劉偉波，劉朝霞，陳金盾，彭遠(yuǎn)開

（中國(guó)航天員科研訓(xùn)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(yuǎn)開

（中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心，北京100094）

大氣壓力制度是載人探月工程的頂層指標(biāo)之一，需要從系統(tǒng)工程的角度出發(fā)，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(dòng)效能，還要具有工程實(shí)施的可行性和經(jīng)濟(jì)性。運(yùn)用航天醫(yī)學(xué)工程理論，從人體生理學(xué)、工程學(xué)角度，分析壓力制度影響因素，提出發(fā)射和返回、地－月飛行、月面駐留和出艙活動(dòng)等階段的壓力制度設(shè)計(jì)方案：航天器發(fā)射段和返回段采用（90～101.3）kPa氧、氮混合氣，地月空間轉(zhuǎn)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(yōu)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(xué)要求，也能滿足工程可行性和經(jīng)濟(jì)性要求，還可避免月面出艙活動(dòng)中的減壓病風(fēng)險(xiǎn)。

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(nèi)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(biāo)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(shè)計(jì)。應(yīng)秉承“安全、經(jīng)濟(jì)、效能”的原則，選擇合適的大氣壓力制度，需適應(yīng)發(fā)射和返回、地－月空間轉(zhuǎn)移、月面駐留和出艙活動(dòng)等各階段任務(wù)剖面要求，并達(dá)到降低物資消耗、提高航天員出艙活動(dòng)效能的目的。

針對(duì)上述要求，本文從人體生理學(xué)和工程技術(shù)要求兩個(gè)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(yōu)劣，提出新的階梯壓力制度方案，能夠與航天器發(fā)射和再入地球的大氣環(huán)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(huán)境安全，提高出艙活動(dòng)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(yōu)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(shí)現(xiàn)性。

2.1 人體生理學(xué)要求

選擇大氣壓力制度需考慮的生理效應(yīng)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(huán)境氧分壓降低、組織得不到足夠的氧氣時(shí)，會(huì)產(chǎn)生缺氧癥，不同高度人體急性缺氧生理效應(yīng)見表1［2］?？梢姡瑸楸ＷC航天員安全和正常工作，航天器應(yīng)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(duì)人的影響［2］Table 1 Effects of hypobaric hypoxia［2］

2.1.2 高氧

高氧對(duì)人體最主要的影響為氧中毒，包括出現(xiàn)呼吸、循環(huán)、血液系統(tǒng)及中樞神經(jīng)系統(tǒng)癥狀等，其癥狀的嚴(yán)重程度主要與暴露的氧分壓高低和時(shí)間長(zhǎng)短相關(guān)。一般認(rèn)為可長(zhǎng)期耐受的氧分壓容許限值為56.7 kPa，但也有相應(yīng)氧分壓環(huán)境引起人體顯著不適的地面試驗(yàn)報(bào)道［3］：有研究顯示，暴露55.7 kPa純氧環(huán)境36 h會(huì)引起胸骨下悶，即使暴露23.2 kPa純氧環(huán)境216 h，也同樣可引起高氧效應(yīng)；人體暴露氧分壓不高于50 kPa時(shí)，也可能導(dǎo)致血細(xì)胞數(shù)量減少?gòu)亩拗崎L(zhǎng)期生活。美國(guó)早期的載人飛行實(shí)踐表明，34.5 kPa的純氧環(huán)境，多數(shù)航天員出現(xiàn)非常口渴、眼睛輕度充血及部分航天員發(fā)生鼻出血等問題［4］。

綜上，高氧的容許限值是極為相對(duì)的概念，為確保航天員長(zhǎng)期飛行的健康和工作效能，同時(shí)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(huán)境生理等效的氧分壓，避免高氧帶來的不良反應(yīng)。

