載人深空探測任務航天醫學工程問題研究

齊 玢，果琳麗，張志賢，李志杰，聞 佳，葉培建

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

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載人深空探測任務航天醫學工程問題研究

齊 玢1，果琳麗1，張志賢1，李志杰1，聞 佳1，葉培建2

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

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

關鍵詞：載人深空探測；航天醫學工程；生命保障；月球基地

0 引言

隨著航天技術的不斷發展和太空探索需求的不斷擴大，人類的活動將不斷向深空領域拓展。載人深空探測是深空探測的重要方式。自20世紀60年代起，蘇美兩國就開展了載人深空探測領域的角逐。在進入21世紀后，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，強調深空資源的探測、評估、開發、利用，為人類的可持續發展做出積極貢獻[1-2]。盡管完成目標的時間、到訪目的地的選擇和順序有所區別，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、拉格朗日點等區域。

與無人深空探測相比，載人深空探測最大的特點和優勢就是人的存在，人的參與賦予了系統智能性和靈活性。但是，人的加入為深空探測任務帶來了航天醫學領域的新問題。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，擺脫對地球補給的依賴；另一方面，長期飛行中，失重、輻射、密閉隔離環境、晝夜節律改變等環境因素對人體產生的不利影響以及飛行中不可避免罹患疾病的風險，都嚴重威脅著航天員的健康和安全[3]。載人深空探測任務應以保證人員生命安全及健康為第一要務，因此，有必要對任務中影響人員生存及健康的問題進行分析，提出這些問題的解決策略，為后續開展深入的技術研究提供參考。

1 人員生存及健康保障問題分析

載人深空探測任務中，宇宙空間惡劣的環境因素，如真空、輻射、高低溫、微重力等，會威脅人的生命。另外，隨著探測任務周期延長，變重力、地外環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，并采取相應的防護手段對人員的生理及心理健康采取必要的監測與維護，才能保證任務的成功。

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區別于無人任務的典型問題。人員要在地外天體長期駐留生存，首先要保證空氣、水、食物的持續供給，以及廢物的有效處理。

人員生命保障問題與任務特征密切相關，包括航天計劃的具體要求、任務時間、離地球距離、乘組人數等[5]。隨著任務時間的延長，生命保障系統規模將大大增加。短期載人航天任務，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，資源消耗量大，且飛行距離越來越遠，難以依靠地球發射的方式供給，必須采取物質再生的方式來解決。

對于長期生存生命保障問題，當前廣泛關注的是如何在密閉的空間中創造生物再生式生命保障系統，其中的關鍵環節是利用生物循環實現空氣和水的凈化、生產食物、處理廢物。在生物生長過程中，需要控制氣壓、氣體成分，溫濕度等大氣環境，并保持食品生產和廢物處理過程中的生態平衡，維持系統運行的穩定性，解決這些問題是實現載人深空探測任務中人員長期生存的必要前提。

1.2變重力生理效應及防護問題

在不同的重力環境下，人體的心血管、骨骼、肌肉、免疫系統等會發生變化，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

載人深空探測任務中，人員除了會經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境的影響。在登月飛行和月球居住工作中，人員要經歷飛行過程中的微重力和月球表面的低重力（0.16g）的轉換。在火星飛行任務中人員要經歷200天失重—0.375g重力環境—200天失重—1g重力這樣劇烈的重力環境變化。不同的重力環境對人體生理效應的影響及其防護措施研究是載人深空探測任務迫切需要解決的問題之一。

1.3地外環境效應與防護問題

對于載人深空探測任務，人員在長期飛行或生存作業過程中面臨的特殊環境因素，尤其是空間輻射環境，會對人體健康造成顯著影響。以月球任務為例，如不采取屏蔽措施，月球表面的銀河宇宙輻射將達到每年0.3Sv，太陽風將達到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在嚴重的短期影響和有延遲的長期影響2個方面：短期影響主要發生在接受輻射后的數天，甚至更短的時間內，主要癥狀表現為惡心、腹瀉、脫發等；而長期影響一般在受到輻射數月或數年后才會顯現，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系如表2所示。

