載人探月航天器大氣壓力制度選擇

劉偉波，劉朝霞，陳金盾，彭遠開

（中國航天員科研訓練中心，北京100094）

載人探月航天器大氣壓力制度選擇

劉偉波，劉朝霞，陳金盾，彭遠開

（中國航天員科研訓練中心，北京100094）

大氣壓力制度是載人探月工程的頂層指標之一，需要從系統工程的角度出發，深入分析和研究，既要保證航天員安全、全力提高航天員月面出艙活動效能，還要具有工程實施的可行性和經濟性。運用航天醫學工程理論，從人體生理學、工程學角度，分析壓力制度影響因素，提出發射和返回、地－月飛行、月面駐留和出艙活動等階段的壓力制度設計方案：航天器發射段和返回段采用（90～101.3）kPa氧、氮混合氣，地月空間轉移段總壓逐步降低到（58±4）kPa，月球著陸停留階段總壓保持（58±4）kPa，月地飛行期間總壓過渡到接近101.3 kPa，全程氧分壓保持（21±2）kPa；登月服優先選用40 kPa純氧壓力，可向下兼容30 kPa純氧。這種壓力制度的既能滿足人體生理學要求，也能滿足工程可行性和經濟性要求，還可避免月面出艙活動中的減壓病風險。

載人探月；登月服；大氣壓力制度

1 引言

載人航天器密封艙大氣通常采用氧、氮混合氣，大氣壓力制度是指密封艙內的大氣總壓、氧分壓以及稀釋氣體的種類及其分壓［1］。大氣壓力制度是載人探月的頂層指標之一，涉及到航天員的安全和工作能力保證，也涉及到載人飛船、登月艙、月球基地、載人月球車和登月服的工程設計。應秉承“安全、經濟、效能”的原則，選擇合適的大氣壓力制度，需適應發射和返回、地－月空間轉移、月面駐留和出艙活動等各階段任務剖面要求，并達到降低物資消耗、提高航天員出艙活動效能的目的。

針對上述要求，本文從人體生理學和工程技術要求兩個方面，分析影響大氣壓力制度選擇的因素，比較各種已有壓力制度的優劣，提出新的階梯壓力制度方案，能夠與航天器發射和再入地球的大氣環境相匹配，能夠與艙外航天服大氣壓力匹配，保證航天員壓力環境安全，提高出艙活動效率，降低月面駐留期間的大氣消耗等。

2 影響大氣壓力制度選擇的因素

為防止低壓和缺氧的影響，載人探月航天器以選擇地面大氣壓力制度最為安全，但該壓力制度不是最優選擇。大氣壓力制度的選擇既要滿足人體生理要求，還要考慮工程可實現性。

2.1 人體生理學要求

選擇大氣壓力制度需考慮的生理效應包括低氧、高氧、減壓病和惰性氣體生理效能等。

2.1.1 低氧

人類在大氣環境氧分壓降低、組織得不到足夠的氧氣時，會產生缺氧癥，不同高度人體急性缺氧生理效應見表1［2］?？梢?，為保證航天員安全和正常工作，航天器應不低于1500 m人體生理等效高度的氧分壓（18 kPa）。

表1 不同程度低壓缺氧對人的影響［2］Table 1 Effects of hypobaric hypoxia［2］

2.1.2 高氧

高氧對人體最主要的影響為氧中毒，包括出現呼吸、循環、血液系統及中樞神經系統癥狀等，其癥狀的嚴重程度主要與暴露的氧分壓高低和時間長短相關。一般認為可長期耐受的氧分壓容許限值為56.7 kPa，但也有相應氧分壓環境引起人體顯著不適的地面試驗報道［3］：有研究顯示，暴露55.7 kPa純氧環境36 h會引起胸骨下悶，即使暴露23.2 kPa純氧環境216 h，也同樣可引起高氧效應；人體暴露氧分壓不高于50 kPa時，也可能導致血細胞數量減少從而限制長期生活。美國早期的載人飛行實踐表明，34.5 kPa的純氧環境，多數航天員出現非?？诳?、眼睛輕度充血及部分航天員發生鼻出血等問題［4］。

