孫海鵬 王永生 趙東明 （中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心）

空間站航天員出艙活動(dòng)醫(yī)學(xué)保障工作，是載人航天長(zhǎng)期飛行醫(yī)學(xué)保障的重點(diǎn)，也是空間站運(yùn)營(yíng)和發(fā)展的重要保障。本文主要以“國(guó)際空間站”俄羅斯艙段為背景，介紹了“國(guó)際空間站”航天員艙外活動(dòng)的概況、艙外活動(dòng)的工作組織原則與醫(yī)學(xué)保障系統(tǒng)，闡述了艙外活動(dòng)的減壓安全保障措施、艙外活動(dòng)期間航天員作息制度的特點(diǎn)，最后分析了“國(guó)際空間站”航天員艙外活動(dòng)的主要結(jié)果。

隨著航天員艙外活動(dòng)個(gè)體裝備技術(shù)的完善及其功能可靠性的提高，艙外工作逐漸由短時(shí)行為變?yōu)楹教靻T有計(jì)劃的長(zhǎng)時(shí)活動(dòng)。1987-2000年，在和平號(hào)空間站考察期間，航天員共完成78次出艙活動(dòng)，他們完成了大量的工作，包括在廣闊的太空進(jìn)行獨(dú)特的科學(xué)實(shí)驗(yàn)、在空間站表面運(yùn)輸和安裝大型構(gòu)件、進(jìn)行維修和調(diào)整作業(yè)、更換出現(xiàn)故障的部件和設(shè)備、試驗(yàn)航天員獨(dú)立機(jī)動(dòng)設(shè)備、檢查艙的密封性等。由于使用了有效的綜合設(shè)備和預(yù)防失重不利因素對(duì)機(jī)體影響的有效方法，在長(zhǎng)期飛行中，艙外活動(dòng)參與者保持了高效的身體工作能力。

1 “國(guó)際空間站”航天員艙外活動(dòng)概況

“國(guó)際空間站”在2001年6月—2010年6月運(yùn)行期間，利用俄羅斯“海鷹”艙外服進(jìn)行了30次出艙活動(dòng)。航天員們完成了相當(dāng)大的工作量，這些工作包括進(jìn)行獨(dú)特的科學(xué)試驗(yàn)、在“國(guó)際空間站”外表面進(jìn)行搬運(yùn)和組裝大型結(jié)構(gòu)件、進(jìn)行維修和調(diào)整操作、更換出故障的部件及機(jī)組、使接收貨運(yùn)飛船準(zhǔn)備等等。

根據(jù)出艙活動(dòng)的目的和任務(wù)，每年“國(guó)際空間站”安排出艙活動(dòng)的頻率是1~5次。大部分艙外活動(dòng)（62%）是在飛行的第60~120晝夜期間完成的。最早一次出艙活動(dòng)是在飛行的第25晝夜進(jìn)行的。在超過4個(gè)月的飛行中有7次艙外活動(dòng)，而且其中2次艙外活動(dòng)是乘員組在軌飛行的第158~168晝夜完成的。

“國(guó)際空間站”艙外活動(dòng)規(guī)模及持續(xù)時(shí)間匯總數(shù)據(jù)

“國(guó)際空間站”俄羅斯艙段上進(jìn)行的艙外活動(dòng)頻次

2 艙外活動(dòng)的工作組織原則與醫(yī)學(xué)保障系統(tǒng)

飛行規(guī)則、MORD和AMERD是“國(guó)際空間站”上進(jìn)行艙外活動(dòng)所要遵守的文件。眾所周知，為了在開放空間完成工作，在“國(guó)際空間站”上使用2種航天服：美國(guó)的EMU和俄羅斯的“海鷹”。雖然它們有相同的功用而且外表相似，但EMU和“海鷹”在技術(shù)結(jié)構(gòu)、使用方法和出艙活動(dòng)準(zhǔn)備程序方面有本質(zhì)上的區(qū)別。

乘員組在穿著“海鷹”服工作期間，飛行醫(yī)學(xué)保障的控制權(quán)轉(zhuǎn)給各專業(yè)小組，即“出艙”活動(dòng)醫(yī)學(xué)保障小組。出艙活動(dòng)醫(yī)學(xué)保障小組由各單位的專家們組成。