2.1.3 減壓病

為保證航天員出艙活動(dòng)的靈活性，艙外航天服一般采用低壓力制度。出艙活動(dòng)時(shí)，航天員從高氣壓的航天器過渡到低氣壓的艙外航天服進(jìn)行出艙活動(dòng)有可能發(fā)生減壓病。減壓病是當(dāng)環(huán)境氣壓降低過快或幅度過大時(shí)，溶于體內(nèi)的惰性氣體超過過飽和安全限值，氣體逸出形成氣泡所導(dǎo)致的病癥，主要癥狀為關(guān)節(jié)疼痛，有時(shí)出現(xiàn)皮膚刺痛、瘙癢，咳嗽胸痛等，嚴(yán)重時(shí)可有中樞神經(jīng)系統(tǒng)癥狀和循環(huán)衰竭，危及生命安全［5］。

導(dǎo)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(huán)境及個(gè)人因素將促使減壓病發(fā)生，而阻礙氣泡形成、加速機(jī)體排氮的措施將對(duì)減壓病有防護(hù)作用。這些影響因素包括：減壓前后的壓差、低壓暴露時(shí)間、減壓速率、重復(fù)暴露、環(huán)境溫度、年齡、體力負(fù)荷、胖瘦和性別等［5］。

減壓前后的壓差是發(fā)生減壓病的關(guān)鍵性因素，壓差越大，發(fā)病率越高。尋求相對(duì)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(jù)。研究表明，絕大多數(shù)減壓病在高度8000 m（35.6 kPa）以上高空停留時(shí)發(fā)生。根據(jù)Haldane的減壓理論，不發(fā)生減壓病的安全高度為5500 m（50.5 kPa）［9］。發(fā)生減壓病的危險(xiǎn)性取決于R值的大小，R值為減壓前人體組織內(nèi)的氮分壓PAN2與減壓后總壓Pt的比值，表達(dá)式為：R＝PAN2/Pt。其中，PAN2＝（減壓前總壓 －肺泡水蒸汽分壓6.27 kPa）×氮?dú)獍俜直龋?］。

美國(guó)航天標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，不產(chǎn)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(jī)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(dòng)前的航天器大氣環(huán)境總壓，進(jìn)而逐步降低組織內(nèi)氮分壓；

2）出艙活動(dòng)前通過預(yù)吸純氧快速置換人體組織內(nèi)氮?dú)?，即?zhí)行吸氧排氮程序。

另外，減壓病發(fā)生還與人體在低壓環(huán)境暴露的頻度相關(guān)，連續(xù)的低壓暴露會(huì)使機(jī)體內(nèi)聚集的微型氮?dú)夂巳诤祥L(zhǎng)大，增加減壓病發(fā)生概率［5］。

2.1.4 惰性氣體生理效能

由于高氧效應(yīng)和火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，需要在大氣中包含惰性稀釋氣體成份，除與地面環(huán)境相同的氮?dú)馔?，其他惰性氣體（氖、氬、氦、氪、氚）能否部分取代氮?dú)猓饕婕耙韵路矫妫?］：氬、氪、氚在脂肪組織中的溶解系數(shù)遠(yuǎn)大于氮?dú)?，不利于減壓病防護(hù)，而氖的溶解系數(shù)最低（氮的0.17倍），氦為氮的0.24倍，從減壓病防護(hù)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(shí)，會(huì)影響航天員的溫度舒適帶和語(yǔ)音傳導(dǎo)，此外，使用成本也比氮?dú)飧??？紤]到滿足人體生理要求和工程代價(jià)等因素，建議仍使用氮?dú)庾鳛槎栊韵♂寶怏w成份。

2.2 工程技術(shù)因素

壓力制度選擇需考慮的航天器工程設(shè)計(jì)影響因素有多種［1，6］，主要包括：

1）應(yīng)與發(fā)射場(chǎng)和著陸場(chǎng)大氣環(huán)境相匹配。一是航天器上升段總壓要與發(fā)射場(chǎng)一致，出現(xiàn)異常時(shí)航天員可快速逃生；二是要能夠順利過渡到在軌工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)交會(huì)對(duì)接，防止快速壓力波動(dòng)影響航天員耳氣壓平衡；三是返回再入段艙內(nèi)壓力要與著陸場(chǎng)一致，著陸后航天員可順利開艙。

