載人深空長(zhǎng)期飛行輻射粒子的磁場(chǎng)防護(hù)探討

楊垂柏 張斌全 薛彥杰 曹光偉 梁金寶 張珅毅

(1 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心，北京 100190) (2 沈陽(yáng)出入境檢驗(yàn)檢疫局，沈陽(yáng) 110016)

載人深空長(zhǎng)期飛行輻射粒子的磁場(chǎng)防護(hù)探討

楊垂柏1張斌全1薛彥杰2曹光偉1梁金寶1張珅毅1

(1 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心，北京 100190) (2 沈陽(yáng)出入境檢驗(yàn)檢疫局，沈陽(yáng) 110016)

簡(jiǎn)介了空間輻射環(huán)境中的銀河宇宙線和太陽(yáng)質(zhì)子事件及其對(duì)航天員的輻射危害；根據(jù)輻射危害防護(hù)需求，比較了磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)、電場(chǎng)抵消和等離子體偏轉(zhuǎn)3種防護(hù)方法的原理和優(yōu)缺點(diǎn)；對(duì)載人火星探測(cè)選用的磁場(chǎng)防護(hù)方法進(jìn)行了初步分析和數(shù)值仿真。分析表明：偏轉(zhuǎn)200 MeV能量以下的質(zhì)子，須在航天器上建造半徑2.04 km，質(zhì)量2240 kg，通過(guò)電流1600 A的環(huán)形線圈。此方法可以使進(jìn)入航天器艙室的宇宙線粒子總通量降低3個(gè)數(shù)量級(jí)，能顯著地降低空間粒子對(duì)航天員的危害。分析結(jié)果可為載人深空飛行項(xiàng)目的任務(wù)規(guī)劃、載人飛船設(shè)計(jì)、輻射危害評(píng)價(jià)防護(hù)措施的制定等提供參考。

載人飛行；輻射粒子；輻射危害；磁場(chǎng)防護(hù)

1 引言

隨著人類太空探索活動(dòng)的不斷發(fā)展，美、歐及中國(guó)各國(guó)家陸續(xù)展開(kāi)了以火星、月球探測(cè)為代表的深空探測(cè)任務(wù)[1-2]，使得人類對(duì)深空了解不斷深入，同時(shí)反過(guò)來(lái)也不斷激勵(lì)人類對(duì)于其他星球探索的熱情，載人深空飛行正在成為航天發(fā)展的重要趨勢(shì)[3-6]。

地球強(qiáng)大地磁場(chǎng)阻止了宇宙線高能粒子直接到達(dá)地球表面，避免了對(duì)地面生物造成傷害。但當(dāng)人們進(jìn)入太空后，由于地磁場(chǎng)強(qiáng)度降低，空間輻射危害將加重對(duì)人體健康的危害。載人探測(cè)中，航天員將長(zhǎng)期暴露于各類宇宙線輻射粒子中，如果不考慮防護(hù)措施，長(zhǎng)期的粒子輻射就可能造成人體累積劑量超出健康耐受閾值。因此，宇宙線的空間輻射防護(hù)是載人飛行(特別是深空飛行)過(guò)程中，需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

航天器飛行過(guò)程中，遭受到的宇宙線粒子包括兩部分：太陽(yáng)宇宙線和銀河宇宙線。太陽(yáng)宇宙線是太陽(yáng)爆發(fā)過(guò)程釋放出來(lái)的大量高能帶電粒子流，也被稱之為太陽(yáng)質(zhì)子事件，呈現(xiàn)出以太陽(yáng)為中心的放射狀。銀河宇宙線則是來(lái)自于銀河系的高能帶電粒子，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離的空間相互的調(diào)制作用，基本上呈現(xiàn)出各向同性特點(diǎn)。

載人長(zhǎng)期深空飛行遭受的粒子輻射問(wèn)題，自人們了解到太空充滿輻射粒子就開(kāi)始關(guān)注了。美國(guó)及其它航天大國(guó)持續(xù)地開(kāi)展著各類可以偏轉(zhuǎn)或吸收粒子的防護(hù)方法和措施的研究，包括靜電高壓偏轉(zhuǎn)防護(hù)、磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)防護(hù)及等離子體偏轉(zhuǎn)防護(hù)等[7-10]，并且磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)也提出了緊湊型結(jié)構(gòu)和散列型結(jié)構(gòu)。

