航天環境醫學

空間實驗技術和能力體現了國家的綜合科技實力。隨着航天技術的發展，航天醫學研究從地基邁向天基已成為必然趨勢。正是由於航天醫學空間實驗資源極度稀缺，空間實驗技術研究和儲備更凸顯重要，但在空間實驗技術和平台方面，我國與主要航天大國之間還存在很大差距。隨着我國空間實驗室和空間站建設目標的提出和實施，未來10年，我國對航天醫學空間實驗技術的需求將急劇增加。我國航天醫學工作者針對航天醫學的特點，在航天中醫藥學的應用研究、實驗研究方面，均取得了長足的進步。

針對航天環境(特別是微重力、輻射等)嚴重影響航天員的健康、安全和工作能力這一問題，我國利用當前生物醫學領域先進的研究思路和技術手段，建立了包括空間細胞培養體系、失重生理效應評價體系及微重力效應防護技術體系在內的一系列空間實驗技術平台，從細胞和分子水平研究了航天因素對機體的影響發生、發展的內在機制，為在航天員功能狀態評價基礎上提出和制定有針對性的防護措施提供了堅實的科學依據。

在空間細胞學實驗技術方面，通過中法合作空間生命科學研究，進行了IBIs成骨細胞空間飛行搭載實驗，具有我國自主知識產權的動態連續灌流式培養、空間實時連續觀察及温控的空間細胞實驗技術平台樣機已完成多次中法合作失重飛機飛行實驗驗證，並已列入載人航天工程任務醫學實驗正式載荷，為空間有/無人條件下實時開展基於細胞分子水平的航天醫學與生命科學實驗研究提供了工程技術支持。利用神舟六號飛船、Photon返回式衞星和失重飛機，系統開展了微重力環境的細胞學效應與細胞保護藥物研究，實現了我國航天醫學從地基研究到空間實驗的突破。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，提出重力敏感系統——細胞骨架是進行有效醫學防護的重要分子靶點。 ^[1] 

航天環境醫學主要研究航天環境因素作用於人體所產生的生理學和病理學效應、作用機制及其防護措施，內容包括座艙大氣環境醫學、座艙環境化學和衞生毒理學、温度醫學、振動醫學與工程、聲環境醫學與工程、輻射環境醫學與工程及載人航天器醫學評價技術等。

航天環境醫學的主要特點是具有多學科、多專業相結合的特徵。航天環境醫學既研究單一環境因素對人體的作用，又研究多個環境因素的複合作用；既研究航天環境因素對人體的作用機制，又研究防護有害環境因素的方法和途徑。航天環境醫學的研究致力於建立起環境因素作用於人體所產生的效應與環境物理、環境化學作用參量之間的內在聯繫和定量關係。

航天環境醫學所涉及的航天環境是載人航天過程中作用於航天員並可能產生不良影響的環境因素的總和。航天環境可歸納為兩類：一類是人工環境，包括為航天員在太空生活和工作建立的居住環境和為保障航天員生命安全在航天服內建立的微小生保環境，如載人航天器乘員艙內的大氣壓力和温濕度環境等。人工環境也包括航天員生命活動和職業工作過程中所形成的環境因素，如有害氣體環境和微生物污染環境以及動力學環境因素噪聲等；另一類是空間自然環境和飛行環境，空間自然環境有空間微重力環境、真空環境、温度環境、電離輻射環境、光輻射環境等，飛行環境主要是飛行過程中遇到的環境，如射頻輻射、加速度、超重、振動和噪聲環境等。這些航天環境因素可能是物理的，也可能是化學的或生物的。值得注意的是，航天過程中航天員暴露的往往是多種環境因素形成的複合環境，如上升段振動與加速度的共同存在，軌道段電離輻射與微重力的共同作用，返回段有害氣體、脈衝噪聲和着陸衝擊等的共同效應。

