真空管道交通生命保障系統(tǒng)參數(shù)選擇及其人體生理基礎(chǔ)
真空管道交通車(chē)輛將在封閉且抽成一定真空的低壓環(huán)境中運(yùn)行，車(chē)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(nèi)通過(guò)生命保障系統(tǒng)與相應(yīng)設(shè)備提供人體生存所需的氣壓、氧氣和溫濕度環(huán)境，同時(shí)排除二氧化碳和雜質(zhì)，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(dāng)?shù)臏貪穸戎畢?shù)選擇取決于人體相應(yīng)的生理機(jī)能指標(biāo)，真空管道交通客艙特征與運(yùn)行環(huán)境，以及人體呼吸所產(chǎn)生的二氧化碳、水蒸氣量，是確定吸收劑數(shù)量、凈化器類(lèi)型與凈化方法的基礎(chǔ)�；诤娇蘸教灬t(yī)學(xué)理論基礎(chǔ)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)展真空管道交通人體生理研究將是一項(xiàng)重要的醫(yī)學(xué)工程項(xiàng)目。
真空管道高速磁浮交通是一種正在研究開(kāi)發(fā)中的新型交通模式，低能耗、低碳排放、低污染、相對(duì)安全、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本較低，初期運(yùn)行速度600~1000km/h，中期達(dá)到超音速，遠(yuǎn)期達(dá)到高超音速，使人類(lèi)實(shí)現(xiàn)地面的太空旅行[1-3]。由于采用磁懸浮，消除了機(jī)械摩擦，所以速度能夠大于輪軌高鐵列車(chē)；又由于管道內(nèi)抽成一定真空，形成低氣壓環(huán)境，消除了空氣阻力，所以速度能夠大于飛機(jī)。真空管道車(chē)輛在低氣壓/ 真空環(huán)境中運(yùn)行，用于承擔(dān)客運(yùn)任務(wù)的客艙必須是密封艙，需要配置適當(dāng)?shù)纳Ｕ舷到y(tǒng)，確�？团搩�(nèi)部的氣壓、氧分壓、溫度、干濕度、空氣清潔度等參數(shù)指標(biāo)值適合乘客在旅行期間的人體生理需要；艙內(nèi)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(biāo)，保證乘客身體健康和乘坐舒適。同時(shí)，氧氣、氮?dú)夂推渌栊詺怏w配比要合理，不至于因氧分壓過(guò)高使乘客發(fā)生高氧癥或氧中毒，不形成火災(zāi)隱患。為降低車(chē)輛制造成本和運(yùn)行成本，客艙內(nèi)部氣壓應(yīng)該不超過(guò)或略低于一個(gè)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(lǐng)域的生命保障系統(tǒng)研究與應(yīng)用相對(duì)成熟，但真空管道交通運(yùn)行環(huán)境及車(chē)輛特征與上述領(lǐng)域不完全相同，在借鑒現(xiàn)有技術(shù)與研究成果之時(shí)，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認(rèn)為有必要對(duì)真空管道交通生命保障系統(tǒng)進(jìn)行專(zhuān)門(mén)研究。
真空管道交通生命保障系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)的選擇取決于人體醫(yī)學(xué)生理基礎(chǔ)及相應(yīng)數(shù)值指標(biāo)，本文對(duì)真空管道高速磁浮交通生命保障系統(tǒng)相關(guān)的主要參數(shù)，如艙內(nèi)氣體壓強(qiáng)、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(jié)合人體醫(yī)學(xué)生理基礎(chǔ)和現(xiàn)有相關(guān)領(lǐng)域———航空航天生命保障系統(tǒng)的研究成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行研究與分析。
1、低氣壓對(duì)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(duì)人體生理機(jī)能的影響
