飞船舱内气体环境

飞船船舱属于与外界隔离的密闭舱。舱内必须人工产生适于航天员生存、生活和工作的气体环境。对其要求主要有： 气体环境的压力与气体组成必须符合生理学要求，气体中有害物质浓度应限定在容许水平以下，具有适宜的温、湿度条件，等等。
大气压力（总压） 人类已长期适应于海平面大气压力条件生活，对于低气压也具有一定适应能力。如减压不超过Haldane安全减压阈限高度，则不致发生高空减压病。在5km高度如能提高气体中氧气比例防止发生缺氧，则低气压本身显示一定生理影响，如肺活量减少、蒸发散热量增加、轻度腹胀等，但能量代谢无明显改变。实验结果表明，这样程度的低气压影响不致妨碍航天员正常航天活动，但对于食品包装与进食、进水等将会造成一定麻烦。
氧 氧为人体生命活动所必需。关于人工气体环境供氧问题曾有两种主张。一种主张沿袭航空医学经验，建议提供氧分压偏低的气体环境，理由是充分利用人体对缺氧的适应能力，以减少携带氧气量。另一种主张是提供相当于海平面氧分压的气体环境，理由是不应因缺氧而消耗机体的储备能力，以利于航天员在新的特殊条件下执行任务。前一种主张已被否定。苏联飞船采用后一主张。美国飞船则采用纯氧或高浓度氧气体环境。高氧气体环境有以下缺点：
❶火灾危险。氮是惰性气体，具有灭火作用。当舱内气体氮氧浓度比低于海平面浓度比时，氧助燃作用相应增强。试验表明，在1/3大气压力的纯氧环境里，布条的燃烧速度比在2440米高度（飞机标准座舱高度）增快3.5倍。
❷可引起氧中毒。人生活在纯氧环境中，眼结膜、呼吸道等暴露部位粘膜，易发生刺激症状。在氧分压偏高的环境里，还可能引起氧中毒，轻型表现是胸部症状与血液学改变。高氧的有害作用主要取决于氧分压（浓度）与暴露时间。任何因素加大，均可加重毒性作用。即使在氧分压为174～190mmHg的环境里，暴露时间长达216小时也会导致轻型氧中毒。航天时间较长，易感性强的人更易发生氧中毒。
惰性气体 当船舱里气压高于应保持的氧分压时，需由惰性气体补充。氮是理想的惰性气体，因人类已适应氧-氮混合气体环境。有些研究指出，氮对人体并非无关的中性气体。氮还可以防止使用高氧引起的肺不张。鉴于氮是导致减压病的主要病因，正在研究以其他惰性气体取代氮的可能性。就人体内脂肪细胞的气泡形成多少而论，氦是氮气的1/4，氖气是1/6。在关节和血液中气泡形成，氖气最少，其他惰性气体的气泡形成多于氮气。同时，氦与氖还可使人体散热速度快，热传导率比氮分别大6与2倍。氦还可以改变声的传导，对通话有一定影响，氦气中声传导速度比在氮气中快3倍。计算航天服加压破裂瞬间的减压时间表明，气体总压为362mmHg时，氧-氦各占一半的减压时间要比氧-氮各占一半者快1.3倍。此外，这些惰性气体的成本很高，也难以采用。
压力制度 船舱气体压力制度关系到航天员生活、安全与执行任务的能力。其确定取决于医学与工程上诸因素的考虑。共有三种典型方案（见表）可供选择。
第一种方案：气体压力和氧-氮比例均与海平面条件相同。起飞前不需进行吸氧排氮。但为防止飞船在轨道航行中发生意外减压时导致减压病，航天服的加压值必须提高到接近1/2大气压力(即不低于Haldane安全减压阈限)。航天员穿着一般型航天服加压值过高，不仅严重影响活动能力，也加大能量消耗。进行舱外活动时，虽可采用较低加压值，但在出舱之前必须长时间吸氧排氮。航天服的设计与材料要求均很高； 为兼顾应急与出舱活动需要，还须采用高、低两种压力制度的控制系统。近年美国试制成功全活动型航天服，从而为采用第一种方案压力制度提供了有利条件。从工程角度考虑，舱内、外压差直接影响舱体的形状、强度、重量和可靠性。按典型舱体形状计算，当舱内设计压力为286～362mmHg以下时，舱体重量与舱内压力无关；当压力超过该值时，舱体重量随舱内压增加。尽管存在上述严重缺欠，此方案能提供适于人体生理需要的理想气体环境，有利于长期航行。苏联的载人飞船及美国的航天飞机均采用该方案。

三种典型船舱压力制度方案的比较

比较项目	第一方案	第二方案	第三方案
	一个大气 压力氧- 氮混合气	1/3大气 压力纯氧 或高浓氧	1/2大气 压力氧- 氮混合气
高氧对人体的影响 低气压对人体的影响 高空减压病	无 无	有 有	有 有
起飞后常规飞行 起飞后意外减压(服装 加压) 舱外活动（服装加压）	不发生 不发生 发生、需吸 氧排氮预防	发生，需吸 氧排氮预防 不发生 不发生	不发生 可能发生 不发生
航天服设计要求 减压前后压差值 舱体强度要求 风机动力要求 推力要求 舱体漏气量（比） 系统复杂程度与重量 火灾危险 舱体重量	高 大 高 高 高 多(1) 高、重 小 重	一般 小 低 中 低 少(0.5) 低、轻 大 轻	一般 中 低 低 低 中(0.7) 中 小 中

第二种方案：舱压维持在1/3大气压左右，气体组成是纯氧或是高浓氧。起飞前进行必要的吸氧排氮后又可防止飞行过程中发生减压病。但从医学角度考虑，缺点较多。该方案的最大缺点是易发生火灾。纯氧对呼吸道与眼结膜有刺激作用。低气压与纯氧的双重作用对肺功能、机体散热以及消化功能也有一定影响。双子星座4、5、7号航天员的血液检查有明显改变，红细胞减少8～20%。但此方案在工程技术上具有明显优越性。环境控制系统简单、可靠性高，船舱漏气量少、重量轻。航天服设计要求较低，可采用较低压力制度。为克服高氧的毒性作用，美国天空实验室舱内氮含量已提高： 氧和氮各占70%和30%。航行前、后肺功能检查(包括闭合气量，加强肺活量等)结果无明显差别，但肺活量在航行中约减低10%，表明低压影响仍存在。
第三种方案：舱压维持在1/2大气压左右，气体组成采用氧-氮混合气，氧分压保持海平面水平。鉴于此方案在医学与工程上有利因素多于不利因素，许多报道主张采用该方案。有的作者指出舱内气压为349mmHg、氧与氮各占一半的气体环境是设计没有屏蔽的船舱应选用的最佳方案。另有学者认为舱内气压为510～520mmHg、氧气占30～50%的气体环境是适宜的方案。美国阿波罗-1号在发射场烧毁后，后继的飞船在起飞前准备阶段，已采用舱内气压为362mmHg，氧气与氮气各占一半的方案。但起飞后仍转为第二方案。
影响船舱压力制度选定的因素很多。为便于长期航行或适于一般乘客（不经过特殊的选拔或训练） 航天旅行，医学要求应居首位。