本文具體分析了深空飛行過(guò)程所遭受的輻射環(huán)境及劑量危害，比較了幾種不同類型在軌防護(hù)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，然后優(yōu)選出磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)的防護(hù)法，并對(duì)載人探測(cè)火星防護(hù)需要指標(biāo)進(jìn)行了仿真計(jì)算，據(jù)此方法可以將造成輻射危害的宇宙線通量降低10%以上，而太陽(yáng)宇宙線甚至可降低3個(gè)數(shù)量級(jí)。

2 深空飛行輻射粒子特性

運(yùn)行于行星際的航天器將遭受的兩類宇宙線具有不同來(lái)源和特性，太陽(yáng)宇宙線相對(duì)運(yùn)行距離“較短”而殘存著方向性，銀河宇宙線行程“長(zhǎng)距離”由于各類相互作用而最終形成各向同性。

太陽(yáng)宇宙線能夠進(jìn)入航天器艙體對(duì)航天員構(gòu)成危險(xiǎn)的主要是30 MeV以上的高能粒子，這些粒子先受到太陽(yáng)耀斑地加速，爾后受到太陽(yáng)風(fēng)磁場(chǎng)約束驅(qū)動(dòng)飛行[8-9]。太陽(yáng)風(fēng)速度在200～800 km/s之間變化，凍結(jié)的磁力線較為穩(wěn)定，在黃道面內(nèi)與日地連線夾角變化為幾十度或更小的垂直分量。通常與地球軌道夾角為45°，而火星軌道夾角為30°，如圖1所示，構(gòu)成阿基米德螺旋線隨著太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)。角度隨著時(shí)間變化較為緩慢，通常為小時(shí)或者天量級(jí)的變化。高能帶電粒子順著拖拽磁場(chǎng)運(yùn)行，與磁力線的夾角也依著能量不同而改變。

圖1 太陽(yáng)爆發(fā)帶電粒子在行星際的運(yùn)行軌跡Fig.1 Energetic solar cosmic rays spiraling around lines of interplanetary magnetic field

太陽(yáng)耀斑爆發(fā)可以導(dǎo)致太陽(yáng)質(zhì)子事件的粒子通量迅速增加，在數(shù)小時(shí)相同能段內(nèi)可以增長(zhǎng)到相對(duì)于背景銀河宇宙線的104倍以上，并持續(xù)數(shù)天。在太陽(yáng)平靜時(shí)期，就可以觀測(cè)到背景銀河宇宙線，而當(dāng)太陽(yáng)爆發(fā)觀測(cè)到輻射粒子通量急劇增加。圖2給出國(guó)際監(jiān)測(cè)平臺(tái)-4(International Mornitoring Platform-4,IMP-4)在地球靜止軌道觀測(cè)到的高能粒子通量比值變化[10]，輻射粒子通量采用年度積分，顯示太陽(yáng)質(zhì)子事件的高能粒子通量大于銀河宇宙線的高能粒子通量。

圖2中橫虛線表示宇宙線的輻射粒子總通量與從20～80 MeV范圍的通量的比值，這項(xiàng)比值相對(duì)變化比較??；而圖2中顯示IMP-4發(fā)射以后統(tǒng)計(jì)到的太陽(yáng)質(zhì)子事件粒子總通量持續(xù)地比背景宇宙線的通量高，上升和下降曲線表示的是探測(cè)器觀測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的開(kāi)始和結(jié)束過(guò)程。

在第22～23太陽(yáng)活動(dòng)周(1986-2008年)期間的180次太陽(yáng)質(zhì)子事件中質(zhì)子通量數(shù)據(jù)觀測(cè)統(tǒng)計(jì)分析表明，其中質(zhì)子事件的持續(xù)時(shí)間從幾十分鐘到幾天不等，大約有69%的質(zhì)子事件持續(xù)時(shí)間維持在2天以內(nèi)，大約有52%的持續(xù)時(shí)間維持在1天以內(nèi)，持續(xù)時(shí)間達(dá)到5天以上的有15次[12]。