低氣壓對(duì)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(huán)境壓力降低，使溶解在肌體中的氮?dú)膺^(guò)飽和游離出來(lái)，形成氣泡所導(dǎo)致的綜合癥狀。誘發(fā)減壓癥的外部環(huán)境因素有，環(huán)境壓力低于某個(gè)值，或者環(huán)境壓力降低過(guò)快。根據(jù)航空航天醫(yī)學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和研究分析，安全減壓的一般原則是：壓力降低不超過(guò)一半時(shí)不會(huì)發(fā)生減壓癥，即當(dāng)客艙壓力從101.3 kPa 下降到50.7 kPa 時(shí)，相當(dāng)于從海平面至5500 m 以下的高度時(shí)，尚不足以因氮?dú)膺^(guò)飽和形成氣泡而發(fā)生減壓癥，可認(rèn)為是安全的。但也有少數(shù)人由于個(gè)體曾經(jīng)受過(guò)傷，或關(guān)節(jié)有炎癥等使肌體局部血液循環(huán)功能變差，使得氮?dú)馀懦鍪茏瓒鴮?dǎo)致在低于5500 m 的高度上出現(xiàn)減壓癥。一般在6000~7000 m 高度上少數(shù)人會(huì)出現(xiàn)減壓癥，大多數(shù)人在8000 m 以上高度時(shí)才發(fā)生減壓癥。
另外，客艙內(nèi)環(huán)境壓力降低過(guò)快會(huì)使體內(nèi)氮?dú)鈦?lái)不及排出到體外，從而形成氣泡，只要減壓速度適當(dāng)，可避免此類(lèi)減壓癥。
減壓癥癥狀主要有：①皮膚型，主要表現(xiàn)為皮膚瘙癢、冷熱感和蟻?zhàn)吒械龋税Y狀為最輕的類(lèi)型；②關(guān)節(jié)型，又稱(chēng)屈肢痛，主要表現(xiàn)為手肘、肩膀、臀部、手腕、膝蓋、腳跟疼痛，此類(lèi)型占全部癥狀的60~70%；③呼吸型，主要表現(xiàn)為胸骨下不適、壓迫感、干燥感、灼熱感，甚至咳嗽、刺痛等，此類(lèi)型發(fā)生率較低；④中樞神經(jīng)型，主要表現(xiàn)為頭痛、神經(jīng)麻痹、視覺(jué)機(jī)能障礙、肌肉抽搐，甚至發(fā)生減壓性休克，此類(lèi)型很少發(fā)生，但最為嚴(yán)重。
(2)腸胃脹氣
當(dāng)人體所處的外界環(huán)境壓力下降時(shí)，胃腸內(nèi)氣體體積隨之?dāng)U大，使胃腸壁受牽拉刺激，并波及鄰近部位，故產(chǎn)生反射性痙攣和胃痛、腹痛，以及影響呼吸微循環(huán)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(huán)境壓力相等時(shí)，就會(huì)發(fā)生沸騰。在19000 m的高度，即當(dāng)氣壓為6.46 kPa 時(shí)，水沸騰的溫度為37.4 ℃，而人和恒溫動(dòng)物的體溫均為37 ℃，因此，當(dāng)高度超過(guò)19000 m 或氣壓低于6.46 kPa時(shí)，人體會(huì)發(fā)生體液沸騰。
達(dá)到體液沸騰的低壓時(shí)，必然缺氧，即可引起循環(huán)停止，人體死亡。動(dòng)物試驗(yàn)表明，在19000m 的高度上，狗的有效意識(shí)時(shí)間為9~12 s，若停留時(shí)間少于1.5 min，下降到安全高度后機(jī)能可以恢復(fù)；若停留時(shí)間超過(guò)2~3 min，可造成死亡。與人比較， 可得知人的救援允許暴露時(shí)間為1.5~2.5 min，減壓前吸氧排氮可降低此類(lèi)損傷。
(4)肺損傷
當(dāng)肺內(nèi)氣壓與環(huán)境壓力相差很大，肺內(nèi)支氣管、微氣管會(huì)受到損傷。肺損傷的基本條件是：①減壓時(shí)間過(guò)短，如一般快速減壓或爆炸減壓，時(shí)間在幾十毫秒至1 秒之間；②減壓幅度過(guò)大，如減壓前后的壓差越大，對(duì)肺的損傷越嚴(yán)重；③肺臟和呼吸道的機(jī)能狀態(tài)欠佳，如肺容積越大，呼吸道越窄，越容易發(fā)生肺損傷。
1.2、人體對(duì)氣壓的承受范圍以及真空管道交通客艙氣壓選擇
當(dāng)空氣壓力減小到很低時(shí)，人體內(nèi)某些封閉腔和半封閉腔，如耳朵、腸胃，會(huì)產(chǎn)生疼痛感覺(jué)。壓力的下降還會(huì)導(dǎo)致體液的沸點(diǎn)降低，氣壓低于6.46 kPa 時(shí)，人的一切體液(血液、組織等)都會(huì)發(fā)生氣化或產(chǎn)生氣泡，渾身出現(xiàn)浮腫。民用航空經(jīng)驗(yàn)表明，理想的飛機(jī)客艙壓力制度是：從海平面到2400 m 這一高度段內(nèi)，艙內(nèi)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(duì)應(yīng)壓力，即艙內(nèi)壓力控制在81.46~101.3 kPa 范圍內(nèi)。
