高俊峰、高川、戰(zhàn)略支援部隊特色醫(yī)學中心、神舟載人航天醫(yī)療隊

196年4月12日之前，蘇聯的航空航天工程師加加林首次訪問了天空。人類登月夢想經歷了47年的輝煌歷程，一個接一個地實現了向地球、向月球和建立空間站的歷史夢想。中國載人航天在奮力追趕世界先進水平中隨著社會經濟的發(fā)展變化也走過了坎坷而獨特的發(fā)展歷程, 取得了累累碩果, 尤其是20世紀90年代初實施的載人航天工程取得了令世人矚目的輝煌成就。 航天事業(yè)的發(fā)展極大地帶動與推進了科學技術和學科體系的發(fā)展,我國40年的載人航天發(fā)展與實踐也催生和促進了相關領域新學科和新技術的發(fā)展。其中一門綜合性新興學科——航天醫(yī)學工程學也應運而生,經過40年的發(fā)展,形成了一套較為完整,特色鮮明的科學理論體系和工程實踐技術,為我國載人航天的突破和發(fā)展做出了極其重要的貢獻。

航天醫(yī)學工程學的形成與概念

航天醫(yī)學工程學基礎研究和應用進展

航天醫(yī)學工程學科伴隨中國載人航天事業(yè)的發(fā)展歷程,經歷了萌芽、初步形成、發(fā)展充實和日趨成熟4個發(fā)展階段。

萌芽航天醫(yī)學工程學萌發(fā)于20世紀50年代末、60年代初,作為中國科學院、中國醫(yī)學科學院和軍事醫(yī)學科學院相關專業(yè)的分支,開啟了空間科學探索的旅程。20世紀60年代,成功發(fā)射的系列生物探空火箭,將載有大鼠、小鼠、犬、果蠅及微生物菌種的生物艙送上73 km高空,標志著以載人飛行為目標的科學實驗開始起步。

初步形成1968年4月航天醫(yī)學工程研究所成立至20世紀90年代初,從宇宙醫(yī)學、空間物理學科集中整合,提出按照系統(tǒng)科學的思想,應用系統(tǒng)工程的理論方法,統(tǒng)籌考慮航天員的安全、健康和工作能力,到“曙光”號任務,返回式1型衛(wèi)星(FSW-1),CBS-1生物搭載艙實踐和國家“863”計劃航天領域設立的載人航天器環(huán)控生保及醫(yī)學防護技術預先研究,初步形成航天醫(yī)學工程學科的基本脈絡,促進了飛船生命保障系統(tǒng)、航天員特殊環(huán)境因素選拔、航天環(huán)境醫(yī)學、工效學等工程應用理論和模擬失重條件下人體生理效應等航天醫(yī)學基礎研究的發(fā)展。

發(fā)展充實1992年國家載人航天工程的正式啟動,以明確的任務需求為牽引,航天醫(yī)學工程學得以快速發(fā)展。國內開展了大量針對工程應用的基礎性研究,充實和豐富了航天醫(yī)學基礎理論成果,逐步形成了航天醫(yī)學工程學科的總體框架。在充分吸收航天醫(yī)學、空間生命科學、環(huán)控生保工程技術的理論知識和工程技術經驗的基礎上形成了以航天醫(yī)學、重力生理學、航天環(huán)境醫(yī)學、航天工效學、環(huán)境控制與生命保障工程技術(簡稱環(huán)控生保技術)、航天食品工程技術為主要內容的醫(yī)工結合理論和技術交叉融合的學科體系,突出體現了以航天員為中心的系統(tǒng)論和系統(tǒng)工程的原理。

日趨成熟2003年“神舟”5號的首次載人飛行的實現使這一學科理論基礎得到實際工程的有效檢驗;2005年“神舟”6號多人多天的載人飛行任務的圓滿完成,我國航天員首次進入軌道艙開展科學實驗,標志著這一學科日趨成熟。進入我國載人航天 “三步走”第二步戰(zhàn)略發(fā)展階段后,在系統(tǒng)歸納總結載人航天第一步發(fā)展經驗的基礎上,進一步梳理、整合、凝煉出了航天醫(yī)學工程學的概念、內涵、特征,學科體系更加豐富完善。

從理論研究到學科問題的研究,從總體上看是航天醫(yī)學工程

航天醫(yī)學工程學概念與學科構成航天醫(yī)學工程學是以載人航天任務為背景,適應載人航天發(fā)展需要而形成和建立起來的一門醫(yī)工結合、多學科交叉集成的綜合性應用學科。它以系統(tǒng)論為指導,利用現代科學技術,研究載人航天活動對人體的影響及其特征規(guī)律,研制可靠的工程對抗防護措施,設計和創(chuàng)造合理的人機環(huán)境,尋求載人航天系統(tǒng)中人(航天員/載荷專家)、機(載人航天器及運載器)和環(huán)境(航天環(huán)境和飛行器內環(huán)境)之間的優(yōu)化組合,確保航天活動中航天員的安全、健康和高效工作。它既源于航天醫(yī)學、空間生命科學、環(huán)控生保工程等學科基礎,又具有鮮明的自身特色——凸現學科間的交叉融合和明確的飛行任務應用背景。其學科構成見圖1。

