劉朝霞 吳大蔚 陳 欣 吳 斌 劉偉波 費錦學 彭遠開 翟志宏 仲崇發(fā)張 兵 徐玉彬 黃偉芬

(中國航天員科研訓練中心, 北京 100094)

1 引言

載人月球探測任務(wù)中,航天員地月往返將駕乘載人飛船,月面航天員在環(huán)月及著月期間在月面著陸器內(nèi)工作生活。 月面駐留期間,航天員需著登月服開展出艙活動(Extra Vehicular Activity,EVA),正常狀態(tài)需常規(guī)性開展月面行走和科考工作,EVA 成為常態(tài)化,要求具備連續(xù)每日EVA的能力;故障時需緊急出艙維修。 因此,載人月球探測任務(wù)必須實現(xiàn)連續(xù)多天每天均可出艙,短時隨時出艙,以確保環(huán)境安全和月面作業(yè)任務(wù)高效完成。

實現(xiàn)連續(xù)每日出艙、短時隨時出艙的制約因素是飛行器和登月服的大氣壓力制度。 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,是載人月球探測任務(wù)的頂層指標之一,與飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計與安全、航天員健康安全、出艙活動任務(wù)設(shè)計、飛行資源代價等密切相關(guān)[1]。 各航天大國一直在探尋高效安全的大氣環(huán)境壓力制度。 從20 世紀60 年代至今,艙內(nèi)大氣壓力制度由1/3 純氧逐步過渡到1 atm 的氧氮混合氣。 截止目前,僅阿波羅任務(wù)實現(xiàn)了純氧壓力制度下的連續(xù)每日出艙,但也付出了火災(zāi)亡人事故的代價。 當前的1 atm 氧氮混合氣壓力制度均不能連續(xù)每日出艙,且EVA 前需階梯降壓、吸氧排氮。 美國始終堅持30 kPa 純氧的艙外服壓力制度,航天飛機階梯壓力制度出艙間隔為1 d,空間站經(jīng)氣閘艙出艙間隔為3 d。 蘇聯(lián)/俄羅斯與中國的壓力制度相近,載人航天器均采用1 atm 氧氮混合氣壓力制度,艙外航天服始終采用40 kPa 純氧壓力制度,吸氧排氮方案為氣閘艙泄壓至70 kPa,服內(nèi)吸氧排氮30 min 后出艙,出艙間隔不小于3 d。

截止目前,1 atm 壓力制度下尚未實現(xiàn)航天員連續(xù)多天每日均可出艙,也未見模擬連續(xù)出艙的地面試驗的相關(guān)研究,目前對如何實現(xiàn)每日連續(xù)出艙,如何評估增減壓重復暴露帶來的減壓病風險尚缺乏理論和實踐認識。 針對載人月球探測任務(wù)連續(xù)每日出艙需求,本文提出雙服壓、低服壓的壓力制度,對2 種壓力制度下實施連續(xù)多天每日出艙的安全性進行試驗驗證,旨在為載人月球探測任務(wù)大氣環(huán)境壓力制度的制定提供理論和試驗依據(jù)。

2 載人月球探測任務(wù)壓力制度設(shè)計

載人航天器大氣壓力制度的選擇,需綜合統(tǒng)籌人體生理學要求和工程技術(shù)需求。

2.1 人體生理學要求

1)缺氧。 根據(jù)人體急性缺氧生理效應(yīng),氧分壓應(yīng)不低于 1500 m 人體生理等效高度(18 kPa)[2]。

2)氧中毒。 高氧對人體最主要的影響為氧中毒,可引起呼吸、循環(huán)、血液系統(tǒng)及中樞神經(jīng)系統(tǒng)不良反應(yīng)。 其容許限值沒有確定性結(jié)論[3-5],為確保長期飛行航天員的健康和工作效能,同時考慮工程安全性,選取與地面大氣環(huán)境生理等效的氧分壓。