作用於航天員的航天環境因素在一定條件下會對機體產生一些有害的效應，這些效應可能影響到航天員的生命安全、身體健康和工作效率，影響飛行任務的完成，因此受到特別的關注。按照暴露機體產生效應的時間劃分，可歸納為急性效應和遠期效應。急性效應是當有害環境因素作用量級(作用強度和時間)到達一定程度時，短時間內必然發生的一種效應，而且效應的嚴重程度與作用的強度有關，如低壓缺氧反應、高低温反應、有害氣體污染效應、噪聲的聽覺效應、電離輻射的確定性效應等。遠期效應是暴露於有害環境因素以後較長時間才顯現出來的效應，如某些化學致癌物和電離輻射所產生的致癌和遺傳效應，而致癌和遺傳效應的發生是隨機的，有較長的潛伏期，效應的發生概率與作用量級有關，而效應的嚴重程度與作用量級無關。 ^[2] 

航天過程中，往往多種有害環境因素同時存在，其產生的複合作用是相當複雜的，尤其是產生相同效應環境因素間的協同作用，會比單一因素的效應嚴重得多，所以應給予更多的關注。航天環境醫學的主要研究領域如下。

低壓生理學主要進行低壓缺氧狀態下人體與動物的生理反應特性與規律的研究、標準制定、工程防護產品評價等工作。乘員艙大氣壓力及氣體成分是載人航天器生命保障需要首先控制和保障的人工環境，其作用參量有大氣總壓、氧分壓、二氧化碳分壓、壓力的變化速率等。當總壓力降低到一定程度時可發生航天減壓病，氧分壓過低或過高可引起急性缺氧反應和氧中毒，嚴重時可危及航天員的生命。當壓力變化速率過快時可引起中耳損傷。 ^[2] 

温度生理學主要進行不同温度和模擬失重條件下人體温度生理學和温度醫學工程方面的研究、標準制定、工程防護產品評價等工作。乘員艙大氣温濕度及風速是載人航天器環境控制與生命保障需要持續控制的人工環境，是關係乘員健康和舒適的基本要素。當環境温度過高或過低，都會引起人體的高温或低温反應，當超過人體的熱耐受和冷耐受限度時，將出現熱、冷損傷病症，嚴重時甚至危及航天員的生命。 ^[2] 

有害氣體衞生與毒理學主要進行乘員艙內人體和非金屬材料揮發性物質的檢測與目標污染物毒理學效應分析、標準制定、工程防護產品評價等工作。有害氣體對人體的影響主要是由有害氣體的種類、濃度和暴露時間決定的，各種化學污染物的毒性效應有所不同，主要的效應是對黏膜和呼吸道的刺激以及對中樞神經系統的抑制作用，有些污染物有致癌作用，如多環芳烴和苯等。 ^[2] 

振動醫學效應主要進行人體振動測量、效應和振動防護研究、標準制定、工程防護產品研製和評價等工作。航天中強度較大的振動主要是火箭推進系統和氣動力產生的，伴隨有持續性加速度(超重)的作用。振動對人的影響主要由振動加速度、振動頻率、作用時間、作用部位和方向等參數決定。一定頻率和強度的振動會引起人體的生理和心理反應，低頻振動還容易引起運動病。 ^[2] 

噪聲醫學效應主要進行噪聲測量模擬、生物效應和聲學工程及噪聲防護等方面的研究、標準制定、工程防護產品研製和評價等工作。航天器的上升、返回段的噪聲主要由火箭發動機和空氣動力產生，軌道段的噪聲主要由航天器內儀器設備和人產生。噪聲對人的影響主要由聲壓級、頻率、作用時間和作用方式等參數決定。強噪聲可損傷聽力(聽覺效應)和引起心理和生理的反應(非聽覺效應)。 ^[2] 

輻射醫學與防護主要進行空間電離輻射測量、非電離輻射測量和生物效應與防護研究、標準制定、工程測量與防護產品的研製與評價等工作。電離輻射環境主要是空間自然存在的，包括銀河宇宙輻射、地磁捕獲輻射以及隨機發生的太陽粒子事件。電離輻射對人的影響主要由吸收劑量、輻射品質因子和暴露時間及方

式等決定。電離輻射可引起皮膚、眼晶體、造血系統、免疫系統和生殖系統的急性效應，也可引起癌症和遺傳疾病的遠期效應。航天非電離輻射主要包括紫外線和射頻輻射(短波、．超短波和微波)。電磁輻射對人的作用參量有功率密度、暴露時間和方式。非電離輻射可引起人體的中樞神經系統、感覺系統、內分泌系統、消化系統的效應，也可能產生遠期效應。 ^[2] 

