長期飛行載人航天器適居性設計與分析

周前祥

（北京航空航天大學生物與醫學工程學院，北京100083）

1 引言

在載人航天的發展史上，21世紀是一個走向跨越式發展的歷史階段，因為已建立了多個人在太空長期駐留的空間站，登月并將開展載人火星飛行計劃，以實施深空探索或開發。3個月以上時間的長期載人飛行、狹小密閉的空間環境、如何充分利用航天員的能動作用、人機系統優化等將成為世界各國開展載人航天活動時需考慮的主要技術約束或目標，其中，狹小空間的適居性設計更成為了重點關注的問題。

所謂適居性，是指載人航天器艙內環境、人機界面適合長時間條件下乘員工作或休息的程度。即組成航天器的艙內環境、設備及其他因素，能夠保障所有乘員長期的健康居住并高效工作。據報道，美國科學院醫學研究所受NASA委托，組織了一批著名的航天醫學專家對長期載人飛行過程中存在的醫學問題進行研究。結果指出：在人類已有的航天經歷中，有關空間環境因素對人體影響問題的數據資料還不充分，不足以進行深入的研究與分析，所以現有技術還不能保障人在飛往火星或多年在近地軌道空間基地上駐留時的安全與健康[1]。此外，NASA在俄羅斯的“和平號”空間站上的經驗證明，由于長期載人航天飛行時一般為多人參與，艙內環境對人的適合程度至關重要。例如，航天飛機-“和平號”聯合任務時的長期飛行乘員，戴維·沃爾博士認為：“我認識到要把艙內環境或操作的適合人的問題同空間科學試驗中的工作效率截然分開不可能的，因為它們是一體，體現在食物、盥洗以及工作空間的良好布局等方面”[2，3]。

雖然現代載人航天器中的多數工作已實現了自動化，但為了實現任務目標，開展人機系統結構優化是大勢所趨。因為在空間飛行過程中需要的是航天員的大腦而不是其肌肉體，要求他充分發揮出機動靈活、臨場應急等能力。否則，將可能導致乘員長期處于應激狀態。據研究，艙內適居性的好壞對航天員提高工作效率和延長駐留時間起著非常重要的作用，所以，適居性問題是人類開展長期載人飛行時面臨的一個關鍵問題。

2 ISS適居性的概況

1998年11月發射“功能貨艙”這一首個模塊后，國際空間站（ISS）開始了軌道建造。2009年5月，可常駐6人，并且日本的“希望號”實驗艙最后一個模塊露天平臺裝配完畢。整個ISS預計今年竣工，全面投入應用[4，5]。顯然，適居性也是ISS面臨解決的一個重要問題，這是因為：第一，在國際空間站上乘員將進行近3-6個月的長期飛行，已有的短期、天地往返的載人航天器艙內環境設計不能滿足要求；第二，有人駐守時國際空間站上乘員人數多，且來自不同的國家，對于適居性的理解及影響存在國家與文化之間的差異；第三，國際空間站是一個近地軌道的空間基地平臺，它的設計必須滿足人在太空的長期生活和工作的要求[2，6]。

根據美國“天空實驗室”的三次飛行任務的經驗，目前ISS上對適居性關注的主要方向包括睡眠區域的結構設計與評價、腳與身體的限制系統、工作站設計、醫療、工具與測試設備、個人衛生及清潔品的保障、食品供應等，這些相關的數據內容也可以作為分析、研究以及制訂未來長期飛行載人航天器人-機系統標準的依據。

美國曾開展過“ISS實用居住計劃”（圖1）來進行國際空間站建設初期的適居性研究。其目的是建立一系列數據和經驗，并由此得出評價和提高適居性的方法與措施，其主要任務有：收集并解釋與ISS上適居性相關的數據、總結在適居性設計方面取得的經驗教訓、提出改進適居性設計的措施與方法。其中數據采集來自設備/工作站的操作與維護、環境條件（照明、可接受的容積、噪聲與振動）、操作界面的理解方式等。在研究的手段上，主要利用航天飛機-“和平”號聯合飛行作為平臺，采取電子問卷的方式對駐留在“和平”號空間站的7名乘員進行調查，調查的階段分為執行長期飛行任務時的前、中、后三個階段。

圖1 ISS實用居住計劃研究流程

總的來說，根據目前已公開的文獻資料，國際空間站在適居性設計方面需要考慮改進的方面有[4，7，8]：

（1）每名執行長期飛行的航天員應有一個合理的私密空間。空間站的適居性不僅指提供舒適的生活與工作環境，還更要人性化，為航天員提供個人私密的環境。據調查，從國際空間上返回的航天員認為，私密空間十分必要。