綜上，高氧的容許限值是極為相對的概念，為確保航天員長期飛行的健康和工作效能，同時考慮到工程安全性需求，建議大氣壓力制度采取與地面大氣環境生理等效的氧分壓，避免高氧帶來的不良反應。

2.1.3 減壓病

為保證航天員出艙活動的靈活性，艙外航天服一般采用低壓力制度。出艙活動時，航天員從高氣壓的航天器過渡到低氣壓的艙外航天服進行出艙活動有可能發生減壓病。減壓病是當環境氣壓降低過快或幅度過大時，溶于體內的惰性氣體超過過飽和安全限值，氣體逸出形成氣泡所導致的病癥，主要癥狀為關節疼痛，有時出現皮膚刺痛、瘙癢，咳嗽胸痛等，嚴重時可有中樞神經系統癥狀和循環衰竭，危及生命安全［5］。

導致減壓病的根本原因是人體N2過飽和形成不溶性氣泡，因此有利于氣泡形成的各種環境及個人因素將促使減壓病發生，而阻礙氣泡形成、加速機體排氮的措施將對減壓病有防護作用。這些影響因素包括：減壓前后的壓差、低壓暴露時間、減壓速率、重復暴露、環境溫度、年齡、體力負荷、胖瘦和性別等［5］。

減壓前后的壓差是發生減壓病的關鍵性因素，壓差越大，發病率越高。尋求相對安全的減壓后壓力，確定減壓病閾高度是制定壓力制度的重要依據。研究表明，絕大多數減壓病在高度8000 m（35.6 kPa）以上高空停留時發生。根據Haldane的減壓理論，不發生減壓病的安全高度為5500 m（50.5 kPa）［9］。發生減壓病的危險性取決于R值的大小，R值為減壓前人體組織內的氮分壓PAN2與減壓后總壓Pt的比值，表達式為：R＝PAN2/Pt。其中，PAN2＝（減壓前總壓 －肺泡水蒸汽分壓6.27 kPa）×氮氣百分比［8］。

美國航天標準規定，不產生減壓病的R值為1.22，R值1.40及1.65可分別作為空間站及航天飛機的可接受安全R值［10?11］。降低R值就要降低PAN2，有兩種途徑：

1）提前降低艙外活動前的航天器大氣環境總壓，進而逐步降低組織內氮分壓；

2）出艙活動前通過預吸純氧快速置換人體組織內氮氣，即執行吸氧排氮程序。

另外，減壓病發生還與人體在低壓環境暴露的頻度相關，連續的低壓暴露會使機體內聚集的微型氮氣核融合長大，增加減壓病發生概率［5］。

2.1.4 惰性氣體生理效能

由于高氧效應和火災風險，需要在大氣中包含惰性稀釋氣體成份，除與地面環境相同的氮氣外，其他惰性氣體（氖、氬、氦、氪、氚）能否部分取代氮氣，主要涉及以下方面［3］：氬、氪、氚在脂肪組織中的溶解系數遠大于氮氣，不利于減壓病防護，而氖的溶解系數最低（氮的0.17倍），氦為氮的0.24倍，從減壓病防護角度看，氖－氧混合氣效果最佳，氦－氧與氮－氧次之；但氦和氖作為惰性稀釋氣體時，會影響航天員的溫度舒適帶和語音傳導，此外，使用成本也比氮氣更高?？紤]到滿足人體生理要求和工程代價等因素，建議仍使用氮氣作為惰性稀釋氣體成份。

2.2 工程技術因素

壓力制度選擇需考慮的航天器工程設計影響因素有多種［1，6］，主要包括：

1）應與發射場和著陸場大氣環境相匹配。一是航天器上升段總壓要與發射場一致，出現異常時航天員可快速逃生；二是要能夠順利過渡到在軌工作狀態，實現交會對接，防止快速壓力波動影響航天員耳氣壓平衡；三是返回再入段艙內壓力要與著陸場一致，著陸后航天員可順利開艙。