航天醫(yī)學工程學體系框架航天醫(yī)學工程學科以人為中心,以實現載人航天任務中航天員的安全、健康和高效工作的需求為目標,在明確的任務驅動牽引下,遵循應用基礎研究、應用技術攻關、應用技術工程化實踐的發(fā)展規(guī)律,綜合集成生物學、醫(yī)學、電子學、機械工程等多學科知識、理論和技術,通過醫(yī)學工程技術的交叉融合,形成了以確保航天員安全、維護航天員健康、提高航天員工作能力為主體的實施體系,構成了交叉、綜合具有鮮明系統(tǒng)工程特征的新型學科體系(圖2)。

以安全、健康和高效工作為目標牽引的3大體系存在著相互影響、相互支撐的內在聯系。確保航天員的安全是保障航天員健康飛行和高效工作的基礎,逐步發(fā)展的維護航天員健康的醫(yī)學措施不斷對環(huán)控生保和航天服的實現又提出新的設計要求,不斷增加的任務負荷和飛行周期又會對航天員健康與訓練提出了更高的要求。

航天醫(yī)學工程學的研究進展

航天醫(yī)學工程學理論基礎和技術體系在預先研究的學術成果的積累提煉及工程型號任務的強有力驅動下, 逐步完了成從理論預研到承擔型號任務的過渡, 構 成了載人航天工程的重要支撐。

國家載人航天工程一經啟動, 航天醫(yī)學工程學在長期預先研究所獲得成果的基礎上形成了航天員系統(tǒng)和飛船系統(tǒng)環(huán)境控制與生命保障分系統(tǒng)這兩個最具載人特色的工程型號系統(tǒng), 在載人航天型號研制中發(fā)揮極其重要的作用。

與此同時,在載人航天實踐中,形成發(fā)展了航天員選拔訓練技術、航天員醫(yī)監(jiān)醫(yī)保技術、環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)技術、航天服技術、載人航天環(huán)境模擬技術、載人航天生物醫(yī)學信息技術、航天食品工程技術等工程應用技術,不僅為確保載人航天任務的 圓滿完成發(fā)揮了重要作用,也從工程應用角度豐富了航天醫(yī)學工程學的學科體系和內容。

航天醫(yī)學工程學的發(fā)展充分體現了“任務帶學科,學科促任務”的指導思想, 本部分將沿著航天醫(yī)學工程學的基本體系框架,介紹航天醫(yī)學工程學的研究進展及其對我國載人航天工程的重要貢獻。

航天重力生理學與航天細胞分子生物學針對航天飛行中影響航天員健康的醫(yī)學問題,通過重力生理學、航天細胞分子生物學等航天基礎醫(yī)學的前期預研,構成航天實施醫(yī)學應用相關防護措施的依據和技術。伴隨我國載人航天實踐,航天基礎醫(yī)學研究經歷了生理現象觀察到細胞分子機理探討,從對抗防護措施理論研究到航天任務實際應用,從地基模擬模型到天基實時實驗的三大飛躍。

早在20世紀70年代,在“曙光”號任務中,正式開始了以航天醫(yī)學問題為目標的航天醫(yī)學基礎研究,主要研究了超重對心血管神經系統(tǒng)的調節(jié)作用。隨后伴隨“863”項目和載人航天工程的正式啟動,航天醫(yī)學基礎研究不斷系統(tǒng)化、深入化。以大鼠、小鼠和家兔為對象,建立了限動和尾吊動物模型;以心血管、骨骼、免疫、肌肉系統(tǒng)生理變化為重點,進行了大量模擬失重對壓力感受器反射功能、腎功能、血管和細胞外液、血液流變性的影響研究。提出了改變失重或模擬失重狀態(tài)下的血液分布,調整對壓力感受器的刺激,可能是預防心血管失調的有效方法。研究了不同懸吊時間對大鼠椎骨骨質和生物力學特性的影響。模擬失重、噪聲、輻射等復合環(huán)境因素可顯著降低小鼠免疫功能。利用7 d、14 d短期臥床實驗,觀察了臥床前后的立位耐力、壓力感受性反射功能、內分泌水平等的改變。在著重研究了模擬失重條件下機體各系統(tǒng)適應變化過程中,發(fā)現不同臥床時間中的機體各生理功能的不同反應變化特征,下肢血管順應性變化是立位耐力下降的重要影響因素等觀點。

90年代后期,失重生理效應的研究從早期的現象觀察發(fā)展為深入的機制探討。從細胞分子水平開展了航天醫(yī)學問題發(fā)生、發(fā)展的機理研究,通過以成骨細胞和心肌細胞為突破口的系統(tǒng)研究,提出重力敏感系統(tǒng)——細胞骨架系統(tǒng)中的分子表達與調控是進行航天醫(yī)學防護的關注焦點的學術觀點。1999年通過國際合作,在PHOTON生物衛(wèi)星上成功進行了成骨細胞空間飛行實驗,驗證了中藥復方可通過穩(wěn)定細胞骨架對抗微重力效應的論點。2005年,通過“神舟”6號任務,在國際上率先實現了空間飛行條件下心肌細胞實時研究,首次發(fā)現心肌細胞微絲與微管骨架對空間飛行的響應方式和敏感度不同:微管對空間飛行條件更加敏感,發(fā)生解聚性變化;而微絲骨架保持了結構與分布的相對完整性,為進一步開展空間心血管功能紊亂的機理與防護對抗措施研究提供了細胞學依據。