2）影響航天器防火安全設(shè)計(jì)和材料選擇。航天員在艙內(nèi)長(zhǎng)期居留，控制氧氮比例，氧濃度應(yīng)不超過防火安全閾值，航天器按預(yù)定防火指標(biāo)設(shè)計(jì)，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(jù)全任務(wù)周期的艙體泄漏率、飛行時(shí)間、應(yīng)急復(fù)壓能力、氣閘艙泄復(fù)壓次數(shù)，綜合計(jì)算氣體工質(zhì)的發(fā)射運(yùn)輸量。在滿足人體生理學(xué)要求的前提下，適當(dāng)降低大氣總壓，能夠按比例減少氣體消耗量和運(yùn)輸補(bǔ)給量。

5）影響航天器乘員艙大氣對(duì)流換熱效率。大氣對(duì)流換熱效率取決于質(zhì)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(nèi)設(shè)備與艙內(nèi)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(duì)各關(guān)節(jié)和手套的活動(dòng)能力有直接的影響，關(guān)節(jié)活動(dòng)力矩隨著航天服工作壓力增加而增加，同時(shí)還需考慮強(qiáng)度設(shè)計(jì)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(shí)際使用時(shí)工作壓力也可設(shè)計(jì)為可調(diào)。根據(jù)目前工程技術(shù)水平，航天服壓力一般選擇在（27～40）kPa范圍內(nèi)，為確保在正常和壓力應(yīng)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(guó)

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(yōu)點(diǎn)是壓力控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，氣體泄漏量少，缺點(diǎn)是氧濃度高，易引發(fā)火災(zāi)，阿波羅4A號(hào)飛船在發(fā)射臺(tái)模擬試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室總壓34.5 kPa，氧濃度70%［13］。國(guó)際空間站乘員艙采用1 atm氧、氮混合氣，美國(guó)艙段的氧濃度最高不超過30%［14］。航天飛機(jī)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(dòng)前一天，總壓降為70 kPa，氧分壓18.5 kPa，所有出艙活動(dòng)完成后恢復(fù)常壓環(huán)境［10］。

例5：在后期剪輯時(shí)，有時(shí)候需要復(fù)制延長(zhǎng)視頻，或者制作循環(huán)畫面視頻。比如在制作歷史劇時(shí)，發(fā)現(xiàn)母子遙望片段時(shí)長(zhǎng)不夠，又不便重拍。直接復(fù)制粘貼延長(zhǎng)后發(fā)現(xiàn)，觀看時(shí)在連接處有跳躍感。這時(shí)候可以勾選第二段視頻的“反轉(zhuǎn)視頻”選項(xiàng)，播放時(shí)畫面平滑過渡，沒有停頓感，不會(huì)讓觀眾產(chǎn)生不連續(xù)的感覺。

3.1.2 艙外航天服

為保證航天服的活動(dòng)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(dòng)；AL?7B登月服也使用27 kPa純氧，在“阿波羅”計(jì)劃中用于月面出艙活動(dòng)和軌道出艙活動(dòng)，后來改進(jìn)后用于“Skylab”空間實(shí)驗(yàn)室軌道出艙。航天飛機(jī)EMU艙外航天服使用30 kPa純氧［6］。目前，國(guó)際空間站美國(guó)艙段配置改進(jìn)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(dòng)前需吸氧排氮，以降低減壓病風(fēng)險(xiǎn)。美國(guó)航天飛機(jī)乘員艙為降低減壓病發(fā)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(guó)航天飛機(jī)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(jī)［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(nèi)吸氧排氮時(shí)間40 min，之后出艙活動(dòng)；（4）完成最后一次出艙活動(dòng)后，乘員艙恢復(fù)1 atm總壓，為防止多次出艙導(dǎo)致氮?dú)馀堇鄯e出現(xiàn)減壓病，航天員出艙間隔不少于1 d；需要快速出艙時(shí)，乘員艙不減壓，航天員在艙外服內(nèi)直接吸氧排氮4 h，之后出艙。

2）國(guó)際空間站美國(guó)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(nèi)吸氧排氮120～140 min后出艙，為防止多次出艙導(dǎo)致氮?dú)馀堇鄯e出現(xiàn)減壓病，航天員出艙間隔一般為3 d；應(yīng)急情況下，無需在55.2 kPa環(huán)境中停留，在艙外服內(nèi)連續(xù)吸氧排氮150 min后出艙，此情況下發(fā)生減壓病的概率小于50%，一旦出現(xiàn)減壓病，需要進(jìn)行加壓治療。

