航空航天論文精選(九篇)

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第1篇：航空航天論文范文

長期飛行的航天器環(huán)境是一種特殊類型的生態(tài)環(huán)境，適合屬于特殊物種的細(xì)菌和真菌的生長發(fā)育和繁殖。細(xì)菌和真菌主要駐留在空間室內(nèi)裝飾物和結(jié)構(gòu)與設(shè)備材料的表面。這些地方聚集著有機(jī)化合物和空氣冷凝水，足以讓各種異養(yǎng)微生物(如霉菌青霉、曲霉、枝孢菌)生長和繁殖。在航天器長期飛行期間，菌群的數(shù)量變化和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性不是線性的，在生物群落激活和停滯的交替期間呈現(xiàn)出一個(gè)波形周期變化，變化周期由內(nèi)部生物機(jī)制的自我調(diào)節(jié)能力和外部空間環(huán)境控制。菌群激活期間，充滿著醫(yī)療和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，顯著地影響著飛行安全和硬件的可靠性。微生物可以輕易地借助航天員或者貨運(yùn)飛船進(jìn)入空間站，同時(shí)迅速適應(yīng)空間站內(nèi)的環(huán)境并四處蔓延，微生物主要來源及在載人航天器中可能存在的位置如圖1所示。前蘇聯(lián)科學(xué)家曾經(jīng)在“禮花”號(hào)空間站與“和平”號(hào)空間站內(nèi)發(fā)現(xiàn)上百種對(duì)人體和空間站設(shè)備有害的致病細(xì)菌和微小真菌。“和平”號(hào)空間站曾發(fā)生過微生物“蠶食”電纜的事故。國際空間站上也發(fā)現(xiàn)了危險(xiǎn)的微生物，這些微生物可能導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生故障，可能會(huì)對(duì)空間站結(jié)構(gòu)造成災(zāi)難性后果。它們不僅會(huì)損傷金屬，也會(huì)損傷高分子聚合物制成的設(shè)備，進(jìn)而可能導(dǎo)致技術(shù)故障。2003年國際空間站內(nèi)，細(xì)菌堵塞了3套艙外航天服的冷卻泵，航天員不得不使用穿脫更為麻煩的備用服裝完成了太空行走，造成問題的細(xì)菌生活在作為冷卻液的水中。研究人員對(duì)空間站的水樣進(jìn)行分析后曾發(fā)現(xiàn)，空間站自身冷卻系統(tǒng)內(nèi)細(xì)菌數(shù)量增加的速度遠(yuǎn)比預(yù)料的快，這讓人擔(dān)心細(xì)菌有可能腐蝕冷卻系統(tǒng)最為脆弱的組成部分。根據(jù)各種體外研究，空間微重力環(huán)境促進(jìn)微生物的生長。不同的細(xì)菌在空間或在地球上模擬的微重力試驗(yàn)表明，重力變化可能直接或間接地影響它們的生長和微生物的代謝和生理，例如增加自身的抗藥性和毒性，改變生物膜增長方式等。長期暴露于高劑量的空間電離輻射中，也能影響微生物的代謝和生理。除了封閉和微重力條件外，還存在各種未知因素影響微生物的生長，如熱交換影響，磁變影響，細(xì)胞懸浮，營養(yǎng)物的濃度梯度、毛細(xì)特性、流體行為等均可能引起生物體的遺傳和生物學(xué)特性的變異反應(yīng)，這導(dǎo)致了某些微生物最終變得更難消除。因此，空間環(huán)境條件可能會(huì)促進(jìn)微生物生長的這一新特征，并且增加了損害航天員健康和導(dǎo)致環(huán)境惡化的風(fēng)險(xiǎn)，影響生命支持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2空間應(yīng)用系統(tǒng)生物安全工程技術(shù)體系框架

空間應(yīng)用系統(tǒng)生物安全工程技術(shù)體系覆蓋了在空間應(yīng)用有效載荷的工程研制過程中應(yīng)遵循的生物安全要求、分析、設(shè)計(jì)防護(hù)以及評(píng)價(jià)等各項(xiàng)技術(shù)范疇，其總體框架如下圖2所示。圖中可以看出，在空間有效載荷產(chǎn)品研制過程中，空間生物安全在工程上首先需要解決的是空間生物安全要求指標(biāo)問題，然后根據(jù)生物安全要求，結(jié)合空間應(yīng)用的需求情況，對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)的生物危害材料進(jìn)行危害等級(jí)的識(shí)別，再依據(jù)危害等級(jí)的識(shí)別結(jié)果確定相應(yīng)的安全性包覆等級(jí)，作為空間實(shí)驗(yàn)載荷設(shè)備的生物安全性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求，依據(jù)此設(shè)計(jì)準(zhǔn)則開展相應(yīng)的安全性設(shè)計(jì)防護(hù);在采用了必要的防護(hù)措施同時(shí)，有效載荷對(duì)于生物危害還應(yīng)具備有效的監(jiān)測(cè)手段，確保空間應(yīng)用實(shí)驗(yàn)過程中的生物危害可檢測(cè)。最后，空間應(yīng)用載荷在上站之前，應(yīng)對(duì)生物安全問題進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，其結(jié)果將作為空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)載荷上站安全性認(rèn)證的重要考核內(nèi)容之一，從而為工程決策提供安全性方面的依據(jù)。