3)減壓病。 EVA 時航天員將在短時間內(nèi)從1 atm 航天器過渡到低氣壓的艙外航天服有可能產(chǎn)生減壓病。 環(huán)境氣壓降低過快或幅度過大時,溶于體內(nèi)的惰性氣體超過過飽和安全限值,逸出形成不溶性氣泡是導致減壓病的主要原因[5]。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)[6]。 評估減壓病風險的核心指標為氮氣過飽和系數(shù)(R值),即減壓前人體組織內(nèi)氮分壓與減壓后總壓的比值。 當前降低R值的方法包括提前降低艙外活動前大氣環(huán)境總壓、執(zhí)行吸氧排氮等。 NASA 航天標準規(guī)定[7-8],不產(chǎn)生減壓病的R值為1.22,R值為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,但需要吸氧排氮/階梯減壓,且出艙間隔至少1～2 d。

2.2 工程技術(shù)需求

針對工程技術(shù)因素,資源代價是最大約束,環(huán)境安全是核心保障,靈活高效是最高目標。大氣壓力制度需要考慮的工程技術(shù)需求包括:①與發(fā)射、返回當?shù)卮髿鈮浩ヅ?利于航天員快速開艙; ②考慮防火安全設(shè)計,嚴控氧氮比例,針對最高氧濃度水平嚴格篩選非金屬材料; ③適當降低總壓,優(yōu)化艙體強度設(shè)計,有效減少氣體消耗和補給; ④較低艙壓將減少熱交換的可能影響; ⑤器/服匹配性及艙外活動工作效能。航天服壓力、機動性、預(yù)呼吸時間、EVA 時間間隔等的權(quán)衡一直是涉及出艙活動效率的重要因素。 針對EVA 前4 h 的預(yù)呼吸需求,NASA 力求通過實現(xiàn)高氣壓提高機動性予以解決[9]。 但從目前工程技術(shù)發(fā)展看,仍需選擇30～40 kPa 較低服裝壓力。

從航天器大氣環(huán)境壓力制度的發(fā)展看,當前的1 atm 制度均無法實現(xiàn)連續(xù)每日出艙,要實現(xiàn)連續(xù)每日出艙、簡化吸氧排氮快速高效出艙,就要降低總壓,以減控減壓病風險;但同時需要避免氧濃度過高,確保環(huán)境安全,這又需要盡可能選取較高的艙壓;壓力制度的選擇需要同步滿足高效率和低風險,實現(xiàn)最優(yōu)匹配,如圖1 所示。

圖1 大氣壓力制度選擇需考慮的技術(shù)要素Fig.1 Technical key elements in atmospheric pressure regime selection

2.3 壓力制度選擇原則與目標

載人月球探測任務(wù)運輸代價巨大,應(yīng)秉承安全、經(jīng)濟、效能原則,研究提出安全、高效、經(jīng)濟、可行的大氣壓力制度,以達到降低物資消耗和提高出艙效能的目的。 大氣壓力制度選擇的目標為:①航天員每天均可執(zhí)行艙外活動,無需長時吸氧排氮,不出現(xiàn)減壓病; ②保證登月服的機動性能;③降低月面停留和出艙活動的資源消耗; ④保證正常和應(yīng)急情況下航天員的安全。

2.4 壓力制度方案

2.4.1 壓力制度選擇方法

依據(jù)R值不大于1 的條件下,盡可能減控艙內(nèi)氧濃度的原則,以發(fā)射返回時1 atm 為計算起點,入軌后階梯減壓,以盡可能減少EVA 前的吸氧排氮時長,選擇正常氧分壓,以避免引起高氧和低氧不良生理反應(yīng)。

針對當前已有2 種服裝壓力,從1 atm 連續(xù)計算座艙各總壓及不同氧分壓配比條件下降至艙外服壓力的R值、氧濃度。 低壓暴露后R值計算方法見式(1):

