空間環(huán)境對載人登月活動(dòng)的影響及保障需求研究

陳鳳貴，王勝國，謝志輝，劉克華，陳光明

（1.總參大氣環(huán)境研究所，北京 100029；2.中國人民解放軍94683部隊(duì)，晉江 福建 362001）

載人登月航天器要經(jīng)歷地球大氣、地球空間、行星際空間、月球空間和月表等整個(gè)地月空間。地月空間環(huán)境復(fù)雜多變，給載人登月航天器及航天員登月探測活動(dòng)帶來了很大影響，這就對載人登月空間環(huán)境保障提出了新的、更高的要求。

1 空間環(huán)境對載人登月活動(dòng)的影響

1.1 地球空間環(huán)境

關(guān)于對流層大氣環(huán)境的研究已經(jīng)比較深入和系統(tǒng)，主要包括風(fēng)、云、雨、雷電等影響載人登月航天器和火箭的轉(zhuǎn)運(yùn)、待發(fā)姿態(tài)、發(fā)射和返回艙的回收，影響機(jī)理等方面的研究比較清楚，保障技術(shù)和手段也比較成熟完善。平流層和中間層夏季盛行東風(fēng)，冬季盛行西風(fēng)，平流層的平均水平風(fēng)速約30 m/s，最大風(fēng)速在中緯度地區(qū)60 km高度附近，風(fēng)速達(dá)100 m/s左右。對航天器的影響主要是：空氣阻力對航天器軌道的影響和大氣中原子氧對航天器表面的剝蝕作用等。平流層到中間層是載人登月飛行器發(fā)射、初始飛行、返回艙回收的重點(diǎn)保障區(qū)域，對航天器的發(fā)射、航天員的安全以及返回艙落區(qū)的精確預(yù)測具有重要影響。

由于電離層吸收了太陽極紫外及軟X射線譜段的輻射而呈電離狀態(tài)，由自由電子、離子和未電離的中性成分組成［1］。電離層能引起無線電波的折射、散射和衰減等效應(yīng)，影響無線電短波通信、全球?qū)Ш叫盘?、測控和衛(wèi)星通信等。地球磁層對航天器的影響主要是：等離子體以高電壓系統(tǒng)電流泄漏和離子曳力方式影響低地球軌道航天器；以高充電方式影響中軌道和地球同步軌道航天器；以輻射帶粒子的劑量效應(yīng)和單粒子事件影響中軌道、地球同步軌道和行星際軌道航天器。

在地球空間環(huán)境內(nèi)流星體和空間碎片也會(huì)對航天器的安全造成嚴(yán)重影響［2］。流星體在太陽引力場的作用下沿著各種橢圓軌道運(yùn)動(dòng)，其平均密度為0.5 g/cm3，相對于地球的速度為11～72 km/s，平均速度為20 km/s。流星體在空間的分布不均勻。許多流星體密集產(chǎn)生在它們的母體軌道附近，形成“流星體群”，當(dāng)?shù)厍蚶@太陽公轉(zhuǎn)穿過這些區(qū)域時(shí)，會(huì)接近或穿越這些軌道，地球及繞地球運(yùn)行的航天器就會(huì)遇到多個(gè)流星體撞擊。空間碎片的分布不像流星體那樣有一定的時(shí)間性和固定的軌道，但也呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。據(jù)估計(jì)，在距地球表面2000 km的高度內(nèi)，約有3000 t人造在軌物體，這些物體大多在高傾角軌道，平均相對速度約10 km/s。地球同步軌道（GEO）是空間碎片的另一密集區(qū)域，流星體和空間碎片對空間飛行器的影響主要是造成機(jī)械損傷［3］。

1.2 行星際空間環(huán)境

行星際空間充滿著來自太陽的稀薄等離子體、所有波長的天體電磁輻射和不同能量的粒子輻射，并伴隨著行星際磁場。這種高溫稀薄等離子體的溫度達(dá)數(shù)百萬度，以每秒幾百千米的速度從太陽向外膨脹，其影響與磁層等離子體和高能粒子相似。行星際塵埃是存在于行星際空間的固態(tài)物質(zhì)，直徑多在10～100 μm之間，有的甚至小于0.1 μm，它和流星體一樣會(huì)對航天器造成機(jī)械損傷［4］。