在防護措施上,研究了丹參、黃芪、刺五加、川芎、熟地、人參地上甙、西洋參、山楂、杜仲、人參根、銀杏葉、生地等中藥合劑對尾吊大鼠血粘度、紅細胞變形性、纖維蛋白原含量、血細胞壓積、紅細胞形態(tài)、肌肉重量、肌纖維類型和面積的影響,發(fā)現中藥合劑能有效改善血液流變學變化和肌肉萎縮,提高尾吊大鼠的細胞免疫功能。使大鼠心肌SDH活性減弱,ATP酶活性明顯降低,能耗減少。中藥具有對抗模擬失重引起的“脾氣虛”的效應。探討了藥物、力刺激、磁場、生物工程技術等方法對失重導致的心血管、骨骼、肌肉、免疫功能等系統(tǒng)的防護對抗作用[12,13,14,15,16,17]。

開展了重點針對空間運動病、減壓病和立位耐力下降3大醫(yī)學問題研究,采取了藥物、適應性訓練與物理預防相結合的綜合防護措施。

剛剛完成的我國首次60 d頭低位人體臥床實驗(“地星”1號),是交會對接任務中的一次綜合性大型醫(yī)學國際合作實驗。初步驗證了失重生理效應防護措施的有效性,檢驗空間醫(yī)學實驗的可行性,積累中長期模擬失重導致的人體生理、心理變化特征等基礎數據。在交會對接任務階段,將驗證利用運動、人工負荷、藥物進行多因素、多途徑綜合防護,協同對抗的總體構想。形成了針對不同飛行時間、不同任務特點防護對抗措施:在短期飛行中,以補充體液為對抗立位耐力下降主要方法,在中短期飛行中必須增加運動鍛煉、力學負荷、力學刺激等對抗防護措施。

伴隨理論研究的不斷深入,具有我國自主知識產權的醫(yī)學細胞學天、地基實驗技術體系和平臺也逐漸得以建立完善,構建了系統(tǒng)設計性強,天、地基配套性好的航天醫(yī)學細胞學空間實驗技術平臺,形成了一系列包括人體臥床、大鼠尾吊、動態(tài)回轉、視動刺激的具有航天醫(yī)學特點的實驗模型和研究方法,研制了擁有國際先進技術和設計理念的微重力效應與超重效應平臺,具備模擬航天特殊環(huán)境和實時空間飛行條件下進行人體、動物、細胞、分子生物學研究的實驗條件和技術力量。建立了具有我國自主知識產權的醫(yī)學細胞學空間實驗技術體系,實現了我國航天醫(yī)學從地基研究到空間實驗的突破。

航天環(huán)境醫(yī)學與航天工效學航天環(huán)境醫(yī)學的主要任務是開展航天環(huán)境有害因素(低壓缺氧、艙內污染物、高低溫、振動、噪聲、電離輻射和非電離輻射等)的人體效應及其防護研究,制定環(huán)境醫(yī)學標準,提出艙內環(huán)境工程設計的醫(yī)學要求,開展醫(yī)學評價。伴隨我國載人航天預研、“曙光”號任務、人-機-環(huán)境研究、和國家載人航天工程任務的發(fā)展與實施,提出制定了飛船工程設計的醫(yī)學要求的指導思想和原則;建立了載人飛船工程設計的醫(yī)學要求,提出大氣環(huán)境、溫度、濕度、有害氣體、力學環(huán)境、沖擊、噪聲等醫(yī)學要求的系列國家標準;制定的《飛船乘員艙大氣環(huán)境控制工程設計的醫(yī)學要求》成為我國載人飛船工程設計依據。完成了系列“神舟”任務中載人飛船乘員艙環(huán)境的醫(yī)學評價,為后續(xù)任務中載人航天器的工程設計奠定了堅實基礎。特別是針對首次載人飛行試驗的環(huán)境醫(yī)學問題和“神舟”6號飛行任務的新增項目,增加了艙內有害氣體、振動和能量物質代謝等評價內容;充實發(fā)展了我國載人航天環(huán)境醫(yī)學的理論和醫(yī)學標準。

充分體現人的因素的航天工效學經歷了從重視機器性能到以航天員為中心的動態(tài)發(fā)展歷程。建立了航天員人體尺寸測量數據庫、覆蓋艙內布局、人工控制、顯示照明、報警設計等等內容的工效學評價要求、體系和評價方法,將設計評價、計算機模型評價、主觀評價、特性測試評價相結合,并在工程實踐中提出工效學評價與工程設計同步、與工程研制并行的先進的設計思想,及時糾正了工程設計中存在的缺陷與隱患,提出了明確的工效學要求,圓滿完成了載人飛行器的工效學要求與評價任務,確保了“神舟”5號、6號飛行任務中航天員的高效工作。

