航天中的人體熱舒適研究.pdf

1、航天器密閉乘員艙內(nèi)熱環(huán)境是人類進(jìn)軍空間不可回避的環(huán)境要素。它不僅影響著航天員的健康和舒適,更與航天員的工作效率、物質(zhì)能量流的循環(huán)密切相關(guān)。艙內(nèi)熱環(huán)境對(duì)人的熱舒適性影響和其評(píng)價(jià)是航天器工程設(shè)計(jì)和航天飛行任務(wù)物質(zhì)能量循環(huán)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。
　　航天飛行中失重對(duì)人體熱調(diào)節(jié)的影響主要表現(xiàn)為機(jī)體皮膚血管舒張反應(yīng)能力下降和核心體溫的升高;而且自然對(duì)流的消失和低風(fēng)速等飛行因素造成的機(jī)體與周圍環(huán)境熱交換能力下降,會(huì)進(jìn)一步擾亂航天員的熱平衡和熱舒

2、適。這些都可能對(duì)航天員的身心健康、工作生活以及包括艙外活動(dòng)(Extravehicular activity,EVA)和應(yīng)急逃逸等的航天活動(dòng)產(chǎn)生不利影響,因而維持航天員在太空環(huán)境下,特別是長期飛行任務(wù)中的體溫恒定與熱舒適尤為重要。目前國內(nèi)外載人航天器熱環(huán)境的工程設(shè)計(jì)均基于穩(wěn)態(tài)熱舒適理論,艙內(nèi)空氣的流動(dòng)依靠恒速通風(fēng)(Artificial constant air flow,CAF)的風(fēng)扇提供。一份“和平號(hào)”空間站研究總結(jié)報(bào)告指出,“失重消除

3、了氣體自然對(duì)流,也對(duì)機(jī)體溫度的產(chǎn)生和維持產(chǎn)生了影響”,通過對(duì)和平號(hào)空間站上28個(gè)批次長期考察組駐站期間熱環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià),證明乘員艙普遍存在著熱環(huán)境控制不良的狀態(tài),甚至在第23次考察任務(wù)期間由于座艙溫度過高,乘組全體人員出現(xiàn)了不同程度的體溫升高(最高體溫達(dá)37.5℃)。最近的研究發(fā)現(xiàn),與CAF相比,自然風(fēng)或仿自然風(fēng)(Simulated natural air flow,SNAF)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)熱舒適環(huán)境可有效增強(qiáng)人體的散熱和冷感覺,并改善可

4、接受性。那么,前瞻性探索SNAF對(duì)失重狀態(tài)人體散熱和核心體溫維持的作用很有必要。
　　航天環(huán)境下人體熱舒適維持與調(diào)整的重要前提是客觀真實(shí)地評(píng)價(jià)熱環(huán)境的舒適性。熱舒適是人體暴露于熱環(huán)境中基于自主性體溫調(diào)節(jié)出現(xiàn)的心理感知結(jié)果,人體主觀熱反應(yīng)會(huì)受生理體溫調(diào)節(jié)活動(dòng)的影響。但迄今為止,主觀熱反應(yīng)與生理指標(biāo)之間的有效對(duì)應(yīng)關(guān)系,仍未完全建立。我國現(xiàn)有的航天熱舒適評(píng)價(jià)體系主要通過主觀問卷的方式,調(diào)查航天員在軌期間的熱感覺和舒適程度,其評(píng)價(jià)結(jié)果在很

5、大程度上會(huì)受到個(gè)體掩飾、航天心理因素、天地通訊等的限制和影響,其時(shí)效性和準(zhǔn)確性受到一定的影響。因此,充分利用在軌的生理信息監(jiān)測(cè)資源,對(duì)人體整體熱舒適性狀態(tài)進(jìn)行主客觀結(jié)合地評(píng)價(jià),對(duì)于實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地掌握航天員個(gè)體的熱舒適性及健康狀態(tài),進(jìn)而提出熱環(huán)境調(diào)節(jié)建議具有十分重要的意義。特別是對(duì)于出艙活動(dòng)狀態(tài)下人體代謝負(fù)荷、健康狀態(tài)的評(píng)估,具有直接的指導(dǎo)價(jià)值。為此,必須開展航天器密閉艙內(nèi)人體的主觀熱反應(yīng)與熱效應(yīng)敏感生理指標(biāo)的有效對(duì)應(yīng)關(guān)系研究,建立生理與主