采用Spenvis網(wǎng)站提供的計(jì)算軟件，利用銀河宇宙線CRME-96模型，計(jì)算了載人飛船在行星際不受地球磁場(chǎng)防護(hù)的銀河宇宙線的氫、氦及鐵核離子的積分能譜分布，銀河宇宙線的帶電粒子譜相對(duì)較硬，高能質(zhì)子豐度占了總的85%～90%，而氦核占了約10%，其余重離子占比較小。利用太陽(yáng)質(zhì)子事件的ESP-PSYCHIC惡劣模型，計(jì)算出了不受地球磁場(chǎng)防護(hù)的情況下太陽(yáng)活動(dòng)高年期的1年內(nèi)太陽(yáng)宇宙線的空間氫、氦及鐵核離子的總能譜分布，相對(duì)于銀河宇宙線的能量較低，但是單次通量較大。將兩類宇宙線的粒子能譜進(jìn)行比較，如圖3所示。

圖2 IMP-4衛(wèi)星觀測(cè)太陽(yáng)質(zhì)子事件與銀河宇宙線

圖3 深空飛行過(guò)程遭受的宇宙線能譜
Fig.3 Interplanetary cosmic rays spectrum

深空飛行遭受到的銀河宇宙線能譜寬且硬，而太陽(yáng)質(zhì)子事件粒子能譜較窄且較軟，太陽(yáng)質(zhì)子事件較容易屏蔽，因而太陽(yáng)質(zhì)子事件造成的危害防護(hù)效果更明顯。

3 深空飛行的輻射生物危害

深空飛行生物將遭受到包括粒子輻射、失重、弱磁及心理適應(yīng)多重危害，而粒子輻射危害將是需要考慮的重要部分。

空間輻射粒子對(duì)于人體的危害主要是輻射生物劑量效應(yīng)，粒子通過(guò)電離輻射造成生物DNA分子的單鏈或雙鏈斷裂，導(dǎo)致生物細(xì)胞受到傷害。其表現(xiàn)可以分為早期效應(yīng)和遠(yuǎn)期效應(yīng)兩類，對(duì)人體危害最大的為遠(yuǎn)期效應(yīng)。早期效應(yīng)可引起惡心嘔吐、腹瀉、便血、脫水及休克等急性反應(yīng)，甚至導(dǎo)致死亡；遠(yuǎn)期效應(yīng)會(huì)對(duì)人體造成諸如癌癥、中樞神經(jīng)損傷以及遺傳后代等危害。

針對(duì)輻射生物劑量效應(yīng)對(duì)航天人員的危害，輻射劑量分析的關(guān)鍵指標(biāo)主要包括組織器官的吸收劑量、劑量當(dāng)量及有效劑量。美、歐及日本等國(guó)都制定了各自的危害限值標(biāo)準(zhǔn)[3]，重點(diǎn)關(guān)注人體內(nèi)的3項(xiàng)敏感器官劑量當(dāng)量：骨髓、晶狀體及皮膚。美國(guó)輻射防護(hù)與測(cè)量委員會(huì)(NCRP)依據(jù)低軌道空間站制定了的輻射劑量不同暴露時(shí)間限值標(biāo)準(zhǔn)如表1和表2所示[12]。

表1 不同輻射暴露時(shí)間不同組織器官耐受的劑量當(dāng)量限值

表2 長(zhǎng)期暴露人員致死癌癥風(fēng)險(xiǎn)為3%的職業(yè)劑量當(dāng)量限值

美國(guó)2011年發(fā)射的“火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”(MSL)的輻射評(píng)估探測(cè)儀(Radiation Assessment Detector,RAD)觀測(cè)結(jié)果顯示：航天員由地球至火星往返旅程不采取屏蔽下將可能遭受0.926 Sv輻射劑量[14]，接近、甚至超過(guò)了表2所給出的某些年齡段的職業(yè)航天員的輻射限值，而造成罹患致死癌癥的概率增加3%。

