方明元，王 晶，李西園，畢研強(qiáng)

(1. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所， 北京100094； 2. 可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京100094)

1 引言

人-航天服熱模型是一種將人體熱模型和航天服熱模型相耦合的數(shù)值仿真模型，能夠預(yù)測(cè)各種工況下航天服內(nèi)溫度、濕度、CO2濃度等參數(shù)的變化情況，用于評(píng)估航天服的性能，預(yù)測(cè)航天員在穿著航天服進(jìn)行艙外活動(dòng)時(shí)的熱舒適度等指標(biāo)，為航天服系統(tǒng)的性能分析提供便利，同時(shí)為航天服及其生命保障系統(tǒng)的研制提供參考。

航天服熱模型一般由液冷/通風(fēng)服熱模型和便攜式生保系統(tǒng)熱模型組成，雖然實(shí)際結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但其傳熱機(jī)制相對(duì)簡(jiǎn)單。 與此相對(duì)，人體作為生物體具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和生理調(diào)節(jié)機(jī)制，其建模難度要大于航天服。 同時(shí)人體作為一個(gè)熱源又與航天服內(nèi)傳熱和傳質(zhì)情況相耦合，因此是否準(zhǔn)確建立人體熱模型將直接決定人-航天服模型的準(zhǔn)確度。

自上世紀(jì)60 年代起，各航天機(jī)構(gòu)均開展了面向航天服設(shè)計(jì)、優(yōu)化的人體熱模型研究，為航天服、環(huán)控生保系統(tǒng)的研制提供支撐。 與建筑空調(diào)、載具、醫(yī)療等領(lǐng)域的人體熱模型相比，航天服用人體熱模型在人體的幾何構(gòu)型、血液建模、個(gè)體差異影響等方面均存在明顯不同，并且其他領(lǐng)域的人體熱模型往往欠缺對(duì)航天環(huán)境低壓、失重因素的考慮。 本文整理近50 年來各機(jī)構(gòu)研究的用于航天領(lǐng)域的人體熱模型，對(duì)比其他領(lǐng)域典型的人體熱模型，從幾何構(gòu)型、血液建模、低壓失重、個(gè)體差異影響4 個(gè)方面給出未來航天服用人體熱模型的發(fā)展方向，為未來航天服的研制提供參考。

2 人體熱模型幾何精細(xì)度

自實(shí)施阿波羅計(jì)劃以來，美國(guó)開展了大量人-航天服的建模仿真研究。 從上世紀(jì)90 年代起，中國(guó)也開始相關(guān)研究。 早期大部分人體熱模型為一維10 節(jié)段模型，進(jìn)入21 世紀(jì)后，人體熱模型的幾何精細(xì)度得到提升，主要體現(xiàn)在模型節(jié)段數(shù)量的增加和模型維數(shù)的提高。

對(duì)于模型節(jié)段的劃分，早期模型多基于一維10 節(jié)段的Stolwijk 模型[1]。 該模型將人體劃分成頭部、軀干、手臂、手、腿、腳等10 段，如圖1(a)所示。 隨著計(jì)算機(jī)性能的提升，相關(guān)軟件的發(fā)展以及人體生理學(xué)、解剖學(xué)數(shù)據(jù)的豐富，開始使用更細(xì)致的節(jié)段劃分人體熱模型。 如應(yīng)用較為廣泛的基于Wissler 模型[2]和Fiala 模型[3]的15 節(jié)段人體熱模型。 相比于早期的10 節(jié)段模型，Wissler 模型對(duì)人的四肢和軀干進(jìn)行了細(xì)致劃分(圖1(b))，將手臂分為上臂和下臂，腿部分為大腿和小腿，軀干分為胸部和腹部。 這樣的劃分不僅詳細(xì)地考慮了節(jié)段之間組織結(jié)構(gòu)的差異，還考慮了人在做不同運(yùn)動(dòng)時(shí)不同部位肌肉產(chǎn)熱的差異。 而Fiala 模型則增加了面部、肩部、頸部和腰部節(jié)段(圖1(c))。 面部的組織分布以及對(duì)溫度的敏感程度與頭部其他地方有較明顯的區(qū)別，因此把面部從頭部節(jié)段分離出來。 其他增加的節(jié)段同理。 由此可以看出越細(xì)致的節(jié)段劃分使得人體熱模型所考慮的人體細(xì)節(jié)更加豐富，模型更能反映真實(shí)情況。