6、觀指標(biāo)相結(jié)合的評(píng)價(jià)模型。
　　在環(huán)境相同的情況下,由于性別、生活地域、工作生活方式、基礎(chǔ)能量代謝率等個(gè)體因素的差異,人體熱舒適性感受并不一致。人體能量代謝率(Energy metabolism rate,EMR)即單位時(shí)間人體的產(chǎn)熱量,不僅是熱舒適評(píng)價(jià)模型和熱平衡方程中的重要個(gè)體參數(shù),而且還是載人航天器熱環(huán)境控制工程設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。對(duì)于飛行乘組這個(gè)有限的群體,有必要準(zhǔn)確了解其個(gè)體的能量代謝狀態(tài),為航天器熱環(huán)境評(píng)價(jià)和熱舒適性研究提供

7、支持。
　　因此,本課題的研究目的如下:
　　1)探索相同平均風(fēng)速的SNAF是否較CAF更能有效維持模擬失重狀態(tài)人體的體溫恒定和熱舒適;
　　2)探討密閉氣候室內(nèi)人體主觀熱反應(yīng)與生理反應(yīng)的關(guān)系,篩選航天活動(dòng)時(shí)可以反映熱舒適的敏感生理指標(biāo);
　　3)探索建立模擬失重狀態(tài)下的雙標(biāo)記水(Doubly labeled water,DLW)和改善心率(Heart rate,HR)估測(cè)EMR評(píng)價(jià)方法,分別提高航天飛行和EVA

8、條件下EMR估測(cè)準(zhǔn)確性。
　　為實(shí)現(xiàn)上述研究目的,本課題采取以下實(shí)驗(yàn)方法:
　　首先,以30天-6°頭低位臥床模擬微重力的生理效應(yīng),以各國航天器普遍采用的熱舒適溫度23℃為背景環(huán)境溫度,7名男性受試者分別在臥床前3天和臥床第29天,暴露于對(duì)照無風(fēng)環(huán)境(CON,平均風(fēng)速<0.05 m/s,暴露時(shí)間為50min)及采用動(dòng)態(tài)送風(fēng)裝置產(chǎn)生的SNAF(v=0.2 m/s,30min)和CAF(v=0.2 m/s,30min)環(huán)境中。分

9、析仿自然通風(fēng)和恒速機(jī)械通風(fēng)下,臥床狀態(tài)人體的直腸溫度(Rectal temperature,Tre)、皮膚溫度(skin temperature,Tsk)、皮膚血流傳導(dǎo)率(Cutaneous vascular conductance,CVC)、熱感覺投票(Thermal sensation vote,TSV)等熱反應(yīng)指標(biāo)的變化。
　　其次,在密閉氣候室設(shè)置34℃、31℃、28℃、26℃、23℃和20℃6種溫度環(huán)境。實(shí)驗(yàn)以15名男性

10、青年為受試對(duì)象,測(cè)量受試者在密閉室60min靜坐狀態(tài)下的Tsk、Tre、心率變異性(Heart rate variability,HRV)和EMR等生理指標(biāo),同時(shí)受試者填寫TSV和熱舒適投票(Thermal comfort vote,TCV)等主觀問卷,分析不同環(huán)境下的生理指標(biāo)與主觀熱反應(yīng)變化及兩者的相關(guān)程度;
　　最后,課題關(guān)注了熱舒適評(píng)價(jià)重要參數(shù)EMR的估測(cè)方法。
　　1)以30天頭低位臥床模擬失重效應(yīng),依據(jù)DLW服用方

