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编号:10287174
舱内航天服对人体热生理指标的影响分析
http://www.100md.com 《航天医学与医学工程》 1999年第5期
     作者:虞学军 常绍勇 武建民 邱曼 文计福 杨天德

    单位:航天医学工程研究所,北京 100094

    关键词:航天服;通风;热生理学;数学模型

    航天医学与医学工程990510摘要:目的 探讨与分析航天员常压下着舱内航天服时的热生理指标变化规律。方法 6名健康男性青年按二次复合设计分组共进行24人次试验,对结果进行统计分析。结果 经分析计算获得了人体主要热生理指标随通风气源参数(风温、风量、风湿)及人体活动水平的数学模型,对模型的应用及可能影响试验结果的代谢产热等因素进行了定量分析讨论。结论 模型反映了人着航天服时的热生理变化规律。

    中图分类号:R852.811 文献标识码:A 文章编号:1002-0837(1999)05-0356-04

    Thermal Physiological Analysis of Man in an Intravehicular Activity Space Suit
, 百拇医药
    YU Xue-jun, CHANG Shao-yong, WU Jian-min, QIU Man, WEN Ji-fu, YANG Tian-de

    Abstract: Objective To analyze the thermal physiological changes of man in a Intravchicular Activity(IVA) space suit. Method Combined second design was used to arrange 24 tests in 6 young male subjects wearing an IVA space suit at sea level. Result The relationship between common thermal physiological measurements and air ventilating parameters(air temperature, flow rate and its relative humidity) together with metabolic state( rest or work) of man were established in mathematical models. Possible applications of these models were illustrated. Metabolic heat production which influences the relations was also discussed. Conclusion Thermal physiological changes of man in the space suit were properly expressed by the mathematical models in this paper.
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    Key words:space suit;ventilation;thermal physiology;mathematical model

    Address reprint requests to:YU Xue-jun.Institute of Space Medico-Engineering,Beijing 100094,China

    航天服是保证航天员生命安全及完成飞行任务的防护装备。在航天活动的各危险阶段,均要求航天员穿着航天服[1]。根据航天服的使用要求及特点合理选择通风气源参数对航天服正常发挥作用,维持合适的热生理状态是极其重要的[2,3]。本试验分析了不同气源状态对着舱内航天服时人体热生理指标的影响,并研究其变化规律。

    方 法

    试验条件与分组 根据需要,本实验直接选取试验舱大气为服装通风气源,其风温、风湿与舱内大气环境相同。为了较系统地研究航天服正常使用时的通风散热性能,观察较大温度范围内服装热交换的特点,选定的航天服气源的具体参数及水平如表1所示。实验采用二次复合设计[4],共安排24人次试验。
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    被试者 6名健康男性被试者,年龄18~20岁,身高164.5~171.0cm,体重53~68kg。人的状态分为安静和进行拉力器运动2种。

    测量指标及仪器 试验在人工气候舱内进行。采用中国预防医学科学院劳动卫生与卫生工程研究所生产的测温仪测量直肠温度、头、胸、背、前臂、小腿5点皮肤温度,代谢采用气体分析法。通过称量试验前后被试者的裸体和着装重量,获得出汗量和汗液蒸发量。实验时间180min,在此期间记录主诉和体征。

    指标分析与模型计算 用常规方法进行5点平均皮温、平均体温、热平衡差等人体热生理指标的计算。平均代谢率采用时间加权平均计算:在整个试验过程中,运动状态持续时间为1h,安静时间为2h,相应的时间权重分别为1/3和2/3。

    根据实验设计的正交特性,由最小二乘原理计算可得风温(X1)、风量(X2)、风湿(X3)3因素的1,2次项的所有组合方式中的参数估计。活动状态效应量依据正交表的特性计算获得。通过对各项的估测参数进行方差分析,剔除不显著项,即可获得各效应量与作用因素的数学模型。在数学模型的所有表达式中,作用因素(自变量)均为其实际使用量值与表1内的中心水平值之差除以相应的延伸长度表示。具体计算及方差分析方法,参见文献[5]。
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    表1 试验因素及其水平

    Table 1 Test factors and levels 试验因素(test factors)

    水平(levels)

    -α

    -1

    0

    1

    α

    风温(air temperature)(℃)

    12

    17

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    25

    30

    风量(air flow rate)(L/min)

    50

    100

    130

    160

    210

    风湿(air humidity)(% R.H.)

