增加。因此，在規(guī)模受限的飛行器中建立適宜的重力加速度環(huán)境，使之既滿足航天員的生活工作需求，又不會產(chǎn)生明顯的不良影響，是人工重力研究的重要內(nèi)容。根據(jù)國外實驗分析，較小的空間內(nèi)，人工重力在0.167g至0.3g之間較為合適，較大則會導(dǎo)致航天員行走困難和下肢沉重感嚴(yán)重。因此，后續(xù)應(yīng)針對人工重力的效能開展研究，建立評價體系和評價標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合人工重力生成方法，通過大量實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，形成規(guī)范和評估準(zhǔn)則。

2.3地外環(huán)境效應(yīng)與防護(hù)技術(shù)研究

2.3.1輻射生物效應(yīng)與風(fēng)險評估技術(shù)

在人類飛往月球和附近行星前，輻射效應(yīng)及風(fēng)險，特別是重離子輻射及風(fēng)險有待進(jìn)一步研究。具體包括：1）開展輻射生物效應(yīng)及機(jī)制研究，包括動物、組織并具有清楚的生物終端如細(xì)胞動力學(xué)、細(xì)胞失活、轉(zhuǎn)換、調(diào)節(jié)和調(diào)節(jié)效應(yīng)的細(xì)胞培養(yǎng)等，以提供各種輻射的輻射劑量、粒子通量和輻射效應(yīng)信息；2）開展輻射風(fēng)險評估技術(shù)研究，研究輻射品質(zhì)因數(shù)、劑量率以及劑量等與輻射致癌效應(yīng)和非致癌效應(yīng)之間的關(guān)系，建立和完善深空探測人員空間輻射風(fēng)險評估體系。

2.3.2輻射監(jiān)測與防護(hù)技術(shù)

前期研究結(jié)果表明，僅僅依靠質(zhì)量厚度屏蔽的方法，不足以保證深空探測飛行中人員的輻射安全。因此，需要研究適用于載人深空探測的輻射監(jiān)測及主被動空間輻射防護(hù)技術(shù)。具體包括：1）開展空間輻射監(jiān)測技術(shù)研究，研制新型的、小型化、低功耗、可靠性高、標(biāo)定準(zhǔn)確的空間輻射混合場測量設(shè)備；2）開展空間輻射防護(hù)技術(shù)研究，包括空間輻射防護(hù)先進(jìn)材料研究、生物對抗技術(shù)研究，發(fā)展先進(jìn)的等離子體、超導(dǎo)技術(shù)用于空間輻射主動防護(hù)等。

2.3.3行星表面復(fù)合型防/除塵技術(shù)

載人深空探測裝備和任務(wù)非常復(fù)雜，對防/除塵方法的要求較高，受限于單一防/除塵技術(shù)的局限性，不可能在整個探測任務(wù)中只使用單一的防/除塵技術(shù)。從效費比和防/除塵技術(shù)的適用性出發(fā)，特別是載人探測任務(wù)中人的主動性，應(yīng)著重考慮以人員為主導(dǎo)的多種防/除塵技術(shù)的復(fù)合，以達(dá)到最佳的防/除塵效果和效費比。

2.4生理健康監(jiān)測與維護(hù)技術(shù)研究

2.4.1在軌健康監(jiān)測技術(shù)

為了保障人員在長期飛行及駐留過程中的健康，應(yīng)注重在健康監(jiān)測工作中新技術(shù)手段的運用，尤其注重醫(yī)學(xué)監(jiān)督的自動化，以及先進(jìn)的通信技術(shù)、信息技術(shù)、人-機(jī)界面技術(shù)與醫(yī)護(hù)技術(shù)的整合，以提高醫(yī)學(xué)監(jiān)督水平。重點發(fā)展方向包括：1）發(fā)展不間斷檢測生理參數(shù)技術(shù)；2）研制“星型圖”分析系統(tǒng)；3）研制心肺功能綜合診斷系統(tǒng)；4）發(fā)展遙醫(yī)學(xué)技術(shù)[9]。

