长期飞行载人航天器适居性设计与分析

周前祥

（北京航空航天大学生物与医学工程学院，北京100083）

1 引言

在载人航天的发展史上，21世纪是一个走向跨越式发展的历史阶段，因为已建立了多个人在太空长期驻留的空间站，登月并将开展载人火星飞行计划，以实施深空探索或开发。3个月以上时间的长期载人飞行、狭小密闭的空间环境、如何充分利用航天员的能动作用、人机系统优化等将成为世界各国开展载人航天活动时需考虑的主要技术约束或目标，其中，狭小空间的适居性设计更成为了重点关注的问题。

所谓适居性，是指载人航天器舱内环境、人机界面适合长时间条件下乘员工作或休息的程度。即组成航天器的舱内环境、设备及其他因素，能够保障所有乘员长期的健康居住并高效工作。据报道，美国科学院医学研究所受NASA委托，组织了一批著名的航天医学专家对长期载人飞行过程中存在的医学问题进行研究。结果指出：在人类已有的航天经历中，有关空间环境因素对人体影响问题的数据资料还不充分，不足以进行深入的研究与分析，所以现有技术还不能保障人在飞往火星或多年在近地轨道空间基地上驻留时的安全与健康[1]。此外，NASA在俄罗斯的“和平号”空间站上的经验证明，由于长期载人航天飞行时一般为多人参与，舱内环境对人的适合程度至关重要。例如，航天飞机-“和平号”联合任务时的长期飞行乘员，戴维·沃尔博士认为：“我认识到要把舱内环境或操作的适合人的问题同空间科学试验中的工作效率截然分开不可能的，因为它们是一体，体现在食物、盥洗以及工作空间的良好布局等方面”[2，3]。

虽然现代载人航天器中的多数工作已实现了自动化，但为了实现任务目标，开展人机系统结构优化是大势所趋。因为在空间飞行过程中需要的是航天员的大脑而不是其肌肉体，要求他充分发挥出机动灵活、临场应急等能力。否则，将可能导致乘员长期处于应激状态。据研究，舱内适居性的好坏对航天员提高工作效率和延长驻留时间起着非常重要的作用，所以，适居性问题是人类开展长期载人飞行时面临的一个关键问题。

2 ISS适居性的概况

1998年11月发射“功能货舱”这一首个模块后，国际空间站（ISS）开始了轨道建造。2009年5月，可常驻6人，并且日本的“希望号”实验舱最后一个模块露天平台装配完毕。整个ISS预计今年竣工，全面投入应用[4，5]。显然，适居性也是ISS面临解决的一个重要问题，这是因为：第一，在国际空间站上乘员将进行近3-6个月的长期飞行，已有的短期、天地往返的载人航天器舱内环境设计不能满足要求；第二，有人驻守时国际空间站上乘员人数多，且来自不同的国家，对于适居性的理解及影响存在国家与文化之间的差异；第三，国际空间站是一个近地轨道的空间基地平台，它的设计必须满足人在太空的长期生活和工作的要求[2，6]。

根据美国“天空实验室”的三次飞行任务的经验，目前ISS上对适居性关注的主要方向包括睡眠区域的结构设计与评价、脚与身体的限制系统、工作站设计、医疗、工具与测试设备、个人卫生及清洁品的保障、食品供应等，这些相关的数据内容也可以作为分析、研究以及制订未来长期飞行载人航天器人-机系统标准的依据。

美国曾开展过“ISS实用居住计划”（图1）来进行国际空间站建设初期的适居性研究。其目的是建立一系列数据和经验，并由此得出评价和提高适居性的方法与措施，其主要任务有：收集并解释与ISS上适居性相关的数据、总结在适居性设计方面取得的经验教训、提出改进适居性设计的措施与方法。其中数据采集来自设备/工作站的操作与维护、环境条件（照明、可接受的容积、噪声与振动）、操作界面的理解方式等。在研究的手段上，主要利用航天飞机-“和平”号联合飞行作为平台，采取电子问卷的方式对驻留在“和平”号空间站的7名乘员进行调查，调查的阶段分为执行长期飞行任务时的前、中、后三个阶段。

图1 ISS实用居住计划研究流程

总的来说，根据目前已公开的文献资料，国际空间站在适居性设计方面需要考虑改进的方面有[4，7，8]：

（1）每名执行长期飞行的航天员应有一个合理的私密空间。空间站的适居性不仅指提供舒适的生活与工作环境，还更要人性化，为航天员提供个人私密的环境。据调查，从国际空间上返回的航天员认为，私密空间十分必要。

