我国载人航天医学工程发展历程（我国载人航天医学工程发展历程简述）
高俊峰、高川、战略支援部队特色医学中心、神舟载人航天医疗队
196年4月12日之前，苏联的航空航天工程师加加林首次访问了天空。人类登月梦想经历了47年的辉煌历程，一个接一个地实现了向地球、向月球和建立空间站的历史梦想。中国载人航天在奋力追赶世界先进水平中随着社会经济的发展变化也走过了坎坷而独特的发展历程, 取得了累累硕果, 尤其是20世纪90年代初实施的载人航天工程取得了令世人瞩目的辉煌成就。 航天事业的发展极大地带动与推进了科学技术和学科体系的发展,我国40年的载人航天发展与实践也催生和促进了相关领域新学科和新技术的发展。其中一门综合性新兴学科——航天医学工程学也应运而生,经过40年的发展,形成了一套较为完整,特色鲜明的科学理论体系和工程实践技术,为我国载人航天的突破和发展做出了极其重要的贡献。
航天医学工程学的形成与概念
航天医学工程学基础研究和应用进展
航天医学工程学科伴随中国载人航天事业的发展历程,经历了萌芽、初步形成、发展充实和日趋成熟4个发展阶段。
萌芽航天医学工程学萌发于20世纪50年代末、60年代初,作为中国科学院、中国医学科学院和军事医学科学院相关专业的分支,开启了空间科学探索的旅程。20世纪60年代,成功发射的系列生物探空火箭,将载有大鼠、小鼠、犬、果蝇及微生物菌种的生物舱送上73 km高空,标志着以载人飞行为目标的科学实验开始起步。
初步形成1968年4月航天医学工程研究所成立至20世纪90年代初,从宇宙医学、空间物理学科集中整合,提出按照系统科学的思想,应用系统工程的理论方法,统筹考虑航天员的安全、健康和工作能力,到“曙光”号任务,返回式1型卫星(FSW-1),CBS-1生物搭载舱实践和国家“863”计划航天领域设立的载人航天器环控生保及医学防护技术预先研究,初步形成航天医学工程学科的基本脉络,促进了飞船生命保障系统、航天员特殊环境因素选拔、航天环境医学、工效学等工程应用理论和模拟失重条件下人体生理效应等航天医学基础研究的发展。
发展充实1992年国家载人航天工程的正式启动,以明确的任务需求为牵引,航天医学工程学得以快速发展。国内开展了大量针对工程应用的基础性研究,充实和丰富了航天医学基础理论成果,逐步形成了航天医学工程学科的总体框架。在充分吸收航天医学、空间生命科学、环控生保工程技术的理论知识和工程技术经验的基础上形成了以航天医学、重力生理学、航天环境医学、航天工效学、环境控制与生命保障工程技术(简称环控生保技术)、航天食品工程技术为主要内容的医工结合理论和技术交叉融合的学科体系,突出体现了以航天员为中心的系统论和系统工程的原理。
日趋成熟2003年“神舟”5号的首次载人飞行的实现使这一学科理论基础得到实际工程的有效检验;2005年“神舟”6号多人多天的载人飞行任务的圆满完成,我国航天员首次进入轨道舱开展科学实验,标志着这一学科日趋成熟。进入我国载人航天 “三步走”第二步战略发展阶段后,在系统归纳总结载人航天第一步发展经验的基础上,进一步梳理、整合、凝炼出了航天医学工程学的概念、内涵、特征,学科体系更加丰富完善。
从理论研究到学科问题的研究,从总体上看是航天医学工程
航天医学工程学概念与学科构成航天医学工程学是以载人航天任务为背景,适应载人航天发展需要而形成和建立起来的一门医工结合、多学科交叉集成的综合性应用学科。它以系统论为指导,利用现代科学技术,研究载人航天活动对人体的影响及其特征规律,研制可靠的工程对抗防护措施,设计和创造合理的人机环境,寻求载人航天系统中人(航天员/载荷专家)、机(载人航天器及运载器)和环境(航天环境和飞行器内环境)之间的优化组合,确保航天活动中航天员的安全、健康和高效工作。它既源于航天医学、空间生命科学、环控生保工程等学科基础,又具有鲜明的自身特色——凸现学科间的交叉融合和明确的飞行任务应用背景。其学科构成见图1。