結(jié)合上述分析，真空管道交通客艙內(nèi)氣壓應(yīng)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(dāng)于海平面到3000 m 高空，若管道內(nèi)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(dāng)于3000 m 到5500 m 高空，即艙內(nèi)氣壓不低于50.7kPa 時(shí)，可認(rèn)為對(duì)乘客是安全的。
(3)允許氣壓范圍，50.7~35.65 kPa，相當(dāng)于5500 m 到8000 m 高空，在客艙失壓或設(shè)備故障時(shí)，一定時(shí)間內(nèi)允許氣壓下降到35.65 kPa。
(4)危險(xiǎn)氣壓范圍，35.65~6.46 kPa，相當(dāng)于8000 m 到19000 m 高空，這時(shí)必須對(duì)客艙內(nèi)加壓，并采取緊急救援措施。
(5)艙內(nèi)低壓閥值，6.46 kPa，相當(dāng)于19000 m高空氣壓，低于此氣壓，無(wú)防護(hù)的乘客在客艙內(nèi)則無(wú)生存可能。
2、人體缺氧反應(yīng)與真空管道交通客艙氧氣供給
2.1、人體與氧氣
當(dāng)人體不能吸入足夠的氧氣供細(xì)胞和組織使用時(shí)，就會(huì)發(fā)生缺氧反應(yīng)。生理研究表明，人處在海拔3000 m 以上空間環(huán)境，即氣壓低于70.1 kPa，大氣壓力降低引起氧分壓下降，導(dǎo)致吸入空氣中的氧含量減少，造成缺氧綜合征。
缺氧反應(yīng)與外界環(huán)境低氧的程度有關(guān)，一般可劃分為5 個(gè)缺氧反應(yīng)區(qū)域：
(1)無(wú)反應(yīng)區(qū)(相當(dāng)于海拔0~1500 m)，即101~84 kPa，這時(shí)人體無(wú)任何缺氧反應(yīng)，當(dāng)環(huán)境氣壓為84kPa 時(shí)，人體氣管氣氧分壓為16.4 kPa。
(2)工效保證區(qū)(相當(dāng)于海拔<3000 m)，即84~70.11 kPa，這時(shí)人的適應(yīng)能力明顯下降，但無(wú)缺氧癥狀，大腦思維與工作效率不受影響。
(3)工效允許區(qū)(相當(dāng)于海拔<4000 m)，即70.11~61.65 kPa， 這時(shí)生理反應(yīng)雖然無(wú)明顯改變，但呼吸循環(huán)系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)增加，代償功能增強(qiáng)，部分人有輕度缺氧反應(yīng)，各種癥狀的發(fā)生率增加。
(4)缺氧耐限區(qū)(相當(dāng)于海拔<5000 m)，即61.65~54.04 kPa，這時(shí)人的各種癥狀加劇，工效明顯降低，缺氧反應(yīng)明顯，為人體難以耐受的生理界限值，少數(shù)人發(fā)生呼吸循環(huán)代償障礙，但不危及生命安全。
(5)缺氧極限區(qū)(相當(dāng)于海拔7000~7500 m)，即41.1~38 kPa，這時(shí)會(huì)達(dá)到缺氧的生理極限，人出現(xiàn)意識(shí)障礙，甚至意識(shí)喪失。
人暴露于缺氧環(huán)境后能保持有意識(shí)活動(dòng)的時(shí)間稱(chēng)為有效意識(shí)時(shí)間，即能采取自救措施的時(shí)間， 在41.1 kPa 低壓環(huán)境時(shí)為7~27 min，在38kPa 低壓環(huán)境時(shí)為2~10 min，在7.56 kPa 低壓環(huán)境時(shí)為12~15 s，近真空環(huán)境只有不足10 s 時(shí)間。