3.2 蘇聯(lián)/俄羅斯

3.2.1 載人航天器

蘇聯(lián)/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(lián)盟飛船、禮炮系列空間實(shí)驗(yàn)室、和平號(hào)空間站、國(guó)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(xí)慣，而且發(fā)射和返回時(shí)不需要采取適應(yīng)地面環(huán)境壓力的變壓措施。該壓力制度簡(jiǎn)單、可靠，能夠適用于氣態(tài)貯氧、化學(xué)產(chǎn)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(chǔ)上發(fā)展出來的Orlan系列（Or?lan?D/DM/DMA）艙外航天服，采用兩級(jí)壓力控制制度，一級(jí)39 kPa純氧、二級(jí)28 kPa純氧，用于“禮炮”號(hào)、“和平”號(hào)出艙活動(dòng)。改進(jìn)的Orlan?M/MK艙外航天服只保留了39 kPa純氧一級(jí)壓力制度，用于國(guó)際空間站俄羅斯艙段出艙活動(dòng)［6，11］。

3.2.3 吸氧排氮方案

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

無論正常出艙活動(dòng)還是應(yīng)急出艙，為預(yù)防減壓病，均采用艙外航天服內(nèi)吸氧排氮方案（圖2）：1）氣閘艙泄壓至70 kPa；2）在艙外服內(nèi)吸氧排氮30 min后出艙。為防多次出艙導(dǎo)致氮?dú)馀堇鄯e出現(xiàn)減壓病，航天員出艙間隔一般不少于3 d。

俄羅斯專家認(rèn)為，按照這種方式吸氧排氮，就能夠完全防止肺和血液中發(fā)生氮?dú)膺^飽和的情況。只是對(duì)于去飽和很慢的組織（t1/2＝3～8.5 h），如骨、結(jié)締組織和脂肪，減壓前后氮分壓的比值將達(dá)到1.6～1.8，減壓病風(fēng)險(xiǎn)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(dòng)的幅度和頻度，減了軟組織內(nèi)的氣化作用，能夠防止減壓病的發(fā)生，根據(jù)2000多例試驗(yàn)和飛行數(shù)據(jù)，在0.95置信度下，不出現(xiàn)減壓病的可靠性達(dá)0.95［7］。

3.3 我國(guó)載人航天大氣壓力制度方案

我國(guó)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(shí)驗(yàn)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(guó)“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(hào)出艙活動(dòng)任務(wù)中得到了試驗(yàn)驗(yàn)證，并將用于我國(guó)未來空間站出艙活動(dòng)任務(wù)。

我國(guó)吸氧排氮方案與俄羅斯也基本相同，但吸氧排氮時(shí)間延長(zhǎng)到35 min，減壓病風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步降低［7］。

3.4 對(duì)載人月球探測(cè)大氣壓力制度選擇的啟示

各國(guó)航天器已有壓力制度情況見表2，有以下啟示：

表2 各國(guó)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(jīng)逐步統(tǒng)一到1 atm氧、氮混合氣壓力制度，與人類日常生活環(huán)境相同，可以把潛在的醫(yī)學(xué)生理學(xué)問題最少化，便于航天員選拔和國(guó)際合作；

2）航天服（含登月服）分為兩個(gè)流派，美國(guó)始終堅(jiān)持30 kPa壓力制度，俄羅斯按40 kPa壓力制度發(fā)展，各有優(yōu)勢(shì)，都能夠滿足艙外活動(dòng)需要，這是各國(guó)繼承既往技術(shù)、保持技術(shù)體系統(tǒng)一的需要；

3）航天飛機(jī)所采用的階梯壓力制度，能夠兼顧發(fā)射和返回，也能提高出艙活動(dòng)頻度，對(duì)載人月球探測(cè)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(xué)要求、工程實(shí)現(xiàn)性和經(jīng)濟(jì)性，以及對(duì)以往技術(shù)的繼承性；