航天医学工程学体系框架航天医学工程学科以人为中心,以实现载人航天任务中航天员的安全、健康和高效工作的需求为目标,在明确的任务驱动牵引下,遵循应用基础研究、应用技术攻关、应用技术工程化实践的发展规律,综合集成生物学、医学、电子学、机械工程等多学科知识、理论和技术,通过医学工程技术的交叉融合,形成了以确保航天员安全、维护航天员健康、提高航天员工作能力为主体的实施体系,构成了交叉、综合具有鲜明系统工程特征的新型学科体系(图2)。
以安全、健康和高效工作为目标牵引的3大体系存在着相互影响、相互支撑的内在联系。确保航天员的安全是保障航天员健康飞行和高效工作的基础,逐步发展的维护航天员健康的医学措施不断对环控生保和航天服的实现又提出新的设计要求,不断增加的任务负荷和飞行周期又会对航天员健康与训练提出了更高的要求。
航天医学工程学的研究进展
航天医学工程学理论基础和技术体系在预先研究的学术成果的积累提炼及工程型号任务的强有力驱动下, 逐步完了成从理论预研到承担型号任务的过渡, 构 成了载人航天工程的重要支撑。
国家载人航天工程一经启动, 航天医学工程学在长期预先研究所获得成果的基础上形成了航天员系统和飞船系统环境控制与生命保障分系统这两个最具载人特色的工程型号系统, 在载人航天型号研制中发挥极其重要的作用。
与此同时,在载人航天实践中,形成发展了航天员选拔训练技术、航天员医监医保技术、环境控制与生命保障系统技术、航天服技术、载人航天环境模拟技术、载人航天生物医学信息技术、航天食品工程技术等工程应用技术,不仅为确保载人航天任务的 圆满完成发挥了重要作用,也从工程应用角度丰富了航天医学工程学的学科体系和内容。
航天医学工程学的发展充分体现了“任务带学科,学科促任务”的指导思想, 本部分将沿着航天医学工程学的基本体系框架,介绍航天医学工程学的研究进展及其对我国载人航天工程的重要贡献。
航天重力生理学与航天细胞分子生物学针对航天飞行中影响航天员健康的医学问题,通过重力生理学、航天细胞分子生物学等航天基础医学的前期预研,构成航天实施医学应用相关防护措施的依据和技术。伴随我国载人航天实践,航天基础医学研究经历了生理现象观察到细胞分子机理探讨,从对抗防护措施理论研究到航天任务实际应用,从地基模拟模型到天基实时实验的三大飞跃。
早在20世纪70年代,在“曙光”号任务中,正式开始了以航天医学问题为目标的航天医学基础研究,主要研究了超重对心血管神经系统的调节作用。随后伴随“863”项目和载人航天工程的正式启动,航天医学基础研究不断系统化、深入化。以大鼠、小鼠和家兔为对象,建立了限动和尾吊动物模型;以心血管、骨骼、免疫、肌肉系统生理变化为重点,进行了大量模拟失重对压力感受器反射功能、肾功能、血管和细胞外液、血液流变性的影响研究。提出了改变失重或模拟失重状态下的血液分布,调整对压力感受器的刺激,可能是预防心血管失调的有效方法。研究了不同悬吊时间对大鼠椎骨骨质和生物力学特性的影响。模拟失重、噪声、辐射等复合环境因素可显著降低小鼠免疫功能。利用7 d、14 d短期卧床实验,观察了卧床前后的立位耐力、压力感受性反射功能、内分泌水平等的改变。在着重研究了模拟失重条件下机体各系统适应变化过程中,发现不同卧床时间中的机体各生理功能的不同反应变化特征,下肢血管顺应性变化是立位耐力下降的重要影响因素等观点。