其中,P0為減壓前初始總壓,6.27 為肺泡水蒸氣分壓,N2為氮氣百分比,Pt 為減壓后總壓。 2種服裝壓力制度的器-服壓力組合最大包絡(luò)典型工況計算結(jié)果如表1 所示。

表1 月面出艙活動減壓病風險分析Table 1 Risk analysis of decompression sickness during lunar EVA

按照上述原則,綜合分析計算結(jié)果,論證提出分別針對40/30 kPa 雙服壓、30 kPa 低服壓的大氣環(huán)境壓力制度建議。

2.4.2 40 kPa/30 kPa 雙服壓壓力制度

1)月面著陸器壓力制度。 如表1 所示,針對40 kPa 服裝壓力,當座艙總壓為62 kPa 時,R值接近1.0,因此按照總壓控制范圍(58±4)kPa、氧分壓控制范圍(21±2)kPa、供氧優(yōu)先的控制策略設(shè)計月面著陸器壓力制度。 登月服采用40 kPa純氧壓力制度時,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,出艙活動無時間間隔限制,整體上出艙活動效能高。 同時,艙內(nèi)氧濃度最高為37.1%,雖超出NASA 艙內(nèi)氧濃度不高于30%的著火風險控制要求,但滿足俄羅斯提出的艙內(nèi)氧濃度不高于40%的控制標準。

2)登月服壓力制度。 考慮到在40 kPa 純氧服裝環(huán)境工作期間有吸氧排氮作用,登月服首先采用40 kPa 壓力,工作一段時間后降至30 kPa,以提升著服操作靈活性。 式(2)為吸氧排氮的R值公式:

其中,P0為減壓前初始氮分壓,Pa為吸入氣氮分壓,k為組織氮氣清除率常數(shù),t為低壓暴露時間,Pb為減壓后總壓。 按照式(2)計算,從58 kPa 標稱值及62 kPa 艙壓高限進入40 kPa 服裝純氧環(huán)境,工作1～2 h 后將服壓降到30 kPa 的R值≤1。 因此,登月服壓力制度為:首先采用40 kPa 純氧壓力制度,停留2 h 后可按需將壓力降至30 kPa, 艙外作業(yè)結(jié)束后艙壓恢復至58 kPa。 該服裝壓力制度一方面應(yīng)能滿足減壓病防護需求,另一方面可滿足精細操作需要。 考慮到方案的安全性、重復暴露時R值評估的有限性,出艙前可結(jié)合服內(nèi)操作,在40 kPa 純氧環(huán)境下進行不少于15 min 的吸氧排氮。

3)載人飛船壓力制度。 載人飛船發(fā)射段和返回著陸段,為與發(fā)射場和著陸場環(huán)境匹配,座艙總壓選取1 atm。 從地面到月軌飛行的過程中逐步減壓至月面著陸器壓力,共分2 步: ①由1 atm減壓至70 kPa,借鑒俄羅斯與中國出艙活動經(jīng)驗,不需要吸氧排氮。 為充分排放組織中的氮氣,在70 kPa 停留至少12 h。 ②70 kPa 減壓至58 kPa,由1 atm 經(jīng)70 kPa 停留12 h 后減壓至58 kPa 的R值小于1,可直接減壓;從停留不同時間的R值看,停留36 h 后R值隨時間延長而進一步減少的趨勢已相對較緩,停留48 h 則慢排放組織內(nèi)的氮氣已得到較充分地釋放,因此,要求58 kPa 停留不小于48 h。