對(duì)于模型維數(shù)的選擇，早期模型多為一維模型，每一個(gè)節(jié)段上各層組織的物理參數(shù)沒有周向和軸向的差別(圖2(a))。 進(jìn)入21 世紀(jì)之后，二維和三維模型開始發(fā)展起來，如Fiala 模型是典型的二維模型，該模型對(duì)每一個(gè)節(jié)段進(jìn)行了徑向劃分，使得模型節(jié)段能夠反映周向溫度的變化(圖2(b))。 三維模型則一般通過對(duì)節(jié)段進(jìn)行網(wǎng)格劃分來建立(圖2(c))，通過有限元或有限差分的數(shù)學(xué)方法求解，三維模型能夠比二維和一維模型獲得更詳細(xì)的溫度場(chǎng)分布，適應(yīng)性更廣，尤其適用于溫度梯度較大的情況。 另外在某些特殊情況下，如航天服液冷服管路的分布設(shè)計(jì)需要三維的人體熱模型來反映人體各個(gè)節(jié)段周向和軸向的溫度分布差異。

圖1 人體熱模型節(jié)段劃分示意[1-3]Fig.1 Schematic diagram of segmentation of human thermal model[1-3]

圖2 不同維數(shù)的人體熱模型節(jié)段對(duì)比Fig.2 Comparison of segments with different dimensions

綜上所述，采用更多的節(jié)段劃分和三維構(gòu)型是未來航天服熱仿真研究中的人體熱模型的發(fā)展趨勢(shì)。 需要注意的是，節(jié)段不是劃分得越多越好，一方面節(jié)段的增加會(huì)導(dǎo)致模型的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，增加建模難度和仿真時(shí)間；另一方面節(jié)段劃分越多，人體劃分越細(xì)致，需要測(cè)量的生理參數(shù)就越多，相鄰兩節(jié)段之間的生理差異也越小，整個(gè)模型預(yù)測(cè)精度的提升也越小。 此外，在工程實(shí)際應(yīng)用中，還需要根據(jù)具體的熱邊界條件，如液冷服的分布等有針對(duì)性地對(duì)人體熱模型節(jié)段的劃分作出調(diào)整。 目前用于航天服仿真的人體熱模型普遍在15節(jié)段及15 節(jié)段以下，節(jié)段劃分標(biāo)準(zhǔn)也不統(tǒng)一。 綜合各種模型的劃分優(yōu)點(diǎn)，可將比較流行的Wissler的模型、Fiala 的模型和Berkeley 模型[4]的劃分方法相結(jié)合，即在Fiala 模型的基礎(chǔ)上考慮上臂和下臂、大腿和小腿，并將胸部節(jié)段分成前胸和后背兩部分，構(gòu)成20 節(jié)段的人體熱模型(圖1(d))。 對(duì)于手臂和腿部的分割，由于它們位于活動(dòng)關(guān)節(jié)的兩側(cè)，一側(cè)為近心端，一側(cè)為遠(yuǎn)心端，生理參數(shù)會(huì)有差異，組織溫度也不同，比如大腿溫度一般比小腿溫度要低。 對(duì)于航天服來說，液冷服管路中的液體和通風(fēng)服中的氣體溫度，遠(yuǎn)心端也會(huì)比近心端要低一些；對(duì)于前胸和后背的分割，除了考慮這兩部分對(duì)人體熱感覺的敏感程度不同，艙外航天服背部還安裝有便攜式生保系統(tǒng)，這也是液冷服液體的出口位置，因此艙外航天服內(nèi)側(cè)前胸和后背的邊界條件也會(huì)略有不同。 綜上差異，將人體熱模型節(jié)段增加到20 節(jié)段可進(jìn)一步提升模型精度，且不至于把模型變得過于復(fù)雜和冗余。