表2　輻射吸收劑量與身體危害的關系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造成嚴重威脅。以月球任務為例，月塵中含有多種高反應活性的粉塵，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、細顆粒和極細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，在這種條件下極細的月塵顆粒容易到達肺葉內部，甚至肺泡的深處，從而產生更為嚴重的危險[7]。此外，月塵中含有可溶性微粒。當月塵進入體內，不溶性微粒被巨噬細胞、黏液纖毛或淋巴系統清除，而可溶性微粒依然停留在肺間質中，其中超細顆粒在某些情況下能夠轉運到大腦，而類似的粒子可能到達肺的鄰近器官，如肝臟等。

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

1.4生理健康監測與維護問題

伴隨著飛行時間的延長，失重、輻射、噪聲、振動、晝夜節律改變等航天環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故障發生的概率增加，可能出現有害氣體中毒、低壓缺氧、燒傷等緊急醫療事件。

飛行實踐表明，盡管參加飛行的航天員均為通過嚴格選拔的健康人群，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一些功能性或器質性失調，但嚴重疾病發生概率很低。經常發生的疾病主要包括空間適應綜合征，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必須建立相應的人員生理健康監測與維護手段，對人員生理系統的功能與狀態進行跟蹤。醫學監測與維護應覆蓋心血管系統、運動系統、泌尿系統、血液系統和免疫系統等重要生理系統。必要時，還應采取醫學手段對人員進行診斷和救治，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境會對人員的心理狀態產生負面影響，如：睡眠減少、節律紊亂、長期覺醒和負荷工作導致的疲勞將使得航天員工作錯誤增加；團隊合作、協同、交流和社會心理適應性不足將導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險將隨著任務時間的延長而增加。這些都將直接影響人員的身心健康與工作績效，甚至影響任務完成。因此，隨著探測任務飛行周期的延長，心理健康與作業能力問題越來越被認為是影響任務成敗的重要因素之一[8]。長期飛行中人員心理狀態的改變是一個連續變化的過程，它們的發生、表現形式、狀態的轉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研究

對于長期生存生命保障問題，當前廣泛關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。生物再生式生命保障技術涉及植物、動物、微生物等多學科交叉與綜合技術，包含大量的基礎和應用基礎的研究內容，也是多種技術門類并存的復雜工程系統，需要解決大量關鍵技術難題。

2.1.1植物栽培技術

在空間環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。最大限度提高系統中植物的生產力是生物再生式生命保障系統研究的關鍵，具體包括：1）進行空間栽培植物品種的篩選研究；2）進行空間栽培條件以及空間環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中的活動規律以及相互作用，實現生物再生式生命保障系統中植物的高物質轉化效率，達到最大的栽培目的，并為空間植物的定向培育和基因改造提供依據。

2.1.2動物飼養技術

國內在生命保障系統動物飼養方面，涉及動物種類較少，研究不夠深入，尤其在動物參與系統整合方面的研究非常缺乏。動物飼養技術是生物再生式生命保障技術需要解決的關鍵問題之一，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方法及動物的適應性反應機制；2）低重力條件下動物的水分、養分供應方法；3）動物的生長發育、生理生化、遺傳變異等特性和規律研究。

2.1.3廢物處理技術

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/廢水生物處理技術不能直接移植于太空，必須對相關技術開展深入研究。具體需要突破以下關鍵技術：1）密閉環境中固體廢物高效再生循環利用技術；2）密閉環境中廢水高效再生循環利用技術；3）密閉環境中廢氣高效再生循環利用技術。

2.2變重力生理效應及防護技術研究

2.2.1不同重力水平下生理效應研究

針對長期飛行失重生理效應及地外行星低重力生理效應，需重點開展以下研究：1）從動態負荷刺激條件下捕獲各系統長期失重生理效應的變化特征，通過動、靜態生理效應研究相結合，生理學與體液生化學研究相結合，整合生理與系統生物學機制研究相結合，實現變重力生理效應研究的多維度融合，揭示不同重力水平下生理效應的本質規律；2）開展各生理系統的協同調控作用研究；3）開展基于細胞分子水平的重力適應與調控模式研究，研究微/低重力條件下基因組、蛋白質組、代謝組的變化規律；4）研究個體差異對變重力生理效應的影響，形成基于性別、遺傳傾向、年齡等個人特征的生理效應記錄。

