“國際空間站”航天員出艙活動醫(yī)學(xué)保障主要結(jié)果

孫海鵬 王永生 趙東明 （中國航天員科研訓(xùn)練中心）

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

隨著航天員艙外活動個體裝備技術(shù)的完善及其功能可靠性的提高，艙外工作逐漸由短時行為變?yōu)楹教靻T有計劃的長時活動。1987-2000年，在和平號空間站考察期間，航天員共完成78次出艙活動，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)實驗、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、試驗航天員獨(dú)立機(jī)動設(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)防失重不利因素對機(jī)體影響的有效方法，在長期飛行中，艙外活動參與者保持了高效的身體工作能力。

1 “國際空間站”航天員艙外活動概況

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

“國際空間站”艙外活動規(guī)模及持續(xù)時間匯總數(shù)據(jù)

“國際空間站”俄羅斯艙段上進(jìn)行的艙外活動頻次

2 艙外活動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“國際空間站”上進(jìn)行艙外活動所要遵守的文件。眾所周知，為了在開放空間完成工作，在“國際空間站”上使用2種航天服：美國的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”活動醫(yī)學(xué)保障小組。出艙活動醫(yī)學(xué)保障小組由各單位的專家們組成。

在“國際空間站”俄羅斯艙段上，艙外活動醫(yī)學(xué)保障按照俄羅斯的備忘錄進(jìn)行，這個備忘錄以前在完成“和平”號軌道組合體飛行任務(wù)時使用過。在“國際空間站”俄羅斯艙段航天員穿著“海鷹”艙外服進(jìn)行艙外活動時，艙外活動的準(zhǔn)備和進(jìn)行時的醫(yī)學(xué)監(jiān)測階段和方法見表“艙外活動各階段的醫(yī)學(xué)監(jiān)測方法”。

在“和平”號空間站上進(jìn)行艙外活動時，一個醫(yī)學(xué)監(jiān)測周期的時間長短取決于與地面站點通訊持續(xù)時間的長短，但在利用通信衛(wèi)星時這一時間可以增加。最新情況是每個監(jiān)測周期達(dá)到過60min。除了把醫(yī)學(xué)遙測信息，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算綜合體的監(jiān)測器上，而且必要時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)督的計算機(jī)綜合系統(tǒng)“科馬斯特拉”（комастра）對艙外活動期間醫(yī)學(xué)生物學(xué)參數(shù)進(jìn)行接收、處理、表現(xiàn)和記錄，它可以實時地獲得一系列快速醫(yī)監(jiān)指標(biāo)，以反映艙外活動人員能耗緊迫程度、散熱量和產(chǎn)熱量，并對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。

艙外活動各階段的醫(yī)學(xué)監(jiān)測方法

“出艙”活動完成后，對艙外活動人員的監(jiān)測內(nèi)容包括他們的自我感覺報告、無線通話數(shù)據(jù)、視頻圖像和尿的生化分析。對艙外活動人員這一階段的監(jiān)測與“和平”號空間站飛行計劃有所不同的是，對體重的測量只是在“國際空間站”考察最初階段進(jìn)行，并且是針對完成前7次出艙活動的航天員來進(jìn)行的。

有些艙外活動的操作作業(yè)是在“國際空間站”的設(shè)備艙上進(jìn)行的，設(shè)備艙離定向發(fā)動機(jī)不遠(yuǎn)。這時艙外活動人員隨身帶著毛巾，在發(fā)動機(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 艙外活動的減壓安全保障

艙外活動醫(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計劃不能完成的原因。但在很多情況下，高空減壓病可能會發(fā)展成對身體的嚴(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，這些病會對當(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)行特殊操作時增加艙外活動人員靈活性。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空間站和“國際空間站”的出艙活動。

根據(jù)俄羅斯在“國際空間站”上出艙活動的準(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，需要有一個艙外活動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的第2名人員的實際排氮時間會超過計劃1倍。