綜上,40 kPa/30 kPa 雙服壓壓力制度為:地月飛行段,載人飛船從1 atm 擇機減壓至70 kPa,停留12 h 后減壓至58 kPa,按照總壓(58±4)kPa、氧分壓(21±2)kPa 控制大氣壓力環(huán)境,并停留48 h以上。 環(huán)月及月面駐留階段,載人飛船及月面著陸器按照總壓(58±4)kPa、氧分壓(21±2)kPa 控制。登月服首先采用40 kPa 純氧壓力制度,服內(nèi)純氧環(huán)境下操作15 min 及以上后(相當于吸氧排氮)出艙,在40 kPa 服裝純氧環(huán)境工作2 h 后,服壓可降至30 kPa,停留不大于6 h。 EVA 結(jié)束后月面著陸器艙壓恢復至58 kPa,每日重復。 月-地飛行段,載人飛船從58 kPa 復壓,按照總壓1 atm、氧分壓(21±2)kPa 控制。 雙服壓壓力制度的全任務(wù)包絡(luò)示意圖見圖2。

圖2 40 kPa/30 kPa 雙服壓壓力制度示意圖Fig.2 Diagram of atmospheric pressure regime for double extravehicular spacesuit pressure system(DESPS)

2.4.3 低服壓壓力制度

1)月面著陸器壓力制度。 飛行器總壓(58±4)kPa、氧分壓(21±2)kPa 條件下,若登月服采用30 kPa 純氧壓力制度,R值在1.0～1.29 之間,仍存在一定的減壓病風險,出艙前需要吸氧排氮,出艙活動間隔不小于1 d。 為實現(xiàn)連續(xù)出艙要求,必須進一步下調(diào)艙壓。 為保證航天員安全和正常工作,氧分壓不能低于18 kPa。 根據(jù)表1 計算結(jié)果及壓力制度選取原則,月面著陸器的壓力制度為:與載人飛船對接后,艙內(nèi)總壓控制范圍(50±4)kPa,氧分壓(20±2)kPa,供氧優(yōu)先。 該制度艙內(nèi)氧濃度偏高,需加強著火安全性相關(guān)工程控制要求。

2)登月服壓力制度。 服裝采用30 kPa 純氧壓力制度。 從載人飛船轉(zhuǎn)入月面著陸器后如快速出艙,則載人飛船的總壓58 kPa/氧分壓21 kPa大氣環(huán)境暴露在短時間內(nèi)無法平衡,需以該大氣環(huán)境為初始狀態(tài)分析減壓病風險。 根據(jù)式(2)的計算結(jié)果見表2:首次出艙活動時需吸氧排氮1 h,出艙活動結(jié)束后艙壓恢復至50 kPa,后續(xù)可每日出艙。 出艙活動前以服內(nèi)純氧環(huán)境下15 min及以上的相關(guān)操作替代吸氧排氮。

表2 吸氧排氮不同時間的R 值Table 2 R values at different times of preoxygenation

3)載人飛船的壓力制度同雙服壓壓力制度,對接前,按需將艙內(nèi)總壓降至與月面著陸器總壓相同。

如果在作文中沒找出作文的主題，就很容易導致作文的失分。如2018年高三佛山一模的作文的主題是“學生發(fā)展核心素養(yǎng)”，學生必須先要找到這個主題，再在“人文底蘊、科學精神、學會學習、健康生活、責任擔當、實踐創(chuàng)新”中選擇關(guān)鍵詞，而有些學生的主題立為學生、核心、發(fā)展、素養(yǎng)的一個方面或者兩個方面，未能把握整個主題，主題找不準，這樣也是不能實現(xiàn)主題性關(guān)聯(lián)。

綜上,30 kPa 低服壓壓力制度為:載人飛船壓力制度同上。 環(huán)月階段,月面著陸器總壓從58 kPa直接降至50 kPa,氧分壓保持不低于18 kPa;后續(xù)及駐月階段,艙壓按照總壓(50±4)kPa、氧分壓(20±2)kPa 控制。 登月服采用30 kPa 純氧壓力制度,首次EVA 前,吸氧排氮1 h,停留不大于8 h 后結(jié)束EVA,艙壓恢復至50 kPa。 后續(xù)EVA 前,在30 kPa 服內(nèi)純氧環(huán)境下操作15 min 及以上,工作不大于8 h 后結(jié)束EVA,艙壓恢復至50 kPa,每日重復。 全任務(wù)包絡(luò)的低服壓壓力制度示意圖見圖3。

