周前祥

（北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，北京100083）

1 引言

在載人航天的發(fā)展史上，21世紀(jì)是一個走向跨越式發(fā)展的歷史階段，因?yàn)橐呀⒘硕鄠€人在太空長期駐留的空間站，登月并將開展載人火星飛行計(jì)劃，以實(shí)施深空探索或開發(fā)。3個月以上時(shí)間的長期載人飛行、狹小密閉的空間環(huán)境、如何充分利用航天員的能動作用、人機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化等將成為世界各國開展載人航天活動時(shí)需考慮的主要技術(shù)約束或目標(biāo)，其中，狹小空間的適居性設(shè)計(jì)更成為了重點(diǎn)關(guān)注的問題。

所謂適居性，是指載人航天器艙內(nèi)環(huán)境、人機(jī)界面適合長時(shí)間條件下乘員工作或休息的程度。即組成航天器的艙內(nèi)環(huán)境、設(shè)備及其他因素，能夠保障所有乘員長期的健康居住并高效工作。據(jù)報(bào)道，美國科學(xué)院醫(yī)學(xué)研究所受NASA委托，組織了一批著名的航天醫(yī)學(xué)專家對長期載人飛行過程中存在的醫(yī)學(xué)問題進(jìn)行研究。結(jié)果指出：在人類已有的航天經(jīng)歷中，有關(guān)空間環(huán)境因素對人體影響問題的數(shù)據(jù)資料還不充分，不足以進(jìn)行深入的研究與分析，所以現(xiàn)有技術(shù)還不能保障人在飛往火星或多年在近地軌道空間基地上駐留時(shí)的安全與健康[1]。此外，NASA在俄羅斯的“和平號”空間站上的經(jīng)驗(yàn)證明，由于長期載人航天飛行時(shí)一般為多人參與，艙內(nèi)環(huán)境對人的適合程度至關(guān)重要。例如，航天飛機(jī)-“和平號”聯(lián)合任務(wù)時(shí)的長期飛行乘員，戴維·沃爾博士認(rèn)為：“我認(rèn)識到要把艙內(nèi)環(huán)境或操作的適合人的問題同空間科學(xué)試驗(yàn)中的工作效率截然分開不可能的，因?yàn)樗鼈兪且惑w，體現(xiàn)在食物、盥洗以及工作空間的良好布局等方面”[2，3]。

雖然現(xiàn)代載人航天器中的多數(shù)工作已實(shí)現(xiàn)了自動化，但為了實(shí)現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)，開展人機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化是大勢所趨。因?yàn)樵诳臻g飛行過程中需要的是航天員的大腦而不是其肌肉體，要求他充分發(fā)揮出機(jī)動靈活、臨場應(yīng)急等能力。否則，將可能導(dǎo)致乘員長期處于應(yīng)激狀態(tài)。據(jù)研究，艙內(nèi)適居性的好壞對航天員提高工作效率和延長駐留時(shí)間起著非常重要的作用，所以，適居性問題是人類開展長期載人飛行時(shí)面臨的一個關(guān)鍵問題。

2 ISS適居性的概況

1998年11月發(fā)射“功能貨艙”這一首個模塊后，國際空間站（ISS）開始了軌道建造。2009年5月，可常駐6人，并且日本的“希望號”實(shí)驗(yàn)艙最后一個模塊露天平臺裝配完畢。整個ISS預(yù)計(jì)今年竣工，全面投入應(yīng)用[4，5]。顯然，適居性也是ISS面臨解決的一個重要問題，這是因?yàn)椋旱谝?，在國際空間站上乘員將進(jìn)行近3-6個月的長期飛行，已有的短期、天地往返的載人航天器艙內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)不能滿足要求；第二，有人駐守時(shí)國際空間站上乘員人數(shù)多，且來自不同的國家，對于適居性的理解及影響存在國家與文化之間的差異；第三，國際空間站是一個近地軌道的空間基地平臺，它的設(shè)計(jì)必須滿足人在太空的長期生活和工作的要求[2，6]。

根據(jù)美國“天空實(shí)驗(yàn)室”的三次飛行任務(wù)的經(jīng)驗(yàn)，目前ISS上對適居性關(guān)注的主要方向包括睡眠區(qū)域的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與評價(jià)、腳與身體的限制系統(tǒng)、工作站設(shè)計(jì)、醫(yī)療、工具與測試設(shè)備、個人衛(wèi)生及清潔品的保障、食品供應(yīng)等，這些相關(guān)的數(shù)據(jù)內(nèi)容也可以作為分析、研究以及制訂未來長期飛行載人航天器人-機(jī)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)。