目前用于航天服仿真的三維人體熱模型較少，新模型的開發(fā)可參考其他領(lǐng)域的三維人體熱模型，如Shoji[5]開發(fā)的用于預(yù)測(cè)著裝人體生理反應(yīng)的模型、趙陽[6]開發(fā)的用于暖通空調(diào)領(lǐng)域的模型、Ferreira[7]開發(fā)的通用人體模型、Sun[8]開發(fā)的用于非均勻熱環(huán)境的模型、Tang[9]開發(fā)的用于功能性服裝設(shè)計(jì)和舒適度評(píng)估的模型等。 將其他領(lǐng)域三維人體熱模型用于航天服仿真的難點(diǎn)在于人體熱模型與其邊界條件即航天服中液冷/通風(fēng)服熱模型的耦合。 對(duì)于各節(jié)段需進(jìn)行徑向扇面劃分的人體熱模型，液冷/通風(fēng)服熱模型需要進(jìn)行同樣的徑向劃分，使每一個(gè)服裝扇面與人體節(jié)段扇面相吻合；通過有限元方法建立的三維人體熱模型，液冷/通風(fēng)服熱模型也要使用相同的方法進(jìn)行三維建模。 李杰[10]建立了三維人-液冷/通風(fēng)服熱模型來研究人與液冷/通風(fēng)服的換熱情況，但模型中沒有考慮人體血液調(diào)節(jié)作用和人體與手套、頭盔的熱交換，三維人-航天服熱模型距離工程化應(yīng)用還需要進(jìn)一步完善。 另外，對(duì)于與液冷/通風(fēng)服耦合的便攜生保系統(tǒng)模型，其輸入和輸出量一般為冷卻液流量、通風(fēng)量等一維參數(shù)，因此其建模的方法和維數(shù)可以和人體熱模型、液冷/通風(fēng)服熱模型不同，仍可保持其常用的一維集總參數(shù)結(jié)構(gòu)。表1 列出了在航天服研究中使用的人體熱模型幾何結(jié)構(gòu)。

3 血液循環(huán)系統(tǒng)換熱模型

人體的血液循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)其進(jìn)行建模時(shí)需要合理簡(jiǎn)化。 血液循環(huán)系統(tǒng)對(duì)人體內(nèi)部的傳熱及熱調(diào)節(jié)過程有較大影響，有研究表明人體的血液循環(huán)轉(zhuǎn)移了人體50%～80%的熱量[31]，建模時(shí)不恰當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化會(huì)導(dǎo)致人體熱模型的瞬態(tài)響應(yīng)結(jié)果偏離實(shí)際。 對(duì)于曾廣泛應(yīng)用于航天領(lǐng)域的10 節(jié)段人體熱模型，研究人員為了簡(jiǎn)化模型，對(duì)血液循環(huán)系統(tǒng)模型做了許多與解剖學(xué)不同的假設(shè)，例如假設(shè)心臟直接向所有節(jié)段供血，使得所有節(jié)段輸入的動(dòng)脈血液溫度相同，與血液溫度沿肢端逐漸降低的事實(shí)相悖；假設(shè)血流速率和肌肉代謝率成正比[32]，使得人體熱模型在模擬寒冷環(huán)境出現(xiàn)寒顫時(shí)，血流速率會(huì)突然升高；假設(shè)動(dòng)脈血液直接流向各個(gè)節(jié)段，使得模型各節(jié)段溫度會(huì)快速升高，甚至觸發(fā)出汗機(jī)制，這與實(shí)際結(jié)果存在較大偏差。 因此血液循環(huán)系統(tǒng)對(duì)模型的瞬態(tài)響應(yīng)影響顯著。

