空间环境下人的能力特变化

序
2022 年10 月31 日梦天舱发射成功,并与空间站组合体成功对接,中国空间站基本构型完成建造。中国载人航天工程“三步走”发展战略,经过30 年的稳步推进、实施,取得了举世瞩目的巨大成就。中国空间站的建成不仅标志着我国在近地轨道飞行技术的全面突破,更意味着我国开始迈入较大规模开展空间科学探索的新阶段。
载人航天,以人为本。航天员是载人航天活动的主体和核心。确保航天员安全、健康和高效工作始终是工程的主要目标之一。维持和增强航天员的能力,充分发挥人的主观能动作用,是确保载人航天任务成功的关键。
众所周知,太空环境是极其恶劣的。就近地轨道飞行而言,辐射、真空、高低温、空间碎片等舱外环境给航天器与航天员的安全防护带来极大挑战,而失重、隔离密闭、昼夜节律变化等舱内环境还会引起航天员生理、心理的变化,威胁和影响航天员的健康与工作状态,甚至影响飞行任务的完成。研究空间环境下人的能力变化特性,揭示其规律与相关机制,是国际航天医学与人因工程持续关注的焦点,对于深化人对太空的认识、发挥人在太空的作用并指导工程设计意义重大。陈善广及其团队紧密结合载人航天工程实际需求,长期深耕于航天人因工程领域,做了大量开创性的工作,成就斐然。这些研究不仅直接得到了国家载人航天工程的专项支持,也得到了国家科学技术部和国家自然科学基金委员会的重大项目支持,包括国家973 项目“面向长期空间飞行的航天员作业能力变化规律及机制研究”和国家自然科学基金重大项目“复杂人机紧耦合系统的人因安全理论研究”。本专著反映了该团队围绕“长期空间飞行的特有环境因素对航天员认知、决策能力和运动、操作能力的影响及其变化规
·Ⅱ· 空间环境下人的能力特性变化
律和机制”关键科学问题开展较系统研究的学术成果。这些成果为我国载人航天工程从短期飞行向长期飞行突破提供了重要的理论支撑,为航天人因工程领域的规划与发展做出了奠基性贡献。相关成果先后在国内外重要期刊(包括《NatureCommunications》)发表,还被《Science》专刊集中重点推荐,产生了良好的学术影响。《Science》资深责任总编肖恩·桑德斯(SeanSanders) 博士在评述中指出:“ 专刊汇集了中国载人航天的开创性研究成果,为读者描绘了一个未来太空探索研究的可能图景。中国科学工作者已经将他们的研究成果成功应用到航天器设计改进、航天员选拔与训练方法完善等方面,相信世界各地的科学家和工程师将从中受益。本专刊的新知识对于相关国家实施载人航天计划也有重要的借鉴意义。” 
本书不仅是载人航天领域重要基础研究成果的呈现,也是人因工程领域的重要学术专著。对本书的出版发行谨致以特别祝贺! 
太空探索,永无止境。本专著涉及的对空间环境下人的能力研究还只是一个开端,随着人类空间活动的新实践,特别是人类探索活动向深空的延伸,无论从工程需求还是科学研究本身来说,均需要不断深化对人的研究和认识。中国空间站正在着力打造长期有人参与的国家太空实验室,载人深空探测正在规划实施,期望作者团队及更多的同行发挥优势积极参与,产出更多原创性成果。
中国载人航天工程总设计师中国科学院院士 周建平

2022 年11 月

本书集中展示了我国科学家在空间环境对人的能力特性影响方向的研究进展。全书共6章。第1章引言，对空间环境特征及其地面模拟技术、空间飞行中人的能力优势和作用、长期空间飞行中人的作业能力影响因素、国内外整体研究情况等进行介绍。第2章介绍空间环境对人的基本认知能力与情绪的影响。第3章介绍空间环境对骨骼肌肉系统和运动操作能力的影响及其对抗措施。第4章介绍空间特因环境对生物节律的影响，以及生物节律和睡眠紊乱对人的健康和工效的影响。第5章介绍我国研究者在航天员作业能力建模仿真领域的研究进展与成果。第6章介绍空间环境下人的能力特性变化研究展望。
本书可为从事航天医学和航天人因工程研究的科技工作者及管理人员提供技术参考，也便于大众读者了解载人航天任务中航天员面临的挑战及其采取的应对措施。

陈善广，一直从事国防科技和航天事业，是中国载人航天领域航天医学工程、航天人因工程学科带头人。全面负责神舟六号、七号、八号、九号、十号任务航天员选拔训练、航天食品、航天服等航天员系统与环控生保分系统研制工作。截至2019年9月，陈善广已获得国家科学技术进步奖特等奖1项、一等奖1项、二等奖1项，部委级科技成果一等奖7项、二等奖9项等奖项。

1.1.1 
空间环境特征……………………………………………………… 2 

1.1.2 
空间环境模拟……………………………………………………… 8 

1.2 
空间飞行中人的能力优势和作用……………………………………… 17 

1.3 
长期空间飞行中人的作业能力影响因素……………………………… 20 

1.4 
国际空间站近年来开展的人的能力与绩效研究概况………………… 22 

1.5 
空间环境下人的作业能力与绩效领域国内研究进展………………… 27 

参考文献……………………………………………………………………… 28 
第2章空间环境对人的基本认知能力与情绪的影响……………………… 31 
2.1 
感知觉…………………………………………………………………… 33 

2.2 
注意……………………………………………………………………… 42 

2.3 
工作记忆………………………………………………………………… 46 

2.4 
长时记忆………………………………………………………………… 49 

2.5 
情绪……………………………………………………………………… 50 

2.6 
总结与展望……………………………………………………………… 57 

参考文献……………………………………………………………………… 59 
第3章空间环境下人的运动操作能力……………………………………… 70 
3.1 
空间飞行对骨肌系统的影响…………………………………………… 71 