美國曾開展過“ISS實(shí)用居住計(jì)劃”（圖1）來進(jìn)行國際空間站建設(shè)初期的適居性研究。其目的是建立一系列數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，并由此得出評價(jià)和提高適居性的方法與措施，其主要任務(wù)有：收集并解釋與ISS上適居性相關(guān)的數(shù)據(jù)、總結(jié)在適居性設(shè)計(jì)方面取得的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)、提出改進(jìn)適居性設(shè)計(jì)的措施與方法。其中數(shù)據(jù)采集來自設(shè)備/工作站的操作與維護(hù)、環(huán)境條件（照明、可接受的容積、噪聲與振動）、操作界面的理解方式等。在研究的手段上，主要利用航天飛機(jī)-“和平”號聯(lián)合飛行作為平臺，采取電子問卷的方式對駐留在“和平”號空間站的7名乘員進(jìn)行調(diào)查，調(diào)查的階段分為執(zhí)行長期飛行任務(wù)時(shí)的前、中、后三個階段。

圖1 ISS實(shí)用居住計(jì)劃研究流程

總的來說，根據(jù)目前已公開的文獻(xiàn)資料，國際空間站在適居性設(shè)計(jì)方面需要考慮改進(jìn)的方面有[4，7，8]：

（1）每名執(zhí)行長期飛行的航天員應(yīng)有一個合理的私密空間?？臻g站的適居性不僅指提供舒適的生活與工作環(huán)境，還更要人性化，為航天員提供個人私密的環(huán)境。據(jù)調(diào)查，從國際空間上返回的航天員認(rèn)為，私密空間十分必要。

（2）配載與適居性之間的優(yōu)用化關(guān)系研究需進(jìn)一步加強(qiáng)。很明顯，有人參與的長期飛行需要許多消費(fèi)品和防止意外的安全設(shè)備，包括氣體處理設(shè)備、食品、水、限制器、微重力對抗設(shè)備、廢物收集裝置和科學(xué)儀器等。所有這些物品都必須保存在ISS上，因而配載能力的問題顯得突出，需要加強(qiáng)配載與適居性之間的優(yōu)化關(guān)系研究。例如，在俄羅斯的功能貨艙（FGB）中，過量的配載被敞開放置，顯得擁擠，引起人們考慮其對適居性的影響和工作站的使用。會對乘員在ISS上的移動效率不利，增加了移動時(shí)間。

（3）合理地改善艙內(nèi)設(shè)備布局。迄今為止，在ISS執(zhí)行過飛行任務(wù)的航天員對其內(nèi)部總體布局和設(shè)備配置的評價(jià)是：簡單實(shí)用、基本合理。但若在生活區(qū)和工作區(qū)之間加一隔斷，則可保證休息時(shí)不受工作區(qū)的干擾，在精神上得到徹底放松。此外，根據(jù)在ISS上作短期訪問的俄羅斯航天員的反映，建站初期，生活還不太方便，服務(wù)艙內(nèi)的備餐區(qū)和餐桌距廁所較近。

（4）艙內(nèi)噪聲接近或稍超出合理范圍，需采取抑制措施。根據(jù)文獻(xiàn)的報(bào)道，國際空間站內(nèi)實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)的氣體壓力、溫度、濕度、氣體成分、輻射劑量、振動等環(huán)境條件，都基本上處于合理的范圍內(nèi)，符合適居性的要求。只是艙內(nèi)的噪聲過大，超出設(shè)計(jì)指標(biāo)。根據(jù)航天員攜帶的聲強(qiáng)計(jì)測量結(jié)果表明，艙內(nèi)24h的平均值為72dB，超過規(guī)定值55dB～69dB，以致航天員有時(shí)需要戴上聽力保護(hù)器。若長期處于這種環(huán)境，會對人的聽力產(chǎn)生損害。

3 NASA的研究現(xiàn)狀

針對長期航天飛行的技術(shù)背景與需求，適居性問題一直是NASA關(guān)注的重點(diǎn)。他們認(rèn)為所謂的適居性是指航天員所處的艙內(nèi)空間、氣體的壓力組分、溫濕度和噪聲對其工效、健康和工作能力影響的程度，也是長期飛行載人航天器設(shè)計(jì)的一個關(guān)鍵性因素。早在1982年，NASA的艾姆斯航天中心成立了多學(xué)科交叉的空間人的因素研究辦公室，兩年后在該辦公室設(shè)立適居性研究組，其任務(wù)是對空間站和未來更長期的航天任務(wù)中適居性問題開展分析與研究。研究組成員來自心理學(xué)、生理學(xué)、工程設(shè)計(jì)、建筑學(xué)、人因工程及其他有關(guān)方面的專家，它面臨的最大挑戰(zhàn)是要確定一種有效的辦法，以保證環(huán)境適合于人長期生活與工作，并能客觀地檢驗(yàn)出這種適合程度。目前，該研究組已編制了空間站內(nèi)部建筑與設(shè)計(jì)指南，對航天員操作任務(wù)和心理社會因素作用提出解決的技術(shù)措施。