航天環境醫學是航天醫學工程學的基礎學科之一，它與航天醫學工程學的各分支學科之間存在着密不可分、相輔相成的關係。

為載人航天器和航天服工程設計提供醫學支持。根據不同的飛行期限，載人航天器設計需要提出乘員艙大氣環境的壓力制度、大氣組成成分、大氣温濕度及風速要求、人體的代謝參數、非金屬材料的使用要求等。航天服工程設計也需要提出壓力制度、通風供氧流率、通風流量分配以及其他的衞生學要求。對於飛行階段可能出現的有害環境因素需提出監測和防護要求，如有害氣體、振動、噪聲、衝擊、電離和非電離輻射的約束限值以及大氣壓力、氧分壓、二氧化碳分壓的報警限值等。

為載人航天器和航天服提供醫學評價。在載人航天器和航天服研製的不同階段均需實施地面的醫學評價，以便及時發現問題和不足並在工程研製中得以改進，為實施發射任務的決策提供依據。在空間飛行期間，也需實施醫學評價，一方面為醫學監督和醫學保障工作提供環境醫學支持，同時也為飛行控制提供環境醫學信息。因為這是實際的空間飛行，這一評價具有更大的實際意義。

為航天員提供輔助的防護方法和措施。對於飛行中的有害環境因素，載人航天器已有基本的防護設計，但對於隨機發生的或工程上一時難以解決的有害環境因素還需提供個體的監測和防護，如噪聲強度過大或影響睡眠時需提供耳塞防護，為減輕振動和衝擊的影響需研製緩衝減振坐墊，對空間電離輻射環境需提供航天員個人劑量監測和輻射防護藥物等。

為航天員選拔訓練提供服務。在航天員的特因選拔中，提供缺氧耐力、減壓病易患性、噪聲敏感性等技術服務，在航天員訓練中提供航天環境的體驗服務。

總之，航天環境醫學緊緊圍繞確保航天員模擬飛行與航天飛行時“生命安全、身心健康、高效工作”的中心任務，與航天醫學工程學的其他分支學科合作攻堅，學科之間相互借鑑、相互滲透、相互補充、相互支持、相互促進，共同推進航天醫學工程學的學科建設。 ^[2] 

我國航天環境醫學發展歷史，最早可以追溯到1958年。從那時起，歷經早期研究、學科框架形成、環境醫學要求與評價體系建立、環境醫學保障水平穩步提高等4個不同的時期。現如今，航天環境醫學已經初具規模，並且在我國載人航天系統工程設計和實施過程中發揮着越來越重要的作用。

中華人民共和國成立之初，面對前蘇聯和美國成功發射人造地球衞星以及兩國積極開展空間生物醫學領先研究的挑戰，中國醫學科學院、中國科學院、軍事醫學科學院相繼成立並組建了航空與航天醫學專業組和培訓班、專業研究室、專業研究所。其中，中國科學院生物物理所和軍事醫學科學院勞動生理研究所，在航空航天環境生理學和醫學方面率先展開了探索性的系統研究。

自1958年9月中國科學院生物物理所正式成立之初，就把研究宇宙環境因素對生物有機體的影響作為主要研究方向，至1962年，初步建立了離心機實驗室、噪聲實驗室、振動實驗室、温度實驗室、氣體壓力實驗室等。完成了振動、噪聲、低壓、温度等環境因素對大白鼠生命體徵和血象及腦電的生物效應的實驗研究以及小型密閉容器的環境控制實驗等。圍繞生物探空火箭任務，開展宇宙環境醫學研究。

1957年，軍事醫學科學院成立軍事勞動生理研究所，蔡翹院士主持領導了特殊環境生理學的研究，創建了中國軍事勞動生理學、航空航天醫學和航海醫學。1958年，建造了我國第一台人用離心機和帶轉籠的轉椅，為重力生理研究創造了條件。

1963年，軍事科學院勞動生理研究所更名為航空宇宙醫學研究所，同時確定了航空宇宙衞生研究方向，成為航天環境醫學的前身，專門從事航空宇宙生理學與國產新機種的醫學要求與醫學評價研究。在環境醫學領域主要開展了以下幾個方面的工作。

