真空管道交通車輛將在封閉且抽成一定真空的低壓環境中運行，車輛客艙是氣密性殼體，為保證乘客生命安全、乘坐舒適和身體健康，客艙內通過生命保障系統與相應設備提供人體生存所需的氣壓、氧氣和溫濕度環境，同時排除二氧化碳和雜質，提供清潔的空氣，保留合理比例的惰性氣體。合理的氣壓、適量的氧氣和適當的溫濕度之參數選擇取決于人體相應的生理機能指標，真空管道交通客艙特征與運行環境，以及人體呼吸所產生的二氧化碳、水蒸氣量，是確定吸收劑數量、凈化器類型與凈化方法的基礎。基于航空航天醫學理論基礎與實踐經驗，開展真空管道交通人體生理研究將是一項重要的醫學工程項目。

　　真空管道高速磁浮交通是一種正在研究開發中的新型交通模式，低能耗、低碳排放、低污染、相對安全、建設和運營成本較低，初期運行速度600~1000km/h，中期達到超音速，遠期達到高超音速，使人類實現地面的太空旅行[1-3]。由于采用磁懸浮，消除了機械摩擦，所以速度能夠大于輪軌高鐵列車；又由于管道內抽成一定真空，形成低氣壓環境，消除了空氣阻力，所以速度能夠大于飛機。真空管道車輛在低氣壓/ 真空環境中運行，用于承擔客運任務的客艙必須是密封艙，需要配置適當的生命保障系統，確保客艙內部的氣壓、氧分壓、溫度、干濕度、空氣清潔度等參數指標值適合乘客在旅行期間的人體生理需要；艙內空氣中二氧化碳、一氧化碳、一氧化氮、異味氣氛和氣體流速等不超標，保證乘客身體健康和乘坐舒適。同時，氧氣、氮氣和其他惰性氣體配比要合理，不至于因氧分壓過高使乘客發生高氧癥或氧中毒，不形成火災隱患。為降低車輛制造成本和運行成本，客艙內部氣壓應該不超過或略低于一個大氣壓，但要控制在保證乘客身體健康和乘坐舒適的范圍。

　　雖然航空、航天、深海潛水、潛艇、避難硐室等領域的生命保障系統研究與應用相對成熟，但真空管道交通運行環境及車輛特征與上述領域不完全相同，在借鑒現有技術與研究成果之時，真空技術網(http://lu714.com/)認為有必要對真空管道交通生命保障系統進行專門研究。

　　真空管道交通生命保障系統各項參數的選擇取決于人體醫學生理基礎及相應數值指標，本文對真空管道高速磁浮交通生命保障系統相關的主要參數，如艙內氣體壓強、氧分壓、溫度、干濕度、空氣清潔度，二氧化碳、一氧化碳、一氧化氮、異味氣氛和氣體流速控制，以及惰性氣體配比等， 結合人體醫學生理基礎和現有相關領域———航空航天生命保障系統的研究成果和實踐經驗，進行研究與分析。

1、低氣壓對人體的影響與真空管道交通氣密客艙氣壓選擇

　　1.1、低氣壓對人體生理機能的影響

　　低氣壓對人體有四方面影響，即減壓癥、腸胃脹氣、體液沸騰和肺損傷。

　　(1)減壓癥

　　減壓癥是指由于環境壓力降低，使溶解在肌體中的氮氣過飽和游離出來，形成氣泡所導致的綜合癥狀。誘發減壓癥的外部環境因素有，環境壓力低于某個值，或者環境壓力降低過快。根據航空航天醫學實踐經驗和研究分析，安全減壓的一般原則是：壓力降低不超過一半時不會發生減壓癥，即當客艙壓力從101.3 kPa 下降到50.7 kPa 時，相當于從海平面至5500 m 以下的高度時，尚不足以因氮氣過飽和形成氣泡而發生減壓癥，可認為是安全的。但也有少數人由于個體曾經受過傷，或關節有炎癥等使肌體局部血液循環功能變差，使得氮氣排出受阻而導致在低于5500 m 的高度上出現減壓癥。一般在6000~7000 m 高度上少數人會出現減壓癥，大多數人在8000 m 以上高度時才發生減壓癥。