1.3 月球空間環(huán)境

1.3.1 月球真空環(huán)境

月球擁有一個(gè)接近真空的環(huán)境，月表大氣的主要成是氖、氫、氦和氬。對深測器和航天員登月活動(dòng)的影響主要是：脫氣作用、溫度的劇烈變化和無明顯阻尼介質(zhì)的振動(dòng)。由于月球表面高真空，沒有大氣的熱傳導(dǎo)，月球表面的白天和黑夜、受到太陽照射的位置與沒有受到大陽照射的位置溫差極大，極限溫度差可達(dá)到150～180℃。因此，用于月球車和航天員保障設(shè)備的材料必須能抵抗高真空下的脫氣，防止材料破損，增加強(qiáng)度。還必須能經(jīng)受極限溫度而不致變形或損傷，防止探測設(shè)備各部件的傳動(dòng)潤滑油由于溫度高揮發(fā)或由于溫度低而凝固，致使?jié)櫥褪?。同時(shí)，月表沒有空氣等阻尼介質(zhì)，當(dāng)探測設(shè)備發(fā)生振動(dòng)時(shí)，需要消減振動(dòng)。

1.3.2 月表塵埃等離子體環(huán)境

月球沒有地球那樣稠密的大氣和全球磁場，太陽風(fēng)等離子體幾乎可以直接作用于月球表面，經(jīng)與月表相互作用，形成了一個(gè)復(fù)雜的塵埃等離子體環(huán)境［5］。

月球表面存在著大量的細(xì)小塵埃，月表電導(dǎo)率較低，月表塵埃帶電后不易消失，再加上月球重力場非常小，塵埃便在月表電場的作用下懸浮運(yùn)動(dòng)。美國阿波羅號登月航天員在早晨看到了由月表塵埃引起的高度約1 m的“暈”，美國Clementine也拍到了月球塵埃所形成的“暈”。對于微米量級的靜電懸浮顆粒，在向陽面懸浮高度為1 m，而在背陽面可達(dá)幾十米。0.01 μm的靜電懸浮顆粒在向陽面高度接近1 km，而背陽面高度可達(dá)近百千米。在月球晨側(cè)，由于鞘層較薄，電場梯度最大，靜電懸浮顆?？焖俑∑穑纬梢粋€(gè)塵?！叭俊爆F(xiàn)象。美國阿波羅號在月表安放的月表火山噴出物和微流星實(shí)驗(yàn)儀LEAM首先監(jiān)測到這一現(xiàn)象［6］。

月表塵埃顆粒的懸浮運(yùn)動(dòng)，對月表著陸器、月球基地和登月航天員構(gòu)成威脅。靜電塵埃懸浮顆粒的強(qiáng)附著性和研磨性，導(dǎo)致著陸器的光學(xué)鏡頭、太陽能電池、轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)等性能下降，甚至發(fā)生故障。靜電塵埃懸浮顆粒甚至能透過航天服，對航天員的肺部形成嚴(yán)重的威脅。阿波羅號登月艙內(nèi)曾出現(xiàn)塵埃多到影響視線的程度。

1.3.3 月球空間輻射環(huán)境

月球空間環(huán)境粒子輻射的來源主要是太陽宇宙射線和銀河宇宙射線［7］。

太陽宇宙射線（SCR），也叫太陽高能粒子、太陽質(zhì)子事件。在太陽活動(dòng)的11年周期里，當(dāng)太陽活動(dòng)在極小年附近時(shí)，幾乎看不到太陽宇宙射線粒子，而當(dāng)太陽相當(dāng)活躍的時(shí)候（通常太陽黑子數(shù)在50以上），在月球附近任何位置都可以看到太陽宇宙射線粒子。銀河宇宙射線由能量極高、而通量很低的帶電粒子（質(zhì)子、α粒子和重粒子等）組成，在行星際空間中傳播時(shí)，受到行星際磁場的影響，銀河宇射線的強(qiáng)度隨時(shí)間變化受太陽11年周期的調(diào)制。