2空間應(yīng)用系統(tǒng)生物安全的工程設(shè)計(jì)要素

2.1空間應(yīng)用系統(tǒng)生物安全指標(biāo)要求借鑒實(shí)驗(yàn)室生物安全標(biāo)準(zhǔn)以及國際空間站有關(guān)生物安全的經(jīng)驗(yàn)，生物安全指標(biāo)主要是指針對(duì)微生物的最低可接受閾值，相關(guān)指標(biāo)又可細(xì)分為飲用水、食品、艙內(nèi)空氣、表面四個(gè)主要方面，其中，飲用水、食品以及艙內(nèi)空氣的最低可接受閾值與航天員的醫(yī)學(xué)要求密切相關(guān)。對(duì)于表面的生物安全要求，涉及艙內(nèi)艙體內(nèi)表面、艙內(nèi)平臺(tái)設(shè)備和有效載荷設(shè)備表面等多個(gè)方面，其可能的影響除了傳染到航天員(航天員有可能接觸的情況下)，影響航天員健康外，另一個(gè)重要的影響就是對(duì)硬件設(shè)備的腐蝕和侵蝕，最終導(dǎo)致硬件設(shè)備的失效或者污染艙內(nèi)環(huán)境。因此，對(duì)于空間應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)備，應(yīng)提出明確的表面生物安全指標(biāo)要求，該要求可以參照空間站平臺(tái)的表面微生物最低可接受閾值要求，也可根據(jù)空間應(yīng)用系統(tǒng)載荷研制的特點(diǎn)和使用需求單獨(dú)提出。另外，對(duì)于影響實(shí)驗(yàn)任務(wù)成功的可致病的病原體(包括植物可致病病原體和動(dòng)物可致病病原體)也應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況提出有針對(duì)性的指標(biāo)要求。空間應(yīng)用系統(tǒng)生物安全相關(guān)指標(biāo)體系框架如圖3所示。圖中涉及的植物可致病菌主要是寄生性病菌，病原體有病毒、類病毒、支原體、衣原體、立克次氏體、細(xì)菌、真菌、藻類、線蟲和高等植物，其中以細(xì)菌、真菌、病毒、支原體和線蟲誘發(fā)的病害較普遍和嚴(yán)重，尤以真菌性病害為最，如水稻的瘟病、小麥銹病、棉花的萎蔫病等。各種病原體的生理、生態(tài)、增殖方法和生活史以及侵染寄主的方式、途徑和時(shí)期各不相同。可根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)樣品和實(shí)驗(yàn)要求確定需要檢測(cè)的植物可致病菌。動(dòng)物可致病菌主要是微生物，包括原生動(dòng)物、細(xì)菌、真菌、病毒、支原體、酵母等，其中細(xì)菌和真菌污染是最常見的，如各種沙門氏菌等。可根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)樣品和實(shí)驗(yàn)要求確定需要檢測(cè)和加以控制防護(hù)的動(dòng)物可致病菌。以微生物污染為主要檢測(cè)對(duì)象，包括原生動(dòng)物、細(xì)菌、真菌、病毒、支原體、酵母等，其中檢測(cè)重點(diǎn)為細(xì)菌和真菌。空間站微生物主要存在于艙內(nèi)氣體、食品、水、艙體材料、硬件設(shè)備表面以及有效載荷等地方，因此，其微生物控制的要求也應(yīng)根據(jù)這些方面進(jìn)行規(guī)定。例如，國際空間站微生物控制的指標(biāo)要求如表1所示。我國空間站工程微生物控制定量要求主要參照國際空間站制定，在我國載人航天工程一期和二期階段，未對(duì)微生物控制提出明確的定量要求，在載人空間站階段，提出的初步醫(yī)學(xué)要求中，也僅僅對(duì)空氣和物體表面微生物控制提出了限值，與表1中國際空間站的相關(guān)規(guī)定是一致的，而對(duì)于食品和水未作明確規(guī)定。