近年來其他領(lǐng)域的人體熱模型已經(jīng)使用了較為復(fù)雜的血液循環(huán)模型，大大提高了模型對(duì)瞬態(tài)環(huán)境的響應(yīng)能力。 如UC Berkeley 模型、Fiala 模型、Salloum 模型[33]、JOS-2 模型[34]等，這些模型均模擬了動(dòng)靜脈血液從心臟處依次流到各個(gè)人體節(jié)段的循環(huán)過程中的傳熱，并考慮了動(dòng)靜脈逆流換熱、毛細(xì)血管與各組織的換熱(圖3)。 這些精細(xì)化考慮，保證了人體熱模型在瞬態(tài)條件下溫度預(yù)測(cè)不會(huì)明顯偏離實(shí)際。 在此基礎(chǔ)上，引入如JOS-2 模型中對(duì)人體熱模型的手、腳部構(gòu)建的淺表靜脈和動(dòng)靜脈吻合結(jié)構(gòu)，使得模型中手部和腳部的溫度預(yù)測(cè)更加準(zhǔn)確。 另外，可以考慮類似Salloum 模型中用Avolio[35]精確的生理數(shù)據(jù)構(gòu)建真實(shí)尺寸的動(dòng)脈樹結(jié)構(gòu)，見圖4。 通過動(dòng)脈樹可以計(jì)算每條動(dòng)脈的特性阻抗、傳播常數(shù)、波反射系數(shù)和輸入阻抗，進(jìn)而較為精確地預(yù)測(cè)每條動(dòng)脈和靜脈中的血流速率，從而使得血液和組織內(nèi)的傳熱計(jì)算更加準(zhǔn)確。 但這種動(dòng)脈樹模型仍存在一些問題，如各節(jié)段的血流量無法根據(jù)人體的熱狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，動(dòng)脈血液進(jìn)入皮膚、肌肉和直接進(jìn)入靜脈的血流量的比例還無法確定[31]。 對(duì)于研究人員來說，一方面可以對(duì)現(xiàn)有血液循環(huán)系統(tǒng)換熱模型所存在的問題進(jìn)行改進(jìn)，另一方面可將近年來生理學(xué)和解剖學(xué)領(lǐng)域涌現(xiàn)出的優(yōu)秀血液循環(huán)系統(tǒng)換熱模型引入航天領(lǐng)域人體熱模型中，來提高模型的預(yù)測(cè)精度[31]。

表1 國(guó)內(nèi)外人-航天服熱仿真模型結(jié)構(gòu)Table 1 The structure of human thermal model used in space suit development

圖3 血液換熱示意 Fig.3 Schematic diagram of blood heat transfer

4 低壓和失重對(duì)人體的影響

圖4 Salloum 模型中的動(dòng)脈樹結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of arterial tree in Salloum model

目前絕大多數(shù)人體熱模型只適用于地面正常壓力和重力情況，人-航天服熱模型需要考慮低壓、失重對(duì)人體的影響。

4.1 低壓

中國(guó)“飛天” 系列航天服內(nèi)的氣壓約為40 kPa，氧氣含量不低于95%[36]。 在該低壓環(huán)境下，液體的沸點(diǎn)降低，人體蒸發(fā)散熱量增加，進(jìn)而使得人體皮膚的散熱及呼吸散熱增加；由于空氣密度改變，人體與環(huán)境之間的換熱系數(shù)也發(fā)生變化。 崔代秀等[37]的實(shí)驗(yàn)表明，23 ℃環(huán)境下壓力從1 atm 降到0.47 atm，人體的汗液蒸發(fā)量增加了17%。 低氣壓下人體血液氧分壓降低，會(huì)引起呼吸系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)的活動(dòng)增加，使得人體代謝率增加。 童力[38]的研究表明，當(dāng)大氣壓力從1 atm 降到0.8 atm 時(shí)，靜坐的人體代謝率增加22.2%。