人暴露于嚴(yán)重缺氧環(huán)境中時(shí)，為避免喪失意識(shí)，加壓供氧允許延誤的時(shí)間，稱(chēng)為安全暴露時(shí)間。減壓后人的意識(shí)時(shí)間取決于肺- 腦循環(huán)和腦部缺氧可維持正常功能的時(shí)間，即腦組織備用時(shí)間。這個(gè)時(shí)間只有5~6 s。根據(jù)動(dòng)物試驗(yàn)估測(cè)，在0.25~0.5 kPa 低壓環(huán)境中，缺氧動(dòng)物總救生時(shí)間為150 s；推算到人，必須在90 s 內(nèi)復(fù)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)海平面大氣水平的情況，高氧生理反應(yīng)稱(chēng)為高氧癥，嚴(yán)重者稱(chēng)為氧中毒。最常見(jiàn)的輕反應(yīng)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(xì)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(guān)，一般取0.022~0.066 kg/(人·h)，平均取0.038 kg/(人·h)。若按人體產(chǎn)生116.3 W 的熱量計(jì)算，供氧量必須保證0.03 kg/(人·h)，“水星”號(hào)飛船即采用此標(biāo)準(zhǔn)。密封艙的供氧源有壓縮氣氧、液態(tài)氧、高氧化合物貯氧及再生氧，采用哪種氧源取決于旅行時(shí)間長(zhǎng)短、乘客數(shù)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(xiàn)有航天密封艙的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。如客艙載客6 人，全程運(yùn)行時(shí)間3 h， 氧氣瓶攜帶氧氣量應(yīng)不小于0.54 kg；如載客20 人，全程運(yùn)行時(shí)間5 h，則氧氣攜帶量應(yīng)大于3 kg。除了基本氧氣消耗量，還應(yīng)考慮密封艙的漏氣損失，適當(dāng)增加氧氣儲(chǔ)備余量。
當(dāng)按氧氣體積流量設(shè)計(jì)真空管道車(chē)輛客艙內(nèi)氧氣供應(yīng)量時(shí)，可參照顧靖華等人在“某型救生鐘生命支持系統(tǒng)性能人體試驗(yàn)”中得出的結(jié)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(yīng)配備應(yīng)急供氧設(shè)備�？刹捎矛F(xiàn)代客機(jī)常用的旅客化學(xué)氧氣系統(tǒng)為真空管道乘客提供應(yīng)急供氧，這種化學(xué)氧氣系統(tǒng)由氧氣發(fā)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(fā)生器是一種固態(tài)化學(xué)產(chǎn)氧裝置，氯酸鈉(NaClOs)芯體在雷管起爆后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氧氣。氧氣面罩上裝有吸氣和呼氣活門(mén)，并附有貯氣袋、軟管和拉火索。當(dāng)客艙失壓時(shí)，氧氣面罩彈射開(kāi)關(guān)打開(kāi)，門(mén)鎖機(jī)構(gòu)打開(kāi)氧氣組件門(mén)，氧氣面罩脫落，乘客向面部用力拉動(dòng)面罩，施加在拉火索上的外力拔出氧氣發(fā)生器點(diǎn)火銷(xiāo)，使雷管起爆，化學(xué)氧芯起燃后幾秒內(nèi)產(chǎn)生氧氣，經(jīng)氧氣發(fā)生器內(nèi)的過(guò)濾罩過(guò)濾后，氧氣流到氧氣出口，經(jīng)過(guò)軟管，純氧進(jìn)入儲(chǔ)氣袋再到面罩。
3、艙內(nèi)溫濕度環(huán)境控制及其生理基礎(chǔ)
真空管道交通車(chē)輛客艙的氣候環(huán)境必須是受控的，其各參數(shù)的選擇必須在人體的舒適范圍內(nèi)。有限空間氣候環(huán)境參數(shù)除壓力外，主要指艙內(nèi)空氣溫度、濕度、艙壁溫度和風(fēng)速，以及它們的綜合指標(biāo)，如有效溫度、三球溫度等。
3.1、艙內(nèi)溫度與人體生理基礎(chǔ)
真空管道車(chē)輛客艙的熱源主要來(lái)自乘客的代謝產(chǎn)熱、艙內(nèi)設(shè)備工作產(chǎn)熱、艙外磁懸浮運(yùn)行系統(tǒng)產(chǎn)熱和氣動(dòng)熱。四種熱源的產(chǎn)熱率是不斷變化的，航天醫(yī)學(xué)工程研究表明，人在睡眠時(shí)的產(chǎn)熱率大約80 W/ 人，運(yùn)動(dòng)時(shí)可達(dá)到300 W/ 人。因此真空管道車(chē)輛內(nèi)部環(huán)境控制系統(tǒng)應(yīng)具有排熱、排水汽和適當(dāng)通風(fēng)的功能考慮，使乘客處于舒適狀態(tài)。據(jù)以設(shè)計(jì)車(chē)輛生命保障系統(tǒng)的乘客個(gè)體產(chǎn)熱量參數(shù)可按80~300 W/ 人取值。
