航天医学把“离开地球”视为一场多维度的应激实验：重力场、大气压力、辐射谱、昼夜节律、社会隔离同时被改写。第一章 1.1 节以“常规物理参数”为主线，系统梳理了从海平面到深空的物理量变化、航天器轨道力学、环境边界定义以及由此衍生的医学风险，为后续各章的生理学、病理学、防护技术奠定坐标系。全文可概括为“四条线、三个区、两张图、一堆碎片”—— altitude（高度） 、pressure（压力） 、radiation（辐射） 、Δv（速度增量）四条线把地球包裹成不同功能区；卡门线、阿姆斯特朗线、呼吸交换极限构成“三个生命关卡”；轨道高度-时间图、碎片通量图揭示长期任务瓶颈；最后落在“碎片云”这一新兴环境危害。
一、四条物理线的医学意义
1. 高度线——从珠峰到“120 000 mile”
图 1-1 用对数坐标把 0–1000 km 的大气参数一次画清：
0–10 km 对流层：天气层，民航客舱模拟 1525–2440 m 气压，PaO₂ 维持 81–69 mmHg，乘客心率↑15 %。10–50 km 平流层：臭氧 20–30 km 处吸收 UV-B，航天服外层防晒涂层借鉴此原理。50–90 km 中间层：陨石烧蚀区，舱外活动（EVA）无防护则 1 s 内炭化。90–500 km 热层：ISS 常驻 402 km，温度虽可>1000 °C，但分子稀薄，热量以“撞击-传导”方式损失，航天器表面实际“冷热交替”。500–1000 km 外逸层：大气逐日膨胀-收缩，密度差 2 个量级，决定轨道衰减率。
2. 压力线——三条“生死杠”
呼吸交换极限 15 km（50 000 ft）：环境压 87 mmHg = 肺泡水汽 47 + CO₂ 40，肺泡氧分压≈0，需 100 % O₂ 加压舱。阿姆斯特朗线 19.2 km（63 000 ft）：47 mmHg = 体温 37 ℃ 水汽压，体液沸腾，“血液发泡”极限。冯・卡门线 100 km：气动面失效，航空法/航天法分界，国际公认“太空起点”。
3. 辐射线——能量与通量双坐标
图 1-3 用颜色叠加给出不同粒子穿透深度：
0–20 km：宇宙射线初级被大气裂解，中子通量反而在 20 km 处出现“次级极大”，因此高空长航时机组年剂量 3–5 mSv，是海平面 100 倍。100–1000 km：进入低地球轨道（LEO），遭遇 trapped proton（南大西洋异常区 SAA）与太阳质子事件（SPE），30 天任务 skin dose 可达 30 mSv；ISS 400 km 处年剂量 0.3–1.1 mSv/d，与太阳周期反相关。1000 km：抵达范・艾伦内外带，电子 1–5 MeV，质子 10–200 MeV，若无屏蔽，日剂量可>1 Gy，载人任务必须选“低倾角+快速穿越”轨道。
4. 速度增量线——经典火箭方程
Δv = Isp · g₀ · ln(m₀/m₁) 决定“能带多少 payload”。
低地球轨道 Δv ≈ 9.3 km/s（含 1.5–2 km/s 损失）；地球自转在赤道提供 0.47 km/s 向东助力，故文昌 19°N 比拜科努尔 46°N 节省 10 % 推进剂；载人登月总 Δv ≈ 15.5 km/s，土星五号起飞质量 2621 t，最终返回仅 5.67 t，质量分数 0.2 %，凸显“每克都值钱”，医学装备必须“轻量化+多功能”。
二、三个生命关卡的医学解读
1. 呼吸交换极限——“肺泡真空”