在“國(guó)際空間站”俄羅斯艙段上，艙外活動(dòng)醫(yī)學(xué)保障按照俄羅斯的備忘錄進(jìn)行，這個(gè)備忘錄以前在完成“和平”號(hào)軌道組合體飛行任務(wù)時(shí)使用過。在“國(guó)際空間站”俄羅斯艙段航天員穿著“海鷹”艙外服進(jìn)行艙外活動(dòng)時(shí)，艙外活動(dòng)的準(zhǔn)備和進(jìn)行時(shí)的醫(yī)學(xué)監(jiān)測(cè)階段和方法見表“艙外活動(dòng)各階段的醫(yī)學(xué)監(jiān)測(cè)方法”。

在“和平”號(hào)空間站上進(jìn)行艙外活動(dòng)時(shí)，一個(gè)醫(yī)學(xué)監(jiān)測(cè)周期的時(shí)間長(zhǎng)短取決于與地面站點(diǎn)通訊持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短，但在利用通信衛(wèi)星時(shí)這一時(shí)間可以增加。最新情況是每個(gè)監(jiān)測(cè)周期達(dá)到過60min。除了把醫(yī)學(xué)遙測(cè)信息，諸如心臟收縮頻率、體溫和艙外服生保系統(tǒng)主要參數(shù)傳遞給飛控中心外，這些信息也能反映在艙載計(jì)算綜合體的監(jiān)測(cè)器上，而且必要時(shí)可被其他乘組人員分析處理，這些人員中包括醫(yī)生航天員。常規(guī)醫(yī)學(xué)監(jiān)督的計(jì)算機(jī)綜合系統(tǒng)“科馬斯特拉”（комастра）對(duì)艙外活動(dòng)期間醫(yī)學(xué)生物學(xué)參數(shù)進(jìn)行接收、處理、表現(xiàn)和記錄，它可以實(shí)時(shí)地獲得一系列快速醫(yī)監(jiān)指標(biāo)，以反映艙外活動(dòng)人員能耗緊迫程度、散熱量和產(chǎn)熱量，并對(duì)傳送的所有信息以及記錄在紙上和磁記錄載體上的信息進(jìn)行追溯分析。

艙外活動(dòng)各階段的醫(yī)學(xué)監(jiān)測(cè)方法

“出艙”活動(dòng)完成后，對(duì)艙外活動(dòng)人員的監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括他們的自我感覺報(bào)告、無線通話數(shù)據(jù)、視頻圖像和尿的生化分析。對(duì)艙外活動(dòng)人員這一階段的監(jiān)測(cè)與“和平”號(hào)空間站飛行計(jì)劃有所不同的是，對(duì)體重的測(cè)量只是在“國(guó)際空間站”考察最初階段進(jìn)行，并且是針對(duì)完成前7次出艙活動(dòng)的航天員來進(jìn)行的。

有些艙外活動(dòng)的操作作業(yè)是在“國(guó)際空間站”的設(shè)備艙上進(jìn)行的，設(shè)備艙離定向發(fā)動(dòng)機(jī)不遠(yuǎn)。這時(shí)艙外活動(dòng)人員隨身帶著毛巾，在發(fā)動(dòng)機(jī)附近的工作結(jié)束后用毛巾擦拭艙外服（特別是擦拭手套）。用過的毛巾包在軟包裝箱里并扔在太空中。

3 艙外活動(dòng)的減壓安全保障

艙外活動(dòng)醫(yī)學(xué)保障的重要任務(wù)之一就是制定措施，保護(hù)乘組預(yù)防高空減壓病。高空減壓病的最常見癥狀就是在肢體末端產(chǎn)生不同程度的疼痛，這些疼痛可能成為艙外活動(dòng)計(jì)劃不能完成的原因。但在很多情況下，高空減壓病可能會(huì)發(fā)展成對(duì)身體的嚴(yán)重系統(tǒng)性破壞，如中樞神經(jīng)系統(tǒng)的崩潰、呼吸和血液循環(huán)障礙，這些病會(huì)對(duì)當(dāng)事人（受害者）的健康造成頑固性破壞，甚至導(dǎo)致停飛。

起初在俄羅斯的艙外服中預(yù)先具備兩種工作壓力模式；主要模式是40kPa，備用模式是27kPa，備用模式用于進(jìn)行特殊操作時(shí)增加艙外活動(dòng)人員靈活性。在現(xiàn)代改進(jìn)的俄羅斯軌道空間站中只有40kPa的主壓力模式航天服（海鷹-M），這種航天服用于和平號(hào)空間站和“國(guó)際空間站”的出艙活動(dòng)。