　　另外，客艙內環境壓力降低過快會使體內氮氣來不及排出到體外，從而形成氣泡，只要減壓速度適當，可避免此類減壓癥。

　　減壓癥癥狀主要有：①皮膚型，主要表現為皮膚瘙癢、冷熱感和蟻走感等，此癥狀為最輕的類型；②關節型，又稱屈肢痛，主要表現為手肘、肩膀、臀部、手腕、膝蓋、腳跟疼痛，此類型占全部癥狀的60~70%；③呼吸型，主要表現為胸骨下不適、壓迫感、干燥感、灼熱感，甚至咳嗽、刺痛等，此類型發生率較低；④中樞神經型，主要表現為頭痛、神經麻痹、視覺機能障礙、肌肉抽搐，甚至發生減壓性休克，此類型很少發生，但最為嚴重。

　　(2)腸胃脹氣

　　當人體所處的外界環境壓力下降時，胃腸內氣體體積隨之擴大，使胃腸壁受牽拉刺激，并波及鄰近部位，故產生反射性痙攣和胃痛、腹痛，以及影響呼吸微循環功能。

　　(3)體液沸騰

　　任何液體的蒸汽壓力與作用于其表面的外界環境壓力相等時，就會發生沸騰。在19000 m的高度，即當氣壓為6.46 kPa 時，水沸騰的溫度為37.4 ℃，而人和恒溫動物的體溫均為37 ℃，因此，當高度超過19000 m 或氣壓低于6.46 kPa時，人體會發生體液沸騰。

　　達到體液沸騰的低壓時，必然缺氧，即可引起循環停止，人體死亡。動物試驗表明，在19000m 的高度上，狗的有效意識時間為9~12 s，若停留時間少于1.5 min，下降到安全高度后機能可以恢復；若停留時間超過2~3 min，可造成死亡。與人比較， 可得知人的救援允許暴露時間為1.5~2.5 min，減壓前吸氧排氮可降低此類損傷。

　　(4)肺損傷

　　當肺內氣壓與環境壓力相差很大，肺內支氣管、微氣管會受到損傷。肺損傷的基本條件是：①減壓時間過短，如一般快速減壓或爆炸減壓，時間在幾十毫秒至1 秒之間；②減壓幅度過大，如減壓前后的壓差越大，對肺的損傷越嚴重；③肺臟和呼吸道的機能狀態欠佳，如肺容積越大，呼吸道越窄，越容易發生肺損傷。

　　1.2、人體對氣壓的承受范圍以及真空管道交通客艙氣壓選擇

　　當空氣壓力減小到很低時，人體內某些封閉腔和半封閉腔，如耳朵、腸胃，會產生疼痛感覺。壓力的下降還會導致體液的沸點降低，氣壓低于6.46 kPa 時，人的一切體液(血液、組織等)都會發生氣化或產生氣泡，渾身出現浮腫。民用航空經驗表明，理想的飛機客艙壓力制度是：從海平面到2400 m 這一高度段內，艙內不增壓。然后從2400 m 一直飛行到高度上限，始終保持2400 m 高度上的對應壓力，即艙內壓力控制在81.46~101.3 kPa 范圍內。

　　結合上述分析，真空管道交通客艙內氣壓應采用高余壓制度，具體范圍選擇如下：

　　(1)理想氣壓范圍，101.3~70.1 kPa，相當于海平面到3000 m 高空，若管道內真空度10 kPa，則余壓為91.3~60.1 kPa。

　　(2)安全氣壓范圍，70.1~50.7 kPa，相當于3000 m 到5500 m 高空，即艙內氣壓不低于50.7kPa 時，可認為對乘客是安全的。

　　(3)允許氣壓范圍，50.7~35.65 kPa，相當于5500 m 到8000 m 高空，在客艙失壓或設備故障時，一定時間內允許氣壓下降到35.65 kPa。

　　(4)危險氣壓范圍，35.65~6.46 kPa，相當于8000 m 到19000 m 高空，這時必須對客艙內加壓，并采取緊急救援措施。

　　(5)艙內低壓閥值，6.46 kPa，相當于19000 m高空氣壓，低于此氣壓，無防護的乘客在客艙內則無生存可能。

2、人體缺氧反應與真空管道交通客艙氧氣供給

　　2.1、人體與氧氣

　　當人體不能吸入足夠的氧氣供細胞和組織使用時，就會發生缺氧反應。生理研究表明，人處在海拔3000 m 以上空間環境，即氣壓低于70.1 kPa，大氣壓力降低引起氧分壓下降，導致吸入空氣中的氧含量減少，造成缺氧綜合征。

