《Journal of Space Safety Engineering》：Acceleration environment of the Ax-4 crewed spaceflight measured by wearable RadNano Infinity Astronaut Dosimeters
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本文介绍了由RadNano Infinity剂量计在2025年6月25日至7月15日的Axiom Mission 4（Ax-4）任务期间记录的加速度测量结果。这些仪器记录了整个航天飞行的数据，包括航天器发射、在国际空间站（ISS）上的整个任务以及返回地球。发射
本文介绍了由RadNano Infinity剂量计在2025年6月25日至7月15日的Axiom Mission 4（Ax-4）任务期间记录的加速度测量结果。这些仪器记录了整个航天飞行的数据，包括航天器发射、在国际空间站（ISS）上的整个任务以及返回地球。发射期间记录的加速度幅度达到4.6 g，为任务峰值加速度。返回地球时的最大加速度为4.3 g。十个自主仪器在整个航天飞行中伴随宇航员和有效载荷，其中两个在ISS上选定的宇航员活动期间佩戴。这种分布式配置使得使用同一测量平台能够按阶段记录车辆主导和佩戴者局部加速度历史。两名被监测宇航员在分析的活动期间的平均加速度幅度分别为0.014 g和0.013 g。可穿戴加速度计显示活动期间的典型加速度幅度约为0.01 g，反映了宇航员的运动学微运动。这项研究为载人航天提供了罕见的按阶段运行参考测量，并展示了在实际任务条件下自主可穿戴和载荷承载加速度监测的可行性和局限性。本文的研究结果可为未来航天任务的规划提供重要参考。未来的研究可将这些结果与宇航员生理数据相关联，以更好地理解超重力和微重力条件对航天飞行期间健康的影响。
论文解读文章
**研究背景与问题**
地球重力是生命进化的基本驱动力，其持续作用使生物发展出多种适应机制。在航天飞行中，宇航员经历超重力（发射和再入阶段）和微重力（轨道阶段）的交替环境，这对人体生理系统（如肌肉、骨骼、心血管和前庭功能）产生显著影响。现有加速度测量系统，如美国国家航空航天局（NASA）的空间加速度测量系统-II（SAMS-II）和微重力加速度测量系统（MAMS），主要用于监测空间站环境中的振动和准稳态加速度，但缺乏对商业载人任务全程中宇航员和有效载荷局部加速度的分布式自主测量。此外，当前新型航天器（如SpaceX Dragon）的加速度数据极为有限，因其服役时间较短。因此，研究人员利用Axiom Mission 4（Ax-4）任务，部署可穿戴自主仪器，旨在：(i) 使用统一测量平台记录发射、轨道运行和返回阶段的加速度环境；(ii) 表征国际空间站（ISS）上选定宇航员活动期间的局部加速度；(iii) 评估自主可穿戴和载荷承载加速度计在真实任务条件下的操作适用性和局限性。该论文发表在《Journal of Space Safety Engineering》。
**关键技术与方法**
研究采用的主要关键技术方法包括：
1. **可穿戴自主三轴微机电系统（MEMS）加速度计**：集成于RadNano Infinity宇航员剂量计中，每个仪器包含一个厂校准的数字输出三轴电容式MEMS加速度计，量程为±4 g，输出16位，灵敏度约8192 LSB/g，量化步长约0.00012 g。
2. **分布式多仪器部署**：10个自主仪器随航天器全程飞行，其中2个由宇航员佩戴（F180和F135单元），其余8个部署于载荷或空间站舱壁，以获取不同位置的加速度记录。
3. **旋转不变加速度幅度分析**：由于仪器在发射和返回阶段方向未定义，研究人员计算加速度幅度（a
magnitude = √(a
x2 + a
y2 + a
z2)），并基于此进行统计分析。
4. **概率密度函数（PDF）与Jensen-Shannon距离**：使用高斯核密度估计（KDE）比较两名宇航员加速度分布，量化分布差异。
5. **5分钟窗口均方根（RMS）加速度分析**：以50个样本（6秒间隔）为窗口，滑动计算RMS以表征运动强度。
样本来源为Ax-4任务中的两名宇航员（HUNOR宇航员计划），所有仪器数据在溅落后下载并后处理。