低壓環(huán)境下的人體蒸發(fā)量可以通過改變模型中呼吸散熱和皮膚汗液蒸發(fā)散熱計(jì)算中的環(huán)境壓力項(xiàng)來計(jì)算；對(duì)于人體與環(huán)境的各項(xiàng)換熱系數(shù)的改變，也可以從修改模型中的相關(guān)公式入手。 對(duì)于低壓對(duì)人體呼吸和代謝率的影響，可通過人體實(shí)驗(yàn)獲得。 低壓環(huán)境的人體實(shí)驗(yàn)一般在低壓艙中進(jìn)行，低壓艙的空調(diào)系統(tǒng)調(diào)節(jié)艙內(nèi)的溫度和濕度，受試者在低壓艙中處于靜坐或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通過皮膚上的溫度傳感器記錄受試者的皮膚溫度變化情況，通過心肺功能測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量人的呼吸速率、呼吸氣體中的氧分壓和二氧化碳分壓等多項(xiàng)指標(biāo)，獲得人體的呼吸速率、代謝率等指標(biāo)[38]。

4.2 失重

失重環(huán)境下，人的生理情況會(huì)發(fā)生多方面的變化：①心臟供血能力下降，血液流速變慢，血管內(nèi)徑變小，血液管壁收縮能力下降，和平號(hào)空間站在軌實(shí)驗(yàn)表明6 個(gè)月的空間飛行使航天員的心率下降了20%[39]，SLS-2 火箭在軌數(shù)據(jù)表明航天員的血液循環(huán)總量在36 h 內(nèi)降低了20%[40]，導(dǎo)致人體的熱調(diào)節(jié)能力下降；②血流量在四肢的分配發(fā)生變化，下肢血壓降低，上肢、頭部血壓升高[39]，導(dǎo)致人體上肢和頭部的皮膚層和核心層的溫度升高，下肢的皮膚層和核心層溫度降低，禮炮6 號(hào)數(shù)據(jù)表明在軌航天員的胸部溫度上升3 ℃，小腿溫度下降3 ℃[41]；③在軌飛行中，多種因素使得航天員的攝入能量減少，人體長(zhǎng)時(shí)間生活在狹小的航天器內(nèi)，肌肉活動(dòng)受到限制，失重環(huán)境使得支撐人體所需的力量減少，人體的代謝率會(huì)降低[40]；④由于下肢不再需要力量來支撐人體，人體運(yùn)動(dòng)模式發(fā)生了顯著改變，人體在工作時(shí)的代謝率分布會(huì)發(fā)生變化；⑤由于代謝率的降低，進(jìn)一步影響人體對(duì)環(huán)境的散熱量，人的蒸發(fā)散熱、呼吸散熱均會(huì)下降；⑥失重影響人的心理狀態(tài)，人在失重環(huán)境中容易出現(xiàn)抑郁、焦慮、緊張等負(fù)面情緒，這將降低人體的熱舒適程度。 綜上所述，人體熱模型建模時(shí)需要考慮失重的影響。

失重對(duì)人體影響的定量分析需要通過人體實(shí)驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)。 由于在軌實(shí)驗(yàn)費(fèi)用昂貴，失重的生理學(xué)研究一般采用大量地面實(shí)驗(yàn)和少量在軌實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法。 在地面實(shí)驗(yàn)中，一般采用臥床方式來模擬人體在失重情況下的生理變化情況[42]，當(dāng)臥床角度為頭低位-6°時(shí)，人體的心血管、肌肉等組織的工作情況與失重時(shí)最為相似。 另外也可使用大鼠尾吊法模擬微重力，通過測(cè)量大鼠生理指標(biāo)變化探究失重對(duì)生物體的影響機(jī)理，從而推測(cè)失重環(huán)境下人體的生理指標(biāo)變化情況[36]。