（2）配载与适居性之间的优用化关系研究需进一步加强。很明显，有人参与的长期飞行需要许多消费品和防止意外的安全设备，包括气体处理设备、食品、水、限制器、微重力对抗设备、废物收集装置和科学仪器等。所有这些物品都必须保存在ISS上，因而配载能力的问题显得突出，需要加强配载与适居性之间的优化关系研究。例如，在俄罗斯的功能货舱（FGB）中，过量的配载被敞开放置，显得拥挤，引起人们考虑其对适居性的影响和工作站的使用。会对乘员在ISS上的移动效率不利，增加了移动时间。

（3）合理地改善舱内设备布局。迄今为止，在ISS执行过飞行任务的航天员对其内部总体布局和设备配置的评价是：简单实用、基本合理。但若在生活区和工作区之间加一隔断，则可保证休息时不受工作区的干扰，在精神上得到彻底放松。此外，根据在ISS上作短期访问的俄罗斯航天员的反映，建站初期，生活还不太方便，服务舱内的备餐区和餐桌距厕所较近。

（4）舱内噪声接近或稍超出合理范围，需采取抑制措施。根据文献的报道，国际空间站内实验舱内的气体压力、温度、湿度、气体成分、辐射剂量、振动等环境条件，都基本上处于合理的范围内，符合适居性的要求。只是舱内的噪声过大，超出设计指标。根据航天员携带的声强计测量结果表明，舱内24h的平均值为72dB，超过规定值55dB～69dB，以致航天员有时需要戴上听力保护器。若长期处于这种环境，会对人的听力产生损害。

3 NASA的研究现状

针对长期航天飞行的技术背景与需求，适居性问题一直是NASA关注的重点。他们认为所谓的适居性是指航天员所处的舱内空间、气体的压力组分、温湿度和噪声对其工效、健康和工作能力影响的程度，也是长期飞行载人航天器设计的一个关键性因素。早在1982年，NASA的艾姆斯航天中心成立了多学科交叉的空间人的因素研究办公室，两年后在该办公室设立适居性研究组，其任务是对空间站和未来更长期的航天任务中适居性问题开展分析与研究。研究组成员来自心理学、生理学、工程设计、建筑学、人因工程及其他有关方面的专家，它面临的最大挑战是要确定一种有效的办法，以保证环境适合于人长期生活与工作，并能客观地检验出这种适合程度。目前，该研究组已编制了空间站内部建筑与设计指南，对航天员操作任务和心理社会因素作用提出解决的技术措施。

进入21世纪后，NASA在Johnson航天中心成立了适居性与环境因素研究部（The habitability and environmental Factors division，HEFD）专门负责如何给航天员提供一个安全与高效的工作环境，并预见本领域的技术发展方向，重点关注的内容包括：人的因素与适居性系统、舱内空间与水的质量、毒理学、微生物学、声学与辐射健康、航天器以人为中心设计的快速建模及整合分析方法等。该研究部分为两个分支[9]：

（1）环境因素研究室（Environmental Factors Branch），负责定义、开发与管理长期飞行时的程序、研究项目和相关技术的开发，以保证舱内环境因素合格和乘员的健康与安全。同时，还包括载人航天器飞行前、中、后诸阶段的舱内环境的分析、规划与评价。另外，该研究室正在开展长期飞行舱内环境的高级监测技术的概念设计，以及乘员健康与安全的风险评估等方面的研究。

（2）适居性与人因研究室（Habitability and Human Factor Division），负责确保人的因素，如生理参数、技能、能力限度等在载人航天器的设计与运行过程中得到考虑，并采取针对性的措施。为了支持NASA的载人空间飞行计划，该团队也开展了乘员工作站的整合及乘员系统界面分析的研究，建立乘员适居性系统的概念设计方法，确定人-机接口与载人航天器操作的适人性要求。

在取得的研究成果方面，1989年发布的NASASTD-3000《人-系统整合设计标准》可以认为是载人航天器适人性设计要求的雏形。该标准从乘员安全、健康管理、舱内布局、工作站、活动区等方面规定了适合航天员特点的设计要求，1995年进行了再次修订。基于载人航天技术的发展需要，NASA从2007年开始制订一套新的人机系统标准，以用于空间站、月球基地和载人火星航天器的适居性设计。于2009年9月25日发布的第一卷，即《NASA航天飞行人-系统标准》：乘员健康，简称为 NASA-STD-3001，Volume I，它涉及乘员的医疗救护、营养、睡眠、运动锻炼等内容，主要关注航天员的个人特性。其第二卷，适居性与安全环境（Habitability and Environmental Health）正在制订之中，包括食品设备、浴室、工作站布局、乘员姿势限值、舱内气体和水质等要求，重点关注的人-系统间的相关作用。在2010年，发布了与NASA-STD-3001配套的《人整合设计手册》，简称为NASA/SP-2010-3407[10]。在将来，NASA-STD-3001 卷II及NASA/Sp-2010-3407将替代NASA-STD-3000。