5）登月艙、月球居住系統(tǒng)的總壓可降至54 kPa（對(duì)應(yīng)R值小于1.4，為空間站可接受的減壓病風(fēng)險(xiǎn)），并保持氧分壓不低于18 kPa，可滿足航天員艙內(nèi)正常生活、工作需求，同時(shí)可降低大氣消耗，達(dá)到優(yōu)化工程設(shè)計(jì)的目的。該種壓力制度需要考慮兩個(gè)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(fā)生風(fēng)險(xiǎn)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(qiáng)艙內(nèi)非金屬材料阻燃性相關(guān)設(shè)計(jì)。

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(biāo)

選擇載人航天器和航天服壓力制度，必須遵循相應(yīng)的醫(yī)學(xué)工程原則：

1）醫(yī)學(xué)生理學(xué)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(xiàn)缺氧；二要防止氧分壓過高發(fā)生氧中毒癥；三要考慮乘員艙與航天服之間的壓力制度協(xié)調(diào)匹配，降低和消除減壓病風(fēng)險(xiǎn)。

2）工程實(shí)現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)性原則。應(yīng)綜合考慮航天器氣體泄漏量、補(bǔ)給量、乘員艙和航天服殼體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與重量等因素。

3）醫(yī)學(xué)工程相結(jié)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(fā)生火災(zāi)的關(guān)系問題，綜合權(quán)衡。

載人登月的運(yùn)輸代價(jià)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(dòng)的效率，即：增加艙外活動(dòng)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(yīng)達(dá)到以下目標(biāo)：

1）航天員每天都能執(zhí)行艙外活動(dòng)，減少或無需吸氧排氮，不出現(xiàn)減壓?。?/p>

2）保證登月服的機(jī)動(dòng)性能；

3）降低月面停留和出艙活動(dòng)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(yīng)急情況下航天員的安全；

5）與探月航天器多次發(fā)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(guó)當(dāng)前工程實(shí)際和技術(shù)繼承性出發(fā)，與當(dāng)前航天器1 atm氧、氮混合氣壓力制度相比，我國(guó)載人登月工程航天器壓力制度方案見表3，要點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)為：

1）登月飛船

（1）發(fā)射段和返回著陸段：氧、氮混合氣，總壓（90～101.3）kPa，與發(fā)射場(chǎng)、著陸場(chǎng)環(huán)境匹配，方便和空間站對(duì)接，可與空間站交換乘組；

（2）地－月空間轉(zhuǎn)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(jìn)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(xué)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(fù)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(zhǎng)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(tài)生保系統(tǒng)的植物和微生物可正常生長(zhǎng)，乘員艙和植物艙之間可方便進(jìn)行氣體交換。針對(duì)航天員駕駛承壓式月球車作業(yè)任務(wù)，為防止火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，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(zhí)行相同的出艙活動(dòng)程序。該壓力制度能夠?qū)崿F(xiàn)三種乘員艙產(chǎn)品設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化，同時(shí)，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(guó)艙內(nèi)航天服、“飛天”艙外航天服的壓力體系相同，具有良好的技術(shù)繼承性，出艙活動(dòng)時(shí)不需要吸氧排氮；

（2）方案II：30 kPa純氧壓力，與唯一實(shí)踐過的“阿波羅”登月服相同，下肢活動(dòng)性更好，在月球變面的機(jī)動(dòng)性能經(jīng)過飛行驗(yàn)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(shí)向下調(diào)節(jié)到30 kPa壓力，適應(yīng)特殊工作的需要。

4.3 出艙活動(dòng)減壓病風(fēng)險(xiǎn)分析

登月活動(dòng)中，資源運(yùn)輸保障比空間站更困難，要求將減壓病風(fēng)險(xiǎn)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(yōu)先的控制策略，各種可能的壓力組合情況下的R值見表4?？梢姡?/p>

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(fēng)險(xiǎn)，出艙前不需要吸氧排氮，可實(shí)施連續(xù)艙外活動(dòng)，出艙活動(dòng)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(fēng)險(xiǎn)，出艙前仍需要吸氧排氮約35 min，出艙活動(dòng)間隔不小于1 d。

從提高月面出艙活動(dòng)效能、降低減壓病風(fēng)險(xiǎn)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(dòng)減壓病風(fēng)險(xiǎn)分析Table 4 Risk Analysis of developing altitude decompression sickness in lunar EVA