圖3 低服壓壓力制度示意圖Fig.3 Diagram of atmospheric pressure regime for low extravehicular spacesuit pressure system (LESPS)

2.4.4 2 種壓力制度比對分析

2 種壓力制度均采取地月飛行階梯降壓,逐步釋放組織中氮氣的減壓病防護思路。 月面活動期間,雙服壓壓力制度無需專門安排吸氧排氮時間,僅需結(jié)合服內(nèi)純氧環(huán)境不少于15 min 的操作實現(xiàn)吸氧排氮功能;低服壓壓力制度首次出艙需吸氧1 h,后續(xù)出艙也只需結(jié)合不少于15 min 的服內(nèi)純氧環(huán)境操作實現(xiàn)吸氧排氮功能。 2 種壓力制度均有望實現(xiàn)連續(xù)每日出艙,相關(guān)比對情況如表3 所示。

表3 兩種壓力制度候選方案比對分析Table 3 Comparative analysis of two candidate atmospheric pressure regimes

上述論證分析是基于理論計算的結(jié)果,2 種服壓的安全R值基本均不大于1,雖然推測應(yīng)能夠有效避免減壓病,不影響后續(xù)減壓病防護效能,但對于R值的風險評估效能是基于單次出艙的風險評估系數(shù)。 多次連續(xù)出艙,反復暴露的風險如何需開展相關(guān)試驗研究。

3 試驗方法

3.1 志愿者與分組

選取志愿者19 人(男性15 人、女性4 人),年齡25～49 歲,BMI 18.2～26.9,經(jīng)醫(yī)學和心理學檢查,均身心健康,排除了與減壓病密切相關(guān)的卵圓孔未閉疾患[10],并通過了高空減壓病易感性篩查。 男性志愿者分3 組,每組5 人,參加雙服壓、低服壓2 種壓力制度試驗;女性志愿者1 組共4 人,參加低服壓壓力制度試驗。 志愿者基本情況及分組見表4,4 組志愿者共完成7 輪次試驗。

表4 志愿者基本情況統(tǒng)計表Table 4 Statistics of basic information of volunteers

3.2 試驗方案

針對2 種壓力制度,利用中國航天員中心研制的飛船內(nèi)環(huán)境模擬艙開展密封艙試驗,模擬載人月球探測任務(wù)全包絡(luò)壓力環(huán)境。 志愿者按照一日三餐、每日睡眠8.5 h、工作8～11 h 的方式在艙內(nèi)連續(xù)生活9 d,其中連續(xù)4 d 每日模擬8 h EVA,通過綜合分析減壓病及心前區(qū)氣泡分級情況,驗證壓力制度的減壓病相關(guān)人體安全性。

壓力環(huán)境模擬流程為: ①地-月、月-地模飛時段,艙內(nèi)總壓、氧分壓按照載人飛船壓力制度控制,艙內(nèi)有害氣體和CO2控制通過新風置換實現(xiàn)。 地-月模擬飛行時段,總壓由1 atm 減壓至70 kPa 停留12 h,減壓至58 kPa 停留48 h。 ②駐月模飛階段,非EVA 時段艙內(nèi)總壓、氧分壓,分別按照雙服壓、低服壓中的月面著陸器壓力制度進行控制;EVA 時段,通過整艙泄壓模擬2 種登月服壓力環(huán)境,通過高空供氧面罩(YM6512/YM9915)及頭盔(TK-11,襄樊救生裝備有限公司)供純氧模擬登月服內(nèi)純氧環(huán)境。