4 适居性设计的主要内容

根据上述分析，长期飞行载人航天器适居性指舱内生活与工作环境满足所有乘员健康生活、安全高效工作、成功完成预定飞行任务并使整个人机系统性能达到优化的程度。为此，应该利用航天医学、航天工效学、系统工程学、生理学、心理学等的理论与方法，从下述方面研究其合理范围。

（1）活动空间，为了满足长期载人飞行的需要，理论上，航天员的活动空间越大越好。但由于舱内设备往往占用很大一部分的空间，所以航天员的生活与工作区的有效空间是受限的。在国际空间站建站初期，就在功能货舱的走廊上挂一个睡袋，权当卧室。第二批航天员进驻后，感到很不舒服。在美国的载人航天活动中，飞行持续时间与人均活动空间如表1和图3所示[10]。据估算，持续6个月飞行时，单人适居性空间为26.85m3、而持续7d飞行的单人适居性空间则为5.19 m3。

（2）噪声，对舱内的噪音，国际空间站的舱室噪音限制（睡眠区：≤50dB；工作区：≤60dB）可以沿用。但运行的状态下，按工作任务区域分类制订不同限值。

（3）食物与衣服，包括水、食品及日常衣服。为增加载人航天器上适居性与物质保障的效率，可借鉴“哥伦比亚”号事故后航天飞机停飞，美、俄两国在ISS上实验舱的物资补给完全依赖为数不多、运输能力不大的几艘进步号货船的经验，通过优化空间站上的消耗器的需求来进行。站上航天员和设备所需的气体、水、食物和推进剂等必需品的消耗量在保证安全健康的前提下，通过优化后，得到合理地削减。例如，每人每天的饮用水量保障为3L/d，并采取设计措施来挤干湿衣服和湿毛巾中的水分，以增加回收的水量[4，11]。

（4）观察与操作的工效学设计，这主要体现在人机系统整合，以获取最佳效率与系统性能。根据国内外已有的载人飞行数据，主要从舱内工作区布局、工作站以及照明等方面研究其合理的工效数据限值。

（5）卫生休息及娱乐设施，这是提高乘员执行飞行任务的耐心、成功率与快乐感的重要原因。例如，在紧张工作之余让航天员利用娱乐设施来得到放松，有利于恢复精力，并全身心地投入下一阶段的任务中。

表1 NASA载人航天器压力区容积统计

5 结束语

（1）长期载人飞行是我国航天技术发展的重要方向，按照预先研究先于型号任务8-10年的经验，目前应着力开展适居性方面的相关研究工作，只有这样，工程开始的前期才能有数据可供应用，从而确保长期载人航天器的适居性问题得到充分的解决，实现工程目标。在条件允许时，适时开展中国版《人-系统整合设计标准》的研究与编制工作，以保障航天员长期飞行时的身心健康，使之充满信心、高效地完成飞行任务。

（2）适居性的评价方法也是关注的重点，目前，利用KC-135失重飞机，美国NASA开展了航天飞机的人机界面及适居性设计方面的研究工作。因此，如何设计并进行评价、如何得出科学合理的评价结论也是研究的重点。

（3）在考虑适居性的问题时，应与长期飞行的作息制度相结合，并赋予航天员与地面联系的自主性。例如，国际空间站上的工作进度完全由计算机管理，航天员完成某项任务后，可通过计算机向地面控制中心发送简报，从而实现在不打扰航天员的情况下，地面人员全天时地跟踪了解空间任务执行情况。通过交互，可减轻长期飞行所带来的孤独感。 ◇

［1］吴国兴.长期载人航天中的医学工程问题.中国航天，2002（10）：36-39.

［2］强静译.Aviation，Space and Environmental Medicine.载人航天信息，2001（9）：7-14.

［3］Jack，M..Habitability systems in a changing space station design.AIAA 93-4193：1-3.

［4］朱毅麟.国际空间站建造十年经验初探.航天器工程，2010，19（1）：51-59.

［5］Robinson J.，Thomas D..NASA Utilization of the International Space Station and the vision of space exploration.AIAA-2007-139:1-8.

［6］Susan D.，Cynthia M..Habitability and human factors:lessons learned in long duration space flight.AIAA-2004-6021，2004.9：1-11.

［7］Sarah K..The Application of the human engineering modeling and performance laboratory for evaluation of space vehicle ground processing tasks at Kennedy Space center.AIAA-2008-3403，2008：1-7.

［8］Rhatigan J.，and Robinson J..Exploration-related research on ISS:connecting science results to future missions.AIAA-2006-344，2006.1:1-9.

［9］Habitability and Environmental Factors Division.Http://hefd.jsc.nasa.gov.

［10］The human integration handbook（HIDH）.http://ston.jsc.nasa.gov/collections/TRS/_techrep/SP-2010-3407.pdf.

［11］ Zolesi V.，Serafini L..New protocols for the analysis of the performance of the human upper limb on the International Space Station.AIAA-2003-6334.