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火星行走:使宇航员在舱外新濠天地下载官网-apple app store-新濠天地体育版v5.2.1（澳门）有限公司期间保持健康和表现
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火星行走:使宇航员在舱外新濠天地下载官网-apple app store-新濠天地体育版v5.2.1（澳门）有限公司期间保持健康和表现

2022年1月4日，星期二

作者: 安德鲁·F.J. Abercromby

必须解决能力差距，以确保宇航员在火星任务舱外新濠天地下载官网-apple app store-新濠天地体育版v5.2.1（澳门）有限公司期间的安全和表现.

的好处, 的机会, 的挑战, 当把人类送出地球轨道进入太阳系时，太空探索的风险会增加几个数量级. 在最极端的环境中，要想让一个健康的人活得很好，就需要配备生命维持系统的宇宙飞船，在遥远的太空中提供一个类似地球的气泡大气层. 即使从发射台到火星表面(距离地球至少3400万英里，需要6-9个月的航行)再返回，这个微妙的气泡被成功地保存了下来, 住在里面的宇航员面临着一系列的挑战和压力, 其中一些立即显现，而另一些可能需要数周时间, 个月, 甚至数年才能显现.

太空飞行的生理挑战

从地球引力场的强大引力到轨道上突然失重的转变会导致一系列症状, 包括定向障碍, 头痛, 恶心想吐, 呕吐, and gastrointestinal discomfort (Barratt and Pool 2008; Buckey 2006). 随着中枢神经系统的适应，这些症状通常会在1-3天内消退, 其他长期适应仍在继续.

这是对失重的反应, 睡眠周期改变, 隔离, 辐射, 波动的二氧化碳水平, 以及其他环境压力源, 身体的肌肉和骨骼会失去力量, 进行最大(或长时间次最大)有氧运动的能力下降(Shen和Frishman 2019). 头液移位可引起充血, 影响味觉和嗅觉, 并可能导致眼睛的结构变化, 导致视力丧失(Lee等. 2020). 近地轨道上的辐射暴露明显大于地球上的辐射暴露, 导致细胞损伤，导致太空飞行期间免疫功能降低，并增加终生癌症风险(Benton和Benton 2001). 当宇航员离开地球磁层的保护, 辐射暴露和相关风险变得更大.

无数的生理压力加剧了生活在孤立环境中的心理挑战, 关, 极端环境(-Palinkas 2001). 宇航员通常作为最多7人的国际机组成员工作, with current missions lasting as long as a year; Mars missions lasting 2–3 years or more will far exceed previous human experience.

长期的人类月球和火星任务将需要先进的技术能力, 其中一些还不存在. NASA将这些称为能力差距(Burg et al. 2021).

在这篇文章中，我描述了挑战, progress, 与舱外新濠天地下载官网-apple app store-新濠天地体育版v5.2.1（澳门）有限公司期间维持人体健康和表现有关的四项能力差距有关的机会. 通常被称为太空行走, EVA将是最常见的, highest-workload, 以及人类登月和火星任务中风险最高的新濠天地下载官网-apple app store-新濠天地体育版v5.2.1（澳门）有限公司. 这也许也是最重要的因素, 在功能上和象征上, 这就是人类太空探索与机器人任务的区别.

能力差距:太空服合身与受伤

损伤预测, 监控, 此外，还需要缓解技术来实施规划, 培训, 操作, 以及所有适合任务阶段的系统设计以及所有预期的机组人员人体测量.

宇航员在穿着宇航服工作时曾多次受伤, 即使EVAs的频率相对较低(Chappell等. 2017; Stirling et al. 2019). 报道的受伤程度不一，从水泡到指甲脱落，再到需要手术的肩膀受伤. 在某些情况下, 不合身的衣服被认为是一个因素, 数据还表明，连续EVAs之间恢复能力下降也会增加损伤风险.

未来的宇航服必须确保各种体型和大小的男女宇航员不仅能被宇航服容纳，而且能执行所有必要的任务，而不会感到不适或增加受伤风险. 在航天飞行中发生的人体测量学变化也必须被识别和适应(Young等. 2021).

除了, 太空服必须保护预计执行更多舱外新濠天地下载官网-apple app store-新濠天地体育版v5.2.1（澳门）有限公司的宇航员, 恢复时间比以前少多了. 阿波罗号在月球表面停留的时间长达3天, with astronauts wearing custom-fit spacesuits for up to three EVAs; current mission designs considered by NASA call for as much as 24 hours of EVA per person per week throughout surface stays that may be 个月 in duration.

阿波罗计划期间的EVA损伤发生率以及目前在国际空间站(ISS)上使用的宇航服表明，肌肉骨骼损伤会影响任务目标, 以及潜在的长期健康, 在这些类型的长时间水面任务中，除非能够开发和实施改善健康和降低受伤风险的能力，否则不仅是可能的，而且很可能是可能的. 计算人体测量和损伤建模(图1所示的例子)将是这种能力发展的重要组成部分.

Abercromby图1.gif
图1计算人体测量和损伤建模能力是必要的，以帮助确保所有体型和大小的船员的健康和表现. 图像显示了模型预测的体积重叠(i.e.对宇航员来说，宇航服可能太小的位置和程度).

能力差距:EVA乘员能力和限制

宇航员的身体和认知状态监测和预测技术对于实现EVA计划至关重要, 操作, 系统设计, 以及基于船员能力和约束的决策支持系统.