減壓病相關(guān)人體安全性評估: ①減壓病,根據(jù)模擬EVA 期間志愿者癥狀體征判定有無減壓病發(fā)生;結(jié)束后跟蹤隨訪36 h,統(tǒng)計遲發(fā)性減壓病情況。 ②心前區(qū)回心血流氣泡,各組志愿者中1人(代號01)使用多普勒氣泡檢測儀(AQUA/COM-DP07B,法國)檢測模擬EVA 全程胸骨左緣1 cm 第3～4 肋間隙處的氣泡音;其他志愿者(代號02 ～ 05) 使用筆記本彩超X5(粵械注準20162230890,深圳開立生物醫(yī)療科技股份有限公司),相互檢測右心回心血流氣泡情況,超聲圖像通過信號線纜無損傳輸至艙外,醫(yī)生實時指導并判定氣泡分級。 發(fā)現(xiàn)較明顯氣泡時,2 種設(shè)備相互印證。

雙服壓組檢測時機為壓力降至40 kPa 即刻至30 min 內(nèi)及1 h,壓力降至30 kPa 即刻至30 min 內(nèi)、1 h、2 h、4 h、6 h;低服壓組檢測時機為壓力降至30 kPa 即刻至30 min 內(nèi)、1 h、2 h、4 h、6 h、8 h。

4 結(jié)果與分析

4.1 壓力制度執(zhí)行情況

圖4、圖5 為2 種候選壓力制度實際控制情況時間歷程曲線的隨機示例。 從曲線可知,整艙壓力嚴格按照設(shè)計條件實施控制。

圖4 雙服壓候選壓力制度實現(xiàn)時間歷程曲線示例Fig.4 Example oftherealtimecurveofthecandidatepressureregimeforDESPS

圖5 低服壓候選壓力制度實現(xiàn)時間歷程曲線示例Fig.5 Example of the real time curve of the candidate pressure regime for LESPS

4.2 面罩內(nèi)氧濃度

各組志愿者吸氧排氮期間、模擬出艙活動期間的口鼻區(qū)氧濃度均基本滿足不低于90%的要求,少數(shù)口鼻區(qū)氧濃度低于90%的工況,為高負荷運動時人體呼出CO2增多,口鼻區(qū)呼氣相CO2濃度增高所致,人體的氮氣吸入量并沒有增加,不增加減壓病風險。 同時,面罩供氧方式為吸氣相時通過吸氣活門由供氧器供氧,呼氣時通過呼氣活門排出CO2。 質(zhì)譜儀連續(xù)監(jiān)測結(jié)果顯示,吸氣相時面罩內(nèi)CO2濃度最低,因此只要保證面罩吸氣相供氧充分,不會出現(xiàn)高CO2和缺氧反應(yīng)。

4.3 減壓病發(fā)病率

7 輪次試驗中,志愿者連續(xù)4 d 模擬EVA,其中雙服壓力制度志愿者每日在40 kPa 停留2 h、30 kPa 停留6 h,低服壓壓力制度志愿者每日在30 kPa 停留8 h。 根據(jù)模擬EVA 期間定時醫(yī)監(jiān)詢問、志愿者主訴,以及模擬EVA 結(jié)束后的36 h 跟蹤隨訪情況,2 種壓力制度的7 輪次志愿者均無皮膚刺痛、蟻走感、瘙癢、屈肢痛、關(guān)節(jié)痛、肢體痛、咳嗽、胸痛、神經(jīng)系統(tǒng)癥狀等不適,無局部皮疹、斑點、蕁麻疹、皮膚斑紋等減壓病相關(guān)癥狀體征,無減壓病發(fā)生。 雙服壓力制度試驗15 人、低服壓力制度試驗19 人,均未發(fā)生減壓病。

