空間輻射對未來無人機的影響

空間輻射對未來無人機的影響

在載人登月期間，大多數(shù)參與者都收到了所有自然輻射的源（包括宇宙輻射gcr、太陽粒子事件spe和地磁捕捉區(qū)的輻射trp）。雖然登月飛行穿過捕獲帶的高強度區(qū)域,但由于經(jīng)歷的時間較短,在艙內(nèi)不會形成過高的累積劑量,對飛行總劑量的貢獻不會很大;另外由于失去地球磁場的防護,當發(fā)生太陽粒子事件時,將會在短時間內(nèi)對航天員造成較大的輻射劑量,如果遭遇特大太陽粒子事件,甚至會威脅到航天員的生命安全;只有銀河宇宙射線對飛行全過程持續(xù)作用。由于太陽粒子事件發(fā)生的隨機性,對于短期載人登月飛行,我們暫不考慮太陽粒子事件對航天員的影響,只考慮銀河宇宙射線。本文主要通過分析載人登月GCR環(huán)境與近地軌道空間輻射環(huán)境及其對航天員輻射危害的不同,為載人登月項目實施中飛船和登月服工程設計、航天員輻射危險評價及防護措施的制定等提供參考依據(jù)[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11]。銀河宇宙輻射(GCR)是載人登月期間航天員所面臨的主要輻射源,與近地軌道空間輻射相比,具有如下的特點。1性能分析及原理我國“神舟”系列載人飛船近地軌道飛行期間航天員受到的輻射主要來自地磁捕獲帶輻射,在不考慮太陽粒子事件時,載人登月中航天員受到的輻射主要來自GCR,而地磁捕獲帶輻射和GCR的帶電粒子能譜存在很大不同。圖1為利用NASASAMPEX/petPSB97模型計算所得我國“神舟”5號飛船質(zhì)子積分能譜,圖2為按照Badhwar的銀河宇宙射線模型計算的銀河宇宙射線初級輻射微分能譜。我國載人航天近地軌道高度為343km,軌道傾角為42.5°。從圖1可以看出,地磁捕獲帶輻射主要是能量為100MeV以下的質(zhì)子,當能量高于100MeV時,隨著能量的增加,注量率急劇下降。對于飛船乘員艙內(nèi)劑量值,我們主要考慮10MeV~100MeV的質(zhì)子劑量貢獻,能量低于10MeV的質(zhì)子大部分被飛船屏蔽。在近地軌道載人飛行中,質(zhì)子譜和強度顯著依賴于軌道高度。而GCR主要是由100MeV~1000MeV/核子的帶電粒子組成的,其注量率在1000MeV/核子左右達到最大。其中質(zhì)子:85.26%,α粒子:11.76%,重離子:0.98%。在地球磁場外空間,銀河宇宙輻射E>30MeV的粒子注量率在太陽活動極小年約為4.5/cm2·s,在太陽活動極大年約為2/cm2·s,因此,對航天員造成主要影響的GCR帶電粒子能量比地磁捕獲帶輻射帶粒子能量高1到2個數(shù)量級。2太陽活動對gcr的影響太陽發(fā)射等離子體形成太陽風。太陽風磁場以輻射狀由太陽向外延伸,隨著太陽的旋轉,磁力線彎曲成阿基米德螺旋線。GCR帶電粒子運動受到的星際磁場的調(diào)控見圖3。銀河宇宙輻射(GCR)隨太陽11年活動周期變化非常顯著。在太陽活動極大年時,由于太陽風強烈,GCR受到太陽風磁場調(diào)控的作用大,GCR強度降低;反之,太陽活動極小年時,GCR強度較高。從圖2中可以看出,GCR的低能成分受太陽活動影響較大,太陽活動極小年的GCR粒子通量為極大年的2倍左右。地磁捕獲帶粒子的強度也受到太陽活動的影響,但是沒有GCR受到的影響那么明顯。當太陽活動增強時,大氣層膨脹,捕獲輻射在低地球軌道的影響比太陽活動極小年弱一些。對于我國近地軌道載人航天而言,主要考慮內(nèi)輻射帶質(zhì)子的通量變化,尤其是發(fā)生大的太陽爆發(fā)時,低能質(zhì)子通量明顯增高。但是對于近地軌道載人航天而言,航天員在艙內(nèi)所受吸收劑量影響不大,低能質(zhì)子基本都可以被飛船艙體屏蔽。由于GCR輻射環(huán)境的這些特點,在載人登月中對航天員造成的影響會有以下特點。2.1黨內(nèi)防護層中次級粒子的變化由于GCR帶電粒子能量的增大,次級粒子的份額也將大大增加。圖4分別給出了30MeV、100MeV、1000MeV和2000MeV單能質(zhì)子分別入射到0.4g/cm2和1g/cm2兩種鋁屏蔽厚度后的艙內(nèi)次級粒子的種類和份額分布。其中,橫坐標為0表示的粒子是中子,橫坐標為29的代表的是電子,橫坐標為30表示的粒子是光子。除了圖中所表示的粒子之外,經(jīng)過不同厚度的鋁屏蔽后,還會出現(xiàn)π0、π±等次級粒子。從圖4可以看出,隨著入射質(zhì)子能量增加,艙內(nèi)次級粒子的數(shù)目、種類也在增加。GCR主要是1000MeV的質(zhì)子,從圖4還可以看出,次級粒子數(shù)目增加了很多,對劑量的貢獻當然也增加了很多,尤其是次級中子、次級質(zhì)子及α粒子。