2）影響航天器防火安全設計和材料選擇。航天員在艙內長期居留，控制氧氮比例，氧濃度應不超過防火安全閾值，航天器按預定防火指標設計，并篩選合格的非金屬材料。

4）影響航天器大氣攜帶量。航天器在軌飛行和航天員在月面駐留，乘員艙大氣泄漏速率與大氣總壓成正比，出艙過閘的氣源消耗量也與大氣總壓成正比。需要根據全任務周期的艙體泄漏率、飛行時間、應急復壓能力、氣閘艙泄復壓次數，綜合計算氣體工質的發射運輸量。在滿足人體生理學要求的前提下，適當降低大氣總壓，能夠按比例減少氣體消耗量和運輸補給量。

5）影響航天器乘員艙大氣對流換熱效率。大氣對流換熱效率取決于質量流量和流速，總壓高，氣體密度大，熱容量大，則換熱效率高。因此，從航天員和艙內設備與艙內氣體熱交換角度考慮，艙壓不宜過低。

6）影響航天服靈活性。航天服工作壓力對各關節和手套的活動能力有直接的影響，關節活動力矩隨著航天服工作壓力增加而增加，同時還需考慮強度設計和安全裕度。綜合安全性和工效性能，航天服壓力不宜過高，實際使用時工作壓力也可設計為可調。根據目前工程技術水平，航天服壓力一般選擇在（27～40）kPa范圍內，為確保在正常和壓力應急工況下足夠的氧分壓，通常采用純氧。

3 已有航天器大氣壓力制度分析

3.1 美國

3.1.1 載人航天器

乘員艙早期采用1/3 atm純氧壓力制度，如“水星”、“雙子座”和“阿波羅”飛船，采用33.4 kPa純氧壓力制度。這種壓力制度優點是壓力控制系統簡單，氣體泄漏量少，缺點是氧濃度高，易引發火災，阿波羅4A號飛船在發射臺模擬試驗中曾因純氧起火，3名航天員遇難［12］。

1970年代改用氧、氮混合氣，空間實驗室總壓34.5 kPa，氧濃度70%［13］。國際空間站乘員艙采用1 atm氧、氮混合氣，美國艙段的氧濃度最高不超過30%［14］。航天飛機采用階梯壓力制度，入軌和返回階段采用1 atm氧、氮混合氣；入軌后，出艙活動前一天，總壓降為70 kPa，氧分壓18.5 kPa，所有出艙活動完成后恢復常壓環境［10］。

例5：在后期剪輯時，有時候需要復制延長視頻，或者制作循環畫面視頻。比如在制作歷史劇時，發現母子遙望片段時長不夠，又不便重拍。直接復制粘貼延長后發現，觀看時在連接處有跳躍感。這時候可以勾選第二段視頻的“反轉視頻”選項，播放時畫面平滑過渡，沒有停頓感，不會讓觀眾產生不連續的感覺。

3.1.2 艙外航天服

為保證航天服的活動效率和操作靈活性，通常采用比乘員艙低的壓力制度。70年代之前的AL?7艙外航天服使用27 kPa純氧，用于近地軌道出艙活動；AL?7B登月服也使用27 kPa純氧，在“阿波羅”計劃中用于月面出艙活動和軌道出艙活動，后來改進后用于“Skylab”空間實驗室軌道出艙。航天飛機EMU艙外航天服使用30 kPa純氧［6］。目前，國際空間站美國艙段配置改進型EMU?M艙外航天服，仍使用30 kPa純氧［6］。

3.1.3吸氧排氮方案

航天員出艙活動前需吸氧排氮，以降低減壓病風險。美國航天飛機乘員艙為降低減壓病發生概率，所采用的階梯減壓吸氧排氮方案如圖1［7］。

圖1 美國航天飛機的階梯減壓法吸氧排氮方案［7］Fig.1 Staged decompression protocol of space shuttle［7］

1）航天飛機［10］：（1）入軌初期，航天員在1 atm下用面罩吸純氧60 min；（2）總壓減壓至70.3 kPa并至少保持12 h；（3）在艙外航天服內吸氧排氮時間40 min，之后出艙活動；（4）完成最后一次出艙活動后，乘員艙恢復1 atm總壓，為防止多次出艙導致氮氣泡累積出現減壓病，航天員出艙間隔不少于1 d；需要快速出艙時，乘員艙不減壓，航天員在艙外服內直接吸氧排氮4 h，之后出艙。