4.4 心前區(qū)氣泡檢測情況

氣泡是減壓病發(fā)展的必要但不充分條件。 目前,利用超聲波檢測開展減壓研究仍具有技術(shù)優(yōu)勢,但研究結(jié)果受檢測者技能水平影響[11]。 針對該問題,本文選取與中國空間站任務(wù)技術(shù)狀態(tài)一致的超聲診斷儀,具備艙內(nèi)外同步圖像檢測能力,選取有生物背景并經(jīng)培訓合格的志愿者進行超聲檢測操作,艙外同步由長期從事心血管超聲檢測的專業(yè)人員同步監(jiān)測指導。 各組志愿者中氣泡檢測儀檢測結(jié)果均未發(fā)現(xiàn)心前區(qū)回心血流有氣泡音,心前區(qū)超聲檢測均顯示,右心腔內(nèi)未見白色光團,未發(fā)現(xiàn)氣泡影。 代表性的超聲檢測圖像參見圖6～圖8。

圖6 志愿者雙服壓超聲多普勒檢測氣泡圖像示例(40 kPa 暴露0.5 h 內(nèi))Fig.6 Sample images of ultrasonic detection for right cardiac cavity bubble of volunteers with DESPS (within 0.5 h after 40 kPa exposure)

圖8 女性志愿者低服壓超聲多普勒檢測氣泡圖像示例(30 kPa 暴露0.5 h 內(nèi))Fig.8 Sample images of ultrasonic detection for right cardiac cavity bubble of female volunteers with LESPS (within 0.5 h after exposure to 30 kPa)

圖7 志愿者低服壓超聲多普勒檢測氣泡圖像示例(降至30 kPa 暴露0.5 h 內(nèi))Fig.7 Sample images of ultrasonic detection for right cardiac cavity bubble of volunteers with LESPS (within 0.5 h after exposure to 30 kPa)

5 討論

根據(jù)當前認知,減壓病發(fā)病的根本原因是惰性氣泡的生成,其發(fā)病的核心要素是壓差,其與低壓暴露時間、減壓速度、重復暴露、胖瘦、體力負荷等密切相關(guān)[12-13]。 以下從減壓病的發(fā)病機制及相關(guān)影響因素對試驗結(jié)果進行討論。

5.1 核心要素壓差

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。 為實現(xiàn)連續(xù)每日出艙,2 種壓力制度方案均利用較長時間的地月飛行進行階梯降壓,使得體內(nèi)氮氣首先得到較充分釋放,并進一步結(jié)合服裝純氧環(huán)境準備和工作時間進一步脫氮,從而有效降低出艙活動低壓暴露的R值,使得R值≤1。 從理論上去除了氮氣泡產(chǎn)生的根本因素,但由于R值安全性的研究經(jīng)驗是基于非連續(xù)出艙活動提出的。 出艙活動時的肌肉關(guān)節(jié)等組織收縮,將使得組織局部產(chǎn)生壓力梯度,促使產(chǎn)生微核這一減壓病氣泡形成的基礎(chǔ)。連續(xù)出艙活動時2 次出艙的時間間隔較短,能否促進體液內(nèi)氮氣泡的產(chǎn)生、集聚,從而加大減壓病發(fā)生風險,尚屬未知。

從目前對2 種壓力制度的右心回心血流的氣泡音檢測和氣泡超聲圖像檢測結(jié)果看,19 名志愿者,每人在各輪試驗中連續(xù)4 d 的安全模擬出艙結(jié)果提示,R值≤1 時,多次連續(xù)每日出艙并沒有促進氮氣泡的生成。 同時,各組志愿者均未出現(xiàn)減壓病癥狀和體征,沒有發(fā)生減壓病,進一步說明R值≤1 的壓力制度減壓病風險較小。