(1)創建應用型醫學工程研究領域，開創了我國醫工結合攻克航空航天醫學難題的先河。研究人員設計出我國第一座模擬飛機座艙容積的爆炸減壓鋼艙，該艙建成後，有效地開展了航空航天相關試驗，並在日後成為國內同類試驗艙建造和使用的典範。

(2)進行高空低壓生理學與防護醫學工程的研究。在掌握前蘇聯和美國兩個大國的航空航天相關成就基礎上，開展高空供氧與座艙環境生理學及醫學防護的研究，開展低壓效應(爆炸減壓、減壓病、氣壓損傷等)及其防護的研究，開展低壓與缺氧防護裝備設計要求與評價的研究。充分利用引進前蘇聯KKO-2型高空加壓供氧裝備的機會，研製出先進的低壓艙用人一服裝系統綜合記錄儀等設備。

(3)制定高空飛行防護服的醫學一工程設計要求。先後制定了高空代償服與密閉飛行服設計的醫學一工程設計要求以及國產殲擊機8、強擊機5、運輸機7飛機座艙與高空供氧和高空代償服設計的醫學一工程設計要求。

(4)開展高空防護服醫學評價研究。先後對引進的前蘇聯“BKK-3M”側管式高空代償服的仿製品、“MC-3”高空代償服、“MC-3”高空代償服仿製品，以及我國自行研製的通風式高空密閉服及其調壓器等進行了醫學評價研究。期間，完成了《高空密閉服的研製與評價系統總結》和《“MC-3”高空代償服性能評價》等，揭示裝備防低壓與防缺氧性能優良，但熱舒適性和活動性甚差，發現了該裝備設計上的安全隱患，為後來研製的“曙光”號艙內航天服奠定了基礎，同時也為我國高空加壓供氧裝備生理學和工程學研究、航空長期飛行防護裝備設計創新提供了科學依據。

(5)在國內率先開展了載人航天關鍵技術生命保證醫學工程的預先研究。在航空生命保證技術研究基礎上進一步開展創新性研究，熟悉了前蘇聯和美國載人飛船環境控制與生命保證系統醫學工程的成就後，緊緊圍繞航天環境生理學和航天生命保證醫學要求，針對航天員在太空艙內環境條件下確保安全和衣食住行問題展開研究，為1968年“曙光”號載人飛船任務的迅速上馬奠定了紮實可靠的基礎。

(6)形成了學科建設所需要的文獻資料，主要有高空生理學講義(1960)、高空加壓供氧問題綜述(1962)、高空供氧與座艙壓力制度的生理基礎講義(1962)、供氧器與調壓器生理效能評價(1962)、穿着高空代償服加壓呼吸條件下心臟活動的研究(1963)、側管式高空代償服供氧裝備防護I生能研究(1980)、強擊機5飛機機上氧源儲備量的測定總結(1965)，以及日文版的《宇宙醫學》翻譯稿審校(1964)。

從1950年代後期，在軍事醫學科學院逐步建成了高空減壓艙、爆炸減壓艙、地面彈射救生裝置、航海醫學研究用的潛水加壓艙以及高、低温艙等多項大型設備，為開展低壓、高壓、缺氧、彈射、振動、高温、低温、深潛等航空、航天和航海等特殊環境條件下人的生理反應、耐受限度及防護措施等研究建立了實驗平台。從此，航天環境醫學研究初露端倪。 ^[2] 

我國首次載人航天型號任務“曙光”號任務啓動後，航天生命保證醫學(當時下達的任務)研究的主要任務是：①制定生命保證醫學工程方案，提出生命保證系統的基本組成與設計的生理要求參數和醫學保證要求；②開展載人航天器內人工大氣環境醫學研究及個人防護裝備研製。在賈司光研究員的帶領下開展瞭如下幾個方面的研究。

1．載人飛船生保系統醫學數據與要求的研究在對美國、前蘇聯兩個航天大國載人飛船有關醫學與生命保障系統的主要成就以及大量技術資料進行系統分析的基礎上，結合我國實際技術水平，採用醫工結合的辦法，分別開展了有關“航天員生命保證醫學研究”、“飛船工程設計醫學要求與評價技術”、“地面大型模擬試驗設備醫學要求”等專題研究。全面開展各項航天環境醫學科研實驗工作。