考慮人體健康風(fēng)險(xiǎn)，心理因素也是設(shè)計(jì)防護(hù)需要考慮的。航天員身體狀態(tài)保持與所承擔(dān)任務(wù)時(shí)間、艙室大小都相關(guān)。載人航天器的設(shè)計(jì)優(yōu)化程度、性能限值及耐受度都受到與其執(zhí)行任務(wù)時(shí)間的約束。執(zhí)行較長(zhǎng)時(shí)間的任務(wù)就需要比執(zhí)行較短任務(wù)的艙室要大，執(zhí)行探測(cè)火星任務(wù)的載人艙室就要比探測(cè)月球任務(wù)的載人艙室要大[15]。

4 空間粒子輻射防護(hù)原理

深空飛行的航天人員輻射防護(hù)須針對(duì)各個(gè)方面采取措施：屏蔽防護(hù)、選用合適藥物、選擇最佳飛行時(shí)間及設(shè)置太陽(yáng)粒子事件預(yù)警系統(tǒng)。其中選用合適藥物、選擇最佳飛行時(shí)間及建立太陽(yáng)粒子事件預(yù)警系統(tǒng)三個(gè)方面是在任務(wù)運(yùn)行管理系統(tǒng)的防護(hù)層面，而屏蔽防護(hù)是針對(duì)航天器防護(hù)設(shè)計(jì)層面，屏蔽防護(hù)也可以分為主動(dòng)屏蔽和被動(dòng)屏蔽。

4.1 被動(dòng)吸收屏蔽

被動(dòng)屏蔽主要是以深空航天器、著陸器及航天服的結(jié)構(gòu)材料或其他防輻射材料構(gòu)成，利用材料與粒子相互作用消減粒子能量并被材料吸收。但是隨著需要屏蔽的質(zhì)子能量不斷增加，材料吸收粒子能量與其深入路徑成正比，需要耗費(fèi)材料的厚度和質(zhì)量也將不斷增加。被動(dòng)屏蔽技術(shù)簡(jiǎn)單、可靠性高、造價(jià)低廉，缺點(diǎn)是笨重、發(fā)射成本高，同時(shí)在吸收粒子過(guò)程中又會(huì)產(chǎn)生次級(jí)粒子和光子輻射[16]。

圖4 不同能量粒子吸收材料的厚度和面密度Fig.4 Depth and areal density of absorbing material

如圖4所示，由粒子輸運(yùn)計(jì)算工具(TRIM)計(jì)算給出吸收不同能量質(zhì)子所需要的鋁、鐵及鉛作為防護(hù)材料的資源需求，隨著質(zhì)子能量增加，各種防護(hù)材料質(zhì)量急劇增加。鋁厚度增加最迅速，而鉛增加最慢。雖然鉛吸收厚度小，由于其密度大而導(dǎo)致質(zhì)量增加大，當(dāng)需要吸收500 MeV的質(zhì)子時(shí)甚至達(dá)到了1 917.2 kg/m2的面密度。

由圖4顯示及前文分析，航天器如果完全采用被動(dòng)防護(hù)方法則資源需求極大，因此須考慮結(jié)合其他諸如磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)、電場(chǎng)消解等主動(dòng)防護(hù)方法進(jìn)行聯(lián)合防護(hù)。

4.2 主動(dòng)屏蔽防護(hù)

主動(dòng)屏蔽防護(hù)方法是指利用諸如靜電場(chǎng)、靜磁場(chǎng)或等離子體等偏轉(zhuǎn)驅(qū)離或吸能驅(qū)離空間帶電輻射粒子進(jìn)行防護(hù)，使輻射粒子偏離深空飛行的人類駐留艙體。主動(dòng)屏蔽缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操控難度大，但優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量小、發(fā)射成本相對(duì)較低[15]。

1)電場(chǎng)屏蔽

電場(chǎng)驅(qū)離輻射粒子指在航天器周圍產(chǎn)生電場(chǎng)，利用電場(chǎng)對(duì)輻射粒子的電場(chǎng)力使其能量降低，從而降低碰撞航天器的能量，以降低對(duì)航天器構(gòu)成的危害。

空間電場(chǎng)與作用力及斥力做功的關(guān)系如下：

F=qE

(1)

式中：F是輻射粒子受到電場(chǎng)偏轉(zhuǎn)力；q是輻射粒子電荷量;E是航天器周圍電場(chǎng)分布強(qiáng)度。

W=∫q·Eds

(2)

