目錄
第1章引言……………………………………………………………………… 1 
1.1 
空間環境特征及其地面模擬技術……………………………………… 2 

1.1.1 
空間環境特征……………………………………………………… 2 

1.1.2 
空間環境模擬……………………………………………………… 8 

1.2 
空間飛行中人的能力優勢和作用……………………………………… 17 

1.3 
長期空間飛行中人的作業能力影響因素……………………………… 20 

1.4 
國際空間站近年來開展的人的能力與績效研究概況………………… 22 

1.5 
空間環境下人的作業能力與績效領域國內研究進展………………… 27 

參考文獻……………………………………………………………………… 28 
第2章空間環境對人的基本認知能力與情緒的影響……………………… 31 
2.1 
感知覺…………………………………………………………………… 33 

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

2.3 
工作記憶………………………………………………………………… 46 

2.4 
長時記憶………………………………………………………………… 49 

2.5 
情緒……………………………………………………………………… 50 

2.6 
總結與展望……………………………………………………………… 57 

參考文獻……………………………………………………………………… 59 
第3章空間環境下人的運動操作能力……………………………………… 70 
3.1 
空間飛行對骨肌繫統的影響…………………………………………… 71 

3.1.1 
失重性骨丟失……………………………………………………… 71 

3.1.2 
失重性肌萎縮……………………………………………………… 77 

3.2 
太空失重狀態下運動操作能力的變化特征…………………………… 82 

3.3 
失重環境對運動操作控制繫統的影響………………………………… 86 

3.4 
人體運動和操作能力研究的地面模擬失重平臺…………………… 88 

3.4.1 
零重力懸弔繫統…………………………………………………… 88 

3.4.2 
中性浮力水槽繫統………………………………………………… 89 

3.4.3 
人體-6°頭低位臥床實驗………………………………………… 90 

3.4.4 
計算機仿真模型…………………………………………………… 91 

3.5 
頭低位臥床模擬失重對人體運動和操作能力的影響………………… 94 

3.5.1 
模擬長期失重效應的人體操作能力變化規律…………………… 95 

3.5.2 
模擬長期失重效應的人體運動能力變化規律…………………… 96 

3.6 
失重環境下運動操作能力下降的防護措施…………………………… 98 

3.6.1 
鍛煉防護…………………………………………………………… 98 

3.6.2 
有氧鍛煉措施……………………………………………………… 98 

3.6.3 
阻力鍛煉…………………………………………………………… 99 

3.6.4 
企鵝服…………………………………………………………… 101 

3.6.5 
下體負壓結合運動鍛煉………………………………………… 101 

3.6.6 
電刺激…………………………………………………………… 103 

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

3.7 
總結與展望…………………………………………………………… 104 

參考文獻……………………………………………………………………… 105
第4章空間環境下生物節律的變化及其對作業能力的影響……………… 112 
4.1 
空間環境特殊性對生物節律的影響………………………………… 112 

4.2 
空間節律紊亂及其對健康的影響…………………………………… 116 

4.3 
空間睡眠紊亂及其對健康的影響…………………………………… 120 

4.4 
空間環境對人的認知與工效的影響………………………………… 125 

4.4.1 
微重力環境影響人的認知與績效節律特征…………………… 125 

4.4.2 
作息制度和非24h 環境周期對節律及工效的影響…………… 126 

4.4.3 
狹小、密閉空間對節律及工效的影響………………………… 131 

4.5 
節律紊亂的對抗措施………………………………………………… 132 

4.6 總結與展望…………………………………………………………… 136 
參考文獻……………………………………………………………………… 137
第5章航天員作業能力的建模與仿真……………………………………… 143 
5.1 
數字人建模仿真技術………………………………………………… 144 