5 結(jié)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(xué)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(dòng)都不需要吸氧排氮，出艙活動(dòng)間隔也不受限制，均不出現(xiàn)減壓病風(fēng)險(xiǎn)。

3）與當(dāng)前載人航天器壓力制度相比，登月艙發(fā)射重量小，氣體攜帶量??；航天員出艙活動(dòng)間隔不受限制，出艙效能更高，可消除減壓病風(fēng)險(xiǎn)；工程可實(shí)現(xiàn)性和經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)。

（

）

［1］王普秀.航天環(huán)境控制與生命保障工程基礎(chǔ)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2003：100?104.Wang Puxiu.Engineering Fundation for Space Environmental and Life Support System［M］.Beijing：National Defence In?dustry Press，2003：100?104.（in Chinese）

［2］祁章年.航天環(huán)境醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2001：18，41.Qi Zhangnian.Medical Fundation for Space Environment［M］.Beijing：National Defence Industry Press，2001：18，41.（in Chinese）

［3］陳信，袁修干.人?機(jī)?環(huán)境系統(tǒng)工程生理學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2000：73?74.Chen Xin，Yuan Xiugan.Physiological Fundation for Human?Equipment?Environmental System［M］.Beijing：Beijing Uni?versity of Aeronautics and Astronautics Press，2000：73?74.（in Chinese）

［4］Waligora J M，Horrigan D J，Nicogossian A.The physiology of spacecraft and space suit atmosphere selection［J］.Acta Astronautica，1991（23）：171?177.

［5］孫喜慶，姜世忠.空間醫(yī)學(xué)與生物學(xué)研究［M］.陜西：第四軍醫(yī)大學(xué)出版社，2010：162?178.Sun Xiqing，Jiang Shizhong.Space Medical and Biological Research［M］.Shannxi：The Fourth Military Medical Univer?sity Press，2010：162?178.（in Chinese）

［6］陳景山.航天服工程［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004：40?43.Chen Jingshan.Space Suit Engineering［M］.Beijing：Na?tional Defence Industry Press，2004：40?43.（in Chinese）

［7］陳金盾，劉偉波.神舟七號(hào)出艙活動(dòng)航天員系統(tǒng)總體方案［R］.中國(guó)航天員中心，2006.Chen Jindun，Liu Weibo.Shenzhou?7th EVA overall design of astronaut system［R］.China Astronaut Training and Re?search Center of China，2006.（in Chinese）

［8］Lange K E，Perka A T，Duffield B E，et al.Bounding the spacecraft atmosphere design space for future exploration mis?sions［R］.NASA/CR—2005?213689，2005.

［9］Foster PP，Bruce D.Butler2 Decompression to altitude：as?sumptions，experimental evidence，and future directions［J］.J Appl Physiol 2009（106）：678?690.

［10］Diana Risin，Stepaniak PC.Biomedical Results of the Space Shuttle Program［M］.NASA/SP?2013?607：315?325.

［11］賈思光，陳景山.太空減壓病的發(fā)病率與預(yù)防［J］.航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，2000，13（5）：378?381.Jia Siguang，Chen Jingshan.Incidence and prevention of space decompression sickness［J］.Space Medicine＆Medical Engineering，2000，13（5）：378?381.（in Chinese）

［12］Johnston Berry C A，Dietlein LF.SP?368 Biomedical Results of Apollo［M］.National Aeronautics and Space Administra?tion；1St Edition，1975：2?18.

［13］Johnston RS，Dietlein LF.Biomedical Results of Skylab［M］.NASA，Washington D.C，1977：10?12.

［14］Liskowsky D，Boyer J.NASA?STD?3000 NASA Space Flight Human System Standard［S］.NASA，2011.

［15］Conkin J，Norcross J R.，Abercrom F.J，et al.Evidence Report：Risk of Decompression Sickness（DCS）［M］.NASA，Johnson Space Center Houston，Texas，2016：16?21.

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(guó)航天醫(yī)學(xué)工程預(yù)先研究項(xiàng)目（2012SY54B0101）

劉偉波（1972－），男，碩士，研究員，研究方向?yàn)楹教灬t(yī)學(xué)工程總體技術(shù)。E?mail：weiboliu＠sina.com