2.4.2航天醫(yī)學(xué)處置技術(shù)

針對中長期的航天環(huán)境影響，研究航天疾病譜以及疾病的有效療法。利用可靠、可行的手段，對引起的不良生理效應(yīng)采取必要的藥物、運動、飲食、環(huán)境、力、心理、特殊訓(xùn)練等方面的防護(hù)措施。此外，中西醫(yī)結(jié)合和物理方法是中國的特有措施。

2.5心理健康監(jiān)測與維護(hù)技術(shù)研究

基于以往飛行實踐，長期在軌飛行可以導(dǎo)致人員出現(xiàn)行為學(xué)問題和社會心理學(xué)問題[10]，為確保人員健康，需要研制一套覆蓋飛行前、中、后期，考慮程序、環(huán)境、個體、乘組及其家庭、地面支持人員等各影響環(huán)節(jié)的綜合防護(hù)方案，發(fā)展人員心理健康狀態(tài)在軌自測技術(shù)，建立地面支持與在軌自主心理調(diào)節(jié)與治療有機(jī)結(jié)合的長期飛行人員多元化綜合心理保障系統(tǒng)，維持長期飛行心理狀態(tài)健康、穩(wěn)定，提高突發(fā)應(yīng)急事件時的人員心理決策能力。

3 載人月球基地案例分析

根據(jù)各國科學(xué)家們的設(shè)想，月球基地通常是由初級月球基地向中級、高級月球基地發(fā)展[11]。月球基地的建設(shè)過程復(fù)雜，建設(shè)周期通常較長。初級月球基地通常可容納3～6人在基地內(nèi)作短期停留（如3個月）。本文以初級月球基地為例，對其人員生存與健康保障問題的解決方案進(jìn)行分析。

3.1生命保障系統(tǒng)方案

初期載人月球基地生保系統(tǒng)包括一套功能完備的物化再生式環(huán)控生保子系統(tǒng)，輔以小規(guī)模的生物再生生保子系統(tǒng)。物化再生式環(huán)控生保子系統(tǒng)包括以下功能模塊：供氣調(diào)壓，大氣凈化，廢水再生，供水，溫濕度控制，廢物管理，煙火監(jiān)測和滅火，出艙支持，輻射防護(hù)，噪聲控制。生物再生生保子系統(tǒng)則包括微生物生態(tài)單元、藻類生態(tài)單元以及植物生態(tài)單元等。系統(tǒng)方案設(shè)想如圖1所示。

圖1　載人月球基地生命保障系統(tǒng)方案設(shè)想Fig. 1 Scheme of life support system of manned lunar base

物化再生式環(huán)控生保子系統(tǒng)為人員提供適居的大氣環(huán)境、水及其他生保支持。月球基地采用電解水制氧供基地人員使用，采用固態(tài)胺吸附大氣中的CO2，并將其釋放至CO2還原分系統(tǒng)，制取O2再循環(huán)使用。冷凝水和衛(wèi)生用水回收再生后可以分別用作飲用水及循環(huán)利用的衛(wèi)生用水。尿的回收水經(jīng)再生后可用作電解水以及衛(wèi)生用水。

生物再生生保子系統(tǒng)是在物化再生式生保的氧及水再生循環(huán)基礎(chǔ)上，引入碳循環(huán)模塊，可作為去除CO2、制氧及廢物處理的輔助手段，并為人員提供以植物為主的食品。該子系統(tǒng)中，微生物將固體廢物分解為藻類及植物生長所需營養(yǎng)物質(zhì)；藻類及植物吸收從固態(tài)胺釋放的部分CO2，產(chǎn)生O2和食物。