根據(jù)俄羅斯在“國(guó)際空間站”上出艙活動(dòng)的準(zhǔn)備工作及進(jìn)行過程中的記錄，為使穿“海鷹”服的艙外活動(dòng)人員預(yù)防高空減壓病而使用這樣的程序，即在周圍壓力是73kPa的情況下，向航天服內(nèi)充填氧氣以降低氮的飽和度。有一種情況就是在氣閘艙壓力降低之前，在完成排氮之后，需要有一個(gè)艙外活動(dòng)人員從航天服中出來，以便打開兩套航天服的主氧氣瓶閥門。這就有必要重新排氮，其結(jié)果就是這次艙外活動(dòng)的第2名人員的實(shí)際排氮時(shí)間會(huì)超過計(jì)劃1倍。

迄今為止，所有出艙活動(dòng)包括從俄羅斯飛船和空間站出去的，也包括“國(guó)際空間站”的30次出艙活動(dòng)都順利完成而沒有發(fā)生高空減壓病癥狀。根據(jù)艙外活動(dòng)實(shí)際次數(shù)和在真空艙里穿服裝進(jìn)行模擬艙外活動(dòng)的次數(shù)總和，經(jīng)計(jì)算確定，俄羅斯方案在預(yù)防產(chǎn)生高空減壓病置信度為0．95時(shí)的可靠性不低于0．995。特別要強(qiáng)調(diào)的是，這個(gè)數(shù)據(jù)是在短暫的出艙準(zhǔn)備過程中獲得的，本身包括30min的有目的機(jī)體排氮。這時(shí)機(jī)體組織中氮?dú)獾倪^飽和系數(shù)的初始值是1．64～1．93，它取決于具體的氣體成份和航天器居住艙一天的壓力和服裝里的具體壓力。

當(dāng)發(fā)生高空減壓病時(shí)，采取的治療措施應(yīng)該是針對(duì)迅速消除這一病癥的臨床表現(xiàn)、減小身體中形成的氣泡大小、使這些氣泡加速溶解到血液和人體組織中，保持給組織相同的輸氧并消除因氣泡對(duì)血液真正成份及蛋白蛋結(jié)構(gòu)的二次作用而產(chǎn)生的功能破壞。

當(dāng)艙外活動(dòng)期間產(chǎn)生高空減壓病時(shí)，患者應(yīng)該停止工作，立即返回空間站氣閘艙并進(jìn)行反向過閘，其目的就是使他服裝內(nèi)的壓力提高到空間站生活艙的水平，也就是1．01×105Pa。此時(shí)服裝內(nèi)的氣體介質(zhì)應(yīng)由純氧組成。為了從身體中加速排出氣泡、改善對(duì)組織的供氧并降低患血栓綜合癥的風(fēng)險(xiǎn)甚至在加壓到1．01×105Pa使高空減壓病癥狀完全消失時(shí)，建議繼續(xù)吸純氧30～60min，并且服用阿斯匹林和藥液。

當(dāng)航天員已經(jīng)返回空間站后，加壓至1．01×105Pa高空減壓病癥狀仍沒有完全消除，也就是在常壓艙情況下癥狀復(fù)發(fā)或出現(xiàn)癥狀，表明應(yīng)立即使用超壓輸氧。但是完全實(shí)現(xiàn)這一治療，要求只有在有人操作航天器裝備專用超壓設(shè)備之后才成為可能，該超壓設(shè)備的治療壓力達(dá)到2．5～3．0×1．01×105Pa大氣壓，這應(yīng)該認(rèn)為是在飛行條件下完善航天員緊急醫(yī)學(xué)救助系統(tǒng)的重要任務(wù)之一。在缺乏專用技術(shù)手段時(shí)，就像現(xiàn)在的“國(guó)際空間站”也存在這種情況，可以利用“海鷹”服進(jìn)行超壓、輸氧，該服裝的技術(shù)性能允許在里面產(chǎn)生壓力達(dá)1．4×1．01×105Pa的氧環(huán)境。

在開發(fā)宇宙空間的工作中，醫(yī)學(xué)保障系統(tǒng)要使用超聲波氣泡檢波器，這樣能夠?qū)ε撏饣顒?dòng)時(shí)航天員的健康狀況實(shí)施快速的醫(yī)學(xué)監(jiān)督，勿庸質(zhì)疑，這將提高出艙活動(dòng)的安全性。在下面的情況下也可以使用這種類型的儀器，即在出艙活動(dòng)完成后的一段時(shí)間內(nèi)，在航天員身上出現(xiàn)或具備不明顯的體征變壞征兆時(shí)，可以做出對(duì)高空減壓病的細(xì)微診斷，也可以監(jiān)督治療效果。