月球探測衛(wèi)星繞月球運(yùn)行和登月時(shí)，極可能受到大量的粒子輻射?，F(xiàn)有的探測數(shù)據(jù)顯示，在每次太陽11年活動(dòng)周期中都有可能發(fā)生幾次危險(xiǎn)的太陽質(zhì)子事件。其中能量大于10 MeV，年積分通量大于2×109/cm2的普通質(zhì)子事件對衛(wèi)星有不利的影響；能量大于10 MeV，最高達(dá)103MeV，通量大于1010/cm2的特大質(zhì)子事件在太陽活動(dòng)極大年發(fā)生幾率較大。太陽宇宙射線中的高能質(zhì)子會(huì)引起單粒子效應(yīng)，可能損壞月球探測器表面、結(jié)構(gòu)的整體性和電子元件。這些大而重的高能質(zhì)子能使光學(xué)材料電離，導(dǎo)致光學(xué)設(shè)備癱瘓。低通量的銀河宇宙射線，由于粒子能量高，可能引起單粒子事件發(fā)生，導(dǎo)致探測設(shè)備電路產(chǎn)生位翻轉(zhuǎn)、閂鎖、門陣列斷裂和線性改變等不良效果甚至失效。

近月空間和月表的空間高能粒子輻射可能對人體造成輻射損傷，超過一定劑量的粒子輻射可能造成航天員肌肉、骨骼等組織的變性和血液礦物質(zhì)含量的變化，尤其是高LET（線性能量轉(zhuǎn)移）的質(zhì)子、重離子會(huì)造成宇航員的眼部閃光，對航天員的眼睛傷害非常大。美國規(guī)定的航天員接受輻射劑量標(biāo)準(zhǔn)見表 1［8］。

表1 美國航天員的輻射劑量當(dāng)量限值Table 1 Radiation dose equivalent limit for astronauts in the United States

流星體是自然存在且正在穿過空間的固態(tài)物體，體積小速度快，撞擊到月球表面的速度約為11～72 km/s。流星體的質(zhì)量雖小，但由于運(yùn)行速度很高，所以具有很大動(dòng)能，在與空間飛行器相撞時(shí)，巨大的能量將在極短的時(shí)間內(nèi)、在極小的碰撞點(diǎn)上釋放出來，就會(huì)對飛行器造成極為嚴(yán)重的危害后果。微流星體的碰撞會(huì)汽化碰撞目標(biāo)上的一些物質(zhì)，從而形成羽狀等離子體流，當(dāng)?shù)入x子體穿透儀器時(shí)會(huì)造成電路短路。碰撞導(dǎo)致的沙蝕，可使光學(xué)儀器表面、太陽電池等受到損害。稍大尺度的流星體，可能對飛行器造成機(jī)械損傷，甚至有可能穿透殼壁［9］。由于月球上空沒有大氣層的屏蔽，容易受到流星體的轟擊，具有一定的危險(xiǎn)。因此登月服的外套層需要采用特殊的防護(hù)材料。

2 實(shí)施載人登月活動(dòng)空間環(huán)境保障需要重點(diǎn)關(guān)注的環(huán)境要素和現(xiàn)象

2.1 空間環(huán)境保障需求要素分析

在載人登月過程中，如果采用嫦娥一號的發(fā)射方式，航天器需要繞地球軌道空間飛行數(shù)日，要多次穿越內(nèi)外輻射帶（地心距分別為2.5 RE和3～7 RE）和空間碎片密集區(qū)（2000 km以下和地球同步軌道）。在此過程中，重點(diǎn)需要提供流星體、空間碎片、輻射帶環(huán)境、高能粒子、重離子等空間環(huán)境保障。流星體和空間碎片對航天器的影響主要是造成機(jī)械損傷。流星體具有很大的動(dòng)能，會(huì)造成電路短路?？臻g碎片可能造成太陽能電池陣短路甚至損壞電池陣，或穿透舷窗，使航天器密封艙內(nèi)氣體泄漏等。高能粒子或重離子會(huì)引起微電子器件狀態(tài)的改變，造成飛行器發(fā)生異常或故障。

航天器在繞月和航天員登陸月球后，對航天器和宇航員造成影響或損傷的主要是宇宙線、磁尾磁場和粒子。月球帶電粒子輻射的來源主要是銀河宇宙線和太陽宇宙線。銀河宇宙線可直接入射到月球表面，太陽宇宙線和銀河宇宙線含有大量的高能粒子和重離子，會(huì)致使登月航天器性能受損和故障，并對航天員造成輻射損傷。月表塵埃顆粒的懸浮運(yùn)動(dòng)，對月表著陸器、月球基地和航天員會(huì)構(gòu)成重要的威脅。因此需要對月球表面和近月空間的高能粒子、重離子和月表塵埃環(huán)境以及磁尾磁場和粒子環(huán)境狀態(tài)提供保障。