月球基地密封艙內(nèi)通過不同區(qū)域布置煙火傳感器，實現(xiàn)艙內(nèi)火災(zāi)報警功能，同時配置滅火設(shè)備（含滅火濕巾和滅火器）及災(zāi)后氣體凈化罐，滿足支持航天員迅速滅火并恢復(fù)艙內(nèi)環(huán)境的需求。

3.2變重力生理效應(yīng)防護(hù)方案

月球基礎(chǔ)低重力生理效應(yīng)出現(xiàn)在失重飛行階段、由失重進(jìn)入0.16g重力環(huán)境的登陸階段、長期0.16g的低重力駐留階段等全過程。變重力環(huán)境生理效應(yīng)的防護(hù)措施主要有：1）制定科學(xué)的作息制度；2）合理飲食；3）休息與睡眠等適應(yīng)性調(diào)整；4）登陸月球前補(bǔ)充鹽水；5）下肢肌肉鍛煉；6）恢復(fù)性訓(xùn)練；7）中醫(yī)藥防護(hù)措施等[12]。

3.3輻射及月塵環(huán)境防護(hù)方案

月球基地需著重考慮輻射及月塵對人員的損傷。利用月球表面的資源為月球基地提供輻射防護(hù)是最有效也是最經(jīng)濟(jì)的方法之一，使用3D打印技術(shù)建造月球基地本體系統(tǒng)外部主體，從而對月球基地內(nèi)部主體起到一定的防護(hù)作用，如圖2所示。同時，月球基地艙體所用的材料具有一定的輻射防護(hù)能力。

對于月塵的防護(hù)，可在月球基地設(shè)置專門的隔離空間，通過風(fēng)淋、過濾等方式清除月塵，使其避免進(jìn)入密封生活空間；或者通過艙外服外掛的方式，使航天服與密封空間分開，從而從根本上阻斷月塵進(jìn)入密封生活空間的可能性。

圖2　載人月球基地外部防護(hù)Fig. 2 External shield of manned lunar base

3.4生理健康監(jiān)測與維護(hù)方案

月球基地醫(yī)學(xué)監(jiān)測內(nèi)容覆蓋心血管系統(tǒng)、運動系統(tǒng)、骨骼系統(tǒng)，泌尿系統(tǒng)、血液系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)等重要生理系統(tǒng)。對心血管系統(tǒng)監(jiān)測包括心電圖分析、靜息和功能測試期間中央及外周血液動力學(xué)評估、血壓值和呼吸頻率監(jiān)測等。對運動系統(tǒng)監(jiān)測包括測量體重、四肢大小、肌肉條件、人體運動試驗評估等。對骨骼系統(tǒng)的監(jiān)測包括礦物質(zhì)滲透飽和度評價、骨組織區(qū)可視化監(jiān)測等。對代謝系統(tǒng)的監(jiān)測包括尿液排便的生物學(xué)檢測，氮、碳水化合物以及脂類新陳代謝參數(shù)監(jiān)測等。對血液系統(tǒng)的監(jiān)測包括血液指標(biāo)分析、紅細(xì)胞成分分析、血紅蛋白濃度、血凝參數(shù)和抗凝參數(shù)監(jiān)測等。對免疫系統(tǒng)的監(jiān)測包括血液、體液免疫功能測試。

月球基地需開辟相對獨立的空間醫(yī)療中心，由經(jīng)過專業(yè)技術(shù)培訓(xùn)的醫(yī)護(hù)乘員進(jìn)行醫(yī)學(xué)生理維護(hù)，如緊急救護(hù)、疾病診治、外科手術(shù)等。考慮到月球基地是長期的地外空間任務(wù)，為了提升醫(yī)學(xué)生理維護(hù)的可靠性及突發(fā)緊急情況的迅速處理，必須為月球基地提供基于地面支持的遙醫(yī)學(xué)維護(hù)，即借助于地面完備的醫(yī)學(xué)設(shè)備和大量優(yōu)秀的醫(yī)護(hù)專家，實現(xiàn)地月間的遠(yuǎn)程生理監(jiān)測與醫(yī)學(xué)診治。