5.1.1 
人體測量模型…………………………………………………… 144 

5.1.2 
骨肌生物力學建模研究………………………………………… 145 

5.1.3 
認知績效建模研究……………………………………………… 148 

5.2 
航天員作業能力建模仿真需求和體繫框架分析…………………… 154 

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

5.2.2 
建模仿真繫統模型體繫及仿真繫統框架設計………………… 159 

5.3 
航天員骨肌繫統作業能力的建模與仿真…………………………… 163 

5.3.1 
人體幾何建模及繫統集成技術………………………………… 164 

5.3.2 
航天員運動學和動力學模型的建立及仿真分析……………… 167 

5.3.3 
應力骨重建仿真與長期在軌骨密度預測……………………… 212 

5.4 
面向典型人機交互任務的航天員認知績效仿真…………………… 240 

5.4.1 
典型航天任務關鍵認知特性研究……………………………… 241 

5.4.2 
認知績效模型研究……………………………………………… 242 

5.4.3 
認知績效評估…………………………………………………… 250 

5.4.4 
認知建模仿真實現……………………………………………… 252 

5.4.5 
認知模型驗證…………………………………………………… 257 

5.5 
航天員建模仿真繫統的集成與應用………………………………… 258 

5.5.1 
繫統軟硬件框架及工作流程設計……………………………… 258 

5.5.2 
多模型交互融合設計…………………………………………… 259 

5.5.3 
特性數據庫繫統軟件的功能與實現…………………………… 260 

5.5.4 
作業任務可視化三維建模……………………………………… 261 

5.5.5 
績效分析結果的可視化………………………………………… 262 

5.5.6 
平臺綜合調度管理模塊軟件…………………………………… 264 

5.5.7 
平臺硬件的組成與實現………………………………………… 267 

5.5.8 
建模仿真繫統應用……………………………………………… 267 

5.6 
總結與展望…………………………………………………………… 268 

參考文獻……………………………………………………………………… 269
第6章空間環境下人的能力特性變化研究展望…………………………… 282 
6.1 
長期在軌飛行人的能力特性基礎數據積累與豐富………………… 284 

6.2 
骨肌繫統改變在線實時監測、評估與靶向防護技術發展與完善…284 

6.3 
開展空間腦科學專項研究,深入揭示人在太空的工作能力變化機制…………………………………………………………………… 285 

6.4 
借助空間站任務進一步深入開展生物鐘與睡眠相關研究………… 285 

6.5 
探索更加便攜、高效和敏感的航天員情緒與認知狀態測量手段和方法………………………………………………………………… 286 

6.6 
航天員作業能力建模仿真技術和平臺發展與完善………………… 286 

序
2022 年10 月31 日夢天艙發射成功,並與空間站組合體成功對接,中國空間站基本構型完成建造。中國載人航天工程“三步走”發展戰略,經過30 年的穩步推進、實施,取得了舉世矚目的巨大成就。中國空間站的建成不僅標志著我國在近地軌道飛行技術的全面突破,更意味著我國開始邁入較大規模開展空間科學探索的新階段。
載人航天,以人為本。航天員是載人航天活動的主體和核心。確保航天員安全、健康和高效工作始終是工程的主要目標之一。維持和增強航天員的能力,充分發揮人的主觀能動作用,是確保載人航天任務成功的關鍵。
眾所周知,太空環境是極其惡劣的。就近地軌道飛行而言,輻射、真空、高低溫、空間碎片等艙外環境給航天器與航天員的安全防護帶來極大挑戰,而失重、隔離密閉、晝夜節律變化等艙內環境還會引起航天員生理、心理的變化,威脅和影響航天員的健康與工作狀態,甚至影響飛行任務的完成。研究空間環境下人的能力變化特性,揭示其規律與相關機制,是國際航天醫學與人因工程持續關注的焦點,對於深化人對太空的認識、發揮人在太空的作用並指導工程設計意義重大。陳善廣及其團隊緊密結合載人航天工程實際需求,長期深耕於航天人因工程領域,做了大量開創性的工作,成就斐然。這些研究不僅直接得到了國家載人航天工程的專項支持,也得到了國家科學技術部和國家自然科學基金委員會的重大項目支持,包括國家973 項目“面向長期空間飛行的航天員作業能力變化規律及機制研究”和國家自然科學基金重大項目“復雜人機緊耦合繫統的人因安全理論研究”。本專著反映了該團隊圍繞“長期空間飛行的特有環境因素對航天員認知、決策能力和運動、操作能力的影響及其變化規
·Ⅱ· 空間環境下人的能力特性變化
律和機制”關鍵科學問題開展較繫統研究的學術成果。這些成果為我國載人航天工程從短期飛行向長期飛行突破提供了重要的理論支撐,為航天人因工程領域的規劃與發展做出了奠基性貢獻。相關成果先後在國內外重要期刊(包括《NatureCommunications》)發表,還被《Science》專刊集中重點推薦,產生了良好的學術影響。《Science》資深責任總編肖恩·桑德斯(SeanSanders) 博士在評述中指出:“ 專刊彙集了中國載人航天的開創性研究成果,為讀者描繪了一個未來太空探索研究的可能圖景。中國科學工作者已經將他們的研究成果成功應用到航天器設計改進、航天員選撥與訓練方法完善等方面,相信世界各地的科學家和工程師將從中受益。本專刊的新知識對於相關國家實施載人航天計劃也有重要的借鋻意義。” 
本書不僅是載人航天領域重要基礎研究成果的呈現,也是人因工程領域的重要學術專著。對本書的出版發行謹致以特別祝賀! 
太空探索,永無止境。本專著涉及的對空間環境下人的能力研究還隻是一個開端,隨著人類空間活動的新實踐,特別是人類探索活動向深空的延伸,無論從工程需求還是科學研究本身來說,均需要不斷深化對人的研究和認識。中國空間站正在著力打造長期有人參與的國家太空實驗室,載人深空探測正在規劃實施,期望作者團隊及更多的同行發揮優勢積極參與,產出更多原創性成果。
中國載人航天工程總設計師中國科學院院士  周建平

2022 年11 月