90年代后期,失重生理效应的研究从早期的现象观察发展为深入的机制探讨。从细胞分子水平开展了航天医学问题发生、发展的机理研究,通过以成骨细胞和心肌细胞为突破口的系统研究,提出重力敏感系统——细胞骨架系统中的分子表达与调控是进行航天医学防护的关注焦点的学术观点。1999年通过国际合作,在PHOTON生物卫星上成功进行了成骨细胞空间飞行实验,验证了中药复方可通过稳定细胞骨架对抗微重力效应的论点。2005年,通过“神舟”6号任务,在国际上率先实现了空间飞行条件下心肌细胞实时研究,首次发现心肌细胞微丝与微管骨架对空间飞行的响应方式和敏感度不同:微管对空间飞行条件更加敏感,发生解聚性变化;而微丝骨架保持了结构与分布的相对完整性,为进一步开展空间心血管功能紊乱的机理与防护对抗措施研究提供了细胞学依据。
在防护措施上,研究了丹参、黄芪、刺五加、川芎、熟地、人参地上甙、西洋参、山楂、杜仲、人参根、银杏叶、生地等中药合剂对尾吊大鼠血粘度、红细胞变形性、纤维蛋白原含量、血细胞压积、红细胞形态、肌肉重量、肌纤维类型和面积的影响,发现中药合剂能有效改善血液流变学变化和肌肉萎缩,提高尾吊大鼠的细胞免疫功能。使大鼠心肌SDH活性减弱,ATP酶活性明显降低,能耗减少。中药具有对抗模拟失重引起的“脾气虚”的效应。探讨了药物、力刺激、磁场、生物工程技术等方法对失重导致的心血管、骨骼、肌肉、免疫功能等系统的防护对抗作用[12,13,14,15,16,17]。
开展了重点针对空间运动病、减压病和立位耐力下降3大医学问题研究,采取了药物、适应性训练与物理预防相结合的综合防护措施。
刚刚完成的我国首次60 d头低位人体卧床实验(“地星”1号),是交会对接任务中的一次综合性大型医学国际合作实验。初步验证了失重生理效应防护措施的有效性,检验空间医学实验的可行性,积累中长期模拟失重导致的人体生理、心理变化特征等基础数据。在交会对接任务阶段,将验证利用运动、人工负荷、药物进行多因素、多途径综合防护,协同对抗的总体构想。形成了针对不同飞行时间、不同任务特点防护对抗措施:在短期飞行中,以补充体液为对抗立位耐力下降主要方法,在中短期飞行中必须增加运动锻炼、力学负荷、力学刺激等对抗防护措施。
伴随理论研究的不断深入,具有我国自主知识产权的医学细胞学天、地基实验技术体系和平台也逐渐得以建立完善,构建了系统设计性强,天、地基配套性好的航天医学细胞学空间实验技术平台,形成了一系列包括人体卧床、大鼠尾吊、动态回转、视动刺激的具有航天医学特点的实验模型和研究方法,研制了拥有国际先进技术和设计理念的微重力效应与超重效应平台,具备模拟航天特殊环境和实时空间飞行条件下进行人体、动物、细胞、分子生物学研究的实验条件和技术力量。建立了具有我国自主知识产权的医学细胞学空间实验技术体系,实现了我国航天医学从地基研究到空间实验的突破。
航天环境医学与航天工效学航天环境医学的主要任务是开展航天环境有害因素(低压缺氧、舱内污染物、高低温、振动、噪声、电离辐射和非电离辐射等)的人体效应及其防护研究,制定环境医学标准,提出舱内环境工程设计的医学要求,开展医学评价。伴随我国载人航天预研、“曙光”号任务、人-机-环境研究、和国家载人航天工程任务的发展与实施,提出制定了飞船工程设计的医学要求的指导思想和原则;建立了载人飞船工程设计的医学要求,提出大气环境、温度、湿度、有害气体、力学环境、冲击、噪声等医学要求的系列国家标准;制定的《飞船乘员舱大气环境控制工程设计的医学要求》成为我国载人飞船工程设计依据。完成了系列“神舟”任务中载人飞船乘员舱环境的医学评价,为后续任务中载人航天器的工程设计奠定了坚实基础。特别是针对首次载人飞行试验的环境医学问题和“神舟”6号飞行任务的新增项目,增加了舱内有害气体、振动和能量物质代谢等评价内容;充实发展了我国载人航天环境医学的理论和医学标准。
充分体现人的因素的航天工效学经历了从重视机器性能到以航天员为中心的动态发展历程。建立了航天员人体尺寸测量数据库、覆盖舱内布局、人工控制、显示照明、报警设计等等内容的工效学评价要求、体系和评价方法,将设计评价、计算机模型评价、主观评价、特性测试评价相结合,并在工程实践中提出工效学评价与工程设计同步、与工程研制并行的先进的设计思想,及时纠正了工程设计中存在的缺陷与隐患,提出了明确的工效学要求,圆满完成了载人飞行器的工效学要求与评价任务,确保了“神舟”5号、6号飞行任务中航天员的高效工作。