3.5心理健康監(jiān)測與維護(hù)方案

心理問題的多樣性和原因的復(fù)雜性，使得在月球基地任務(wù)中，地面對基地人員心理監(jiān)測能力非常有限，因此，必須由乘員組醫(yī)生完成基地人員心理健康監(jiān)測與維護(hù)的重任，通過心理診斷和心理調(diào)節(jié)/干預(yù)技巧，控制基地人員的精神狀態(tài)，解決突發(fā)心理失控事件。在特殊情況下，求助地面專家進(jìn)行會診。月球基地應(yīng)為乘員組醫(yī)生提供必需的心理診治設(shè)備，這些設(shè)備的設(shè)計重點是計算機(jī)輔助監(jiān)測，特別是使用語音分析客觀評價基地人員的精神狀態(tài)。通過積極使用高新技術(shù)分析手段，實現(xiàn)心理問題的及時發(fā)現(xiàn)與干預(yù)。

月球基地心理維護(hù)的輔助手段較為多樣，包括廣播、電視等信息傳播，閱讀，音/視頻欣賞，與家人通話或視頻交流，乘組組織游戲、樂器演奏等娛樂休閑活動。

當(dāng)航天員結(jié)束長期月球基地工作任務(wù)返回地球之后，地面必須積極組織其社會心理恢復(fù)工作，使航天員逐漸獲得他們作為社會和家庭成員的心理狀態(tài)，并積極協(xié)助其解決可能出現(xiàn)的婚姻、家庭等棘手的矛盾，緩解他們可能面臨的心理異常。

4 結(jié)束語

人員生存及健康保障是載人深空探測領(lǐng)域的一個突出問題。為保障任務(wù)過程中人員的安全，避免變重力、地外環(huán)境等因素對人員的生命及健康造成威脅，必須解決人員長期生存生命保障、變重力生理效應(yīng)及防護(hù)、地外環(huán)境效應(yīng)與防護(hù)、生理健康監(jiān)測與維護(hù)、心理健康等問題。重點提出以下問題解決思路：

1）開展生物再生式生命保障技術(shù)研究，重點研究植物栽培技術(shù)、動物飼養(yǎng)技術(shù)、廢物處理技術(shù)、生命保障系統(tǒng)集成技術(shù)、密封艙環(huán)境氣體和水的檢測技術(shù)；

2）開展變重力生理效應(yīng)及防護(hù)技術(shù)研究，重點研究不同重力水平下生理效應(yīng)、變重力效應(yīng)防護(hù)技術(shù)、人工重力生成與評價技術(shù)；

3）開展地外環(huán)境效應(yīng)與防護(hù)技術(shù)研究，重點研究輻射生物效應(yīng)與風(fēng)險評估技術(shù)、輻射監(jiān)測與防護(hù)技術(shù)、行星表面復(fù)合型防/除塵技術(shù)；

4）開展生理健康監(jiān)測與維護(hù)技術(shù)研究，重點研究在軌健康監(jiān)測技術(shù)、航天醫(yī)學(xué)處置技術(shù)；

5）開展心理健康監(jiān)測與維護(hù)技術(shù)研究，重點發(fā)展心理健康狀態(tài)在軌自測技術(shù)，建立多元化綜合心理保障系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] 歐陽自遠(yuǎn), 李春來, 鄒永廖, 等. 深空探測進(jìn)展與開展我國深空探測的思考[J]. 國際太空, 2003(2): 2-6

[2] 葉培建, 鄧湘金, 彭兢. 國外深空探測態(tài)勢特點與啟示（上）[J]. 航天器環(huán)境工程, 2008, 25(5): 401-415 Ye Peijian, Deng Xiangjin, Peng Jing. Characteristic and inspiration of foreign deep space exploration posture[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2008, 25(5): 401-415