(1)飛船座艙壓力制度是座艙總體設計上醫學與工程密切相關的一項關鍵技術，它決定着一系列的生理學與工程技術指標以及載人航天器的總體設計要求。座艙壓力制度必須滿足三方面的生理學要求：不產生缺氧與高氧反應、無明顯的低壓效應和高空減壓病且人能很好適應的環境。針對當時美國、前蘇聯採用101.3 kPa和36.8 kPa的優缺點，考慮到當時“曙光”號任務要求和航天員安全的需要以及工程條件的限制，“曙光”號艙壓採用50.65 kPa壓力制度，45%0₂和55%N₂，艙內航天服採用30.7 kPa壓力制度，這在當時優於美國的“水星”、“雙子星”和“阿波羅”號載人航天器壓力制度，載荷又比前蘇聯的“東方”號飛船輕便。之後，又在飛船壓力環境、航天缺氧和供氧醫學、吸氧排氮規律、預防高空減壓病等方面進行了大量的生理學與防護研究，系統研究了1500m、2500m、5000m、6000m、7000m等不同高度上的人體缺氧反應，基本掌握了急性缺氧時人體心血管反應的特點以及缺氧對肺功能和腦功能影響的規律等，並進行了“嚴重缺氧條件下的吸氧反應”、“耳咽管開放壓力測定的方法”等課題研究。這些研究成果為制定飛船艙內大氣壓力制度、大氣成分、供氧方法與標準、座艙調壓速率等醫學要求提供了科學依據，併為確定航天員的缺氧耐力、耳氣壓功能和減壓病易患性選拔方法與標準奠定了技術基礎。

(2)在航天温度環境醫學要求、艙內航天服設計的醫學要求和航天員的能量代謝率等方面開展了大量的生理學研究實驗。

(3)航天環境與航天服有害氣體種類分析、毒性作用、檢測分析技術等研究試驗。

(4)在航天噪聲環境的醫學研究及防護措施方面進行了大量研究實驗。

(5)在振動環境的醫學研究及防護措施方面開展了相關課題研究。

(6)在航天輻射的劑量測量和生物效應研究及防護措施方面也都進行了有價值的實驗研究。

總之，我國航天環境醫學專業技術人員，通過萬餘人次人體生理學與預防實驗研究，初步制定出了一套適合我國國情的航天生命保障系統的設計標準。這些研究工作是一項重要的技術儲備，為後來我國實施的載人航天工程型號任務提供了非常重要的技術支持；同時，也使一批青年科技幹部得到了培養鍛鍊，使他們成為我國後續載人航天任務的骨幹力量。

2．航天服裝備的醫學研究與實驗航天服裝備的醫學研究包括航天服內的壓力制度、航天服的通風散熱和防寒保暖的醫學要求、頭盔的生理學要求等課題。課題組通過調研論證與原理性研究，制定出了適合人的生理、生活和工作狀態的醫學要求、航天服醫學性能評定標準。通過醫學實驗給艙內航天服工程設計提供了可靠的醫學要求和數據。課題組着重解決了以下各項實際問題。

(1)航天服內的壓力制度必須與飛船座艙內的壓力制度相匹配，制定出合理的壓力制度。

(2)航天服的通風散熱和防寒保暖的醫學要求必須與航天服各層相結合，因此採用邊實驗邊研製的方法。經過多年的研究，對飛船座艙與服裝內的微小氣候如温濕度、氣流速度、服裝設計中各部位風量分配的生理學要求、風量風温的選擇、服裝排濕量、人體產熱量、服裝温度允許標準以及防寒保暖材料等一系列課題，進行了大量的人體醫學實驗，制定了有關標準及醫學數據要求，取得可貴的成果。 ^[2] 

從1992年到2003年期間，我國的航天環境醫學以實現載人航天“三步走”戰略為指導，在實施第一步研製計劃任務時，以確保載人航天首飛成功為目標，通過開展系統的、具有前瞻性的、針對載人航天器內環境的單項與多項特種有害因素生物效應的試驗研究工作，比較系統地建立了載人飛船環境工程設計的醫學要求與醫學評價技術體系。開展的相關工作主要有：