航天員選拔訓練、航天員心理學與航天實施醫(yī)學以教育訓練學原理為基礎的航天員選拔訓練技術與理論,以面向應用為目標的航天心理學以及以醫(yī)學選拔、醫(yī)監(jiān)醫(yī)保為主要研究內容的航天實施醫(yī)學3個學科方向在學科發(fā)展中相互交融,在工作實踐中密切配合,緊緊圍繞航天員選拔訓練和醫(yī)監(jiān)醫(yī)保實施的主線,確保航天員以良好的身體素質、心理素質和專業(yè)技能園滿完成飛行任務?！吧裰邸?號、6號任務的圓滿完成向世界展示了中國航天員的風貌,標志著我國已成為繼俄羅斯和美國之后擁有系統(tǒng)、完善的航天員選拔、訓練體系的國家。

我國的航天員選拔訓練起步于“曙光”號任務,針對性地開展了航天員的醫(yī)學和特因選拔、失重飛機選拔、倒立位模擬失重、電動轉椅實驗等基礎工作。1992年載人航天工程項目啟動至1997年第一批預備航天員產生,針對航天員的選拔訓練方法、標準進行了一系列預先研究,完成了2名航天員教員的選拔和培訓。伴隨著“神舟”5號的任務準備,形成了適合中國國情的航天員選拔訓練體系、標準、程序和方法。堅持多維一體的系統(tǒng)性、循序探索出漸進性原則,遵循知識掌握和技能形成規(guī)律,科學統(tǒng)籌安排的指導思想,建立了包括基礎理論、體質訓練、航天環(huán)境適應性訓練、心理訓練、專業(yè)技術訓練、飛行程序與任務模擬訓練、救生訓練及大型聯合演練等內容的訓練理論和胸背向超重對抗技術、飛行程序與任務模擬訓練技術、心理放松與表象訓練技術等科學有效的航天員專項訓練技術;探索出科學有效的實施模式,確保航天員訓練零損傷、零事故。“神舟”6號任務中創(chuàng)建了執(zhí)行載人航天飛行任務航天員乘組的選拔技術體系,研發(fā)了乘組選拔評價的輔助決策支持系統(tǒng),提出了飛行乘組相容性和協同配合能力的訓練方法,有效提升了乘組的工作效能。為“神舟”5號、6號任務訓練選拔出優(yōu)秀出色的飛行乘組,圓滿完成了“神舟”5號、6號飛行任務。

航天員醫(yī)監(jiān)醫(yī)保的主要任務是根據不同的任務特點,實施飛行前、中、后和日常工作中的醫(yī)學監(jiān)督與醫(yī)學保障,確保航天員飛行中的健康。并通過航天生物醫(yī)學工程技術的突破與實現,為飛行航天員健康監(jiān)測提供裝備設施。

航天員醫(yī)監(jiān)醫(yī)保源于軍事醫(yī)學科學院宇宙醫(yī)學研究所醫(yī)學保障室。在“曙光”號任務期間,主要任務是保障被試者在實驗中的安全,負責航天醫(yī)學工程研究實驗中被試者的日常醫(yī)監(jiān)醫(yī)保。無論從組織結構設置、醫(yī)護裝備配置都相對簡單。載人航天工程啟動后,特別是“神舟”5號、6號的兩次載人飛行,促進了航天員醫(yī)監(jiān)醫(yī)保技術的快速發(fā)展和完善,形成了明確的任務目標體系:即通過全面監(jiān)測、分析、評估航天員個體及群體健康狀況,實施醫(yī)學保障,預防和消除不良因素對航天員健康的影響,維護航天員身心健康;重點強化航天員訓練期及航天前、中、后的醫(yī)學監(jiān)督與醫(yī)學保障,使之適應于航天特殊環(huán)境因素的訓練和航天飛行;建立各類航天員(指令長、飛行工程師)的醫(yī)學選拔方法和標準,對預備航天員進行醫(yī)學選拔和航天飛行過程中的醫(yī)學救援。發(fā)展建立了具有中國特色的健康維護體系,提出了“預防性原則、實時性原則及預見性原則”的健康保障原則;將中醫(yī)藥理論、方法與航天醫(yī)學相結合,創(chuàng)立了特色的航天員個體化診療方法,確保了飛行任務中的航天員健康。優(yōu)化了航天員航天生理功能檢查方法,確定了航天員個體生理參數在各種條件下的極值范圍,建立了適合中國航天員的航天生理功能評價標準體系,為航天實時醫(yī)監(jiān)提供了客觀依據。