2.2重、輕、輕地層輻射帶來的劑量貢獻在近地軌道飛行期間,航天員主要受到的空間輻射為地磁捕獲帶輻射和銀河宇宙輻射,對于“神舟”系列飛船,由于軌道高度較低,傾角也較小,GCR對劑量貢獻率很小。利用我國男性航天員人體小體元模型,結合我國“神舟”5號和6號軌道參數(shù),計算得到在1g/cm2鋁屏蔽厚度下,航天員皮膚所受到的輻射劑量為1.156mSv/d,其中地磁捕獲帶輻射造成的皮膚劑量為1.092mSv/d,GCR造成的皮膚劑量為0.064mSv/d,GCR對皮膚劑量的貢獻率約5.54%;航天員受到的有效劑量為0.9mSv/d,其中地磁捕獲帶的有效劑量為0.8mSv/d,GCR的有效劑量為0.1mSv/d,GCR對有效劑量的貢獻率約為11.1%。在近地軌道飛行期間,GCR對總劑量的貢獻與軌道高度和傾角有很大的相關性。通過對國際空間站劑量實際測量值分析可知,GCR對劑量的貢獻大約為75%。在長期載人登月任務中,航天員僅在飛離和返回地球時會穿越地磁捕獲帶輻射帶,其對航天員的劑量貢獻很小,可以忽略不計?？臻g飛行期間,在不考慮太陽粒子事件發(fā)生的情況下,GCR是對航天員劑量貢獻的主要來源。2.3深部器官劑量表1列出了“神舟”5號和“神舟”6號在1g/cm2屏蔽厚度下各器官劑量值(計算值)。從表1可以看出,在近地軌道飛行中,深部器官劑量與皮膚劑量的比值大約為0.5。而在載人登月中,由于GCR粒子能量很高,深部器官劑量與皮膚劑量的比值接近于1,圖5為1977年太陽活動最小年,GCR輻射條件下,皮膚、眼晶體和造血器官年劑量隨聚乙烯屏蔽厚度變化曲線。2.4輻射品質(zhì)因數(shù)q值的測量和解釋吸收劑量相同,由于輻射的類型、能量不同或照射條件不同所產(chǎn)生的生物效應是不同的。在輻射防護中最關心的是人體受到各種類型輻射的照射后將發(fā)生什么樣的效應,因此,引入品質(zhì)因數(shù)對吸收劑量進行修正,得出劑量當量,用以評估人體所受電離輻射的危害程度。NASA對一些航天飛機艙內(nèi)的輻射品質(zhì)因數(shù)進行了測量,測量結果見表2。我國“神舟”系列飛船對航天員進行空間輻射安全評價采用的品質(zhì)因數(shù)為1.8。在國際空間站,利用組織等效正比計數(shù)器(TEPC)分別測量了空間站軌道GCR與地磁捕獲帶輻射的傳能線密度譜(LET)并由此計算出了各自的Q值。TEPC實測的GCR劑量率為169μGy/d,品質(zhì)因數(shù)Q值為3.64;TEPC實測的捕獲粒子輻射劑量率為310μGy/d,品質(zhì)因數(shù)Q值為1.81。GCR在空間四π同向分布,根據(jù)空間輻射GCR能譜,計算得到載人登月飛行中空間輻射平均品質(zhì)因數(shù)在4~6之間,比近地軌道大2~3倍。2.5動極年gcr能譜分析表3為分別采用鋁和聚乙烯作為屏蔽材料,在不同屏蔽厚度下,不同深度的年吸收劑量,計算采用1977年太陽活動極小年GCR能譜。從上表可以看出,隨著屏蔽厚度的增加,吸收劑量并沒有明顯的減少,而且深部劑量與表面劑量比值約為1。因此,僅僅依靠于增加屏蔽厚度來減少輻射劑量,并不是一個有效的方法。同時,從表中可以看出,不同材料的防護性不同,因此需要研究不同材料的輻射防護性能,選擇更加合適的材料,以減少航天員的輻射劑量。2.63gcr能譜分析結果在NCRP132號報告中,近地軌道飛行期間航天員30d造血器官(BFO)劑量限值為250mSv。根據(jù)阿波羅系列飛船登月實際測量值,最大測量值皮膚劑量為1.27mGy/d,由于GCR造成的器官劑量與皮膚劑量比值接近1,NASA根據(jù)GCR的能譜計算得到0~3g/cm2等效鋁屏蔽條件下的平均品質(zhì)因數(shù)約在5~6之間,通過計算,星際飛行30d,GCR造成航天員造血器官劑量將達到228mSv,已經(jīng)接近劑量限值。加上登月過程中,月球表面的次級粒子輻射(如GCR撞擊月球表面產(chǎn)生的次級粒子等),航天員的造血器官劑量有可能超過劑量限值,因此需要研究相應的防護方法。3重離子對人體輻射損傷的影響對于短期載人登月,由于GCR帶電粒子通量比較低,盡管其能量較高,航天員大部分的輻射損傷可以通過細胞正常生長而得以修復,發(fā)生確定性效應的概率較低;但是初級和次級高能質(zhì)子和重離子可能引起細胞變異而導致癌癥或遺傳效應的發(fā)生。此外,由于成年人中樞神經(jīng)細胞不再分裂,重離子造成的中樞神經(jīng)細胞損傷不容忽視。長期駐月及深空探索對載人航天的輻射防護提出了新的挑戰(zhàn)。NASA-STD-3001標準中增加了心臟和腦(中樞神經(jīng)系統(tǒng))兩個器官作為航天員個人劑量限值標準中的評價器官,并對中樞神經(jīng)系統(tǒng)單獨提出了重離子劑量的限值。高能重離子對人體