**研究结果**
**3.1 航天器发射**
发射过程中，Falcon 9火箭发动机点火前稳态加速度为1 g，第二级发动机关机前峰值加速度达到4.6 g，为任务最大峰值。发射过程持续约540秒，从地面1 g稳态过渡到轨道0 g稳态。由于未获授权发布详细时间分辨加速度曲线，分析仅限于旋转不变幅度。
**3.2 国际空间站上的Ax-4任务**
ISS上记录的峰值加速度为4.484 g（由F180单元监测宇航员-1记录），另一宇航员佩戴的F135单元记录峰值2.384 g。这些峰值发生在宇航员自由时间，可能源于穿戴设备或固定装置的短暂机械冲击，而非持续全身加速度。载荷相关单元峰值加速度为2.125 g（F241单元，7月13日载荷打包时）。8个载荷及舱壁安装仪器的加速度数据显示了宇航员移动或检查实验时的局部扰动。所有仪器记录约295万数据点，展示了从发射到溅落后的完整加速度历程。
**3.3 宇航员运动分析**
仅分析宇航员活动期间（由加速度轨迹定义：持续运动≥10分钟，持续静止≥30分钟）。F180单元（宇航员-1）记录232.735小时活动，139,641个样本；F135单元（宇航员-2）记录61.146小时，36,688个样本。两名宇航员活动期间的平均加速度幅度分别为0.014 g和0.013 g，总体均值为0.0139 g。典型加速度幅度约为0.01 g，反映宇航员的运动学微运动，而非直接生物力学载荷。这些测量值比名义轨道微重力水平（10
?6 g）高出数个数量级，主要源于乘员运动引起的局部惯性扰动。在四个共同活动日，两名宇航员加速度分布的Jensen-Shannon距离范围为0.078至0.186，均值为0.129，表明分布存在可测量差异但整体形状相似。5分钟窗口RMS加速度分析进一步显示运动强度大体一致，但个体间存在细微差别。
**3.4 航天器再入与减速**
再入过程中，最大加速度为4.3 g，出现在溅落前6分19秒。再入过程持续713秒，从轨道0 g稳态过渡到海洋中1 g稳态。乘员于2025年7月15日09:31 UTC安全溅落在太平洋。
**3.5 操作与工程贡献**
本研究的主要贡献在于实际载人航天条件下演示了分布式自主监测概念。仪器同时执行主辐射监测功能，伴生剂量学研究表明出站转移期间平均硅等效吸收剂量为181 μGy，ISS居住期间为3655 μGy，返回期间为158 μGy，任务剂量当量估计为13.7–15.6 mSv。辐射与加速度测量互补覆盖乘员和载荷安全因素。10个仪器无需航天器遥测系统接口即生成局部加速度记录，为未来商业任务提供参考，并验证了紧凑型自包含监测系统的开发可行性。6秒采样间隔虽能记录任务规模活动模式，但可能低估短时峰值，未来需更高采样率及固定参考仪器。
**讨论与结论**
讨论部分指出，本研究的加速度测量结果与过去航天任务报告相似，但首次通过可穿戴仪器全程记录商业乘员任务的局部加速度环境。研究证明紧凑自主仪器可在载人航天任务中按阶段记录乘员和载荷位置的加速度历史，捕获动态阶段车辆主导加速度和ISS活动期间佩戴者局部运动学加速度。结论部分总结如下：本文基于集成于RadNano Infinity宇航员剂量计的高性能三轴MEMS加速度计测量数据，呈现了Ax-4任务的加速度特征。10个飞行单元记录了完整航天飞行的科学数据，包括SpaceX Dragon航天器发射、ISS任务及返回地球。每个剂量计以6秒采样间隔独立采集三轴加速度，该间隔是科学数据采集与电池消耗之间的工程权衡。所有数据在溅落后下载并后处理。发射加速度幅度达到4.6 g，为任务峰值。ISS上，宇航员-1佩戴单元记录峰值4.484 g，宇航员-2单元记录峰值2.384 g，这些峰值可能与设备机械冲击相关。载荷承载单元峰值加速度为2.125 g。两名宇航员活动期间平均加速度幅度分别为0.014 g和0.013 g，典型值为0.01 g，反映运动学微运动。返回峰值加速度为4.3 g。本研究是首批经同行评审的、使用可穿戴仪器全程伴随商业乘员任务并记录局部加速度环境的研究之一，为未来任务提供了宝贵操作参考，并识别了后续系统需改进的方面（更高采样率、固定参考测量、改进事件标注）。研究结果可为未来航天任务规划提供重要参考，特别是从生命科学和任务安全角度。未来研究可将这些结果与宇航员生理数据关联，以更好理解超重力和微重力条件对健康的影响。