參照飛機(jī)客艙的溫度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，為保證旅客的舒適，真空管道車(chē)輛客艙內(nèi)空氣溫度應(yīng)該控制在15~26 ℃范圍內(nèi)，對(duì)于大多數(shù)乘客，最適宜的溫度范圍是20~22 ℃,艙內(nèi)任意兩點(diǎn)的溫度差不超過(guò)3~5 ℃，艙內(nèi)壁表面與空氣之間的溫度差應(yīng)該≤3 ℃。
3.2、艙內(nèi)濕度與人體生理基礎(chǔ)
較理想的客艙內(nèi)相對(duì)濕度范圍是30~70%，根據(jù)舒適度要求，最好控制在50%左右。飛機(jī)在高空飛行時(shí)，外界大氣十分干燥，會(huì)使人感到不舒適，眼、鼻、喉可能因干燥而感到不適，但客艙內(nèi)乘客較多，乘客呼出的水蒸氣會(huì)使客艙內(nèi)保持一定的相對(duì)濕度，因此不需要加濕。同樣，真空管道車(chē)輛內(nèi)部乘客密集，呼出的水蒸氣能使車(chē)輛內(nèi)部濕度增加，不會(huì)產(chǎn)生干燥問(wèn)題，因此也不需要加濕。飛機(jī)低空飛行或地面滑行時(shí)，由于大氣濕度大，艙內(nèi)會(huì)出現(xiàn)濕度過(guò)大的情況，為解決這個(gè)問(wèn)題，現(xiàn)代飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)中都加裝了水分離器等除濕裝置。真空管道交通車(chē)輛車(chē)內(nèi)乘客排汗和呼氣會(huì)使艙內(nèi)空氣濕度增加，因此需要考慮采用具有水分離功能的空調(diào)系統(tǒng)。每人每小時(shí)所呼出的水蒸氣量為0.08~0.136 kg/ (人·h)，艙內(nèi)濕度太大，會(huì)影響乘客舒適感。
3.3、真空管道交通客艙溫濕度控制
飛機(jī)客艙加溫除了采用電加熱外，還會(huì)利用發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣熱或者汽油燃燒對(duì)客艙空氣加溫。真空管道交通車(chē)輛由直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，不需要任何燃油，因此沒(méi)有可以利用的發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣熱，也不能通過(guò)燃燒油料加溫，只能依靠攜帶的蓄電池進(jìn)行電加溫。
真空管道線路鋪設(shè)在地表或淺埋在地下，環(huán)境溫度不會(huì)太高或太低。由于管道是密封結(jié)構(gòu)，管道內(nèi)抽成真空，保溫問(wèn)題容易解決。且車(chē)輛自身會(huì)散熱，運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生氣動(dòng)熱，暴露在太陽(yáng)光下的管道線路會(huì)吸收輻射熱。因此，真空管道交通客艙的加溫要求較低，技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，而制冷要求高，比較復(fù)雜。
根據(jù)座艙和設(shè)備冷卻的需要，飛機(jī)空調(diào)主要采用空氣循環(huán)制冷和蒸發(fā)循環(huán)制冷�？諝庋h(huán)制冷系統(tǒng)利用高壓氣源供來(lái)的空氣，通過(guò)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(jī)上得到廣泛應(yīng)用，但顯然不適合真空管道交通客艙制冷，因?yàn)檎婵展艿澜煌ㄜ?chē)輛沒(méi)有可以利用的高壓氣源。蒸發(fā)循環(huán)制冷是利用液態(tài)制冷劑的汽化過(guò)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(diào)制冷，此外，熱電制冷、渦流管制冷和半導(dǎo)體制冷等，都可作為真空管道交通客艙制冷的技術(shù)。
除濕的方法較多，如化學(xué)除濕法、蒸發(fā)循環(huán)制冷除濕法、空氣循環(huán)系統(tǒng)低壓除水、空氣循環(huán)系統(tǒng)高壓除水等，都可用于真空管道交通客艙除濕。最簡(jiǎn)單的方法是使氣流流過(guò)散熱器，由于氣流溫度降低，其中所含水汽就會(huì)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(guò)機(jī)械方法周期性擠壓排出。濕氣還可通過(guò)化學(xué)除濕劑或通過(guò)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(shí)，還能清除其他雜質(zhì)，起到清潔空氣的作用。