3.1.1 
失重性骨丢失……………………………………………………… 71 

3.1.2 
失重性肌萎缩……………………………………………………… 77 

3.2 
太空失重状态下运动操作能力的变化特征…………………………… 82 

3.3 
失重环境对运动操作控制系统的影响………………………………… 86 

3.4 
人体运动和操作能力研究的地面模拟失重平台…………………… 88 

3.4.1 
零重力悬吊系统…………………………………………………… 88 

3.4.2 
中性浮力水槽系统………………………………………………… 89 

3.4.3 
人体-6°头低位卧床实验………………………………………… 90 

3.4.4 
计算机仿真模型…………………………………………………… 91 

3.5 
头低位卧床模拟失重对人体运动和操作能力的影响………………… 94 

3.5.1 
模拟长期失重效应的人体操作能力变化规律…………………… 95 

3.5.2 
模拟长期失重效应的人体运动能力变化规律…………………… 96 

3.6 
失重环境下运动操作能力下降的防护措施…………………………… 98 

3.6.1 
锻炼防护…………………………………………………………… 98 

3.6.2 
有氧锻炼措施……………………………………………………… 98 

3.6.3 
阻力锻炼…………………………………………………………… 99 

3.6.4 
企鹅服…………………………………………………………… 101 

3.6.5 
下体负压结合运动锻炼………………………………………… 101 

3.6.6 
电刺激…………………………………………………………… 103 

3.6.7 
人工重力………………………………………………………… 103 

3.7 
总结与展望…………………………………………………………… 104 

参考文献……………………………………………………………………… 105
第4章空间环境下生物节律的变化及其对作业能力的影响……………… 112 
4.1 
空间环境特殊性对生物节律的影响………………………………… 112 

4.2 
空间节律紊乱及其对健康的影响…………………………………… 116 

4.3 
空间睡眠紊乱及其对健康的影响…………………………………… 120 

4.4 
空间环境对人的认知与工效的影响………………………………… 125 

4.4.1 
微重力环境影响人的认知与绩效节律特征…………………… 125 

4.4.2 
作息制度和非24h 环境周期对节律及工效的影响…………… 126 

4.4.3 
狭小、密闭空间对节律及工效的影响………………………… 131 

4.5 
节律紊乱的对抗措施………………………………………………… 132 

4.6 总结与展望…………………………………………………………… 136 
参考文献……………………………………………………………………… 137
第5章航天员作业能力的建模与仿真……………………………………… 143 
5.1 
数字人建模仿真技术………………………………………………… 144 

5.1.1 
人体测量模型…………………………………………………… 144 

5.1.2 
骨肌生物力学建模研究………………………………………… 145 

5.1.3 
认知绩效建模研究……………………………………………… 148 

5.2 
航天员作业能力建模仿真需求和体系框架分析…………………… 154 

5.2.1 
航天员建模仿真需求和模型框架分析………………………… 154 

5.2.2 
建模仿真系统模型体系及仿真系统框架设计………………… 159 

5.3 
航天员骨肌系统作业能力的建模与仿真…………………………… 163 

5.3.1 
人体几何建模及系统集成技术………………………………… 164 

5.3.2 
航天员运动学和动力学模型的建立及仿真分析……………… 167 

5.3.3 
应力骨重建仿真与长期在轨骨密度预测……………………… 212 

5.4 
面向典型人机交互任务的航天员认知绩效仿真…………………… 240 

5.4.1 
典型航天任务关键认知特性研究……………………………… 241 

5.4.2 
认知绩效模型研究……………………………………………… 242 

5.4.3 
认知绩效评估…………………………………………………… 250 

5.4.4 
认知建模仿真实现……………………………………………… 252 

5.4.5 
认知模型验证…………………………………………………… 257 

5.5 
航天员建模仿真系统的集成与应用………………………………… 258 

5.5.1 
系统软硬件框架及工作流程设计……………………………… 258 

5.5.2 
多模型交互融合设计…………………………………………… 259 

5.5.3 
特性数据库系统软件的功能与实现…………………………… 260 

5.5.4 
作业任务可视化三维建模……………………………………… 261 

5.5.5 
绩效分析结果的可视化………………………………………… 262 

5.5.6 
平台综合调度管理模块软件…………………………………… 264 

5.5.7 
平台硬件的组成与实现………………………………………… 267 

5.5.8 
建模仿真系统应用……………………………………………… 267 

5.6 
总结与展望…………………………………………………………… 268 

参考文献……………………………………………………………………… 269
第6章空间环境下人的能力特性变化研究展望…………………………… 282 
6.1 
长期在轨飞行人的能力特性基础数据积累与丰富………………… 284 

6.2 
骨肌系统改变在线实时监测、评估与靶向防护技术发展与完善…284 

6.3 
开展空间脑科学专项研究,深入揭示人在太空的工作能力变化机制…………………………………………………………………… 285 

6.4 
借助空间站任务进一步深入开展生物钟与睡眠相关研究………… 285 

6.5 
探索更加便携、高效和敏感的航天员情绪与认知状态测量手段和方法………………………………………………………………… 286 

6.6 
航天员作业能力建模仿真技术和平台发展与完善………………… 286 

本书是“十三五”国家重点出版物出版规划项目，由国家973 项目“面向长期空间飞行的航天员作业能力变化规律及机制研究”和国家自然科学基金重大项目“复杂人机紧耦合系统的人因安全理论研究”资助。可为从事航天医学和航天人因工程研究的科技工作者及管理人员提供技术参考。