航天员选拔训练、航天员心理学与航天实施医学以教育训练学原理为基础的航天员选拔训练技术与理论,以面向应用为目标的航天心理学以及以医学选拔、医监医保为主要研究内容的航天实施医学3个学科方向在学科发展中相互交融,在工作实践中密切配合,紧紧围绕航天员选拔训练和医监医保实施的主线,确保航天员以良好的身体素质、心理素质和专业技能园满完成飞行任务。“神舟”5号、6号任务的圆满完成向世界展示了中国航天员的风貌,标志着我国已成为继俄罗斯和美国之后拥有系统、完善的航天员选拔、训练体系的国家。
我国的航天员选拔训练起步于“曙光”号任务,针对性地开展了航天员的医学和特因选拔、失重飞机选拔、倒立位模拟失重、电动转椅实验等基础工作。1992年载人航天工程项目启动至1997年第一批预备航天员产生,针对航天员的选拔训练方法、标准进行了一系列预先研究,完成了2名航天员教员的选拔和培训。伴随着“神舟”5号的任务准备,形成了适合中国国情的航天员选拔训练体系、标准、程序和方法。坚持多维一体的系统性、循序探索出渐进性原则,遵循知识掌握和技能形成规律,科学统筹安排的指导思想,建立了包括基础理论、体质训练、航天环境适应性训练、心理训练、专业技术训练、飞行程序与任务模拟训练、救生训练及大型联合演练等内容的训练理论和胸背向超重对抗技术、飞行程序与任务模拟训练技术、心理放松与表象训练技术等科学有效的航天员专项训练技术;探索出科学有效的实施模式,确保航天员训练零损伤、零事故。“神舟”6号任务中创建了执行载人航天飞行任务航天员乘组的选拔技术体系,研发了乘组选拔评价的辅助决策支持系统,提出了飞行乘组相容性和协同配合能力的训练方法,有效提升了乘组的工作效能。为“神舟”5号、6号任务训练选拔出优秀出色的飞行乘组,圆满完成了“神舟”5号、6号飞行任务。
航天员医监医保的主要任务是根据不同的任务特点,实施飞行前、中、后和日常工作中的医学监督与医学保障,确保航天员飞行中的健康。并通过航天生物医学工程技术的突破与实现,为飞行航天员健康监测提供装备设施。
航天员医监医保源于军事医学科学院宇宙医学研究所医学保障室。在“曙光”号任务期间,主要任务是保障被试者在实验中的安全,负责航天医学工程研究实验中被试者的日常医监医保。无论从组织结构设置、医护装备配置都相对简单。载人航天工程启动后,特别是“神舟”5号、6号的两次载人飞行,促进了航天员医监医保技术的快速发展和完善,形成了明确的任务目标体系:即通过全面监测、分析、评估航天员个体及群体健康状况,实施医学保障,预防和消除不良因素对航天员健康的影响,维护航天员身心健康;重点强化航天员训练期及航天前、中、后的医学监督与医学保障,使之适应于航天特殊环境因素的训练和航天飞行;建立各类航天员(指令长、飞行工程师)的医学选拔方法和标准,对预备航天员进行医学选拔和航天飞行过程中的医学救援。发展建立了具有中国特色的健康维护体系,提出了“预防性原则、实时性原则及预见性原则”的健康保障原则;将中医药理论、方法与航天医学相结合,创立了特色的航天员个体化诊疗方法,确保了飞行任务中的航天员健康。优化了航天员航天生理功能检查方法,确定了航天员个体生理参数在各种条件下的极值范围,建立了适合中国航天员的航天生理功能评价标准体系,为航天实时医监提供了客观依据。