5.2 重復暴露及暴露時長

短時間內(nèi)重復暴露是減壓病發(fā)生的重要誘發(fā)因素,當前各國壓力制度均要求,連續(xù)兩次出艙活動時間間隔不短于1～3 d。 減壓病出現(xiàn)癥狀的時間規(guī)律為:最早出現(xiàn)減壓病癥狀的時間為低壓暴露5～15 min,20～60 min 期間新發(fā)生減壓病的幾率較高,而后逐漸減慢,2～3 h 后減壓病累積發(fā)生率很少變化,最遲發(fā)病時間可為450 min。 本文研究按照每天8 h 模擬EVA,連續(xù)4 d 實施模擬EVA,暴露時間長,重復次數(shù)高。

5.3 減壓速率

本文基本按照10 m/s 的速率控制艙壓下降,從數(shù)據(jù)看,從初始壓力降至目標壓力的時間在7～15 min 間,對減壓病防護安全性驗證效率無影響。

5.4 志愿者代表性

減壓病的發(fā)生具有個體差異,存在易感人群,與性別、胖瘦、年齡有明確的相關(guān)性。 在易感性方面,考慮到航天員人群特性,參加本文研究的志愿者均為高空減壓病易感性檢查合格者。 在體重方面,減壓病與胖瘦相關(guān),肥胖人群更易發(fā)生減壓病。 本研究的各組志愿者平均BMI 均不低于正常范圍,且有2 組接近正常上限,其中5 名志愿者BMI 高于24,最高達26.9;體脂成分中有4 人高于23%,覆蓋指標范圍。 在年齡方面,志愿者年齡平均31 歲,最高49 歲,相對于飛行乘組可能的最高年齡稍偏年輕。 由于本文研究方案中艙體壓力下降平衡時間較長,年齡對于組織氮排放速率的影響可以忽略。

5.5 體力負荷

低壓力暴露情況下的減壓病發(fā)生率與體力負荷相關(guān)。 體力/工作負荷越大,減壓病發(fā)病率及嚴重程度越高。 同時其對減壓病的影響程度與活動的類型、強度、時間有關(guān)。

各組男性志愿者平均代謝負荷接近或略高于270 W 的平均代謝水平設(shè)計值;女性志愿者平均代謝水平達到平均設(shè)計值的73%左右,與Apollo出艙活動任務(wù)的平均代謝負荷相當。 絕大多數(shù)志愿者的最高代謝負荷達到580 W 的設(shè)計值,超出1/3 的志愿者最高代謝負荷超出設(shè)計值,已能較充分驗證該風險因素。

5.6 樣本量

本研究在試驗設(shè)計階段,針對樣本量需求,按照對照組(1 atm 條件下實施連續(xù)出艙)減壓病發(fā)病率為20%、試驗組(壓力制度)減壓病發(fā)病率為0.1% 的保守估計,樣本量為15 時,統(tǒng)計學差異的檢驗效能為98.51%,檢驗水準為0.05,滿足統(tǒng)計效能要求。

綜上,本文研究結(jié)果初步提示,雙服壓力制度和低服壓力制度志愿者均未發(fā)現(xiàn)氮氣泡的產(chǎn)生,無主觀癥狀及相關(guān)體征,未發(fā)生減壓病,能夠?qū)崿F(xiàn)在每日出艙的前提下有效避免減壓病的發(fā)生。

6 結(jié)論

本文針對載人月球探測任務(wù)連續(xù)出艙需求,基于人體的生理學和工程技術(shù)要求,論證提出了雙服壓、低服壓壓力制度建議,通過多人多天載人及連續(xù)高負荷長時程模擬EVA 的密封艙試驗,開展了以執(zhí)行連續(xù)每日出艙任務(wù)為目標的壓力制度的人體安全性研究。 研究結(jié)果表明,本文提出的雙服壓和低服壓2 種壓力制度建議能夠?qū)崿F(xiàn)每日連續(xù)出艙,能有效防護減壓病,可適應(yīng)當前國內(nèi)外在用的所有類型艙外航天服,具有廣泛的國際合作前景,對載人登月、月球科考等未來航天任務(wù)發(fā)展具有良好的適應(yīng)性。