進(jìn)入21世紀(jì)后，NASA在Johnson航天中心成立了適居性與環(huán)境因素研究部（The habitability and environmental Factors division，HEFD）專門負(fù)責(zé)如何給航天員提供一個安全與高效的工作環(huán)境，并預(yù)見本領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展方向，重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容包括：人的因素與適居性系統(tǒng)、艙內(nèi)空間與水的質(zhì)量、毒理學(xué)、微生物學(xué)、聲學(xué)與輻射健康、航天器以人為中心設(shè)計(jì)的快速建模及整合分析方法等。該研究部分為兩個分支[9]：

（1）環(huán)境因素研究室（Environmental Factors Branch），負(fù)責(zé)定義、開發(fā)與管理長期飛行時(shí)的程序、研究項(xiàng)目和相關(guān)技術(shù)的開發(fā)，以保證艙內(nèi)環(huán)境因素合格和乘員的健康與安全。同時(shí)，還包括載人航天器飛行前、中、后諸階段的艙內(nèi)環(huán)境的分析、規(guī)劃與評價(jià)。另外，該研究室正在開展長期飛行艙內(nèi)環(huán)境的高級監(jiān)測技術(shù)的概念設(shè)計(jì)，以及乘員健康與安全的風(fēng)險(xiǎn)評估等方面的研究。

（2）適居性與人因研究室（Habitability and Human Factor Division），負(fù)責(zé)確保人的因素，如生理參數(shù)、技能、能力限度等在載人航天器的設(shè)計(jì)與運(yùn)行過程中得到考慮，并采取針對性的措施。為了支持NASA的載人空間飛行計(jì)劃，該團(tuán)隊(duì)也開展了乘員工作站的整合及乘員系統(tǒng)界面分析的研究，建立乘員適居性系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)方法，確定人-機(jī)接口與載人航天器操作的適人性要求。

在取得的研究成果方面，1989年發(fā)布的NASASTD-3000《人-系統(tǒng)整合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》可以認(rèn)為是載人航天器適人性設(shè)計(jì)要求的雛形。該標(biāo)準(zhǔn)從乘員安全、健康管理、艙內(nèi)布局、工作站、活動區(qū)等方面規(guī)定了適合航天員特點(diǎn)的設(shè)計(jì)要求，1995年進(jìn)行了再次修訂。基于載人航天技術(shù)的發(fā)展需要，NASA從2007年開始制訂一套新的人機(jī)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，以用于空間站、月球基地和載人火星航天器的適居性設(shè)計(jì)。于2009年9月25日發(fā)布的第一卷，即《NASA航天飛行人-系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)》：乘員健康，簡稱為 NASA-STD-3001，Volume I，它涉及乘員的醫(yī)療救護(hù)、營養(yǎng)、睡眠、運(yùn)動鍛煉等內(nèi)容，主要關(guān)注航天員的個人特性。其第二卷，適居性與安全環(huán)境（Habitability and Environmental Health）正在制訂之中，包括食品設(shè)備、浴室、工作站布局、乘員姿勢限值、艙內(nèi)氣體和水質(zhì)等要求，重點(diǎn)關(guān)注的人-系統(tǒng)間的相關(guān)作用。在2010年，發(fā)布了與NASA-STD-3001配套的《人整合設(shè)計(jì)手冊》，簡稱為NASA/SP-2010-3407[10]。在將來，NASA-STD-3001 卷II及NASA/Sp-2010-3407將替代NASA-STD-3000。

4 適居性設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容

根據(jù)上述分析，長期飛行載人航天器適居性指艙內(nèi)生活與工作環(huán)境滿足所有乘員健康生活、安全高效工作、成功完成預(yù)定飛行任務(wù)并使整個人機(jī)系統(tǒng)性能達(dá)到優(yōu)化的程度。為此，應(yīng)該利用航天醫(yī)學(xué)、航天工效學(xué)、系統(tǒng)工程學(xué)、生理學(xué)、心理學(xué)等的理論與方法，從下述方面研究其合理范圍。