继“神舟”5号首次“1人1天”载人飞行任务后,又突破了“多人多天”在轨的航天员医学健康保障技术和飞行后航天员健康康复技术。针对短期在轨飞行特点,以恢复体液平衡和重力再适应为重点,对飞行后乘组实施了运动疗法、中药调理、推拿按摩等医学康复治疗;“神舟”6号飞行任务证明飞行乘组心理、生理状态良好,心率稳定,遥测心电正常,体温及血压正常,无医学病症发生,较快地适应了失重状态,医学保障措施科学有效。确保了“多人多天”飞行任务中的航天员健康和及时恢复,对航天员安全高效地执行飞行任务做出了重要贡献。
创造性地将航天医学理论与中医药研究有机结合。以航天员训练、飞行和返回地面不同阶段身体各系统生理适应反应有关资料为依据,对我国航天员、被试者在模拟航天不同时期的机体反应态进行中医辨证分型。发扬中医治未病思想,强调预防为主、寓治于防、强身固本;初步形成了载人航天不同时期中医药防治理论,建立了具有中国特色和自主知识产权的中西医结合的短期飞行航天员健康保障体系。
航天营养与食品工程航天营养与食品工程是确保航天员健康的重要。经过40年的努力,初步形成了以航天营养代谢研究为基础、以航天食品质量与安全管理体系为手段、以船载航天食品研制为目的的具有典型医工结合特色的研究体系。
航天营养研究从20世纪70年代“曙光”号航天计划时起步,研制出我国第一代航天食品,以此在地面进行了大量模拟失重动物实验和人体实验,进行了营养代谢和能量代谢测试,积累了第一手资料,为后续发展奠定了坚实基础。 载人航天工程启动后,在短短的10余年间,形成了航天员地面训练期间、飞行前、飞行中及返回后康复期膳食营养指导与评价体系,完善了航天飞行营养素供给量标准的研究方法,形成了系列标准,为大型地面卧床实验、密闭舱实验及“神舟”5号、6号航天食品的研制提供了科学依据。
航天食品研究随载人航天工程的启动而进入了飞速发展时期,经过从无到有、从单一到复杂、从供给标准到口味丰富的发展历程。突破了短期载人飞行航天食品及包装自主研制的工程技术,建立了航天食品研制技术平台和人才队伍,形成了包括航天食品标准体系、过程控制、分析检测与风险评估方法在内的航天食品质量管理与安全控制体系。
研制出了六大类上百个具有中国饮食文化特色的航天食品,实现了“安全、营养、方便、多样”的目标,保障航天员圆满完成了两次航天飞行任务。
形成了以银离子制备、检测和消毒等成套的航天饮水制备技术。
航天生物医学工程技术航天生物医学工程技术是实施航天员医监医保的重要技术支撑。通过研制的一系列医监装备,确保航天飞行和地面试验中人体生理信息准确提取与及时传输,是医监决策必备的支撑装备。这涉及生物医学传感器技术、生物医学信号测量与处理技术、生物医学信号遥测技术等。从我国第一只上天小狗的心电、呼吸、心率和血压等生理指标的记录,到国家“七五”攻关项目研制的心电电极、呼吸传感器、体温传感器、血压测量传感器,为解决载人航天飞行任务中生物医学传感器技术难题奠定了良好的技术基础。
在“神舟”1~4号无人飞行任务中,突破了飞船拟人载荷技术,解决了失重条件下模拟航天员的耗氧和产热等难题,为环控生保系统的工程设计和研制提供了重要参数。在“神舟”5号、6号任务中又不断攻克了心电、呼吸、体温和血压在轨测量等关键技术,解决了航天员的生理信号监测问题。在生理信号传输中建立了嵌入式心率提取算法,首次采用了双口RAM、FIFO等技术解决了多CPU之间的协调技术难题,研制的医监决策支持系统采用数字滤波、小波分析等数字信号处理技术实现了航天员心电、呼吸信号的智能化处理。在新型电子设备研制中,以DSP技术替代了单片机,成功实现了生理信号放大器的小型化,解决纯氧环境下使用的安全性和信号的无线传输等技术难题。根据中长期航天员在轨飞行健康监测的医学需求,积极开展了连续血压、无创心功能、无创肺功能测量等关键技术研究,为后续任务进行充分的技术储备。
环境控制与生命保障系统技术环境控制与生命保障系统技术是载人航天工程中最具有“载人”特征的关键技术之一,也是载人航天的标志性技术,直接关系到航天员的生命安全。环境控制与生命保障系统依其工作原理分为非再生式、物理化学再生式和受控生态再生式3类。