目前中國(guó)在失重條件下人體生理學(xué)研究還不能滿足相關(guān)工程的需求，失重對(duì)人體生理指標(biāo)的影響尚未完全量化，失重環(huán)境下人在各種工作狀態(tài)下的代謝率、血流速率等數(shù)據(jù)較少，需要通過實(shí)驗(yàn)來獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。 考慮到航天員常常同時(shí)處于低壓和失重環(huán)境，2 種環(huán)境對(duì)人的影響是互相耦合的，因此需要將低壓和失重環(huán)境實(shí)驗(yàn)相結(jié)合來獲得更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。 在地面模擬實(shí)驗(yàn)中，可以在低壓艙中營(yíng)造低壓純氧環(huán)境，充分做好防火措施，受試者采用頭低位臥床姿勢(shì)模擬失重環(huán)境，空調(diào)系統(tǒng)控制不同的溫度環(huán)境，通過貼在受試者皮膚上的溫度傳感器獲取人體溫度變化數(shù)據(jù)，通過心肺測(cè)試系統(tǒng)獲取人體呼吸及代謝率相關(guān)數(shù)據(jù)。 未來也可以通過在軌實(shí)驗(yàn)獲得更為真實(shí)可信的數(shù)據(jù)以修正地面模擬實(shí)驗(yàn)。

5 個(gè)體差異

一般來說，人體的年齡、性別、健康狀況、脂肪含量、BMI(Body Mass Index)指數(shù)、BMR(Basal Metabolic Rate)指數(shù)都會(huì)顯著影響人體的生理參數(shù)，進(jìn)而影響人體的溫度分布和熱舒適度[43]。 研究表明個(gè)體差異對(duì)人體熱模型平均皮膚溫度的影響可達(dá)1.2 ℃[44]。 在現(xiàn)階段，航天員一般來自于層層選拔、經(jīng)過訓(xùn)練的空軍飛行員，體質(zhì)優(yōu)于普通人。 未來會(huì)有更多專業(yè)人員執(zhí)行航天任務(wù)，如載荷專家、工程師等，他們的體質(zhì)更接近于一般人，因此在未來航天服設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)考慮針對(duì)種群、年齡、性別等引起的個(gè)體差異，通過重要特征參數(shù)化及參數(shù)特征化的迭代與回歸形成適用于不同群體的人體熱模型，以提升預(yù)測(cè)精度。

人體個(gè)性化生理參數(shù)的獲得方法可分為2類：間接估算和直接測(cè)量。 在有實(shí)驗(yàn)條件的情況下，對(duì)航天員的生理數(shù)據(jù)進(jìn)行直接測(cè)量能夠獲得更加準(zhǔn)確的結(jié)果；但某些參數(shù)，如熱導(dǎo)率、血液灌注率和組織代謝率等測(cè)量比較困難[45]，在條件限制的情況下，可采用間接估算的方法，通過測(cè)量人體一些容易獲得的參數(shù)來估算那些不易測(cè)量的參數(shù)。 許多人體熱模型都通過估算的方法來考慮個(gè)體生理參數(shù)差異影響，如Berkeley 模型、Fiala 模型[46]、ThermoSEM 模型[47]等，但這幾種模型考慮的參數(shù)都不夠全面，Davoodi 的人體模型[48]較為全面地考慮了各種個(gè)性化參數(shù)，使用身高、體重、性別、年齡等容易獲得的參數(shù)來估算其他不易獲得的參數(shù)，如皮膚面積、各層組織的厚度、組織的熱容和熱阻、皮膚血流量、代謝率以及人體在熱調(diào)節(jié)過程中的血流變化、出汗率和寒顫產(chǎn)熱量等，計(jì)算公式由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析獲得。 這種通過簡(jiǎn)單易測(cè)的數(shù)據(jù)來估算難測(cè)的生理參數(shù)的方法值得借鑒。 不過由于Davoodi 人體模型使用的是2 節(jié)點(diǎn)模型，并且各參數(shù)的估算方法基于外國(guó)人的體質(zhì)，無法直接用于中國(guó)的多節(jié)點(diǎn)人體熱模型。 Zhou等[44]基于Fiala 模型建立了適用中國(guó)人體質(zhì)的人體模型，模型在皮膚面積、脂肪含量等生理參數(shù)上按中國(guó)人的體質(zhì)進(jìn)行了調(diào)整，其數(shù)據(jù)和方法可作為參考。 由于缺少基于中國(guó)人體質(zhì)的熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)的相關(guān)生理數(shù)據(jù)，模型中有關(guān)人體熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)如寒顫產(chǎn)熱量、出汗率以及人體對(duì)環(huán)境溫度變化的響應(yīng)特征等并未進(jìn)行個(gè)性化修正。