2）國際空間站美國艙段［14］：（1）空間站始終保持1 atm總壓；（2）氣閘艙后減壓至55.2 kPa，航天員在氣閘艙停留24 h；（3）航天員在艙外服內吸氧排氮120～140 min后出艙，為防止多次出艙導致氮氣泡累積出現減壓病，航天員出艙間隔一般為3 d；應急情況下，無需在55.2 kPa環境中停留，在艙外服內連續吸氧排氮150 min后出艙，此情況下發生減壓病的概率小于50%，一旦出現減壓病，需要進行加壓治療。

3.2 蘇聯/俄羅斯

3.2.1 載人航天器

蘇聯/俄羅斯載人航天器乘員艙均采用1 atm氧、氮混合氣壓力制度，包括聯盟飛船、禮炮系列空間實驗室、和平號空間站、國際空間站俄羅斯艙段，其大氣壓力和成份接近海平面，氧、氮分別占21%和79%。這一壓力制度符合人類生活習慣，而且發射和返回時不需要采取適應地面環境壓力的變壓措施。該壓力制度簡單、可靠，能夠適用于氣態貯氧、化學產氧、電解制氧等多種供氧方案［6，11］。

3.2.2 艙外航天服

艙外航天服始終采用40 kPa純氧壓力制度。Krechet（“隼”）登月服采用 39 kPa純氧。在Krechet登月服基礎上發展出來的Orlan系列（Or?lan?D/DM/DMA）艙外航天服，采用兩級壓力控制制度，一級39 kPa純氧、二級28 kPa純氧，用于“禮炮”號、“和平”號出艙活動。改進的Orlan?M/MK艙外航天服只保留了39 kPa純氧一級壓力制度，用于國際空間站俄羅斯艙段出艙活動［6，11］。

3.2.3 吸氧排氮方案

圖2 俄羅斯出艙活動吸氧排氮方案［6］Fig.2 The prebrea the protocol of Russia［6］

無論正常出艙活動還是應急出艙，為預防減壓病，均采用艙外航天服內吸氧排氮方案（圖2）：1）氣閘艙泄壓至70 kPa；2）在艙外服內吸氧排氮30 min后出艙。為防多次出艙導致氮氣泡累積出現減壓病，航天員出艙間隔一般不少于3 d。

俄羅斯專家認為，按照這種方式吸氧排氮，就能夠完全防止肺和血液中發生氮氣過飽和的情況。只是對于去飽和很慢的組織（t1/2＝3～8.5 h），如骨、結締組織和脂肪，減壓前后氮分壓的比值將達到1.6～1.8，減壓病風險較高。但30 min吸氧排氮，再加上艙外航天服在40 kPa工作壓力下比較硬，限制了航天員上肢活動的幅度和頻度，減了軟組織內的氣化作用，能夠防止減壓病的發生，根據2000多例試驗和飛行數據，在0.95置信度下，不出現減壓病的可靠性達0.95［7］。

3.3 我國載人航天大氣壓力制度方案

我國載人航天器乘員艙采用1 atm氧氮混合氣壓力制度，如“神舟”飛船、“天宮”空間實驗室，乘員艙采用總壓（91±10）kPa氧氮混合氣體，其中氧分壓（22±2）kPa。

我國“飛天”艙外航天服壓力制度與俄羅斯相似，使用40 kPa純氧，在神舟七號出艙活動任務中得到了試驗驗證，并將用于我國未來空間站出艙活動任務。

我國吸氧排氮方案與俄羅斯也基本相同，但吸氧排氮時間延長到35 min，減壓病風險進一步降低［7］。

3.4 對載人月球探測大氣壓力制度選擇的啟示

各國航天器已有壓力制度情況見表2，有以下啟示：

表2 各國載人航天已有壓力制度［8］Table 2 Historical spacecraft cabin and space suit atmospheres［8］

1）近地軌道航天器已經逐步統一到1 atm氧、氮混合氣壓力制度，與人類日常生活環境相同，可以把潛在的醫學生理學問題最少化，便于航天員選拔和國際合作；

2）航天服（含登月服）分為兩個流派，美國始終堅持30 kPa壓力制度，俄羅斯按40 kPa壓力制度發展，各有優勢，都能夠滿足艙外活動需要，這是各國繼承既往技術、保持技術體系統一的需要；