在高空減壓病沒有復(fù)發(fā)時(shí)，在完全達(dá)到內(nèi)科指標(biāo)超過72h后是可以允許例行的出艙活動(dòng)的。而且在完成過閘后的最初48h，患過病的航天員必須保持平靜，忌諱進(jìn)行強(qiáng)度大的身體訓(xùn)練和熱治療。當(dāng)出現(xiàn)延后的高空減壓病或在飛行的所有后續(xù)階段上重復(fù)出艙過程中出現(xiàn)復(fù)發(fā)時(shí)，這名乘組人員應(yīng)該被禁止進(jìn)行艙外活動(dòng)。當(dāng)在空間站的內(nèi)科治療沒有好的效果以及患病航天員身體狀況變壞時(shí)，建議停止其飛行，并在地面繼續(xù)進(jìn)行治療。

4 艙外活動(dòng)準(zhǔn)備和實(shí)施階段航天員作息制度的特點(diǎn)

合理的作息制度是長(zhǎng)期航天飛行中保持乘組最佳工作能力的重要手段。為了編制“國(guó)際空間站”俄羅斯艙段上艙外活動(dòng)準(zhǔn)備及實(shí)施階段的作息制度，曾利用了“和平”號(hào)空間站長(zhǎng)期飛行時(shí)艙外活動(dòng)中積累起來的經(jīng)驗(yàn)。

航天員艙外活動(dòng)日作息制度的制定，要考慮到乘組與飛控中心聯(lián)絡(luò)的時(shí)間長(zhǎng)短以及軌道上的照明條件。一個(gè)工作日的安排要符合當(dāng)前出艙活動(dòng)的目的。一個(gè)工作日的航天員活動(dòng)可以分成以下幾個(gè)階段：

- 準(zhǔn)備工作（檢查“國(guó)際空間站”、晨間醫(yī)監(jiān)、氣閘艙和運(yùn)輸飛船準(zhǔn)備、關(guān)閉“國(guó)際空間站”各艙門、穿上裝備、檢查艙外服密封性、前期輸氧、直接過閘）；

- 實(shí)施艙外活動(dòng)；

- 進(jìn)行結(jié)束階段的工作（反向過閘、脫掉航天服、醫(yī)監(jiān)、使工作艙和運(yùn)輸飛船進(jìn)入初始狀態(tài)、干燥和更換艙外服的可換元件）。

在“和平”號(hào)空間站上進(jìn)行艙外活動(dòng)時(shí)，準(zhǔn)備階段操作和收尾操作占一晝夜時(shí)間的38%，艙外活動(dòng)時(shí)間占17%、睡眠時(shí)間占35%、解決其他問題的時(shí)間占10%。

當(dāng)“國(guó)際空間站”上有第三名乘組人員時(shí)，他的活動(dòng)也要和艙外人員相諧調(diào)。隨著過閘的開始，連接“國(guó)際空間站”和其余艙段的艙口也開始關(guān)閉。第3名人員參加艙外活動(dòng)就是監(jiān)視艙載系統(tǒng)、工作圖和進(jìn)行電視報(bào)道。

艙外活動(dòng)的開始時(shí)間取決于乘組與飛控中心最長(zhǎng)的通信時(shí)區(qū)及軌道照明條件，這就經(jīng)常導(dǎo)致乘組晝夜活動(dòng)周期的明顯偏移，出艙作業(yè)前休息時(shí)間和睡眠時(shí)間偏移1．5～7h，同樣也使喚醒乘組的時(shí)間推遲到艙外活動(dòng)完成后的第二天。

根據(jù)飛行計(jì)劃，工作和休息時(shí)間可按著乘組的意見倒換一次或一晝夜倒換1～2h。當(dāng)有夜間艙外活動(dòng)時(shí)，午飯后給乘組補(bǔ)充個(gè)人休息時(shí)間。但遠(yuǎn)非所有航天員都把休息用于睡眠，很多航天員習(xí)慣于夜間工作。

“國(guó)際空間站”艙外活動(dòng)規(guī)模及持續(xù)時(shí)間匯總數(shù)據(jù)