2.2空間應(yīng)用系統(tǒng)生物安全等級(jí)的識(shí)別開展空間生物安全防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)對(duì)生物危害的等級(jí)(或稱生物安全等級(jí)，BiosafetyLev-el，BSL)進(jìn)行識(shí)別，根據(jù)不同的危害等級(jí)制定不同的設(shè)計(jì)防護(hù)策略，避免設(shè)計(jì)上的冒進(jìn)所帶來的安全患，或者設(shè)計(jì)過于保守而帶來的資源浪費(fèi)和技術(shù)瓶頸。根據(jù)NASA的生物安全小組的工作經(jīng)驗(yàn)，所有有關(guān)生物學(xué)的材料都要進(jìn)行生物危害識(shí)別，對(duì)識(shí)別出的生物危害材料都要分配一個(gè)生物安全等級(jí)［18］。因此，生物危害材料生物安全等級(jí)的確定是生物安全工程設(shè)計(jì)的首要出發(fā)點(diǎn)。NASA的JSC中心針對(duì)空間應(yīng)用項(xiàng)目的生物安全等級(jí)制定了專門的規(guī)定［19］，如表2所示。空間生物安全等級(jí)主要來源于地面公共衛(wèi)生系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)室生物安全的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在空間上用時(shí)考慮了空間環(huán)境可能帶來的影響，由于空間飛行獨(dú)特的環(huán)境和條件，BSL-2微生物又被分為兩類，BSL-2(中等風(fēng)險(xiǎn))和BSL-2(高風(fēng)險(xiǎn))。主要是由于在微重力環(huán)境下，微生物氣溶膠可能比在地球1g重力下具有更大的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于地面上BSL-2等級(jí)的微生物在空間應(yīng)用時(shí)可能產(chǎn)生更嚴(yán)重的后果。因此，在對(duì)空間生物安全等級(jí)的規(guī)定上進(jìn)行了適應(yīng)性修改，其原則為:對(duì)于地面上可能導(dǎo)致災(zāi)難性后果(高致病性)的微生物(BSL-3和BSL-4)禁止在太空項(xiàng)目中使用;對(duì)于地面上可能造成中等危害后果的微生物，其在空間環(huán)境影響下可能帶來更嚴(yán)重的后果，甚至是災(zāi)難性的，因此，地面上BSL-2級(jí)微生物在太空中又分為中等危害和高危害兩類。我國載人航天工程目前采用的生物安全等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)主要遵照現(xiàn)有的國內(nèi)實(shí)驗(yàn)室生物安全防護(hù)等級(jí)相關(guān)規(guī)定，對(duì)于空間生物安全等級(jí)尚無具體的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)定。因此，合理的劃分生物安全等級(jí)對(duì)于工程中遴選生物樣本和明確有效的控制措施具有重要的意義。

2.3空間應(yīng)用系統(tǒng)生物安全包覆等級(jí)的識(shí)別與設(shè)計(jì)

2.3.1空間應(yīng)用系統(tǒng)生物安全包覆等級(jí)的確定工程實(shí)踐中，在已明確了有效載荷生物安全等級(jí)BSL的基礎(chǔ)上，需要根據(jù)生物安全等級(jí)確定相應(yīng)的包覆設(shè)計(jì)等級(jí)(LevelofContainment，LoC)要求。兩個(gè)重要的原則是:1)生物安全防護(hù)的包覆等級(jí)不得低于其生物安全等級(jí);2)存在多種微生物的情況下，其包覆等級(jí)應(yīng)根據(jù)生物安全等級(jí)最高的生物樣品來確定。我國空間站空間應(yīng)用規(guī)劃了多項(xiàng)有關(guān)生物、生命、生態(tài)、醫(yī)學(xué)等應(yīng)用與科學(xué)領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)項(xiàng)目。以當(dāng)前規(guī)劃的有關(guān)生命科學(xué)研究的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為例，確定其初步的生物安全包覆等級(jí)，如表3所示。