3）航天飛機所采用的階梯壓力制度，能夠兼顧發射和返回，也能提高出艙活動頻度，對載人月球探測航天器有較好的借鑒意義；

4）未來載人探月工程，登月飛船、月球居住艙的壓力制度，需要綜合考慮人體生理學要求、工程實現性和經濟性，以及對以往技術的繼承性；

5）登月艙、月球居住系統的總壓可降至54 kPa（對應R值小于1.4，為空間站可接受的減壓病風險），并保持氧分壓不低于18 kPa，可滿足航天員艙內正常生活、工作需求，同時可降低大氣消耗，達到優化工程設計的目的。該種壓力制度需要考慮兩個問題，一是為防止乘員艙總壓由常壓降至54 kPa仍存在較低減壓病發生風險的問題，需要階梯減壓；二是存在乘員艙氧濃度高于30%的情況，需要加強艙內非金屬材料阻燃性相關設計。

4 載人探月大氣壓力制度建議

4.1 大氣壓力制度的原則和目標

選擇載人航天器和航天服壓力制度，必須遵循相應的醫學工程原則：

1）醫學生理學原則。必須保證航天員健康安全和工作效率，一要防止航天員因氧分壓過低出現缺氧；二要防止氧分壓過高發生氧中毒癥；三要考慮乘員艙與航天服之間的壓力制度協調匹配，降低和消除減壓病風險。

2）工程實現的經濟性原則。應綜合考慮航天器氣體泄漏量、補給量、乘員艙和航天服殼體結構強度與重量等因素。

3）醫學工程相結合原則。既要考慮乘員艙與航天服壓力制度匹配性問題，又要兼顧航天員工作能力與效率問題，還要考慮乘員艙氧濃度與發生火災的關系問題，綜合權衡。

載人登月的運輸代價巨大，就要在保證航天員安全的情況下，盡可能提高航天員月面活動的效率，即：增加艙外活動頻度、提高登月服工作效能、減少登月艙的資源消耗。因此，載人探月壓力制度選擇應達到以下目標：

1）航天員每天都能執行艙外活動，減少或無需吸氧排氮，不出現減壓??；

2）保證登月服的機動性能；

3）降低月面停留和出艙活動期間的資源消耗；

4）登月艙和登月服的壓力控制策略，須保證正常和應急情況下航天員的安全；

5）與探月航天器多次發射、在近地軌道組裝、繞飛登月的大方案相匹配。

4.2 載人探月大氣壓力制度方案

由以上分析，從我國當前工程實際和技術繼承性出發，與當前航天器1 atm氧、氮混合氣壓力制度相比，我國載人登月工程航天器壓力制度方案見表3，要點和優勢為：

1）登月飛船

（1）發射段和返回著陸段：氧、氮混合氣，總壓（90～101.3）kPa，與發射場、著陸場環境匹配，方便和空間站對接，可與空間站交換乘組；

（2）地－月空間轉移段：地－月飛行期間，階梯減壓，入軌后總壓先降低到70 kPa，停留12 h以上，進一步降壓至（58±4）kPa；月－地飛行期間，階梯增壓，總壓過渡到接近（90～101.3）kPa；氧分壓保持（21±2）kPa，滿足人體生理學要求；

（3）月球著陸停留階段：總壓（58±4）kPa，氧分壓（21±2）kPa，與常壓相比，乘員艙泄漏量減半，氣閘艙泄復壓的氣體資源消耗量減半。

2）月球居住艙和承壓式月球車

未來長期探月建立的月球居住艙以及植物艙均采用氧氮混合氣，總壓（58±4）kPa，氧分壓（21 ±2）kPa。該種壓力制度下，受控生態生保系統的植物和微生物可正常生長，乘員艙和植物艙之間可方便進行氣體交換。針對航天員駕駛承壓式月球車作業任務，為防止火災風險，承壓式月球車仍采用相同壓力制度，航天員從居住艙出艙和從承壓式月球車出艙均執行相同的出艙活動程序。該壓力制度能夠實現三種乘員艙產品設計的標準化，同時，艙體泄漏量小，殼體重量小。