1．“返回式衞星艙內輻射劑量分析”使用自主設計和研製的空間輻射測量裝置，搭載返回式衞星升空，探測到了近地軌道載人航天器飛行高度的航天器內輻射劑量，經過科學分析，得出了與載人航天飛行密切相關的空間電離輻射分佈規律，為確保我國航天員輻射安全提供了科學依據。此項目1995年獲得國家科技進步二等獎。

2．“載人航天器座艙環境醫學試驗研究”在我國首次建立了飛船壓力應急醫學研究模式，對艙內航天服的醫學要求與評價奠定了醫工結合的基礎，構建了飛船乘員艙環境工程設計環境要素醫學要求與評價的工程研製框架，系統地提出了基本的飛船座艙環境醫學要求與評價體系，研究涉及的醫學要求內容為確保國家載人航天工程第一階段順利實施，做出了奠基性的貢獻。此項目1998年獲得國家科技進步二等獎。 ^[2] 

在航天飛行過程中，長期駐留任務主要影響環境效應結果的是飛行時間。因此，醫學要求中時間因素相關、具有累積效應的項目，包括了有害氣體濃度、振動和噪聲、電離和非電離輻射等。同時，針對空間站的環境醫學問題，還應考慮長期在軌生活的適居性因素。

通過長期載人航天飛行的驗證，將逐步形成適用於我國長期載人飛行任務醫學要求與醫學評價標準。重點加強飛行器乘員艙有害氣體、噪聲、輻射環境等方面的相關研究。

對於航天員飛行任務時間最長延長到180d以上，航天員的能量代謝規律和艙內環境的適應能力與短期飛行相比將會發生明顯的改變。個體耐受能力將隨時間延長而下降，導致人體運動適應能力下降，工效下降，長時間重體力活動受限。另一方面，隨飛行任務延長，累積效應顯現，意外污染事件發生的可能性大大增加，使航天員出現疾病的風險上升。因此，需要對長期飛行的大氣環境醫學開展研究，在此基礎上制定針對60d以及180d以上飛行的環境醫學要求，為工程系統設計提供依據。

隨着後續載人飛行任務的發展，空間實驗室和空間站任務的科學載荷日益增多，其對艙內環境的影響越來越不容忽視。因此，對艙內使用的科學試驗設備的污染物散發、輻射(激光、微波、電離輻射等)、振動、噪聲等進行環境影響評價，成為醫學評價工作的一個重要內容。

隨着飛行時間的延長，航天員遭遇意外事故的可能性大大增加。因此必須評估意外事件對航天員健康的影響以及人體對意外環境醫學事件的耐受能力，制定失壓、急性污染事件、温濕度控制失效、火災等意外事故時的應急醫學要求，制定不同意外事件的應急預案。開展的相關實驗工作包括動物實驗和人體驗證試驗研究：①生理氣體急劇變化的生物學效應；②有害氣體的急性污染效應；③高温環境、低温環境的温度生理效應；④艙內惡劣噪聲的人體效應；⑤艙內輻射大劑量照射事件的應急防護措施。

登月等飛行任務中，飛船離開了地球磁場的保護，直接暴露於太陽輻射和宇宙射線下，高能粒子輻射顯著增加，同時太陽粒子事件對載人航天飛行的影響也更大。在月球表面，其輻射環境與地球軌道有很大不同，由於沒有磁場和大氣，高能帶電粒子直接打在月球表面，會使航天員接受高劑量空間輻射。因此，需要開展人體輻射效應及防護措施研究，包括建立組織等效人體模型、研究航天員體內各器官/組織的劑量分佈以及體表劑量與體內器官/組織的劑量之間的關係、確定飛行任務人體不同器官輻射吸收劑量限值，為制定空間輻射醫學防護要求、安全評價方法及可行的防護措施提供科學依據。

其次，針對登月計劃，航天員較長時間生活在登月航天服環境中，為保證健康，在對登月艙和登月服的壓力制度、温濕度、有害氣體進行控制設計前，需要開展相關醫學研究。經過較長時間空間飛行以及月球重力場環境後適應，航天員是否能耐受月球表面着陸和月球起飛過程中帶來的振動、過載以及衝擊環境，需要開展醫學研究，形成登月以及登月服工程設計醫學要求評價標準體系，為後續工作的開展奠定基礎。 ^{[2]  [3-4]}