非再生式环控生保技术是我国载人航天领域开展较早的预研项目,在“曙光”号任务中就开展了飞船环控生保系统的总体设计、供气调压、通风净化、温湿度控制、水管理以及特种航天传感器等关键技术研究。20世纪80年代和90年代初在卫星上进行了部分关键技术的飞行试验验证和研究,其中包括返回式1型卫星密闭舱压力控制系统和生物搭载实验舱等。生物搭载实验舱系统是一个用动物(小白鼠)进行空间飞行试验验证的功能完整的小型环控生保系统,于1990年10月5日~13日经过8 d的轨道飞行后随卫星安全返回地面。飞行过程中实验舱内的大气压力、温湿度、CO2浓度等参数均符合设计指标要求。20世纪90年代以后,在“863”预研项目的支持下,尤其是通过“神舟”1~6号飞船环控生保系统的研制,突破并掌握了座舱供气调压、通风净化、温湿度控制、微重力环境下气液分离和液体管理、测量控制、压力应急状态下生命保障、火烟探测及灭火、航天员在轨生活保障等关键技术,确保了载人飞船密闭舱内适宜的生存环境和必要的生活支持条件,为实现我国载人航天工程从无人飞行试验到载人航天飞行、从“1人1天”飞行到“多人多天”飞行的跨越奠定了基础。根据载人航天计划,开展了关键技术研究并获得突破性进展。
物理化学再生式环控生保技术是发展空间站应用的关键技术。在“863”预研项目的长期支持下,目前已经形成了以空间站应用为目标、以物理化学再生式技术为核心的完整的环控生保系统技术基础和研制体系,建立了模拟空间站密闭舱的再生式环控生保系统技术试验平台,并首次在其中进行了“3人62天”连续的以再生生保技术为主的系统集成试验。试验中再生生保系统提供了3人100% 氧的需要,32%的饮用水和全部的卫生用水。通过试验,验证了物理化学再生式环控生保系统的核心技术、掌握了系统集成技术、系统运行流程及规律,初步获取了指导我国未来空间站环控生保系统设计、研制的若干总体性指标,如功耗、体积、重量、热管理参数、信息交换量等,为空间站环控生保系统的研制奠定了重要的技术基础。
受控生态生命保障系统是实施未来深空探测和月球/火星基地等长期载人航天计划所必不可少的重要系统。世界各航天大国均在该领域投入了大量的人力和物力,竞相开展相关研究。20世纪90年代以来,我国已在受控生态生保系统的概念构型、系统配置、植物筛选培养、藻类培养、废物处理与循环利用等方面开展了大量的基础性研究。研制了受控生态生保技术综合实验系统等大型试验研究设备,筛选出小麦、生菜等若干种受控生态生保系统候选植物,初步摸索了1人对维生素、氧气、饮用水的需求量与植物栽培面积之间的对应关系,下一步将在此基础上开展受控生态生保系统整合试验研究。在进行基础性研究的同时,开展了受控生态生保系统空间搭载验证试验的相关研究工作,先后研制出空间植物栽培装置、空间微生物废物处理装置和空间微藻光生物反应器等地面试验样机,并进行了全面的地基试验验证,为后续天基试验产品的研制奠定了技术基础。
航天服工程航天服是载人航天活动所必需的个人防护和作业保障关键系统。根据功能划分,有舱内航天服和舱外航天服两类系统: 舱内航天服的主要功能是在飞船座舱压力应急时为航天员提供严重缺氧和减压的防护保障;舱外航天服主要功能是为在极端严酷的空间环境下进行出舱作业的航天员提供良好的生存防护和任务必须的工作能力保障。
我国“曙光”号计划中就开始进行用于载人飞行的舱内航天服研制,由于工程项目终止而未能完成。1992年开始根据我国载人航天工程要求,研制用于飞船压力应急使用的舱内航天服系统。我国舱内航天服为一体软式全压服结构,系统具有良好的气密性能,可靠的压力控制和维持能力,良好的操作活动性能和适度的体型适应调节功能,适应人体生理要求的通风供氧分配能力,良好的视觉保障性能。系统能够根据人体在航天座椅中长时间束缚的耐受性要求进行结构形态调节和控制,保证了较长时间压力应急的耐受安全性要求。与航天服配套的通信头戴装置为航天员提供了着服状态下的天地语音通信功能,具有高噪声防护功能和高噪声环境下语音通信性能。舱内航天服技术上达到了国际在用系统的先进水平。