当环境压≤87 mmHg，即使吸入 100 % O₂，肺泡氧分压也<20 mmHg，瞬间出现急性缺氧昏厥。航天发射 50 s 内穿越此高度，因此载人飞船必须在 8 km 前完成舱压 540 mmHg 建立，相当于 2400 m 高原，保证 PaO₂ > 55 mmHg。
2. 阿姆斯特朗线——“体液沸腾”
体液沸腾并非“血液瞬间汽化”，而是组织液、口腔黏膜、角膜表面形成水汽泡，导致皮下气肿、减压性休克。舱外航天服必须维持 220–250 mmHg 总压（30 % O₂ + 70 % N₂），同时采用“弹性织物+机械抗力”混合结构，兼顾关节灵活与防膨胀。
3. 卡门线——“法律与生理双重门槛”
生理上 100 km 已无任何气动加热，但医学监控仍须连续：心率、血压、血氧由穿戴式传感器经遥测下行，因为一旦失压，8–10 s 意识丧失，90 s 致命，留不出“返回地球”的时间窗口。
三、轨道力学与航天器医学接口
1. 倾角与发射窗口
轨道倾角 i ≥ 发射场纬度 φ，故文昌 19°N 最低可发 19° 倾角，KSC 28°N 最低 28°。倾角越大，覆盖地面纬度越宽，ISS 51.6° 轨道可扫过北纬 51.6°—南纬 51.6° 人口带（全球 80 % 人口），利于对地观测与搜救，但地球自转助力减小 4 %，发射窗口每天东移 23.5 min，医学值班表必须“按轨道日”而非“太阳日”排班，防止乘组生物节律漂移。
2. 高度衰减与再推进
图 1-5 给出 1998–2017 年 ISS 高度曲线：太阳活动高年（F10.7>200）大气膨胀，衰减率 30 m/d；低年仅 5 m/d。每次再推进 Δv 2–4 m/s，消耗 700–1000 kg 推进剂，产生 0.02–0.05 g 微重力扰动，持续 300–1800 s。航天医学要求“推进期间暂停头低位实验、暂缓离心机运行”，避免前庭-心血管耦合应激叠加。
3. 亚轨道飞行剖面
图 1-8 以 1961 年水星-红石 4 为例：上升 2 min 最大 11 g，失重 5 min，再入 11 g，总飞行 15 min。乘客将面临“高 g-零 g-高 g”过山车式应激，医学风险依次为：
+Gx 11 g 时视网膜缺血灰视；0 g 期前庭错位诱发的空间运动病（SMS），发生率 60–70 %；再入 +Gx 期出现心律减慢、血压骤降，需穿抗荷服（AGS）并做紧张收腹肌动作。
新兴商业亚轨道航班（SpaceShipTwo、New Shepard）已把峰值 g 降到 3–4 g，但失重时间延长到 4–6 min，医学筛查沿用 FAA Ⅲ级航空体检+离心机 4 g 10 s 耐受试验。
四、轨道碎片：从统计风险到医学应急
1. 碎片环境三区间
小碎片 <1 cm：数量>100 M，质量占比 1 %，无法追踪，靠 Whipple 屏蔽（1 mm Al + 25 mm Kevlar）可抵御；中碎片 1–10 cm：约 500 k，无法机动规避，是 LEO 平台最大威胁，可击穿压力舱；大碎片 >10 cm：约 34 k，可雷达跟踪，预警 24 h，ISS 机动阈值 1/10 000 碰撞概率。
2. 医学应急流程
一旦 ≥1 cm 碎片击穿舱壁：
0–2 s：超声传感器报警，舱段自动隔离；2–30 s：乘组戴氧气面罩，若破口 >2 cm² 且无法封堵，启动“避难舱”程序，转移至联盟/龙飞船；30–600 s：若减压速度 >0.2 psi/s，可能出现减压性牙痛、鼻窦痛，需立即口服 600 mg 布洛芬+100 % O₂；600 s：若舱压 <70 mmHg，血液开始沸腾，必须 8 min 内关闭舱门启动飞船应急返回，医学官远程监控乘员心电图，预防迷走神经性心动过缓。