繼“神舟”5號首次“1人1天”載人飛行任務后,又突破了“多人多天”在軌的航天員醫(yī)學健康保障技術和飛行后航天員健康康復技術。針對短期在軌飛行特點,以恢復體液平衡和重力再適應為重點,對飛行后乘組實施了運動療法、中藥調理、推拿按摩等醫(yī)學康復治療;“神舟”6號飛行任務證明飛行乘組心理、生理狀態(tài)良好,心率穩(wěn)定,遙測心電正常,體溫及血壓正常,無醫(yī)學病癥發(fā)生,較快地適應了失重狀態(tài),醫(yī)學保障措施科學有效。確保了“多人多天”飛行任務中的航天員健康和及時恢復,對航天員安全高效地執(zhí)行飛行任務做出了重要貢獻。

創(chuàng)造性地將航天醫(yī)學理論與中醫(yī)藥研究有機結合。以航天員訓練、飛行和返回地面不同階段身體各系統(tǒng)生理適應反應有關資料為依據,對我國航天員、被試者在模擬航天不同時期的機體反應態(tài)進行中醫(yī)辨證分型。發(fā)揚中醫(yī)治未病思想,強調預防為主、寓治于防、強身固本;初步形成了載人航天不同時期中醫(yī)藥防治理論,建立了具有中國特色和自主知識產權的中西醫(yī)結合的短期飛行航天員健康保障體系。

航天營養(yǎng)與食品工程航天營養(yǎng)與食品工程是確保航天員健康的重要。經過40年的努力,初步形成了以航天營養(yǎng)代謝研究為基礎、以航天食品質量與安全管理體系為手段、以船載航天食品研制為目的的具有典型醫(yī)工結合特色的研究體系。

航天營養(yǎng)研究從20世紀70年代“曙光”號航天計劃時起步,研制出我國第一代航天食品,以此在地面進行了大量模擬失重動物實驗和人體實驗,進行了營養(yǎng)代謝和能量代謝測試,積累了第一手資料,為后續(xù)發(fā)展奠定了堅實基礎。 載人航天工程啟動后,在短短的10余年間,形成了航天員地面訓練期間、飛行前、飛行中及返回后康復期膳食營養(yǎng)指導與評價體系,完善了航天飛行營養(yǎng)素供給量標準的研究方法,形成了系列標準,為大型地面臥床實驗、密閉艙實驗及“神舟”5號、6號航天食品的研制提供了科學依據。

航天食品研究隨載人航天工程的啟動而進入了飛速發(fā)展時期,經過從無到有、從單一到復雜、從供給標準到口味豐富的發(fā)展歷程。突破了短期載人飛行航天食品及包裝自主研制的工程技術,建立了航天食品研制技術平臺和人才隊伍,形成了包括航天食品標準體系、過程控制、分析檢測與風險評估方法在內的航天食品質量管理與安全控制體系。

研制出了六大類上百個具有中國飲食文化特色的航天食品,實現了“安全、營養(yǎng)、方便、多樣”的目標,保障航天員圓滿完成了兩次航天飛行任務。

形成了以銀離子制備、檢測和消毒等成套的航天飲水制備技術。

航天生物醫(yī)學工程技術航天生物醫(yī)學工程技術是實施航天員醫(yī)監(jiān)醫(yī)保的重要技術支撐。通過研制的一系列醫(yī)監(jiān)裝備,確保航天飛行和地面試驗中人體生理信息準確提取與及時傳輸,是醫(yī)監(jiān)決策必備的支撐裝備。這涉及生物醫(yī)學傳感器技術、生物醫(yī)學信號測量與處理技術、生物醫(yī)學信號遙測技術等。從我國第一只上天小狗的心電、呼吸、心率和血壓等生理指標的記錄,到國家“七五”攻關項目研制的心電電極、呼吸傳感器、體溫傳感器、血壓測量傳感器,為解決載人航天飛行任務中生物醫(yī)學傳感器技術難題奠定了良好的技術基礎。

在“神舟”1~4號無人飛行任務中,突破了飛船擬人載荷技術,解決了失重條件下模擬航天員的耗氧和產熱等難題,為環(huán)控生保系統(tǒng)的工程設計和研制提供了重要參數。在“神舟”5號、6號任務中又不斷攻克了心電、呼吸、體溫和血壓在軌測量等關鍵技術,解決了航天員的生理信號監(jiān)測問題。在生理信號傳輸中建立了嵌入式心率提取算法,首次采用了雙口RAM、FIFO等技術解決了多CPU之間的協調技術難題,研制的醫(yī)監(jiān)決策支持系統(tǒng)采用數字濾波、小波分析等數字信號處理技術實現了航天員心電、呼吸信號的智能化處理。在新型電子設備研制中,以DSP技術替代了單片機,成功實現了生理信號放大器的小型化,解決純氧環(huán)境下使用的安全性和信號的無線傳輸等技術難題。根據中長期航天員在軌飛行健康監(jiān)測的醫(yī)學需求,積極開展了連續(xù)血壓、無創(chuàng)心功能、無創(chuàng)肺功能測量等關鍵技術研究,為后續(xù)任務進行充分的技術儲備。

環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)技術環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)技術是載人航天工程中最具有“載人”特征的關鍵技術之一,也是載人航天的標志性技術,直接關系到航天員的生命安全。環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)依其工作原理分為非再生式、物理化學再生式和受控生態(tài)再生式3類。