舱外航天服是航天员进入开放的宇宙空间进行作业的关键保障和支持系统。它需要具备良好的空间环境综合防护能力,其关节系统在预定的压力制度下应提供比舱内航天服更好更全面活动性能,具有脱离母船独立工作时的人体热平衡控制、氧气供给和压力调控、服内微大气环境的通风净化等环境控制和生命保障功能,以及在主要系统故障情况下的保障应急供氧能力,保障舱外活动时的遥测通信能力。根据我国载人航天发展规划,在“863”项目的支持下,1998年开始进行出舱活动航天服关键技术研究。在舱内航天服、座舱环控生保研制的技术基础上,跟踪国际上先进舱外服技术发展,先后开展并完成了航天服热防护技术、关节和气密轴承技术、水升华器冷源技术、外层防护材料复合织造技术、舱外服总体方案等关键技术项目研究,取得了多项突破性成果。为我国舱外航天服工程研制奠定了良好的技术基础。
航天环境模拟试验及飞行训练仿真技术航天环境模拟试验技术主要是通过在地面建立模拟空间和飞行动力学环境的设备设施为航天员选拔训练和医学实验及工程产品可靠性试验的独特技术平台和技术保障。在载人航天的实践中,航天员系统通过等效再现原理,环境参数模拟、环境效应模拟、数字仿真模拟等技术,建立了载人航天人工大气环境、空间环境、飞船动力学环境、失重环境等的系列地基模拟技术,研制了乘员舱大气环境模拟设备、载人空间环境模拟设备、载人超重环境模拟设备、中性浮力模拟设备和载人振动与冲击模拟设备等载人航天环境模拟设备,为航天医学工程研究以及相关产品的研制提供了有效的试验保障,对促进航天医学工程研究、提高载人航天器可靠性和确保航天员安全发挥重要作用。
航天飞行训练仿真技术主要是采用实物、半实物和数字方法模拟航天器飞行中所产生的人的视觉、触觉、听觉等感知,为航天员提供载人航天器的设备操作、飞行程序及飞行任务方面的训练。早在“曙光”号任务时期, 结合人机工效研究对飞行训练仿真技术进行了初步摸索,研制了面向人工控制训练的早期模拟器。国家载人航天工程启动以来,航天飞行训练仿真技术作为航天医学工程学的重要分支得以飞速发展。创建了适合中国载人航天实际的航天飞行仿真技术方法、平台和体系,研制了单项任务训练器和模拟“神舟”飞船飞行全过程的固定基全任务飞行训练模拟器,为“神舟”5号、6号任务航天员训练提供了十分重要的设备保障。
航天医学工程学体系方法载人航天是一项巨大复杂的系统工程,航天医学工程学的核心目标是确保航天员飞行中的安全、健康和高效工作。围绕这一目标,在载人航天的实践过程中,建立、发展了学科特色鲜明的航天医学工程学体系方法。
应用系统工程理论,将载人航天系统的可靠性、安全性、可维修性与人的因素有机结合,以满足全系统的进度、功能、接口等要求为目标,进行系统顶层设计,形成了航天医学工程总体技术理论,成为指导任务完成的重要总体技术基础。
人是载人航天的核心,以人为本的设计理念是航天医学工程学的突出特点,一切从航天员的安全、健康和高效工作出发,形成了独特的医工结合体系方法。航天医学需求和目标是开展任务研究与研制的基础,工程技术是保障目标实现的途径和手段。凸显医学与工程结合性,以满足人的医学需求为工程研制目标的医工结合体系方法,在解决载人航天的理论实践问题中发挥了重要作用。
创新性提出医学项目工程化的管理方法并成功应用于60 d人体卧床实验。针对涉及人体的航天医学实验具有周期长、影响因素复杂、测试项目多、相互干扰大、参试人员多等特点,运用系统工程设计思想,借鉴工程化管理经验和方法进行项目策划、组织、实施,提出大型综合医学实验中数据管理与分析共享、实验过程控制要素、医学异常现象跟踪处理方法是工程化控制重点的理念。