2.3.2空間生物安全設(shè)計(jì)準(zhǔn)則空間應(yīng)用載荷生物安全控制的優(yōu)先級(jí)主要包括五個(gè)層次(見圖4)。工程設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程中，有效載荷研制單位應(yīng)根據(jù)識(shí)別出的生物載荷的生物安全等級(jí)確定相應(yīng)的防護(hù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，遵循以下原則:1)生物材料的選擇上，應(yīng)在滿足科學(xué)實(shí)驗(yàn)需求的前提下，盡量選擇危害等級(jí)低的生物材料和樣品;2)生物實(shí)驗(yàn)載荷的生物包覆等級(jí)應(yīng)與其生物安全等級(jí)相對(duì)應(yīng)，不得低于其生物安全等級(jí);3)對(duì)于具有致病性或可能導(dǎo)致設(shè)備故障的主要微生物應(yīng)具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)或者離線檢測(cè)能力;4)包覆設(shè)計(jì)應(yīng)按照最小風(fēng)險(xiǎn)控制或者故障容限，或者兩者相結(jié)合的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，如金屬結(jié)構(gòu)采用較高的安全系數(shù)要求;采用多層密封包覆等;5)包覆設(shè)計(jì)應(yīng)考慮最大使用條件下進(jìn)行設(shè)計(jì)，并采用試驗(yàn)的方法驗(yàn)證;多層包覆設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)每層包覆手段的有效性進(jìn)行獨(dú)立驗(yàn)證;6)采用物理隔離的方式進(jìn)行包覆設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)滿足密封設(shè)計(jì)要求，如所有泄漏路徑均采用軟密封件，墊片或其他密封材料進(jìn)行雙重密封;金屬零件沿著所有接口有兩個(gè)密封(如蓋);流體連接器內(nèi)部和外部的雙道密封;電連接器外部雙道密封和引腳周圍雙密封等;7)采用密封設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮容器材料與有害生物質(zhì)的相容性設(shè)計(jì)與驗(yàn)證問題;8)采用多層包覆設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量采用組合式包覆形式，即不同形式的隔離方式，如物理隔離與負(fù)壓相結(jié)合，確保各級(jí)包覆是相互獨(dú)立的，不會(huì)發(fā)生關(guān)聯(lián)失效;樣本操作用手套箱采用在手套故障的情況下保持負(fù)壓的雙故障容限的設(shè)計(jì)等;9)對(duì)于有限壽命的生物危害防護(hù)措施，如HEPA過濾器，應(yīng)具有有效的壽命預(yù)測(cè)手段，以便采取定期的更換或者清洗消毒等措施。

2.4空間生物危險(xiǎn)的監(jiān)測(cè)空間微生物的監(jiān)測(cè)是實(shí)施微生物控制的前提條件。目前對(duì)于載人航天工程領(lǐng)域，較為先進(jìn)的微生物監(jiān)測(cè)技術(shù)主要包括以下幾項(xiàng):1)非培養(yǎng)核酸技術(shù)(基于PCR聚合酶鏈反應(yīng));2)三磷酸腺苷生物發(fā)光技術(shù)(ATP);3)生物傳感器，直接激光檢測(cè);4)流式細(xì)胞術(shù)方法;5)基質(zhì)輔助激光解析/電離飛行時(shí)間質(zhì)譜(Matrix-AssistedLaserDesorption/IonizationTimeofFlight(MALDI-TOF)massspectrometry);6)微觀方法(MicroscopicMethods)。傳統(tǒng)上，環(huán)境和人員的微生物監(jiān)測(cè)主要集中在采用基于培養(yǎng)技術(shù)的細(xì)菌和真菌。然而，在空間環(huán)境中，采用大量的分子、生化和理化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，建立在非培養(yǎng)技術(shù)基礎(chǔ)之上。采用單一的監(jiān)測(cè)技術(shù)往往難以滿足微生物監(jiān)測(cè)的需求，因此，在工程實(shí)踐中，空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)載荷研制單位應(yīng)根據(jù)自身產(chǎn)品的特點(diǎn)，結(jié)合各種檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，合理選用生物檢測(cè)技術(shù)。生物檢測(cè)技術(shù)選用參考表如表4所示。另外，空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)載荷應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)BSL-2級(jí)以上的微生物。根據(jù)國外的經(jīng)驗(yàn)(ISS，MIR)［10］，空氣中主要的細(xì)菌種類為金黃色葡萄球菌和枯草芽孢桿菌，內(nèi)表面主要的細(xì)菌種類為金黃色葡萄球菌和芽孢桿菌等;真菌主要為青霉屬和曲霉。在監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置方面，對(duì)于密閉的實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)箱，應(yīng)從空間應(yīng)用的需求出發(fā)，對(duì)于影響實(shí)驗(yàn)效果的入口端應(yīng)設(shè)置微生物監(jiān)控裝置，防止艙內(nèi)空氣和水源中的有害微生物影響實(shí)驗(yàn)效果;同時(shí)對(duì)于出口端同樣需要設(shè)置微生物監(jiān)控裝置，防止科學(xué)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的有害微生物污染艙內(nèi)大氣環(huán)境和熱控管路。

2.5空間應(yīng)用系統(tǒng)生物安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國際空間站上，有效載荷生物材料的生物危害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估在發(fā)射前必須進(jìn)行，評(píng)估生物有害物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)包括微生物的特性，感染劑量，微生物的存量、感染途徑，以及與實(shí)驗(yàn)協(xié)議相關(guān)的危害。識(shí)別出的所有有害微生物被分配一個(gè)生物安全等級(jí)(BSL)。有效載荷安全審議小組參照BSL為每個(gè)有效載荷制定必要的防護(hù)等級(jí)。空間應(yīng)用生物安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的實(shí)施流程如圖5所示。

3結(jié)論