2.2.2變重力效應防護技術

目前的變重力效應對抗措施旨在消除人體的副反應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，變重力效應防護技術還需要從以下方面開展研究：1）制定應對多種應激環境的對策，發展抵御多種風險的綜合措施；2）發展明確有益于人體整體的物理或藥學、生物學對抗措施；3）開發優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）系統研究人體適應太空環境和發展有效對抗措施的項目；5）建立采用標準化協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果的數據庫；6）研發新型有效的對抗失重生理效應的防護措施，設計新穎的治療方法，以對抗長期生理功能失調。

2.2.3人工重力生成與評價技術

通過旋轉產生人工重力是最簡單可行的方法，但旋轉速度過快會使人身體不適；旋轉速度較慢則飛行器的規模就要大幅度增加。因此，在規模受限的飛行器中建立適宜的重力加速度環境，使之既滿足航天員的生活工作需求，又不會產生明顯的不良影響，是人工重力研究的重要內容。根據國外實驗分析，較小的空間內，人工重力在0.167g至0.3g之間較為合適，較大則會導致航天員行走困難和下肢沉重感嚴重。因此，后續應針對人工重力的效能開展研究，建立評價體系和評價標準，結合人工重力生成方法，通過大量實驗數據進行統計分析，形成規范和評估準則。

2.3地外環境效應與防護技術研究

2.3.1輻射生物效應與風險評估技術

在人類飛往月球和附近行星前，輻射效應及風險，特別是重離子輻射及風險有待進一步研究。具體包括：1）開展輻射生物效應及機制研究，包括動物、組織并具有清楚的生物終端如細胞動力學、細胞失活、轉換、調節和調節效應的細胞培養等，以提供各種輻射的輻射劑量、粒子通量和輻射效應信息；2）開展輻射風險評估技術研究，研究輻射品質因數、劑量率以及劑量等與輻射致癌效應和非致癌效應之間的關系，建立和完善深空探測人員空間輻射風險評估體系。

2.3.2輻射監測與防護技術

前期研究結果表明，僅僅依靠質量厚度屏蔽的方法，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測及主被動空間輻射防護技術。具體包括：1）開展空間輻射監測技術研究，研制新型的、小型化、低功耗、可靠性高、標定準確的空間輻射混合場測量設備；2）開展空間輻射防護技術研究，包括空間輻射防護先進材料研究、生物對抗技術研究，發展先進的等離子體、超導技術用于空間輻射主動防護等。

2.3.3行星表面復合型防/除塵技術

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

2.4生理健康監測與維護技術研究

2.4.1在軌健康監測技術

為了保障人員在長期飛行及駐留過程中的健康，應注重在健康監測工作中新技術手段的運用，尤其注重醫學監督的自動化，以及先進的通信技術、信息技術、人-機界面技術與醫護技術的整合，以提高醫學監督水平。重點發展方向包括：1）發展不間斷檢測生理參數技術；2）研制“星型圖”分析系統；3）研制心肺功能綜合診斷系統；4）發展遙醫學技術[9]。

2.4.2航天醫學處置技術

針對中長期的航天環境影響，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采取必要的藥物、運動、飲食、環境、力、心理、特殊訓練等方面的防護措施。此外，中西醫結合和物理方法是中國的特有措施。

2.5心理健康監測與維護技術研究

基于以往飛行實踐，長期在軌飛行可以導致人員出現行為學問題和社會心理學問題[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、環境、個體、乘組及其家庭、地面支持人員等各影響環節的綜合防護方案，發展人員心理健康狀態在軌自測技術，建立地面支持與在軌自主心理調節與治療有機結合的長期飛行人員多元化綜合心理保障系統，維持長期飛行心理狀態健康、穩定，提高突發應急事件時的人員心理決策能力。

3 載人月球基地案例分析

根據各國科學家們的設想，月球基地通常是由初級月球基地向中級、高級月球基地發展[11]。月球基地的建設過程復雜，建設周期通常較長。初級月球基地通常可容納3～6人在基地內作短期停留（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行分析。