艙內(nèi)氣流速度會(huì)影響乘客舒適感，參照客機(jī)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，真空管道車(chē)輛內(nèi)部的空氣流速應(yīng)為0.2~0.5 m/s，以避免人體裸露部分有冷的感覺(jué)。
4、艙內(nèi)空氣清潔度參數(shù)的生理基礎(chǔ)
真空管道交通車(chē)輛內(nèi)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(guān)。供應(yīng)給客艙的空氣應(yīng)該是不含異味的清潔氣體，為滿足這個(gè)要求，一般飛機(jī)上在座艙供氣管路進(jìn)入座艙前加裝空氣過(guò)濾器�，F(xiàn)代飛機(jī)大多用發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)作為座艙增壓供氣源，氣體來(lái)自大氣，供出的氣體是清潔的，可滿足座艙的要求。對(duì)于真空管道交通，沒(méi)有充足的清潔氣源置換艙內(nèi)的不新鮮空氣，因此要通過(guò)空氣凈化裝置來(lái)吸收不新鮮空氣，供出清潔無(wú)異味的氣體。
座艙空氣中的有害雜質(zhì)對(duì)人體安全及舒適有直接影響，因此，參照飛機(jī)生命保障系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，可對(duì)真空管道交通車(chē)輛內(nèi)部有害雜質(zhì)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(rùn)滑油分解出的雜質(zhì)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(dāng)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(chǎn)物，成人在平靜狀態(tài)時(shí)每小時(shí)大約呼出二氧化碳15 L，運(yùn)動(dòng)時(shí)呼出量更大，通常情況下17 L/h，設(shè)計(jì)時(shí)取24 L/h。若真空管道車(chē)輛艙內(nèi)凈化裝置停止工作或失靈，艙內(nèi)二氧化碳分壓會(huì)不斷上升，對(duì)乘客身體健康造成威脅，因此制定艙內(nèi)二氧化碳允許標(biāo)準(zhǔn)并采取必要措施防止二氧化碳分壓超標(biāo)，是真空管道交通車(chē)輛生命保障系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須重視的問(wèn)題。
美國(guó)阿波羅乘員艙規(guī)定二氧化碳分壓的最佳水平是≤0.5kPa，最大容許1.01 kPa，應(yīng)急容許2.0 kPa。美國(guó)NASA-STD-3000 規(guī)定，空間站正常運(yùn)行時(shí)，乘員艙內(nèi)二氧化碳分壓≤0.4 kPa，90 天降格運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)是1.01 kPa，28 天應(yīng)急標(biāo)準(zhǔn)為1.2 kPa。俄羅斯國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，飛行時(shí)間1 個(gè)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(shù)，真空管道交通車(chē)輛客艙內(nèi)二氧化碳分壓標(biāo)準(zhǔn)建議取值≤0.5 kPa，最大容許1 kPa。在安靜或輕度勞動(dòng)狀態(tài)下，人體吸收二氧化碳的體積分?jǐn)?shù)即使達(dá)到1%，也可耐受較長(zhǎng)時(shí)間。
為了使二氧化碳的體積分?jǐn)?shù)保持在1%以下，最簡(jiǎn)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(jì)算需要量時(shí)一般取效率為75%。“阿波羅”號(hào)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(lái)，以備循環(huán)使用。其他綠色植物，特別是小球藻等綠藻類(lèi)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(huì)產(chǎn)生有害氣體和異味，采用活性炭作為吸收劑是最簡(jiǎn)單的方法。