当长时间停留在微重力环境后返回地球时, 宇航员会感到恶心，有时甚至连行走等简单任务的能力都大大降低, 直到他们的前庭系统重新适应了地球的重力(Mulavara等. 2018). 不像在地球上着陆时，支持团队可以把宇航员从太空舱里抬出来, 火星宇航员必须适应从火星航行的微重力到火星部分重力(约为地球重力的3/8)的过渡, 穿上他们的EVA服, 并自行执行任何必要的着陆后任务.

不确定性和可变性是每个宇航员在执行任务的任何时候能够执行的功能，这带来了许多挑战, 在月球或火星环境中执行这些功能时，身体和认知需求以及成本的不确定性使情况更加复杂.

另一个例子, 与行星EVA相关的全身体力负荷, 尤其是在火星引力方面, 预计将高于微重力环境下的eva (Norcross et al. 在美国，与疲劳相关的表现下降的例子已经很明显了. 除了潜在的性能影响, 增加的工作负载可能会影响消耗品的使用, 热量消耗, 蓄热, CO2 暴露，减压病风险和水合作用. 在失重模拟中使用原型宇航服的人体测试(e.g., 图2)对于理解这些影响和开发适应它们的能力是必不可少的.

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测试宇航员的能力和宇航服的约束条件通常使用测试环境，如图中所示的主动响应重力卸载系统(ARGOS), 它允许使用类似于桥式起重机的系统来模拟失重的EVA条件.

在EVA之前和期间预测和监测身体和认知状态的能力目前非常有限，但对于火星任务期间EVA的安全规划和执行至关重要.

能力差距:EVA生物信息学和决策支持

需要开发地面和空中舱外新濠天地下载官网-apple app store-新濠天地体育版v5.2.1（澳门）有限公司技术，以便在日益独立于地球的行动期间维持舱外新濠天地下载官网-apple app store-新濠天地体育版v5.2.1（澳门）有限公司机组人员的健康和性能监测及决策.

地球和火星之间不可避免的通信延迟将需要许多支持, 监控, command, 控制功能目前由地球上任务控制中心(MCC)的大型飞行控制器团队提供，由宇航员和他们的宇航服或航天器来完成. 这种范式转变将需要技术、培训和操作的重大演变. 这也可能会增加EVA机组人员的认知工作量.

在通信延迟下增强EVA科学探索的能力一直是先前研究的主题(e.g.， Abercromby等人. 2013; Beaton et al. 2019; Rader and Reagan 2013), 但是，在有通信延迟的EVA期间，EVA医疗操作支持在持续监测和保护机组人员健康和性能方面的关键作用尚不清楚. 上述身体和认知状态预测能力必须与生命支持系统模型和专门建造的EVA运营规划和执行工具集成，以在规划期间保护和提供健康和性能, 执行, 以及eva的实时重新规划.

这些能力使火星上的飞行机组人员能够完成目前由人类和MCC系统执行的许多关键的EVA支持功能, 但它们也增强了，甚至可能在月球表面任务中实现高频EVA. Hundreds and sometimes thousands of person-hours go into planning and preparing for a single EVA on the ISS; significantly improved planning capabilities are required to enable high frequency exploration EVA.

能力差距:减压病缓解

第四个能力差距是实现EVA规划所需的减压应力预测和缓解技术, 培训, 操作, 以及现有微重力减压病对抗措施不适用的行星表面任务的系统设计.

阿波罗任务使用了百分之百的O2 舱室大气, 它有效地消除了在月球上EVA期间减压病(DCS)的风险. 美国宇航局未来的月球和火星任务预计将使用含34% O的氮气混合物2， 66% N2; this will reduce flammability risk compared with Apollo, 但需要在EVA前进行氧气再呼吸，以将DCS风险降低到可接受的水平(Abercromby等. 2015). 在航天飞机和国际空间站上使用的再呼吸协议是为微重力eva进行验证的, 但在等效的移动式EVA中DCS的风险显著增加，使得这些协议不适用于行星EVA (Conkin等. 2017).

“探测大气层”为56.5千帕斯卡(kPa).2 psia)， 34% O2， 66% N2 被NASA推荐为平衡再呼吸时间的折中方案, 缺氧, 易燃性风险, 假设是29.6kpa (4.3 psi)太空服. 然而, this atmosphere may not be used for vehicles that do not support frequent EVA; and with commercial and inter­national providers expected to deliver landers, 加压流浪者, 栖息地, 和宇航服, 不同的飞行器和太空服环境组合是可能的，并且每一种都需要经过验证的再呼吸协议.

一个经过验证的DCS风险预测工具, 包括潜在的航天器和宇航服压力和大气的范围, 将使未来所有航天器和宇航服的开发和操作具有风险, 包括紧急情况，比如机舱减压.

结论

具体研究, 发展, 船员健康与性能(CHP) EVA路线图中包含了消除这些能力差距所需的测试, 一份持续更新的多年战略规划文件. 最近发布的版本是围绕七个空白进行组织的, 自那以后，它们被巩固为这里确定的四个缺口(Abercromby et al. 2020). 更新后的路线图预计将于2022年发布.

参考文献

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长时间的
人类登月和火星任务将需要先进的技术能力, 其中一些还不存在.

 

 

 

在舱外新濠天地下载官网-apple app store-新濠天地体育版v5.2.1（澳门）有限公司之前和期间预测和监测宇航员的身体和认知状态的能力对于安全的火星任务至关重要.

 

 

作者简介:安德鲁·阿伯克龙比是人类生理学，性能，保护， & 操作(H-3PO)实验室，位于休斯顿的NASA约翰逊航天中心.