五、辐射生物效应：从“统计剂量”到“单粒子翻转”
1. 急性与慢性阈值
急性：全身 0.5 Gy 出现呕吐、白细胞下降；2 Gy 24 h 内 LD50/60（无治疗）；ISS 30 天任务 skin dose <0.03 Gy，远低于阈值，但 SPE 可在 2 h 内追加 0.5 Gy，需备“辐射风暴掩体”——水墙、聚乙烯、食品箱堆成 15 g/cm² 屏蔽。慢性：NASA 职业限值 3 % 终生致死癌风险，对应 40 岁女性 180 mSv，40 岁男性 700 mSv；欧洲采用 1 Sv 终生，可因个体基因组（BRCA1/2、TP53）下调 20 %。
2. 单粒子效应
重离子（Z≥6，E≥100 MeV/n）穿过视网膜出现“光闪”，阿波罗 11 报告每 2–3 min 一次；长期可致白内障，ISS 乘员 6 个月晶状体剂量 5–7 mSv，已观察到 45 岁以上乘员后囊下混浊提前 2 年。海马体神经元受 0.1 Gy 重离子即可致树突棘密度下降，模拟显示火星往返 0.2 Gy 剂量可导致认知下降 15 %，相当于 1 年自然老化，目前采用“饮食-运动-睡眠”三联干预：ω-3 脂肪酸 1 g/d、耐力+有氧混合训练 1 h/d、光疗 10 000 lux 30 min 维持节律。
六、热控与代谢：从“-150 ℃”到“+120 ℃”的 45 min 循环
ISS 绕地 90 min/圈，阳照区 +120 ℃、阴影区 -150 ℃，外壁 1.5 mm 铝蒙皮在 45 min 内完成 270 ℃ 跨度，热应变导致材料微裂纹，舱内则需保持 18–26 ℃、45 % 湿度。医学关注点：温湿度波动可诱发鼻炎、角膜干燥，乘员每日滴人工泪液 2–3 次；冷却回路泄漏乙二醇，曾发生 200 ml 进入舱内，吸入 5 ppm 即出现头痛、恶心，现配 0.1 % 活性炭过滤 + 便携式 PID 报警仪；舱外 EVA 液冷服（LCG）流量 1.5 L/min，若泵失效，15 min 内体温升至 39 ℃，出现热衰竭，备用“水浸蒸发”手动阀门可延长 30 min 撤离时间。
七、声学与振动：从“火箭雷鸣”到“耳蜗微损伤”
发射 140 dB（C 计权）持续 60 s，航天飞机 SRB 燃烧 126 dB，高频 4 kHz 处峰值，乘员佩戴 25 dB 降噪耳机+通讯耳罩，仍出现 10 % 暂时性阈移（TTS），24 h 恢复；整流罩分离 3 kHz 瞬态 135 dB，可致镫骨肌反射疲劳，现采用“主动降噪-被动吸声”双层设计，舱壁 50 mm 玻璃棉+微穿孔板，降噪 12 dB；长期 70 dB 背景噪声影响睡眠，ISS 睡眠舱内 50 dB，仍高于 WHO 推荐 30 dB，乘组使用 3 M 1100 泡沫耳塞+褪黑素 0.3 mg 改善深睡眠比例。
八、结语：物理参数是医学的“隐形患者”
航天环境把重力、压力、温度、辐射、噪声、碎片全部推到极端，它们不像微生物那样繁殖，却能在毫秒到年的尺度上重塑人体。第一章 1.1 节用数字告诉我们：100 km 是法律门槛，19 km 是生理悬崖；0.47 km/s 的自转赠礼，可能因 1 cm 碎片归零；270 ℃ 热循环与 11 g 加速度，比任何健身房都残酷；500 k 颗不可追踪的“子弹”让 LEO 成为最寂静的战场。医学的任务，就是把这些“冷酷方程”翻译成可呼吸的氧、可耐受的 g、可躲藏的掩体、可预测的剂量。下一章，我们将看到这些参数如何一步步改写心血管、骨骼、免疫、神经、昼夜节律的“源代码”。
版权声明：本文转载于今日头条，版权归作者所有，如果侵权，请联系本站编辑删除