上述經(jīng)驗(yàn)與方法，都可為真空管道交通客艙內(nèi)空氣清潔提供借鑒。
5、結(jié)論
根據(jù)以上分析，就真空管道交通生命保障系統(tǒng)參數(shù)選擇以及人體醫(yī)學(xué)生理基礎(chǔ)相關(guān)問(wèn)題，可得出初步結(jié)論和建議如下：
(1)當(dāng)氣壓低于35.65 kPa 時(shí)，相當(dāng)于8000 m高空以上的氣壓，人體會(huì)發(fā)生減壓癥；當(dāng)氣壓低于6.46 kPa 時(shí)，相當(dāng)于19000 m 高空氣壓，人體會(huì)發(fā)生腸胃脹氣、體液沸騰和肺損傷，嚴(yán)重危及生命。真空管道車(chē)輛客艙內(nèi)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(dāng)氣壓低于70.1 kPa，大氣壓力降低引起氧分壓下降，導(dǎo)致人體吸入空氣中的氧含量減少，造成缺氧綜合征。因此當(dāng)真空管道客艙中氣壓低于70.1 kPa 時(shí)，應(yīng)該補(bǔ)充氧氣，提高氧分壓水平。真空管道交通客艙將是一個(gè)封閉環(huán)境，需要安裝專(zhuān)門(mén)的供氧設(shè)備和通風(fēng)供氣系統(tǒng)。可采用的供氧源有壓縮氣氧、液態(tài)氧、高氧化合物貯氧及再生氧，供氧量按0.038 kg/(人·h)計(jì)算，另外應(yīng)該配備應(yīng)急使用的固態(tài)化學(xué)產(chǎn)氧裝置和供乘客個(gè)體使用的氧氣面罩。
(3)人體代謝、艙內(nèi)設(shè)備、艙外磁懸浮運(yùn)行系統(tǒng)和氣動(dòng)摩擦均會(huì)產(chǎn)熱，其中人在睡眠時(shí)的產(chǎn)熱率大約80 W/ 人，運(yùn)動(dòng)時(shí)可達(dá)到300 W/ 人。為保證旅客乘坐舒適，真空管道車(chē)輛客艙內(nèi)空氣溫度應(yīng)該控制在15~26 ℃范圍內(nèi)，對(duì)于大多數(shù)乘客，最適宜的溫度范圍是20~22 ℃,艙內(nèi)任意兩點(diǎn)的溫度差不超過(guò)3~5 ℃，艙內(nèi)壁表面與空氣之間的溫度差應(yīng)該≤3 ℃。乘客排汗和呼氣會(huì)使客艙內(nèi)空氣濕度增加，每人每小時(shí)所呼出的水蒸氣量為0.08~0.136 kg/ ( 人·h)，艙內(nèi)濕度太大，會(huì)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(diào)系統(tǒng)。
(4)通常情況下，成人每小時(shí)大約呼出二氧化碳17L， 真空管道交通環(huán)境控制設(shè)計(jì)時(shí)取24L/h。人體吸收二氧化碳的體積分?jǐn)?shù)在小于1%，可耐受較長(zhǎng)時(shí)間。真空管道交通車(chē)輛客艙內(nèi)二氧化碳分壓標(biāo)準(zhǔn)建議取值≤0.5 kPa，最大容許1 kPa�？刹捎脷溲趸�(LiOH)吸收CO2，根據(jù)LiOH 吸收CO2 的水平， 初步設(shè)計(jì)時(shí)可按0.05 kg/(人·h)LiOH 需要量進(jìn)行計(jì)算。客艙內(nèi)產(chǎn)生的有害氣體和異味，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認(rèn)為亦可采用含有活性炭的空氣凈化裝置或凝聚等方法進(jìn)行吸收和凈化。
真空管道交通將是未來(lái)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(dāng)?shù)纳Ｕ舷到y(tǒng)來(lái)保證乘客生命安全和身體健康，生命保障系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)的選擇取決于人體生理醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)。結(jié)合人體生理醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ)理論，以及航天醫(yī)學(xué)經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)展真空管道交通醫(yī)學(xué)研究，是一項(xiàng)重要的理論與實(shí)踐課題。