非再生式環(huán)控生保技術是我國載人航天領域開展較早的預研項目,在“曙光”號任務中就開展了飛船環(huán)控生保系統(tǒng)的總體設計、供氣調壓、通風凈化、溫濕度控制、水管理以及特種航天傳感器等關鍵技術研究。20世紀80年代和90年代初在衛(wèi)星上進行了部分關鍵技術的飛行試驗驗證和研究,其中包括返回式1型衛(wèi)星密閉艙壓力控制系統(tǒng)和生物搭載實驗艙等。生物搭載實驗艙系統(tǒng)是一個用動物(小白鼠)進行空間飛行試驗驗證的功能完整的小型環(huán)控生保系統(tǒng),于1990年10月5日~13日經過8 d的軌道飛行后隨衛(wèi)星安全返回地面。飛行過程中實驗艙內的大氣壓力、溫濕度、CO2濃度等參數均符合設計指標要求。20世紀90年代以后,在“863”預研項目的支持下,尤其是通過“神舟”1~6號飛船環(huán)控生保系統(tǒng)的研制,突破并掌握了座艙供氣調壓、通風凈化、溫濕度控制、微重力環(huán)境下氣液分離和液體管理、測量控制、壓力應急狀態(tài)下生命保障、火煙探測及滅火、航天員在軌生活保障等關鍵技術,確保了載人飛船密閉艙內適宜的生存環(huán)境和必要的生活支持條件,為實現我國載人航天工程從無人飛行試驗到載人航天飛行、從“1人1天”飛行到“多人多天”飛行的跨越奠定了基礎。根據載人航天計劃,開展了關鍵技術研究并獲得突破性進展。

物理化學再生式環(huán)控生保技術是發(fā)展空間站應用的關鍵技術。在“863”預研項目的長期支持下,目前已經形成了以空間站應用為目標、以物理化學再生式技術為核心的完整的環(huán)控生保系統(tǒng)技術基礎和研制體系,建立了模擬空間站密閉艙的再生式環(huán)控生保系統(tǒng)技術試驗平臺,并首次在其中進行了“3人62天”連續(xù)的以再生生保技術為主的系統(tǒng)集成試驗。試驗中再生生保系統(tǒng)提供了3人100% 氧的需要,32%的飲用水和全部的衛(wèi)生用水。通過試驗,驗證了物理化學再生式環(huán)控生保系統(tǒng)的核心技術、掌握了系統(tǒng)集成技術、系統(tǒng)運行流程及規(guī)律,初步獲取了指導我國未來空間站環(huán)控生保系統(tǒng)設計、研制的若干總體性指標,如功耗、體積、重量、熱管理參數、信息交換量等,為空間站環(huán)控生保系統(tǒng)的研制奠定了重要的技術基礎。

受控生態(tài)生命保障系統(tǒng)是實施未來深空探測和月球/火星基地等長期載人航天計劃所必不可少的重要系統(tǒng)。世界各航天大國均在該領域投入了大量的人力和物力,競相開展相關研究。20世紀90年代以來,我國已在受控生態(tài)生保系統(tǒng)的概念構型、系統(tǒng)配置、植物篩選培養(yǎng)、藻類培養(yǎng)、廢物處理與循環(huán)利用等方面開展了大量的基礎性研究。研制了受控生態(tài)生保技術綜合實驗系統(tǒng)等大型試驗研究設備,篩選出小麥、生菜等若干種受控生態(tài)生保系統(tǒng)候選植物,初步摸索了1人對維生素、氧氣、飲用水的需求量與植物栽培面積之間的對應關系,下一步將在此基礎上開展受控生態(tài)生保系統(tǒng)整合試驗研究。在進行基礎性研究的同時,開展了受控生態(tài)生保系統(tǒng)空間搭載驗證試驗的相關研究工作,先后研制出空間植物栽培裝置、空間微生物廢物處理裝置和空間微藻光生物反應器等地面試驗樣機,并進行了全面的地基試驗驗證,為后續(xù)天基試驗產品的研制奠定了技術基礎。

航天服工程航天服是載人航天活動所必需的個人防護和作業(yè)保障關鍵系統(tǒng)。根據功能劃分,有艙內航天服和艙外航天服兩類系統(tǒng): 艙內航天服的主要功能是在飛船座艙壓力應急時為航天員提供嚴重缺氧和減壓的防護保障;艙外航天服主要功能是為在極端嚴酷的空間環(huán)境下進行出艙作業(yè)的航天員提供良好的生存防護和任務必須的工作能力保障。

我國“曙光”號計劃中就開始進行用于載人飛行的艙內航天服研制,由于工程項目終止而未能完成。1992年開始根據我國載人航天工程要求,研制用于飛船壓力應急使用的艙內航天服系統(tǒng)。我國艙內航天服為一體軟式全壓服結構,系統(tǒng)具有良好的氣密性能,可靠的壓力控制和維持能力,良好的操作活動性能和適度的體型適應調節(jié)功能,適應人體生理要求的通風供氧分配能力,良好的視覺保障性能。系統(tǒng)能夠根據人體在航天座椅中長時間束縛的耐受性要求進行結構形態(tài)調節(jié)和控制,保證了較長時間壓力應急的耐受安全性要求。與航天服配套的通信頭戴裝置為航天員提供了著服狀態(tài)下的天地語音通信功能,具有高噪聲防護功能和高噪聲環(huán)境下語音通信性能。艙內航天服技術上達到了國際在用系統(tǒng)的先進水平。