迄今為止，所有出艙活動包括從俄羅斯飛船和空間站出去的，也包括“國際空間站”的30次出艙活動都順利完成而沒有發(fā)生高空減壓病癥狀。根據(jù)艙外活動實際次數(shù)和在真空艙里穿服裝進(jìn)行模擬艙外活動的次數(shù)總和，經(jīng)計算確定，俄羅斯方案在預(yù)防產(chǎn)生高空減壓病置信度為0．95時的可靠性不低于0．995。特別要強(qiáng)調(diào)的是，這個數(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，采取的治療措施應(yīng)該是針對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)艙外活動期間產(chǎn)生高空減壓病時，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、改善對組織的供氧并降低患血栓綜合癥的風(fēng)險甚至在加壓到1．01×105Pa使高空減壓病癥狀完全消失時，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，就像現(xiàn)在的“國際空間站”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撏饣顒訒r航天員的健康狀況實施快速的醫(yī)學(xué)監(jiān)督，勿庸質(zhì)疑，這將提高出艙活動的安全性。在下面的情況下也可以使用這種類型的儀器，即在出艙活動完成后的一段時間內(nèi)，在航天員身上出現(xiàn)或具備不明顯的體征變壞征兆時，可以做出對高空減壓病的細(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，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，這名乘組人員應(yīng)該被禁止進(jìn)行艙外活動。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，建議停止其飛行，并在地面繼續(xù)進(jìn)行治療。

4 艙外活動準(zhǔn)備和實施階段航天員作息制度的特點

合理的作息制度是長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“國際空間站”俄羅斯艙段上艙外活動準(zhǔn)備及實施階段的作息制度，曾利用了“和平”號空間站長期飛行時艙外活動中積累起來的經(jīng)驗。

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

- 準(zhǔn)備工作（檢查“國際空間站”、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）；

- 實施艙外活動；

- 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”號空間站上進(jìn)行艙外活動時，準(zhǔn)備階段操作和收尾操作占一晝夜時間的38%，艙外活動時間占17%、睡眠時間占35%、解決其他問題的時間占10%。

當(dāng)“國際空間站”上有第三名乘組人員時，他的活動也要和艙外人員相諧調(diào)。隨著過閘的開始，連接“國際空間站”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就是監(jiān)視艙載系統(tǒng)、工作圖和進(jìn)行電視報道。

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

根據(jù)飛行計劃，工作和休息時間可按著乘組的意見倒換一次或一晝夜倒換1～2h。當(dāng)有夜間艙外活動時，午飯后給乘組補(bǔ)充個人休息時間。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。

“國際空間站”艙外活動規(guī)模及持續(xù)時間匯總數(shù)據(jù)

艙外活動期間航天員心臟收縮頻率、能耗水平和體溫

在準(zhǔn)備及實施艙外活動階段，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 艙外活動醫(yī)學(xué)監(jiān)督的主要結(jié)果

艙外活動期間，（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)荷時能耗達(dá)到7．9～9．8kCal/min，這時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)生了計劃外情況；其余3種情況是在“國際空間站”外表面進(jìn)行復(fù)雜操作時航天員表現(xiàn)出了身體緊張。參加艙外活動的女航天員的生理指標(biāo)表明她有好的身體訓(xùn)練和對開放空間工作條件穩(wěn)定的適應(yīng)性。艙外活動期間，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經(jīng)驗時。

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“國際空間站”外表面設(shè)備長時間接觸所致。

對14人次出艙活動的研究表明，艙外活動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種情況下艙外活動后體重測量結(jié)果和原始體重值沒區(qū)別。根據(jù)艙外活動人員的報告，在開放空間進(jìn)行操作期間對液體的需求量是300～400ml。

在完成特別緊張且長時間的工作后，艙外活動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。個別還出現(xiàn)了暫時性蛋白尿癥和糖尿病。蛋白尿癥和糖尿病通常在艙外活動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后恢復(fù)階段的作息制度。

6 小結(jié)

在“國際空間站”俄羅斯艙段上，各不同階段進(jìn)行的30次出艙活動都成功完成了。艙外活動人員的生理反應(yīng)是與工作性質(zhì)和心理生理緊張程度相一致的。所用的艙外活動醫(yī)學(xué)跟蹤系統(tǒng)能夠快速評價航天員的身體狀況、預(yù)報和警告不良狀態(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醫(yī)學(xué)保障的論證中。