　　缺氧反應與外界環境低氧的程度有關，一般可劃分為5 個缺氧反應區域：

　　(1)無反應區(相當于海拔0~1500 m)，即101~84 kPa，這時人體無任何缺氧反應，當環境氣壓為84kPa 時，人體氣管氣氧分壓為16.4 kPa。

　　(2)工效保證區(相當于海拔<3000 m)，即84~70.11 kPa，這時人的適應能力明顯下降，但無缺氧癥狀，大腦思維與工作效率不受影響。

　　(3)工效允許區(相當于海拔<4000 m)，即70.11~61.65 kPa， 這時生理反應雖然無明顯改變，但呼吸循環系統的負擔增加，代償功能增強，部分人有輕度缺氧反應，各種癥狀的發生率增加。

　　(4)缺氧耐限區(相當于海拔<5000 m)，即61.65~54.04 kPa，這時人的各種癥狀加劇，工效明顯降低，缺氧反應明顯，為人體難以耐受的生理界限值，少數人發生呼吸循環代償障礙，但不危及生命安全。

　　(5)缺氧極限區(相當于海拔7000~7500 m)，即41.1~38 kPa，這時會達到缺氧的生理極限，人出現意識障礙，甚至意識喪失。

　　人暴露于缺氧環境后能保持有意識活動的時間稱為有效意識時間，即能采取自救措施的時間， 在41.1 kPa 低壓環境時為7~27 min，在38kPa 低壓環境時為2~10 min，在7.56 kPa 低壓環境時為12~15 s，近真空環境只有不足10 s 時間。

　　人暴露于嚴重缺氧環境中時，為避免喪失意識，加壓供氧允許延誤的時間，稱為安全暴露時間。減壓后人的意識時間取決于肺- 腦循環和腦部缺氧可維持正常功能的時間，即腦組織備用時間。這個時間只有5~6 s。根據動物試驗估測，在0.25~0.5 kPa 低壓環境中，缺氧動物總救生時間為150 s；推算到人，必須在90 s 內復壓并得到救治，人才能有生還可能。

　　高氧是指乘員艙中的氧分壓或氧濃度遠遠超過海平面大氣水平的情況，高氧生理反應稱為高氧癥，嚴重者稱為氧中毒。最常見的輕反應有暴露部位粘膜刺激癥狀，可引起口干、喉痛、鼻出血、眼角膜充血、紅細胞減少、咳嗽和組織病變等。

　　2.2、真空管道交通客艙氧氣供給

　　氧氣的消耗量與乘客新陳代謝的快慢有關，一般取0.022~0.066 kg/(人·h)，平均取0.038 kg/(人·h)。若按人體產生116.3 W 的熱量計算，供氧量必須保證0.03 kg/(人·h)，“水星”號飛船即采用此標準。密封艙的供氧源有壓縮氣氧、液態氧、高氧化合物貯氧及再生氧，采用哪種氧源取決于旅行時間長短、乘客數量以及漏氣量等因素。

　　真空管道交通氣密客艙供氧量可參照現有航天密封艙的相關標準。如客艙載客6 人，全程運行時間3 h， 氧氣瓶攜帶氧氣量應不小于0.54 kg；如載客20 人，全程運行時間5 h，則氧氣攜帶量應大于3 kg。除了基本氧氣消耗量，還應考慮密封艙的漏氣損失，適當增加氧氣儲備余量。