艙外航天服是航天員進入開放的宇宙空間進行作業(yè)的關鍵保障和支持系統(tǒng)。它需要具備良好的空間環(huán)境綜合防護能力,其關節(jié)系統(tǒng)在預定的壓力制度下應提供比艙內航天服更好更全面活動性能,具有脫離母船獨立工作時的人體熱平衡控制、氧氣供給和壓力調控、服內微大氣環(huán)境的通風凈化等環(huán)境控制和生命保障功能,以及在主要系統(tǒng)故障情況下的保障應急供氧能力,保障艙外活動時的遙測通信能力。根據我國載人航天發(fā)展規(guī)劃,在“863”項目的支持下,1998年開始進行出艙活動航天服關鍵技術研究。在艙內航天服、座艙環(huán)控生保研制的技術基礎上,跟蹤國際上先進艙外服技術發(fā)展,先后開展并完成了航天服熱防護技術、關節(jié)和氣密軸承技術、水升華器冷源技術、外層防護材料復合織造技術、艙外服總體方案等關鍵技術項目研究,取得了多項突破性成果。為我國艙外航天服工程研制奠定了良好的技術基礎。

航天環(huán)境模擬試驗及飛行訓練仿真技術航天環(huán)境模擬試驗技術主要是通過在地面建立模擬空間和飛行動力學環(huán)境的設備設施為航天員選拔訓練和醫(yī)學實驗及工程產品可靠性試驗的獨特技術平臺和技術保障。在載人航天的實踐中,航天員系統(tǒng)通過等效再現原理,環(huán)境參數模擬、環(huán)境效應模擬、數字仿真模擬等技術,建立了載人航天人工大氣環(huán)境、空間環(huán)境、飛船動力學環(huán)境、失重環(huán)境等的系列地基模擬技術,研制了乘員艙大氣環(huán)境模擬設備、載人空間環(huán)境模擬設備、載人超重環(huán)境模擬設備、中性浮力模擬設備和載人振動與沖擊模擬設備等載人航天環(huán)境模擬設備,為航天醫(yī)學工程研究以及相關產品的研制提供了有效的試驗保障,對促進航天醫(yī)學工程研究、提高載人航天器可靠性和確保航天員安全發(fā)揮重要作用。

航天飛行訓練仿真技術主要是采用實物、半實物和數字方法模擬航天器飛行中所產生的人的視覺、觸覺、聽覺等感知,為航天員提供載人航天器的設備操作、飛行程序及飛行任務方面的訓練。早在“曙光”號任務時期, 結合人機工效研究對飛行訓練仿真技術進行了初步摸索,研制了面向人工控制訓練的早期模擬器。國家載人航天工程啟動以來,航天飛行訓練仿真技術作為航天醫(yī)學工程學的重要分支得以飛速發(fā)展。創(chuàng)建了適合中國載人航天實際的航天飛行仿真技術方法、平臺和體系,研制了單項任務訓練器和模擬“神舟”飛船飛行全過程的固定基全任務飛行訓練模擬器,為“神舟”5號、6號任務航天員訓練提供了十分重要的設備保障。

航天醫(yī)學工程學體系方法載人航天是一項巨大復雜的系統(tǒng)工程,航天醫(yī)學工程學的核心目標是確保航天員飛行中的安全、健康和高效工作。圍繞這一目標,在載人航天的實踐過程中,建立、發(fā)展了學科特色鮮明的航天醫(yī)學工程學體系方法。

應用系統(tǒng)工程理論,將載人航天系統(tǒng)的可靠性、安全性、可維修性與人的因素有機結合,以滿足全系統(tǒng)的進度、功能、接口等要求為目標,進行系統(tǒng)頂層設計,形成了航天醫(yī)學工程總體技術理論,成為指導任務完成的重要總體技術基礎。

人是載人航天的核心,以人為本的設計理念是航天醫(yī)學工程學的突出特點,一切從航天員的安全、健康和高效工作出發(fā),形成了獨特的醫(yī)工結合體系方法。航天醫(yī)學需求和目標是開展任務研究與研制的基礎,工程技術是保障目標實現的途徑和手段。凸顯醫(yī)學與工程結合性,以滿足人的醫(yī)學需求為工程研制目標的醫(yī)工結合體系方法,在解決載人航天的理論實踐問題中發(fā)揮了重要作用。

創(chuàng)新性提出醫(yī)學項目工程化的管理方法并成功應用于60 d人體臥床實驗。針對涉及人體的航天醫(yī)學實驗具有周期長、影響因素復雜、測試項目多、相互干擾大、參試人員多等特點,運用系統(tǒng)工程設計思想,借鑒工程化管理經驗和方法進行項目策劃、組織、實施,提出大型綜合醫(yī)學實驗中數據管理與分析共享、實驗過程控制要素、醫(yī)學異?，F象跟蹤處理方法是工程化控制重點的理念。