艙外活動(dòng)期間航天員心臟收縮頻率、能耗水平和體溫

在準(zhǔn)備及實(shí)施艙外活動(dòng)階段，經(jīng)常要發(fā)生違反已習(xí)慣了的晝夜秩序、使工作日延期、休息時(shí)間不夠、取消用餐和夜間工作之間的間隔等現(xiàn)象。

5 艙外活動(dòng)醫(yī)學(xué)監(jiān)督的主要結(jié)果

艙外活動(dòng)期間，（等待“陰影”結(jié)束、聽無線電通話）航天員能耗值約是1．8～2．0kCal/min。這時(shí)心率不超過51～70次/分。能耗峰值就像心率一樣取決于工作特性、艙外服內(nèi)微氣候參數(shù)和航天員心理負(fù)荷水平。最大負(fù)荷時(shí)能耗達(dá)到7．9～9．8kCal/min，這時(shí)心臟收縮頻率峰值為150～168次/分。

心臟收縮頻率的平均水平是100次/分，這就是艙外活動(dòng)的最佳生理負(fù)荷水平。只在4種情況下觀察到了心收縮頻率超過150次/分。第一種情況是發(fā)生了計(jì)劃外情況；其余3種情況是在“國(guó)際空間站”外表面進(jìn)行復(fù)雜操作時(shí)航天員表現(xiàn)出了身體緊張。參加艙外活動(dòng)的女航天員的生理指標(biāo)表明她有好的身體訓(xùn)練和對(duì)開放空間工作條件穩(wěn)定的適應(yīng)性。艙外活動(dòng)期間，她的心臟收縮頻率沒超出78～120次/分這一范圍，體溫在36．3～37．0℃之間。

艙外活動(dòng)人員身體熱感受總的來說是舒適的。只在一種情況下熱感受由舒適偏向“熱”，就是在航天員以前沒有艙外活動(dòng)經(jīng)驗(yàn)時(shí)。

很常見（10種情況）的是熱狀態(tài)由舒適狀態(tài)偏向“涼爽”，這些情況在航天員承受高強(qiáng)度生理負(fù)荷之后，并在軌道陰影區(qū)域休息時(shí)發(fā)生。值得注意的是手指出現(xiàn)極冷而不舒服的征兆，這是由于手指與冷金屬物體及“國(guó)際空間站”外表面設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間接觸所致。

對(duì)14人次出艙活動(dòng)的研究表明，艙外活動(dòng)人員體重的變化情況為：在11種情況下發(fā)現(xiàn)體重減輕，有5名航天員體重降低1．3～2．5kg，有6名航天員體重減少0．1～0．6kg。其余3種情況下艙外活動(dòng)后體重測(cè)量結(jié)果和原始體重值沒區(qū)別。根據(jù)艙外活動(dòng)人員的報(bào)告，在開放空間進(jìn)行操作期間對(duì)液體的需求量是300～400ml。

在完成特別緊張且長(zhǎng)時(shí)間的工作后，艙外活動(dòng)人員感覺除了普遍疲勞外，不少人都指出手臂肌肉疲勞，并出現(xiàn)手指和腳趾處的皮膚疼痛和被磨破。個(gè)別還出現(xiàn)了暫時(shí)性蛋白尿癥和糖尿病。蛋白尿癥和糖尿病通常在艙外活動(dòng)期間心收縮頻率升高和體重減輕超過2kg的航天員身上檢查到。

根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)資料，出現(xiàn)蛋白尿和糖尿病被認(rèn)為是艙外活動(dòng)期間身體承受繁重負(fù)荷的結(jié)果，可以根據(jù)所得數(shù)據(jù)資料來制定乘組完成出艙活動(dòng)后恢復(fù)階段的作息制度。

6 小結(jié)

在“國(guó)際空間站”俄羅斯艙段上，各不同階段進(jìn)行的30次出艙活動(dòng)都成功完成了。艙外活動(dòng)人員的生理反應(yīng)是與工作性質(zhì)和心理生理緊張程度相一致的。所用的艙外活動(dòng)醫(yī)學(xué)跟蹤系統(tǒng)能夠快速評(píng)價(jià)航天員的身體狀況、預(yù)報(bào)和警告不良狀態(tài)的發(fā)展。所取得數(shù)據(jù)可用于載人登月或火星飛行艙外活動(dòng)醫(yī)學(xué)保障的論證中。