3）登月服

（1）方案I：40 kPa純氧壓力，與我國艙內航天服、“飛天”艙外航天服的壓力體系相同，具有良好的技術繼承性，出艙活動時不需要吸氧排氮；

（2）方案II：30 kPa純氧壓力，與唯一實踐過的“阿波羅”登月服相同，下肢活動性更好，在月球變面的機動性能經過飛行驗證；

綜合考慮，傾向于采用40 kPa純氧壓力作為首選方案，可臨時向下調節到30 kPa壓力，適應特殊工作的需要。

4.3 出艙活動減壓病風險分析

登月活動中，資源運輸保障比空間站更困難，要求將減壓病風險降到最低。按照總壓控制范圍（58±4）kPa、氧分壓控制范圍（21±2）kPa、供氧優先的控制策略，各種可能的壓力組合情況下的R值見表4。可見：

1）登月服采用40 kPa純氧壓力制度，各種情況下R值均小于1，不存在減壓病風險，出艙前不需要吸氧排氮，可實施連續艙外活動，出艙活動效能高；

2）若登月服采用30 kPa純氧壓力制度，R值在1.0～1.29之間，存在較低的減壓病風險，出艙前仍需要吸氧排氮約35 min，出艙活動間隔不小于1 d。

從提高月面出艙活動效能、降低減壓病風險角度，登月服選擇40 kPa壓力制度更適宜。

表3 載人探月壓力制度方案建議Table 3 Atmosphere design proposal for manned lunar exploration mission

表4 月面出艙活動減壓病風險分析Table 4 Risk Analysis of developing altitude decompression sickness in lunar EVA

5 結論

1）提出的登月飛船（101.3～58）kPa變壓力氧氮混合氣，登月艙58 kPa氧氮混合氣，登月服40 kPa純氧的壓力制度，可滿足人體生理學要求。

2）與阿波羅登月飛船30 kPa純氧壓力制度相比，本方案安全性更高，這兩種方案的出艙活動都不需要吸氧排氮，出艙活動間隔也不受限制，均不出現減壓病風險。

3）與當前載人航天器壓力制度相比，登月艙發射重量小，氣體攜帶量?。缓教靻T出艙活動間隔不受限制，出艙效能更高，可消除減壓病風險；工程可實現性和經濟性更優。

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Selection of Spacecraft Atmospheric Pressure Regime for Manned Lunar Exploration Mission

LIU Weibo，LIU Zhaoxia，CHEN Jindun，PENG Yuankai
（China Astronauts Research and Training Center，Beijing 100094，China）

Atmospheric pressure regime is one of the top design parameters for manned lunar exploration mission.It should be thoroughly researched to ensure the safety and high efficiency of astronauts，and to meet the engineering requirements of feasibility and economy at the same time.In this paper，the inter?actions between gaseous environment，human physiology，and technology were analyzed，and proposals of atmospheric pressure and composition for each stage of the mission were suggested including the launch，return，earth?moon transfer flight，lunar habitation and lunar surface EVA，et al.During the launch and return stage，（90～101.3）kPa total pressure of oxygen and nitrogen mixture was selected.The total pressure gradually reduced to（58±4）kPa during the earth?moon transfer period，and maintained at this level in the phase of lunar landing and lunar habitation.When flew back to the earth orbit，the total pressure was gradually elevated back to nearly 101.3 kPa.The oxygen partial pressure maintained at（21 ±2）kPa during all the phases.As to the lunar suit，40 kPa pure oxygen was preferred，and 30 kPa pure oxygen was backwards compatible.The main advantage of this pressure regime proposal is that it could meet the human physiology requirements with lower engineering cost.Most of all，the decompres?sion sickness during lunar surface activity could be totally avoided.

manned lunar exploration；lunar suit；atmospheric pressure regime

V19

A

1674?5825（2016）06?0687?07

2016?05?30；

2016?10?15

中國航天醫學工程預先研究項目（2012SY54B0101）

劉偉波（1972－），男，碩士，研究員，研究方向為航天醫學工程總體技術。E?mail：weiboliu＠sina.com