綜上，為中國(guó)航天員建立覆蓋更多人群的個(gè)性化人體熱模型關(guān)鍵在于獲取他們的人體生理數(shù)據(jù)。 對(duì)于各節(jié)段的皮膚面積、脂肪含量等生理解剖方面的數(shù)據(jù)可通過直接測(cè)量與估算相結(jié)合的方式獲?。粚?duì)于人體對(duì)環(huán)境變化做出的響應(yīng)差異，如出汗臨界溫度、寒顫產(chǎn)熱量等需要通過實(shí)驗(yàn)來測(cè)量；對(duì)于人體主動(dòng)熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的各項(xiàng)控制系數(shù)可以通過對(duì)皮膚溫度在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)溫度環(huán)境中的響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析來反解算獲得。 隨著中國(guó)載人航天活動(dòng)逐漸頻繁，航天員在軌時(shí)間逐漸增加，研究人員可考慮通過在軌實(shí)驗(yàn)采集航天員在低壓失重環(huán)境下的個(gè)性化生理數(shù)據(jù)，在軌實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比地面模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加真實(shí)可信，并通過地面模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與在軌數(shù)據(jù)對(duì)比，提出地面實(shí)驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)處理的修正方案，以此來完善地面模擬實(shí)驗(yàn)。

6 結(jié)論

1)用于人-航天服仿真系統(tǒng)中的人體熱模型的幾何結(jié)構(gòu)應(yīng)向更加精細(xì)的方向發(fā)展，以三維20節(jié)段的構(gòu)型為宜。 三維結(jié)構(gòu)使得模型的應(yīng)用范圍更廣，20 節(jié)段的劃分形式使得模型在溫度場(chǎng)計(jì)算精度與計(jì)算復(fù)雜度之間獲得平衡。

2)引入生理學(xué)、解剖學(xué)領(lǐng)域的先進(jìn)血液循環(huán)系統(tǒng)模型可以精確模擬血管與組織間的換熱過程，改善人體熱調(diào)節(jié)模型的瞬態(tài)響應(yīng)。

3)低壓失重環(huán)境對(duì)人體影響的數(shù)據(jù)較為缺乏，需要進(jìn)一步開展相應(yīng)的生理學(xué)實(shí)驗(yàn)獲取數(shù)據(jù)來提高人體熱模型在低壓失重環(huán)境下的仿真精度。

4)考慮到個(gè)體差異的影響，應(yīng)為中國(guó)航天員建立覆蓋更多人群的個(gè)性化生理數(shù)據(jù)庫(kù)，經(jīng)過個(gè)體參數(shù)優(yōu)化的人體熱模型，預(yù)測(cè)結(jié)果才能更貼近航天員的實(shí)際生理情況。

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大賽的題目都是面對(duì)當(dāng)前的實(shí)際問題，結(jié)合最前沿的技術(shù)和主流技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)，學(xué)生在實(shí)際參賽過程中，會(huì)通過各種手段去學(xué)習(xí)最新最前沿的技術(shù)方法，對(duì)問題進(jìn)行解決，從而進(jìn)一步提升了學(xué)生學(xué)習(xí)新技術(shù)的能力[4]。

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