　　當按氧氣體積流量設計真空管道車輛客艙內氧氣供應量時，可參照顧靖華等人在“某型救生鐘生命支持系統性能人體試驗”中得出的結論，即每人25 L/h 提供氧氣。

　　為了安全，除備有正常供氧氣瓶外，還應配備應急供氧設備。可采用現代客機常用的旅客化學氧氣系統為真空管道乘客提供應急供氧，這種化學氧氣系統由氧氣發生器、氧氣面罩和軟管、氧氣分配裝置及電器控制線路組成。氧氣發生器是一種固態化學產氧裝置，氯酸鈉(NaClOs)芯體在雷管起爆后發生化學反應產生氧氣。氧氣面罩上裝有吸氣和呼氣活門，并附有貯氣袋、軟管和拉火索。當客艙失壓時，氧氣面罩彈射開關打開，門鎖機構打開氧氣組件門，氧氣面罩脫落，乘客向面部用力拉動面罩，施加在拉火索上的外力拔出氧氣發生器點火銷，使雷管起爆，化學氧芯起燃后幾秒內產生氧氣，經氧氣發生器內的過濾罩過濾后，氧氣流到氧氣出口，經過軟管，純氧進入儲氣袋再到面罩。

3、艙內溫濕度環境控制及其生理基礎

　　真空管道交通車輛客艙的氣候環境必須是受控的，其各參數的選擇必須在人體的舒適范圍內。有限空間氣候環境參數除壓力外，主要指艙內空氣溫度、濕度、艙壁溫度和風速，以及它們的綜合指標，如有效溫度、三球溫度等。

　　3.1、艙內溫度與人體生理基礎

　　真空管道車輛客艙的熱源主要來自乘客的代謝產熱、艙內設備工作產熱、艙外磁懸浮運行系統產熱和氣動熱。四種熱源的產熱率是不斷變化的，航天醫學工程研究表明，人在睡眠時的產熱率大約80 W/ 人，運動時可達到300 W/ 人。因此真空管道車輛內部環境控制系統應具有排熱、排水汽和適當通風的功能考慮，使乘客處于舒適狀態。據以設計車輛生命保障系統的乘客個體產熱量參數可按80~300 W/ 人取值。

　　參照飛機客艙的溫度設計標準，為保證旅客的舒適，真空管道車輛客艙內空氣溫度應該控制在15~26 ℃范圍內，對于大多數乘客，最適宜的溫度范圍是20~22 ℃,艙內任意兩點的溫度差不超過3~5 ℃，艙內壁表面與空氣之間的溫度差應該≤3 ℃。

　　3.2、艙內濕度與人體生理基礎

　　較理想的客艙內相對濕度范圍是30~70%，根據舒適度要求，最好控制在50%左右。飛機在高空飛行時，外界大氣十分干燥，會使人感到不舒適，眼、鼻、喉可能因干燥而感到不適，但客艙內乘客較多，乘客呼出的水蒸氣會使客艙內保持一定的相對濕度，因此不需要加濕。同樣，真空管道車輛內部乘客密集，呼出的水蒸氣能使車輛內部濕度增加，不會產生干燥問題，因此也不需要加濕。飛機低空飛行或地面滑行時，由于大氣濕度大，艙內會出現濕度過大的情況，為解決這個問題，現代飛機空調系統中都加裝了水分離器等除濕裝置。真空管道交通車輛車內乘客排汗和呼氣會使艙內空氣濕度增加，因此需要考慮采用具有水分離功能的空調系統。每人每小時所呼出的水蒸氣量為0.08~0.136 kg/ (人·h)，艙內濕度太大，會影響乘客舒適感。

　　3.3、真空管道交通客艙溫濕度控制

　　飛機客艙加溫除了采用電加熱外，還會利用發動機廢氣熱或者汽油燃燒對客艙空氣加溫。真空管道交通車輛由直線電機驅動，不需要任何燃油，因此沒有可以利用的發動機廢氣熱，也不能通過燃燒油料加溫，只能依靠攜帶的蓄電池進行電加溫。

　　真空管道線路鋪設在地表或淺埋在地下，環境溫度不會太高或太低。由于管道是密封結構，管道內抽成真空，保溫問題容易解決。且車輛自身會散熱，運行時會產生氣動熱，暴露在太陽光下的管道線路會吸收輻射熱。因此，真空管道交通客艙的加溫要求較低，技術相對簡單，而制冷要求高，比較復雜。