11、法將21名男性受試者分為3組:15天測(cè)量周期的常規(guī)劑量法(A組)、20天測(cè)量周期的補(bǔ)充劑量法(B組)和1.5倍常規(guī)劑量法(C組),分析不同服用方法所測(cè)EMR的質(zhì)量控制準(zhǔn)確性,建立模擬失重狀態(tài)人體的DLW估測(cè)方法;之后按照在軌飛行任務(wù)安排,3名受試者(2名男性,1名女性)在組合體實(shí)驗(yàn)艙生活工作13天。分別采用常規(guī)劑量DLW法和氧氣消耗法估測(cè)密閉艙內(nèi)受試者的平均EMR,并進(jìn)行結(jié)果的比較,進(jìn)一步確定DLW法的有效性和準(zhǔn)確性;
　　2)通

12、過測(cè)量10名男性受試者在跑臺(tái)、上肢和下肢自行車功量計(jì)三種運(yùn)動(dòng)方式下的EMR和HR等生理指標(biāo),分別建立個(gè)體在不同運(yùn)動(dòng)方式和整體運(yùn)動(dòng)方式下EMR和HR的線性回歸方程,并采用驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)兩種方法估測(cè)EMR的準(zhǔn)確性和估測(cè)誤差率。
　　本研究的主要結(jié)果和發(fā)現(xiàn)如下:
　　1.仿自然風(fēng)對(duì)模擬失重人體熱調(diào)節(jié)的影響
　　1)隨著臥床時(shí)間延長,受試者靜息狀態(tài)腋溫(Axillary temperature,Taxil)逐漸升高,并在第15

13、天后具有顯著性差異(P<0.05),其中在第20天升高了0.37℃。HR、舒張壓、收縮壓及靜息狀態(tài)氧耗量無顯著變化(P>0.05);臥床后,受試者體重減輕約1.7 kg(P<0.01);排尿量在臥床期間并未發(fā)生明顯改變,但受試者的飲水量在臥床第1天出現(xiàn)顯著下降(P<0.01);
　　2)對(duì)照環(huán)境下,經(jīng)過29天臥床,Tre升高了約0.18℃(P<0.05)。與臥床前對(duì)照相比,臥床后CAF通風(fēng)環(huán)境下Tre仍然顯著升高,但臥床后SNAF

14、通風(fēng)環(huán)境下Tre無顯著差異(P>0.05),這提示在SNAF通風(fēng)暴露下,核心體溫接近臥床前對(duì)照水平;
　　3)與CAF相比,SNAF的湍流度(Turbulence intensity,Tu)更高,這可能提高了機(jī)體與周圍環(huán)境的對(duì)流散熱,抑制了臥床導(dǎo)致的Tre升高,維持了體溫的相對(duì)恒定;
　　4)經(jīng)過29天臥床,平均皮膚溫度(Mean skin temperature,Tsk)呈下降趨勢(shì),但無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。臥床后,與CAF或CON

15、環(huán)境相比,SNAF環(huán)境下的和CVC顯著降低(P<0.05),表明SNAF對(duì)人體的散熱效果更強(qiáng);
　　5)與臥床前相比,臥床后對(duì)照環(huán)境下的TSV未見顯著差別;臥床前,CON、SNAF和CAF氣流模式的TSV間均無顯著差異。臥床后,與CON和CAF環(huán)境相比,SNAF環(huán)境下的TSV顯著降低(P<0.05)。三種環(huán)境的TSV值均在“稍涼”和“中性”之間。
　　2.密閉環(huán)境人體熱舒適生理研究
　　1)TSV隨周圍實(shí)測(cè)環(huán)境溫度而上

16、升,并且與環(huán)境溫度相關(guān)程度很高(R2=0.99);受試者靜坐狀態(tài)下,感到熱中性的環(huán)境溫度約25.78℃;TCV隨著環(huán)境溫度的上升呈現(xiàn)倒“U”型分布,曲線頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)環(huán)境溫度約為26℃;
　　2)Tsk和HRV隨環(huán)境溫度變化較為顯著,而Tre、額足溫差和EMR隨環(huán)境溫度變化不顯著;其中與軀干Tsk相比,肢端Tsk隨環(huán)境溫度變化更為顯著;多重檢驗(yàn)表明,上臂和前臂Tsk更易受到環(huán)境溫度的影響;
　　3)隨著環(huán)境溫度上升,HRV的LFn