式中：W是輻射粒子消耗的能量，s是電荷運(yùn)動(dòng)軌跡。

電場(chǎng)屏蔽需要在航天器的外部架設(shè)大型結(jié)構(gòu)，由導(dǎo)線、電極及支架構(gòu)成，導(dǎo)線與電極和航天器電氣系統(tǒng)連接，支架用于支撐并隔離導(dǎo)線、電極，電氣系統(tǒng)對(duì)電極進(jìn)行高壓加載，電極暴露在空間并于空間等離子體環(huán)境間形成大面積電場(chǎng)分布，如圖5所示。

圖5 航天器高壓電極及偏轉(zhuǎn)粒子Fig.5 Spacecraft HV electrostatic electrodes

如果驅(qū)離100MeV量級(jí)的輻射粒子，則用于產(chǎn)生電場(chǎng)的電極長(zhǎng)度將在100m量級(jí)，電極的電壓將需要加載到MV量級(jí)，須耗費(fèi)大量電源進(jìn)行維持[15]。

2)磁場(chǎng)屏蔽

磁場(chǎng)驅(qū)離輻射粒子方法指在航天器周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，對(duì)輻射粒子產(chǎn)生的洛侖茲力使得其運(yùn)動(dòng)方向改變，從而降低威脅程度，這種方法猶如地球磁場(chǎng)對(duì)于宇宙線等的屏蔽防護(hù)。根據(jù)磁場(chǎng)構(gòu)成形式，又可以分為緊湊型磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)、稀疏型磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，或平面型和立體型，等。

空間輻射帶電粒子與磁場(chǎng)之間的洛侖茲力的關(guān)系式如下：

F=qv×B

(3)

式中：v是空間帶電粒子速度；B是周圍線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

稀疏型磁場(chǎng)構(gòu)型通常借鑒地磁場(chǎng)的偶極型磁場(chǎng)對(duì)帶電粒子作用斯篤默模型，磁場(chǎng)對(duì)于輻射粒子的驅(qū)離能力可以采用斯篤默半徑描述，在偶極型磁場(chǎng)作用下存在著以偶極場(chǎng)軸為軸的同心環(huán)，如圖6所示，顯示磁場(chǎng)對(duì)輻射粒子屏蔽，特征值的表達(dá)式如下。

(4)

式中：Cst為斯篤默特征值；M為磁場(chǎng)磁矩;μo為磁導(dǎo)率常數(shù)；p為輻射粒子動(dòng)量。

圖6 航天器周圍線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)并偏轉(zhuǎn)帶電粒子Fig.6 Magnet field around a spacecraft current coil

磁場(chǎng)屏蔽需要在航天器外部架設(shè)大型結(jié)構(gòu)，由導(dǎo)線及支架構(gòu)成，導(dǎo)線和航天器電氣系統(tǒng)連接，支架用于支撐并隔離導(dǎo)線，導(dǎo)線內(nèi)加載電流從而產(chǎn)生磁場(chǎng)。由于常規(guī)導(dǎo)線內(nèi)電阻存在導(dǎo)致熱功耗會(huì)非常的大，因此需要盡可能地采用超導(dǎo)體材料構(gòu)成導(dǎo)線，從而降低對(duì)電氣系統(tǒng)的功耗。

3)等離子體屏蔽

等離子體屏蔽方法也屬于磁場(chǎng)屏蔽，但磁場(chǎng)設(shè)計(jì)成繞著軸線旋轉(zhuǎn)，同時(shí)在航天器周圍釋放等離子體疊加磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)，在與太陽(yáng)風(fēng)等離子體作用形成“迷你”磁層，由于等離子體地流動(dòng)而形成類似環(huán)電流結(jié)構(gòu)，附加地增強(qiáng)磁場(chǎng)，“迷你”磁層及其磁場(chǎng)對(duì)高能帶電粒子進(jìn)行調(diào)制從而實(shí)現(xiàn)對(duì)高能粒子進(jìn)行偏離，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)航天器的防護(hù)[21]。