　　根據座艙和設備冷卻的需要，飛機空調主要采用空氣循環制冷和蒸發循環制冷。空氣循環制冷系統利用高壓氣源供來的空氣，通過冷卻渦輪，在渦輪中膨脹作功，使空氣本身的溫度和壓力大大降低。這種制冷方法在飛機上得到廣泛應用，但顯然不適合真空管道交通客艙制冷，因為真空管道交通車輛沒有可以利用的高壓氣源。蒸發循環制冷是利用液態制冷劑的汽化過程吸收空氣中的熱量，在空氣供入座艙之前大幅度地降低空氣的溫度。這種方法可用于真空管道交通客艙空調制冷，此外，熱電制冷、渦流管制冷和半導體制冷等，都可作為真空管道交通客艙制冷的技術。

　　除濕的方法較多，如化學除濕法、蒸發循環制冷除濕法、空氣循環系統低壓除水、空氣循環系統高壓除水等，都可用于真空管道交通客艙除濕。最簡單的方法是使氣流流過散熱器，由于氣流溫度降低，其中所含水汽就會冷凝成水滴，被散熱器出口處的海綿吸收。海綿吸收的水汽可通過機械方法周期性擠壓排出。濕氣還可通過化學除濕劑或通過硅酸凝體分子篩吸收。這些除濕方法在清除空氣中水分的同時，還能清除其他雜質，起到清潔空氣的作用。

　　艙內氣流速度會影響乘客舒適感，參照客機的設計標準，真空管道車輛內部的空氣流速應為0.2~0.5 m/s，以避免人體裸露部分有冷的感覺。

4、艙內空氣清潔度參數的生理基礎

　　真空管道交通車輛內部空氣清潔度與人體新陳代謝和呼吸排出的氣體，如二氧化碳、水蒸氣、異味等有關。供應給客艙的空氣應該是不含異味的清潔氣體，為滿足這個要求，一般飛機上在座艙供氣管路進入座艙前加裝空氣過濾器。現代飛機大多用發動機壓氣機作為座艙增壓供氣源，氣體來自大氣，供出的氣體是清潔的，可滿足座艙的要求。對于真空管道交通，沒有充足的清潔氣源置換艙內的不新鮮空氣，因此要通過空氣凈化裝置來吸收不新鮮空氣，供出清潔無異味的氣體。

　　座艙空氣中的有害雜質對人體安全及舒適有直接影響，因此，參照飛機生命保障系統設計標準，可對真空管道交通車輛內部有害雜質的濃度提出如下要求：

　　●燃料(汽油和煤油)的蒸氣濃度≤0.3 mg/L

　　● 燃料和潤滑油分解出的雜質濃度≤0.0002 mg/L

　　●一氧化碳濃度≤0.02 mg/L

　　●一氧化氮濃度≤0.005 mg/L

　　●二氧化碳濃度≤36 mg/L，即相當于其分壓為2.0 kPa(15 mmHg)之安全值，也即其體積分壓最好小于0.1%。

　　二氧化碳是人體代謝產物，成人在平靜狀態時每小時大約呼出二氧化碳15 L，運動時呼出量更大，通常情況下17 L/h，設計時取24 L/h。若真空管道車輛艙內凈化裝置停止工作或失靈，艙內二氧化碳分壓會不斷上升，對乘客身體健康造成威脅，因此制定艙內二氧化碳允許標準并采取必要措施防止二氧化碳分壓超標，是真空管道交通車輛生命保障系統設計必須重視的問題。

　　美國阿波羅乘員艙規定二氧化碳分壓的最佳水平是≤0.5kPa，最大容許1.01 kPa，應急容許2.0 kPa。美國NASA-STD-3000 規定，空間站正常運行時，乘員艙內二氧化碳分壓≤0.4 kPa，90 天降格運行的標準是1.01 kPa，28 天應急標準為1.2 kPa。俄羅斯國家標準規定，飛行時間1 個月，二氧化碳分壓≤1.33 kPa，30~180 晝夜≤1.04 kPa，180 天以上≤0.79 kPa。比照以上參數，真空管道交通車輛客艙內二氧化碳分壓標準建議取值≤0.5 kPa，最大容許1 kPa。在安靜或輕度勞動狀態下，人體吸收二氧化碳的體積分數即使達到1%，也可耐受較長時間。