航天医学工程学发展展望
国际空间站、重返月球和载人火星登陆已成为国际载人航天的发展路线图的明确站标。根据我国“载人航天三步走计划”我国的载人航天活动也将实现4个过渡,即由短期飞行过渡到中长期飞行,由舱内活动过渡到舱外活动,由近地轨道过渡到深空探测,由地基模拟研究过渡到空间在轨研究。这一切都对航天医学工程提出了新任务和新挑战,围绕保证航天员安全、健康和高效工作,航天医学工程学科的理论研究和工程研制重点也将有所转移。
航天员选拔与训练的主要任务是针对不同的任务目标研究预备航天员选拔策略,乘组搭配及乘组整体效能;制定飞行工程师、载荷专家及女航天员的选拔方法和标准,建立航天员交会对接、空间站选拔训练技术和长期飞行中航天员乘组训练选拔要求。
提高航天员健康管理水平、发展空间急救、(超)远程医学诊疗等在轨飞行疾病诊断与处置技术,充分发挥祖国传统医学优势,建立具有中国特色的航天医学体系是航天实施医学的发展方向。建立发展基于可穿戴技术、生理数据压缩及图像压缩技术的航天员健康监测技术和监测平台,突破长期飞行中航天员健康的全面实时监测,对于保障航天员安全、健康飞行具有举足轻重的作用。
环境控制与生命保障系统的发展水平制约着长期载人航天器的发展速度。发展建设空间站的核心之一是突破物理化学再生式环控生保技术;第3代环控生保技术——受控生态生物生保系统技术则是人类进军深空之前必须掌握的关键技术。特别是电解水制氧装置、CO2净化处理装置、废水处理等理论与技术的突破,将实现通过氧气再生,水再生,食物再生供应和废物回收利用确保在漫长的空间探索旅程中的自给自足。
掌握登月服技术是继舱外航天服之后又一个技术高峰,是登月与月面活动不可缺少的生保系统。需要在适应月球0.16 g重力、月面灰尘污染、昼夜温差大等环境下满足使用要求,具有保护航天员免受微流星损害和紫外线辐射的功能;可活动性、灵活性、工效性能要求更高,能满足航天员在月面科考和实验等任务要求;工作时间、使用寿命、安全可靠性、可维修性要求更高;可在月基维修、更换。
空间骨丢失、辐射效应、免疫功能下降等航天医学问题是影响人类长期在轨飞行的重要制约因素。针对骨形成、骨细胞重力效应、辐射生物计量及其效应等医学问题的研究将是航天医学研究的重点方向。坚持“由研及用”的原则,基于对空间环境导致的基因、细胞、组织、器官及其功能变化机理的本质认识的不断深入,必将获得针对性强的有效对抗防护措施的新突破,为长期飞行和深空探索中航天员的健康飞行提供坚实的技术支撑。
新近空间生命科学研究结果表明,力学因素参与细胞分化发育。“宇宙”1129号生物卫星飞行18.5 d后,骨质中未分化的成骨细胞祖母细胞数量增加,表明失重影响成骨细胞的分化进程。分化过程受空间微重力影响的细胞还包括软骨细胞、骨细胞和造血祖细胞,提示重力因素在生命个体的发生发展中的作用不容忽视。因此空间环境为生命科学研究提供了独特的实验平台,为认识生命现象的本质提供了不同的视角,对于丰富生命科学理论具有积极的促进作用。
随着人类活动的空间疆域不断拓展,与地球迥然不同的太空环境的运行节律对生命系统影响不容忽视,与航天医学工程密切相关的新学科——空间时间生物学,由于其在揭示环境因素引起的生命系统内部生物节律的变化、功能与行为的变化中的独特作用,也将在指导飞行任务周期的设计选择,提高航天员健康保障的有效性和科学设计航天员活动安排中发挥愈来愈重要的作用。
结束语
长期载人飞行和载人登月已成为21世纪世界载人航天发展的热点,也必将是我国载人航天发展的重要目标。毋庸置疑,航天医学工程学在后续载人航天任务实施中必然得到进一步应用、丰富和发展,同时航天医学工程学的发展也将进一步促进载人航天工程未来型号任务的完成和载人航天技术的发展。