（1）活動空間，為了滿足長期載人飛行的需要，理論上，航天員的活動空間越大越好。但由于艙內(nèi)設(shè)備往往占用很大一部分的空間，所以航天員的生活與工作區(qū)的有效空間是受限的。在國際空間站建站初期，就在功能貨艙的走廊上掛一個睡袋，權(quán)當(dāng)臥室。第二批航天員進(jìn)駐后，感到很不舒服。在美國的載人航天活動中，飛行持續(xù)時(shí)間與人均活動空間如表1和圖3所示[10]。據(jù)估算，持續(xù)6個月飛行時(shí)，單人適居性空間為26.85m3、而持續(xù)7d飛行的單人適居性空間則為5.19 m3。

（2）噪聲，對艙內(nèi)的噪音，國際空間站的艙室噪音限制（睡眠區(qū)：≤50dB；工作區(qū)：≤60dB）可以沿用。但運(yùn)行的狀態(tài)下，按工作任務(wù)區(qū)域分類制訂不同限值。

（3）食物與衣服，包括水、食品及日常衣服。為增加載人航天器上適居性與物質(zhì)保障的效率，可借鑒“哥倫比亞”號事故后航天飛機(jī)停飛，美、俄兩國在ISS上實(shí)驗(yàn)艙的物資補(bǔ)給完全依賴為數(shù)不多、運(yùn)輸能力不大的幾艘進(jìn)步號貨船的經(jīng)驗(yàn)，通過優(yōu)化空間站上的消耗器的需求來進(jìn)行。站上航天員和設(shè)備所需的氣體、水、食物和推進(jìn)劑等必需品的消耗量在保證安全健康的前提下，通過優(yōu)化后，得到合理地削減。例如，每人每天的飲用水量保障為3L/d，并采取設(shè)計(jì)措施來擠干濕衣服和濕毛巾中的水分，以增加回收的水量[4，11]。

（4）觀察與操作的工效學(xué)設(shè)計(jì)，這主要體現(xiàn)在人機(jī)系統(tǒng)整合，以獲取最佳效率與系統(tǒng)性能。根據(jù)國內(nèi)外已有的載人飛行數(shù)據(jù)，主要從艙內(nèi)工作區(qū)布局、工作站以及照明等方面研究其合理的工效數(shù)據(jù)限值。

（5）衛(wèi)生休息及娛樂設(shè)施，這是提高乘員執(zhí)行飛行任務(wù)的耐心、成功率與快樂感的重要原因。例如，在緊張工作之余讓航天員利用娛樂設(shè)施來得到放松，有利于恢復(fù)精力，并全身心地投入下一階段的任務(wù)中。

表1 NASA載人航天器壓力區(qū)容積統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)束語

（1）長期載人飛行是我國航天技術(shù)發(fā)展的重要方向，按照預(yù)先研究先于型號任務(wù)8-10年的經(jīng)驗(yàn)，目前應(yīng)著力開展適居性方面的相關(guān)研究工作，只有這樣，工程開始的前期才能有數(shù)據(jù)可供應(yīng)用，從而確保長期載人航天器的適居性問題得到充分的解決，實(shí)現(xiàn)工程目標(biāo)。在條件允許時(shí)，適時(shí)開展中國版《人-系統(tǒng)整合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的研究與編制工作，以保障航天員長期飛行時(shí)的身心健康，使之充滿信心、高效地完成飛行任務(wù)。

（2）適居性的評價(jià)方法也是關(guān)注的重點(diǎn)，目前，利用KC-135失重飛機(jī)，美國NASA開展了航天飛機(jī)的人機(jī)界面及適居性設(shè)計(jì)方面的研究工作。因此，如何設(shè)計(jì)并進(jìn)行評價(jià)、如何得出科學(xué)合理的評價(jià)結(jié)論也是研究的重點(diǎn)。

（3）在考慮適居性的問題時(shí)，應(yīng)與長期飛行的作息制度相結(jié)合，并賦予航天員與地面聯(lián)系的自主性。例如，國際空間站上的工作進(jìn)度完全由計(jì)算機(jī)管理，航天員完成某項(xiàng)任務(wù)后，可通過計(jì)算機(jī)向地面控制中心發(fā)送簡報(bào)，從而實(shí)現(xiàn)在不打擾航天員的情況下，地面人員全天時(shí)地跟蹤了解空間任務(wù)執(zhí)行情況。通過交互，可減輕長期飛行所帶來的孤獨(dú)感。 ◇

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