等離子體屏蔽不需要在航天器外部架設(shè)大型結(jié)構(gòu)，只需要基本旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，但需要安裝有大型等離子體產(chǎn)生和噴射的裝置，從而極大地降低結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度。等離子體產(chǎn)生裝置需要消耗工質(zhì)和電能，用于實(shí)現(xiàn)噴射等離子體產(chǎn)生電流環(huán)。

4)屏蔽方式比較

3種不同主動(dòng)屏蔽方式比較如表3所示，采用電源作為主動(dòng)控制，采用大尺度構(gòu)型作為支撐，對(duì)資源供應(yīng)提出了新要求，包括電源供應(yīng)、大型架構(gòu)制造或者大型等離子體發(fā)生器，以及飛行過(guò)程中的導(dǎo)航與控制等。

表3 3種屏蔽方式對(duì)比

5 載人火星探測(cè)的磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)防護(hù)

火星是離地球最近的太陽(yáng)系行星，也是人類了解最多和將來(lái)最有可能深空飛行后登陸的行星，載人火星探測(cè)任務(wù)依據(jù)策略不同總飛行時(shí)間為350～562天[22]。如果不采取專門防護(hù)而只采用低地球軌道載人航天器類似屏蔽措施，在整個(gè)飛行中遭受輻射劑量總值將會(huì)接近、甚至超出人體承受限值[14]。

載人火星飛行階段利用磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)屏蔽是防護(hù)措施之一，采用稀疏磁場(chǎng)屏蔽，利用環(huán)繞航天器艙體同心圓環(huán)導(dǎo)線束內(nèi)電流流動(dòng)產(chǎn)生以航天器為軸的偶極性磁場(chǎng)。利用偶極性磁場(chǎng)對(duì)空間輻射粒子進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，保護(hù)位于偶極軸內(nèi)的航天人員。磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)防護(hù)設(shè)計(jì)除了給出線圈大小滿足載人艙室的防護(hù)，另外還需要給出質(zhì)量最優(yōu)評(píng)估。

如圖7所示，為保護(hù)載人航天艙室半徑12 m、線圈半徑為2 km，利用磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)掉空間輻射粒子中的各種能量質(zhì)子、氦核及鐵核的線圈內(nèi)所需要電流。偏轉(zhuǎn)的粒子能量越高，所需電流也將越多。當(dāng)偏轉(zhuǎn)200 MeV的質(zhì)子情況下，線圈內(nèi)需要電流為1600 A；而當(dāng)需要屏蔽掉200 MeV的鐵核，則需要的電流更大。

如圖8所示，為載人航天艙室半徑12 m的設(shè)計(jì)約束下，至少屏蔽掉200 MeV的質(zhì)子、氦核及鐵核3種輻射粒子需求下，磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)輻射粒子中的質(zhì)子、氦核及鐵核3種的設(shè)置不同線圈環(huán)繞半徑時(shí)所需要的電流強(qiáng)度，環(huán)繞半徑越小則需要的電流也將越大。當(dāng)線圈環(huán)繞半徑為2 km時(shí)，屏蔽氦核內(nèi)需要電流為1300 A；而質(zhì)子、鐵核則需要電流更大。

當(dāng)線圈環(huán)繞半徑不斷增加，則產(chǎn)生磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)所需要的電流需求不斷減小，而線圈總質(zhì)量也在不斷減小，但是減小到一定程度總質(zhì)量便開(kāi)始增加而不減少，如圖8所示，總質(zhì)量的最小值就出現(xiàn)在2.04 km處的2240 kg。

圖7 屏蔽各種能量輻射粒子所需線圈的電流強(qiáng)度和總質(zhì)量
Fig.7 Coils current density and total mass when particle need to be shielded

圖8 偏轉(zhuǎn)200 MeV輻射粒子的線圈內(nèi)電流強(qiáng)度及其總質(zhì)量
Fig.8 Coils current density and total mass when 200MeV particles need to be deflected