（2）配載與適居性之間的優用化關系研究需進一步加強。很明顯，有人參與的長期飛行需要許多消費品和防止意外的安全設備，包括氣體處理設備、食品、水、限制器、微重力對抗設備、廢物收集裝置和科學儀器等。所有這些物品都必須保存在ISS上，因而配載能力的問題顯得突出，需要加強配載與適居性之間的優化關系研究。例如，在俄羅斯的功能貨艙（FGB）中，過量的配載被敞開放置，顯得擁擠，引起人們考慮其對適居性的影響和工作站的使用。會對乘員在ISS上的移動效率不利，增加了移動時間。

（3）合理地改善艙內設備布局。迄今為止，在ISS執行過飛行任務的航天員對其內部總體布局和設備配置的評價是：簡單實用、基本合理。但若在生活區和工作區之間加一隔斷，則可保證休息時不受工作區的干擾，在精神上得到徹底放松。此外，根據在ISS上作短期訪問的俄羅斯航天員的反映，建站初期，生活還不太方便，服務艙內的備餐區和餐桌距廁所較近。

（4）艙內噪聲接近或稍超出合理范圍，需采取抑制措施。根據文獻的報道，國際空間站內實驗艙內的氣體壓力、溫度、濕度、氣體成分、輻射劑量、振動等環境條件，都基本上處于合理的范圍內，符合適居性的要求。只是艙內的噪聲過大，超出設計指標。根據航天員攜帶的聲強計測量結果表明，艙內24h的平均值為72dB，超過規定值55dB～69dB，以致航天員有時需要戴上聽力保護器。若長期處于這種環境，會對人的聽力產生損害。

3 NASA的研究現狀

針對長期航天飛行的技術背景與需求，適居性問題一直是NASA關注的重點。他們認為所謂的適居性是指航天員所處的艙內空間、氣體的壓力組分、溫濕度和噪聲對其工效、健康和工作能力影響的程度，也是長期飛行載人航天器設計的一個關鍵性因素。早在1982年，NASA的艾姆斯航天中心成立了多學科交叉的空間人的因素研究辦公室，兩年后在該辦公室設立適居性研究組，其任務是對空間站和未來更長期的航天任務中適居性問題開展分析與研究。研究組成員來自心理學、生理學、工程設計、建筑學、人因工程及其他有關方面的專家，它面臨的最大挑戰是要確定一種有效的辦法，以保證環境適合于人長期生活與工作，并能客觀地檢驗出這種適合程度。目前，該研究組已編制了空間站內部建筑與設計指南，對航天員操作任務和心理社會因素作用提出解決的技術措施。

進入21世紀后，NASA在Johnson航天中心成立了適居性與環境因素研究部（The habitability and environmental Factors division，HEFD）專門負責如何給航天員提供一個安全與高效的工作環境，并預見本領域的技術發展方向，重點關注的內容包括：人的因素與適居性系統、艙內空間與水的質量、毒理學、微生物學、聲學與輻射健康、航天器以人為中心設計的快速建模及整合分析方法等。該研究部分為兩個分支[9]：

（1）環境因素研究室（Environmental Factors Branch），負責定義、開發與管理長期飛行時的程序、研究項目和相關技術的開發，以保證艙內環境因素合格和乘員的健康與安全。同時，還包括載人航天器飛行前、中、后諸階段的艙內環境的分析、規劃與評價。另外，該研究室正在開展長期飛行艙內環境的高級監測技術的概念設計，以及乘員健康與安全的風險評估等方面的研究。

（2）適居性與人因研究室（Habitability and Human Factor Division），負責確保人的因素，如生理參數、技能、能力限度等在載人航天器的設計與運行過程中得到考慮，并采取針對性的措施。為了支持NASA的載人空間飛行計劃，該團隊也開展了乘員工作站的整合及乘員系統界面分析的研究，建立乘員適居性系統的概念設計方法，確定人-機接口與載人航天器操作的適人性要求。

在取得的研究成果方面，1989年發布的NASASTD-3000《人-系統整合設計標準》可以認為是載人航天器適人性設計要求的雛形。該標準從乘員安全、健康管理、艙內布局、工作站、活動區等方面規定了適合航天員特點的設計要求，1995年進行了再次修訂。基于載人航天技術的發展需要，NASA從2007年開始制訂一套新的人機系統標準，以用于空間站、月球基地和載人火星航天器的適居性設計。于2009年9月25日發布的第一卷，即《NASA航天飛行人-系統標準》：乘員健康，簡稱為 NASA-STD-3001，Volume I，它涉及乘員的醫療救護、營養、睡眠、運動鍛煉等內容，主要關注航天員的個人特性。其第二卷，適居性與安全環境（Habitability and Environmental Health）正在制訂之中，包括食品設備、浴室、工作站布局、乘員姿勢限值、艙內氣體和水質等要求，重點關注的人-系統間的相關作用。在2010年，發布了與NASA-STD-3001配套的《人整合設計手冊》，簡稱為NASA/SP-2010-3407[10]。在將來，NASA-STD-3001 卷II及NASA/Sp-2010-3407將替代NASA-STD-3000。