3.1生命保障系統方案

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

圖1　載人月球基地生命保障系統方案設想Fig. 1 Scheme of life support system of manned lunar base

物化再生式環控生保子系統為人員提供適居的大氣環境、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，采用固態胺吸附大氣中的CO2，并將其釋放至CO2還原分系統，制取O2再循環使用。冷凝水和衛生用水回收再生后可以分別用作飲用水及循環利用的衛生用水。尿的回收水經再生后可用作電解水以及衛生用水。

生物再生生保子系統是在物化再生式生保的氧及水再生循環基礎上，引入碳循環模塊，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。該子系統中，微生物將固體廢物分解為藻類及植物生長所需營養物質；藻類及植物吸收從固態胺釋放的部分CO2，產生O2和食物。

月球基地密封艙內通過不同區域布置煙火傳感器，實現艙內火災報警功能，同時配置滅火設備（含滅火濕巾和滅火器）及災后氣體凈化罐，滿足支持航天員迅速滅火并恢復艙內環境的需求。

3.2變重力生理效應防護方案

月球基礎低重力生理效應出現在失重飛行階段、由失重進入0.16g重力環境的登陸階段、長期0.16g的低重力駐留階段等全過程。變重力環境生理效應的防護措施主要有：1）制定科學的作息制度；2）合理飲食；3）休息與睡眠等適應性調整；4）登陸月球前補充鹽水；5）下肢肌肉鍛煉；6）恢復性訓練；7）中醫藥防護措施等[12]。

3.3輻射及月塵環境防護方案

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是最有效也是最經濟的方法之一，使用3D打印技術建造月球基地本體系統外部主體，從而對月球基地內部主體起到一定的防護作用，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能力。

對于月塵的防護，可在月球基地設置專門的隔離空間，通過風淋、過濾等方式清除月塵，使其避免進入密封生活空間；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入密封生活空間的可能性。

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

3.4生理健康監測與維護方案

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

月球基地需開辟相對獨立的空間醫療中心，由經過專業技術培訓的醫護乘員進行醫學生理維護，如緊急救護、疾病診治、外科手術等。考慮到月球基地是長期的地外空間任務，為了提升醫學生理維護的可靠性及突發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學維護，即借助于地面完備的醫學設備和大量優秀的醫護專家，實現地月間的遠程生理監測與醫學診治。

3.5心理健康監測與維護方案

心理問題的多樣性和原因的復雜性，使得在月球基地任務中，地面對基地人員心理監測能力非常有限，因此，必須由乘員組醫生完成基地人員心理健康監測與維護的重任，通過心理診斷和心理調節/干預技巧，控制基地人員的精神狀態，解決突發心理失控事件。在特殊情況下，求助地面專家進行會診。月球基地應為乘員組醫生提供必需的心理診治設備，這些設備的設計重點是計算機輔助監測，特別是使用語音分析客觀評價基地人員的精神狀態。通過積極使用高新技術分析手段，實現心理問題的及時發現與干預。

月球基地心理維護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。

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

4 結束語

人員生存及健康保障是載人深空探測領域的一個突出問題。為保障任務過程中人員的安全，避免變重力、地外環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、變重力生理效應及防護、地外環境效應與防護、生理健康監測與維護、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研究，重點研究植物栽培技術、動物飼養技術、廢物處理技術、生命保障系統集成技術、密封艙環境氣體和水的檢測技術；

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

3）開展地外環境效應與防護技術研究，重點研究輻射生物效應與風險評估技術、輻射監測與防護技術、行星表面復合型防/除塵技術；

4）開展生理健康監測與維護技術研究，重點研究在軌健康監測技術、航天醫學處置技術；

5）開展心理健康監測與維護技術研究，重點發展心理健康狀態在軌自測技術，建立多元化綜合心理保障系統。

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（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，博士學位，主要從事載人深空探測總體設計工作。E-mail: qionline@163.com。

基金項目：中國科學院學部學科發展戰略研究項目

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

文獻標志碼：A

文章編號：1673-1379(2016)01-0021-07