航天醫(yī)學工程學發(fā)展展望

國際空間站、重返月球和載人火星登陸已成為國際載人航天的發(fā)展路線圖的明確站標。根據我國“載人航天三步走計劃”我國的載人航天活動也將實現4個過渡,即由短期飛行過渡到中長期飛行,由艙內活動過渡到艙外活動,由近地軌道過渡到深空探測,由地基模擬研究過渡到空間在軌研究。這一切都對航天醫(yī)學工程提出了新任務和新挑戰(zhàn),圍繞保證航天員安全、健康和高效工作,航天醫(yī)學工程學科的理論研究和工程研制重點也將有所轉移。

航天員選拔與訓練的主要任務是針對不同的任務目標研究預備航天員選拔策略,乘組搭配及乘組整體效能;制定飛行工程師、載荷專家及女航天員的選拔方法和標準,建立航天員交會對接、空間站選拔訓練技術和長期飛行中航天員乘組訓練選拔要求。

提高航天員健康管理水平、發(fā)展空間急救、(超)遠程醫(yī)學診療等在軌飛行疾病診斷與處置技術,充分發(fā)揮祖國傳統(tǒng)醫(yī)學優(yōu)勢,建立具有中國特色的航天醫(yī)學體系是航天實施醫(yī)學的發(fā)展方向。建立發(fā)展基于可穿戴技術、生理數據壓縮及圖像壓縮技術的航天員健康監(jiān)測技術和監(jiān)測平臺,突破長期飛行中航天員健康的全面實時監(jiān)測,對于保障航天員安全、健康飛行具有舉足輕重的作用。

環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)的發(fā)展水平制約著長期載人航天器的發(fā)展速度。發(fā)展建設空間站的核心之一是突破物理化學再生式環(huán)控生保技術;第3代環(huán)控生保技術——受控生態(tài)生物生保系統(tǒng)技術則是人類進軍深空之前必須掌握的關鍵技術。特別是電解水制氧裝置、CO2凈化處理裝置、廢水處理等理論與技術的突破,將實現通過氧氣再生,水再生,食物再生供應和廢物回收利用確保在漫長的空間探索旅程中的自給自足。

掌握登月服技術是繼艙外航天服之后又一個技術高峰,是登月與月面活動不可缺少的生保系統(tǒng)。需要在適應月球0.16 g重力、月面灰塵污染、晝夜溫差大等環(huán)境下滿足使用要求,具有保護航天員免受微流星損害和紫外線輻射的功能;可活動性、靈活性、工效性能要求更高,能滿足航天員在月面科考和實驗等任務要求;工作時間、使用壽命、安全可靠性、可維修性要求更高;可在月基維修、更換。

空間骨丟失、輻射效應、免疫功能下降等航天醫(yī)學問題是影響人類長期在軌飛行的重要制約因素。針對骨形成、骨細胞重力效應、輻射生物計量及其效應等醫(yī)學問題的研究將是航天醫(yī)學研究的重點方向。堅持“由研及用”的原則,基于對空間環(huán)境導致的基因、細胞、組織、器官及其功能變化機理的本質認識的不斷深入,必將獲得針對性強的有效對抗防護措施的新突破,為長期飛行和深空探索中航天員的健康飛行提供堅實的技術支撐。

新近空間生命科學研究結果表明,力學因素參與細胞分化發(fā)育?！坝钪妗?129號生物衛(wèi)星飛行18.5 d后,骨質中未分化的成骨細胞祖母細胞數量增加,表明失重影響成骨細胞的分化進程。分化過程受空間微重力影響的細胞還包括軟骨細胞、骨細胞和造血祖細胞,提示重力因素在生命個體的發(fā)生發(fā)展中的作用不容忽視。因此空間環(huán)境為生命科學研究提供了獨特的實驗平臺,為認識生命現象的本質提供了不同的視角,對于豐富生命科學理論具有積極的促進作用。

隨著人類活動的空間疆域不斷拓展,與地球迥然不同的太空環(huán)境的運行節(jié)律對生命系統(tǒng)影響不容忽視,與航天醫(yī)學工程密切相關的新學科——空間時間生物學,由于其在揭示環(huán)境因素引起的生命系統(tǒng)內部生物節(jié)律的變化、功能與行為的變化中的獨特作用,也將在指導飛行任務周期的設計選擇,提高航天員健康保障的有效性和科學設計航天員活動安排中發(fā)揮愈來愈重要的作用。

結束語

長期載人飛行和載人登月已成為21世紀世界載人航天發(fā)展的熱點,也必將是我國載人航天發(fā)展的重要目標。毋庸置疑,航天醫(yī)學工程學在后續(xù)載人航天任務實施中必然得到進一步應用、豐富和發(fā)展,同時航天醫(yī)學工程學的發(fā)展也將進一步促進載人航天工程未來型號任務的完成和載人航天技術的發(fā)展。