如第4.2節(jié)所述，宇宙線粒子隨著能量增加通量將減少，因此通過(guò)采用磁場(chǎng)防護(hù)措施偏轉(zhuǎn)掉帶電粒子，從而降低大量的宇宙線粒子進(jìn)入載人飛船的人員駐留區(qū)域。如圖9所示為空間宇宙線在經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)后，可以進(jìn)入到載人艙的200 MeV以上能量的宇宙線離子1年的能譜分布。相對(duì)于背景宇宙線的通量而言，銀河宇宙線通量降低超過(guò)10%，太陽(yáng)質(zhì)子事件粒子通量可降低3個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖9 宇宙線經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)以后的粒子能譜Fig.9 Particle spectrum after cosmic rays deflected by magnetic shielding

6 結(jié)束語(yǔ)

載人深空飛行登陸其他星球是人類一直以來(lái)的夢(mèng)想，但空間粒子輻射可能對(duì)人體產(chǎn)生的各種輻射生物學(xué)危害是在規(guī)劃任務(wù)及執(zhí)行任務(wù)中需要重點(diǎn)關(guān)注，亟需研究相應(yīng)方法措施加以防護(hù)。本文就空間輻射危害及其防護(hù)措施、被動(dòng)防護(hù)和主動(dòng)防護(hù)不同優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，并重點(diǎn)就磁場(chǎng)防護(hù)進(jìn)行了討論。

針對(duì)磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)防護(hù)開(kāi)展了初步分析和數(shù)值仿真，分析表明磁偏轉(zhuǎn)可以給深空飛行的輻射劑量危害提供防護(hù)，然而在航天任務(wù)實(shí)際執(zhí)行過(guò)程中需要涉及到多方面工程因素，本文磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)防護(hù)研究可為后續(xù)工程設(shè)計(jì)開(kāi)展提供參考。

隨著我國(guó)自主火星探測(cè)等深空飛行任務(wù)的展開(kāi)，載人深空探測(cè)將成為包括我國(guó)在內(nèi)的人類的重要航天路線，建議我國(guó)在規(guī)劃論證、航天器研制及后期運(yùn)營(yíng)的各個(gè)階段均需要考慮空間粒子輻射對(duì)于載人航天任務(wù)所造成的危害影響，需要深入研究除被動(dòng)防護(hù)以外的各類主動(dòng)防護(hù)方法和措施，特別是在深空飛行過(guò)程由于不存在像地球空間的地磁防護(hù)下，空間寬譜段宇宙線將直接作用于航天器和人員。對(duì)于深空航行的主動(dòng)防護(hù)，需要綜合考慮防護(hù)效果和發(fā)射質(zhì)量、功耗等參數(shù)，需要根據(jù)具體的載人航天器的任務(wù)約束條件設(shè)計(jì)各類防護(hù)參數(shù)。

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(編輯：張小琳)

Magnetic Shielding for Long Duration Human Interplanetary Mission

YANG Chuibai1ZHANG Binquan1XUE Yanjie2CAO Guangwei1LIANG Jinbao1ZHANG Shenyi1

(1 National Space Science Center,CAS,Beijing 100190,China)(2 Shenyang Entry-exit Inspection and Quarantine Bureau,Shenyang 110016,China)

In this paper，the deep space flight radiation environment, such as galaxy cosmic ray (GCR) and solar proton event (SPE), and the radiation personnel harm are analyzed. The flight personnel radiation tolerance value and the requirements of radiation protection are analyzed too. Some radiation protection methods, such as magnetic defection, plasma defection and electric field absorb, for human deep space flight are introduced and compared. The preliminary analysis and numerical simulation of the protection method for human exploration of Mars has been carried out. The results show that deflection of proton below 200MeV requires 2.04km coil radius, 2240kg coil mass, and 1600A coil current. By using the method of magnetic deflection, the cosmic ray particle flux entering the cabin can be less than 10%, while the particle flux of the solar proton events decreases 3 orders of magnitude, which will greatly reduce the harm caused by space particle radiation on flight personnel. This result can serve as a reference for human deep space flight project planning, design of human interplanetary spacecraft and spacesuit, and the development of protective measures.

human fight;radiation particles;radiation hazard;magnetic shielding

2015-07-24；

2016-11-09

國(guó)家自然科學(xué)基金(410404149)

楊垂柏，男，副研究員，從事空間環(huán)境及效應(yīng)危害研究。Email:ycb@tiamotech.com。

V520.6

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2016.06.017