　　為了使二氧化碳的體積分數保持在1%以下，最簡單有效的方法是用堿石灰。每人每天需要3 kg的堿石灰，即可吸收1 kg 的二氧化碳。若用氫氧化鋰(LiOH)則用量較少，LiOH 吸收比大，在計算需要量時一般取效率為75%。“阿波羅”號飛船中使用LiOH 吸收CO2，CO2 吸收筒里的LiOH 每12 h 更換一次，每人每天消耗LiOH 1.2 kg。

　　利用Ag2O 分子篩再生裝置可將CO2 中的氧分離出來，以備循環使用。其他綠色植物，特別是小球藻等綠藻類植物，也能吸收CO2 并放出氧氣。腸胃、人體汗腺及皮脂腺的分泌物通常會產生有害氣體和異味，采用活性炭作為吸收劑是最簡單的方法。

　　上述經驗與方法，都可為真空管道交通客艙內空氣清潔提供借鑒。

5、結論

　　根據以上分析，就真空管道交通生命保障系統參數選擇以及人體醫學生理基礎相關問題，可得出初步結論和建議如下：

　　(1)當氣壓低于35.65 kPa 時，相當于8000 m高空以上的氣壓，人體會發生減壓癥；當氣壓低于6.46 kPa 時，相當于19000 m 高空氣壓，人體會發生腸胃脹氣、體液沸騰和肺損傷，嚴重危及生命。真空管道車輛客艙內部的理想氣壓為101.3~70.1 kPa，允許的最低氣壓為35.65 kPa。

　　(2)當氣壓低于70.1 kPa，大氣壓力降低引起氧分壓下降，導致人體吸入空氣中的氧含量減少，造成缺氧綜合征。因此當真空管道客艙中氣壓低于70.1 kPa 時，應該補充氧氣，提高氧分壓水平。真空管道交通客艙將是一個封閉環境，需要安裝專門的供氧設備和通風供氣系統。可采用的供氧源有壓縮氣氧、液態氧、高氧化合物貯氧及再生氧，供氧量按0.038 kg/(人·h)計算，另外應該配備應急使用的固態化學產氧裝置和供乘客個體使用的氧氣面罩。

　　(3)人體代謝、艙內設備、艙外磁懸浮運行系統和氣動摩擦均會產熱，其中人在睡眠時的產熱率大約80 W/ 人，運動時可達到300 W/ 人。為保證旅客乘坐舒適，真空管道車輛客艙內空氣溫度應該控制在15~26 ℃范圍內，對于大多數乘客，最適宜的溫度范圍是20~22 ℃,艙內任意兩點的溫度差不超過3~5 ℃，艙內壁表面與空氣之間的溫度差應該≤3 ℃。乘客排汗和呼氣會使客艙內空氣濕度增加，每人每小時所呼出的水蒸氣量為0.08~0.136 kg/ ( 人·h)，艙內濕度太大，會影響乘客舒適感，因此需要考慮采用具有水分離功能的空調系統。

　　(4)通常情況下，成人每小時大約呼出二氧化碳17L， 真空管道交通環境控制設計時取24L/h。人體吸收二氧化碳的體積分數在小于1%，可耐受較長時間。真空管道交通車輛客艙內二氧化碳分壓標準建議取值≤0.5 kPa，最大容許1 kPa。可采用氫氧化鋰(LiOH)吸收CO2，根據LiOH 吸收CO2 的水平， 初步設計時可按0.05 kg/(人·h)LiOH 需要量進行計算。客艙內產生的有害氣體和異味，真空技術網(http://lu714.com/)認為亦可采用含有活性炭的空氣凈化裝置或凝聚等方法進行吸收和凈化。

　　真空管道交通將是未來重要的地面交通方式，其客艙是封閉或半封閉氣密艙，必須有適當的生命保障系統來保證乘客生命安全和身體健康，生命保障系統各項參數的選擇取決于人體生理醫學基礎。結合人體生理醫學的基礎理論，以及航天醫學經驗，開展真空管道交通醫學研究，是一項重要的理論與實踐課題。