    30

    50

    60
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    70

    90

    结 果 试验实际测量结果表明:被试者周围的舱湿与设计要求相差不大于1℃,气源风量(STPD)、风湿变化在5%以内。

    代谢产热量是影响人体热生理状态的重要因素。本实验分为两种状态:安静和运动。每一状态各有12人次试验,其时间加权平均代谢率分别为366和480kJ/h。

    核心体温 以直肠温度(℃)代表,它随气源及人体活动状态变化关系为:

    fTr(x1,x2,x3,m)=36.72+0.02x1+0.02x2-0.02x3+0.03x1x3+0.06x2x3+0.05x21±0.04(1)
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    安静状态,(1)式中的“±”中取“-”;运动状态取“+”,该式的方差分析显著性为0.01。

    平均皮肤温度(℃) 随气源及人体活动状态的变化关系有:

    fSt(x1,x2,x3,m)=33.78+0.72x1+0.08x3-0.07x22±0.13(2)

    安静状态,(2)式中的“±”中取“-”;运动状态取“+”,该式的方差分析显著性为0.001。

    平均体温(℃) 随气源及人体活动状态的变化关系为:

    fBt(x1,m)=35.85+0.23x1±0.07(3)
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    安静状态,(3)式中的“±”中取“-”;运动状态取“+”,该式的方差分析显著性为0.001。

    出汗量(g/h) 与气源及人体活动状态的变化关系如下:

    fSr(x1,x2,x3,m)=50.82+36.14x1+14.58x2x3+29.87x21+12.39x23±39.03(4)

    安静状态,(4)式中的“±”中取“-”;运动状态取“+”,该式的方差分析显著性为0.001。

    汗液蒸发率(%) 随气源及人体活动状态的变化关系为:
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    fSe(x1,x2)=79.32-9.10x1+10.01x2+7.85x1x2(5)

    人体活动状态对平均汗液蒸发率作用不显著。(5)式的方差分析显著性水平为0.001。

    热平衡差随时间的变化 热平衡差(热积或热债)在第1、2、3小时内随时间的变化的定量关系可以用相同的计算方法获得。依据计算结果,图1~图3显示了人体处于安静状态,环境湿度为50%,气源温度分别为17、21、25℃时,第1、2、3小时内的平均热平衡差与通风流量(70~190 L/min)的关系。在此条件下,随着时间的延长,热平衡差加大(热债增加);风温降低或风量增加,热平衡差随之增大。在风量和风湿一定时,风温对人体热平衡差的影响并非等间隔:从25℃降至21℃与从21℃同样降低4℃,热债增加值之比为5:2。在相同时刻,风量增加人体的热平衡差加大,但随着时间的延长,其增大速率有所减缓。
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    图1 第1小时平均热平衡差与风温、风量的关系

    Fig.1 Average heat balance data in the first hour as a function of air ventilating flow in given temperatures

    图2 第2小时平均热平衡差与风温、风量的关系

    Fig.2 Average heat balance data in the second hour as a functionof air ventilating flow in given temperatures

, http://www.100md.com     图3 第3小时平均热平衡差与风温、风量的关系

    Fig.3 Average heat balance data in the third hour as a function of air ventilating flow in given temperatures

    被试者症状 在风温较低(17℃以下)时,被试者普遍反映下肢冷,上肢凉,尤以手、脚部位最为明显。座椅对被试者斜躺位束缚导致被试者关节酸疼,由于航天服背部无通风管,被试者背部内衣汗湿较其它部位严重。在安静状态,风温21℃、相对风湿60%、通风流量仅为50L/min时,平均盔内CO2浓度为1.9%。被试者主观感觉呼吸有中、轻度闷憋和上半身有热感,无其他不适。

    讨 论

    运动的影响 运动使人体的代谢产热增加,其水平的高低对试验结果影响较大。本试验运用自制的做功装置和控制部分,使每次运动状态试验的作功总量和功率相同。计算结果表明,运动对大多数生理指标均有显著影响。依据(4)式计算结果,图4直观显示出安静、运动二种状态下平均出汗量随风温的变化关系。随着风温的增高,出汗量增加,运动对出汗量增加有非常显著的影响[6,7]
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    图4 安静、运动状态出汗量随风温变化关系

    Fig.4 Increase of sweat rate in the state of rest or workby increasing inlet air temperature