表2是針對載人登月通信、控制，航天器、探測器、月球車，航天員等保障對象，研究提出的空間環(huán)境保障重點(diǎn)要素和現(xiàn)象。

2.2 月球空間環(huán)境探測研究

對于地球空間環(huán)境，國內(nèi)外已經(jīng)完成了大量探測工作，其空間環(huán)境的狀態(tài)及其對航天器的影響機(jī)理以及環(huán)境保障研究相對成熟。月球空間環(huán)境雖然在國內(nèi)外進(jìn)行了一些探測研究，但資料較少，研究不全面、不深入，諸如月表的高能粒子、重離子和月表塵埃環(huán)境狀態(tài)以及月球粒子輻射對航天器和航天員的輻射損傷［6］等研究。急需重點(diǎn)開展以下3個(gè)方面工作。

1）研究近月空間和月表的高能粒子輻射環(huán)境，評估月表高能粒子對器件造成的單粒子效應(yīng)和輻射劑量效應(yīng)，需要使用高能粒子探測器對高能粒子、重粒子輻射環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，包括對太陽宇宙線和銀河宇宙線的測量。高能粒子和重離子是造成元器件單粒子事件的主要因素，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生輻射劑量效應(yīng)，使航天材料產(chǎn)生原子位移，從而導(dǎo)致材料變性。因此需要對航天器（著陸器）所處的粒子輻射環(huán)境進(jìn)行就位測量。雖然嫦娥一號航天器對月球空間高能質(zhì)子進(jìn)行了探測，同時(shí)還對2路電子和3種重離子成份進(jìn)行了探測，但還沒有對宇宙線粒子測量和粒子輻射效應(yīng)監(jiān)測，需要研制宇宙線重離子探測器對太陽宇宙線和銀河宇宙線進(jìn)行測量。主要測量H，3He，4He～Fe等粒子，能量范圍約為H：3～300 MeV，3He，4He：8～25 MeV/nucleon，C、N、O：15～55 MeV/nucleon，F(xiàn)e：30～100 MeV/nucleon。

2）研制輻射效應(yīng)探測器對近月空間和月表輻射環(huán)境進(jìn)行測量，對器件和航天員的輻射損傷進(jìn)行預(yù)測和評估。需要研制LET譜探測器測量月表粒子對器件和人體的輻射損傷，粒子種類為質(zhì)子、電子、重離子；LET譜范圍為0.01～100 MeV/（mg·cm-2）；劑量當(dāng)量率范圍為0～1 Sv/d。主要用于測量航天員接受的粒子輻射環(huán)境，監(jiān)測航天員在月表接受的粒子輻射情況，對航天員的粒子輻射等級、輻射傷害進(jìn)行預(yù)評估，為航天員在月表環(huán)境下輻射防護(hù)和生命安全提供保障。

3）開展月表塵埃等離子體環(huán)境探測及其效應(yīng)研究。月表等離子體中，電子對于環(huán)境的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于離子的影響，需要研制月表等離子體探測器，離子能量范圍為0.2～3 keV，32個(gè)能道；電子能量范圍為0.01～4 keV，32個(gè)能道；離子探測視場為±50°×360°；電子探測視場：140°×360°；角分辨為17.5°×30°；用于測量月表等離子體。研制月表靜電電位探測器，電位量程范圍為+150～-1500 V，電場量程范圍為-4～15 V/m，用于探測月表的充電電位和月表附近的電場強(qiáng)度。研制月表塵埃探測器，塵埃顆粒質(zhì)量量程為10-6～10-3 g，測量靈敏度為10-7 g/cm2·Hz，主要用于探測塵埃顆粒的質(zhì)量大小和分布情況。

3 結(jié)語

建立完善的載人登月空間環(huán)境保障系統(tǒng)，為登月航天器的飛行安全和航天員出艙登月探測活動(dòng)提供空間環(huán)境保障，需要以月球空間環(huán)境探測為重點(diǎn)，開展近月和月表高能粒子和重離子環(huán)境探測、月表等離子體環(huán)境探測、輻射帶粒子能譜分布、流星體通量模式等研究，加強(qiáng)月球空間環(huán)境保障能力。

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