4 適居性設計的主要內容

根據上述分析，長期飛行載人航天器適居性指艙內生活與工作環境滿足所有乘員健康生活、安全高效工作、成功完成預定飛行任務并使整個人機系統性能達到優化的程度。為此，應該利用航天醫學、航天工效學、系統工程學、生理學、心理學等的理論與方法，從下述方面研究其合理范圍。

（1）活動空間，為了滿足長期載人飛行的需要，理論上，航天員的活動空間越大越好。但由于艙內設備往往占用很大一部分的空間，所以航天員的生活與工作區的有效空間是受限的。在國際空間站建站初期，就在功能貨艙的走廊上掛一個睡袋，權當臥室。第二批航天員進駐后，感到很不舒服。在美國的載人航天活動中，飛行持續時間與人均活動空間如表1和圖3所示[10]。據估算，持續6個月飛行時，單人適居性空間為26.85m3、而持續7d飛行的單人適居性空間則為5.19 m3。

（2）噪聲，對艙內的噪音，國際空間站的艙室噪音限制（睡眠區：≤50dB；工作區：≤60dB）可以沿用。但運行的狀態下，按工作任務區域分類制訂不同限值。

（3）食物與衣服，包括水、食品及日常衣服。為增加載人航天器上適居性與物質保障的效率，可借鑒“哥倫比亞”號事故后航天飛機停飛，美、俄兩國在ISS上實驗艙的物資補給完全依賴為數不多、運輸能力不大的幾艘進步號貨船的經驗，通過優化空間站上的消耗器的需求來進行。站上航天員和設備所需的氣體、水、食物和推進劑等必需品的消耗量在保證安全健康的前提下，通過優化后，得到合理地削減。例如，每人每天的飲用水量保障為3L/d，并采取設計措施來擠干濕衣服和濕毛巾中的水分，以增加回收的水量[4，11]。

（4）觀察與操作的工效學設計，這主要體現在人機系統整合，以獲取最佳效率與系統性能。根據國內外已有的載人飛行數據，主要從艙內工作區布局、工作站以及照明等方面研究其合理的工效數據限值。

（5）衛生休息及娛樂設施，這是提高乘員執行飛行任務的耐心、成功率與快樂感的重要原因。例如，在緊張工作之余讓航天員利用娛樂設施來得到放松，有利于恢復精力，并全身心地投入下一階段的任務中。

表1 NASA載人航天器壓力區容積統計

5 結束語

（1）長期載人飛行是我國航天技術發展的重要方向，按照預先研究先于型號任務8-10年的經驗，目前應著力開展適居性方面的相關研究工作，只有這樣，工程開始的前期才能有數據可供應用，從而確保長期載人航天器的適居性問題得到充分的解決，實現工程目標。在條件允許時，適時開展中國版《人-系統整合設計標準》的研究與編制工作，以保障航天員長期飛行時的身心健康，使之充滿信心、高效地完成飛行任務。

（2）適居性的評價方法也是關注的重點，目前，利用KC-135失重飛機，美國NASA開展了航天飛機的人機界面及適居性設計方面的研究工作。因此，如何設計并進行評價、如何得出科學合理的評價結論也是研究的重點。

（3）在考慮適居性的問題時，應與長期飛行的作息制度相結合，并賦予航天員與地面聯系的自主性。例如，國際空間站上的工作進度完全由計算機管理，航天員完成某項任務后，可通過計算機向地面控制中心發送簡報，從而實現在不打擾航天員的情況下，地面人員全天時地跟蹤了解空間任務執行情況。通過交互，可減輕長期飛行所帶來的孤獨感。 ◇

［1］吳國興.長期載人航天中的醫學工程問題.中國航天，2002（10）：36-39.

［2］強靜譯.Aviation，Space and Environmental Medicine.載人航天信息，2001（9）：7-14.

［3］Jack，M..Habitability systems in a changing space station design.AIAA 93-4193：1-3.

［4］朱毅麟.國際空間站建造十年經驗初探.航天器工程，2010，19（1）：51-59.

［5］Robinson J.，Thomas D..NASA Utilization of the International Space Station and the vision of space exploration.AIAA-2007-139:1-8.

［6］Susan D.，Cynthia M..Habitability and human factors:lessons learned in long duration space flight.AIAA-2004-6021，2004.9：1-11.

［7］Sarah K..The Application of the human engineering modeling and performance laboratory for evaluation of space vehicle ground processing tasks at Kennedy Space center.AIAA-2008-3403，2008：1-7.

［8］Rhatigan J.，and Robinson J..Exploration-related research on ISS:connecting science results to future missions.AIAA-2006-344，2006.1:1-9.

［9］Habitability and Environmental Factors Division.Http://hefd.jsc.nasa.gov.

［10］The human integration handbook（HIDH）.http://ston.jsc.nasa.gov/collections/TRS/_techrep/SP-2010-3407.pdf.

［11］ Zolesi V.，Serafini L..New protocols for the analysis of the performance of the human upper limb on the International Space Station.AIAA-2003-6334.