    试验设立运动水平是为了模拟诸如行走、精神紧张等因素引起的产热增加对热交换的影响。本试验运动水平组实验3 h内的时间加权平均代谢率较安静组增加30%;一次试验运动的累计持续时间长达1 h,其间的平均代谢率达708 kJ/h,是安静状态的1.9倍,处于应急状态中等活动水平。就实际情况而言,航天员着舱内航天服时,产热增加的范围一般不会超过本试验模拟量值[8]

    运动虽然引起出汗量增加,但对平均汗液蒸发率却无显著影响。汗液蒸发率为通风带走人体的蒸发水汽量(排湿量)与出汗量的比值。运动时航天服内通风可以使排湿量增加,但同时由于出汗量也相应增加,因而使排湿率并无显著增加。此外,被试者贴身穿着的全棉内衣有较强的吸湿能力也是一个不容忽视的影响因素。如前所述,座椅对被试者的体位束缚使臀部和整个背部与之紧贴,加之本实验使用的航天服这些部位无通风管,汗液无法蒸发而滞留于内衣。
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    热平衡差的主要影响因素 如舱温和气源系统参数适当,人着航天服时能维持基本的热平衡,人体热生理指标和航天服内外的热交换关系大致稳定。在人体有较强的冷、热负荷时,人体热平衡难以建立,有关指标随时间变化较大。从图1~图3可以看出:通风流量在100~160 L/min时,25℃风温基本能维持热平衡;21℃、17℃风温组,随着时间的延续,热平衡差以20 kJ/h速度增加。从等风温差引人体热平衡差的非等间隔结果可见,影响热平衡差的不仅仅是温差,而且与温度绝对值的大小也有很大关系。在实验的第1小时内,人体的皮肤温度相对较高,与通风气温的温差较大,人体的热平衡差直线增加;第2、3小时内,热平衡差增加速率有所减缓。这些都与人体为维持核心体温的相对稳定,通过血管舒缩机制来调节皮肤散热的生理调节过程是一致的[9]

    应用举例 式(1)~(5)提供了航天服热生理学分析及应用的多方位信息。从计算获得的规律,运用热工程生理学方法,可以在使用前预估不同工况对人体的影响,对服装工程设计参数的选择也有参考价值。如航天服滞留汗液是否需要吹干问题,可以运用本研究获得的结果,首先明确服装内的滞留汗液,然后进行分析判断。
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    航天服正常使用情况下,风温25℃,风量100 L,风湿70%RH条件组是人体出汗较多的情况。由(4)、(5)计算可得:

    安静状态下人体的出汗量为76 g/h,汗液蒸发率为54%。航天服平均滞留汗液为:

    76×(1-54%)=35(g/h)。

    平均代谢率为480 kJ/h状态,人体的出汗量为154 g/h,汗液蒸发率为50%。航天服滞留汗液平均为:

    154×(1-50%)= 77(g/h)。

    在此使用条件下,可根据航天服使用要求及有关要求确定是否要对服装进行吹干。

    参考文献

    [1]Simionesco L, Fagot C, Lemaignen L et al. Hermes crew intra-vehicular safety pressure suit[R]. IAA-89-619
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    [2]McBarron II JW, Whitsett CE, Severin GI et al.Individual system for crewmember life support and extravehicular activity[M]. In: Nicogossian AE, et al,eds. Space biology and medicine, Vol. II: Life support and habitability. Washington, DC: AIAA Inc. 1993:275~310

    [3]Romanov F. Space suits[R]. NASA TT F-8852. 1964

    [4]王万中,茆诗松. 试验的设计与分析[M].上海:华东师范大学出版社,1997:66~390

    [5]虞学军. 二次复合设计在航天服热生理学分析中的应用[J].数学的实践与认识. 1999,29(2):109~116
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    [6]Webbon BL, Wontgomery LM, Miller L et al.A comparison of three liquid-ventilation cooling garments during treadmill[J]. Aviat. Space Environ. Med,1981,52(7):408~415

    [7]Stolwijk JAJ. Thermal loads in lunar ambulation[J]. Aerospace Med, 1970, 41(11): 1266~1268

    [8]庞 诚,顾鼎良,袁修干.航天员的产热和散热问题[J].中国空间科学技术,1994.14(6):1~10

    [9]Robinson S, Wiegman DL. Heat and humidity[M]. In: Slonim NB eds. Environmental physiology, chap. 4, part B. Saint Louis: The C.V. Mosby Co.1974:84~113

    收稿日期:1999-02-04, http://www.100md.com