[3] 白延強(qiáng), 劉朝霞. 長期載人航天飛行醫(yī)學(xué)保障面臨的挑戰(zhàn)[J]. 空軍醫(yī)學(xué)雜志, 2011, 27(1): 12-23 Bai Yanqiang, Liu Zhaoxia. Medical support challenges in long-term manned spaceflight[J]. Medical Journal of Air Force, 2011, 27(1): 12-23

[4] 白延強(qiáng), 吳大蔚. 長期載人航天中的醫(yī)學(xué)挑戰(zhàn)與對策[J]. 航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程, 2008, 21(3): 210-214 Bai Yanqiang, Wu Dawei. Space medical challenges and countermeasures in long-term manned spaceflight[J]. Space Medicine & Medical Engineering, 2008, 21(3), 210-214

[5] Vico L, Collet P, Guignandon A, et al. Effects of long-term microgravity exposure on cancellous and cortical weight-bearing bones of cosmonauts[J]. The Lancet, 2000, 355(9215): 1607-1611

[6] West J B. Historical perspectives: physiology in microgravity[J]. Appl Physiol, 2000, 89: 379-384

[7] 果琳麗, 王平, 朱恩涌, 等. 載人月球基地工程[M].北京: 中國宇航出版社, 2013: 402-403

[8] de La Torre G G, van Baarsen B, Ferlazzo F, et al. Future perspectives on space psychology: recommendations on psychosocial and neurobehavioural aspects of human spaceflight[J]. Acta Astronautica, 2012, 81(2): 587-599

[9] 萬玉民, 李瑩輝, 白延強(qiáng), 等. 國外航天醫(yī)學(xué)研究的回顧與啟示[J]. 載人航天, 2011, 17(5): 7-13 Wan Yumin, Li Yinghui, Bai Yanqiang, et al. Review and inspiration of foreign space medicine research[J]. Manned Spaceflight, 2011, 17(5): 7-13

[10] Ihle E C, Ritsher J B, Kanas N. Positive psychological outcomes of spaceflight: an empirical study[J]. Aviation, Space, and Environmental Medicine, 2006, 77(2): 93-101

[11] Benaroya H. An overview of lunar base structure: past and future[C]∥AIAA Space Architecture Symposium. Houston, 2002: 10-11

[12] 陳金盾, 劉偉波, 姜國華, 等. 載人登月的航天醫(yī)學(xué)工程問題[J]. 載人航天, 2010, 16(3): 44-51 Chen Jindun, Liu Weibo, Jiang Guohua, et al. Issues on space medical-engineering of human lunar exploration mission[J]. Manned Spaceflight, 2010, 16(3): 44-51

（編輯：許京媛）

Issues of space medical-engineering in manned deep space exploration mission

Qi Bin1, Guo Linli1, Zhang Zhixian1, Li Zhijie1, Wen Jia1, Ye Peijian2
(1. Institute of Manned Space System Engineering, China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China; 2. China Academy of Space Technology, Beijing 100081, China)

Abstract:Space medical-engineering is concerned with the prominent issue of human life and health support in manned deep space exploration missions. This paper discusses some space medical-engineering problems, including the long-term life support, the physiological effect and the protection against varying gravity and other effects in the extraterrestrial environment, the inspection and the maintenance of human physiological and psychological health. overall strategies are suggested for solving these problems. A case of the manned lunar base is analyzed, including the effective schemes of the life support, the protection against varying gravity, space radiation and lunar dust, as well as the inspection and the maintenance of the physiological and psychological health.

Key words:manned deep space exploration; space medical-engineering; life support; lunar base

作者簡介：齊 玢（1986—），男，博士學(xué)位，主要從事載人深空探測總體設(shè)計工作。E-mail: qionline@163.com。

基金項目：中國科學(xué)院學(xué)部學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略研究項目

收稿日期：2015-09-02；修回日期：2016-01-22

DOI:10.3969/j.issn.1673-1379.2016.01.004

中圖分類號：R857

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1673-1379(2016)01-0021-07