模擬載人探月中航天員空間輻射風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

趙 磊 ，郭 祎祎，宓 東， 孫野青

（1.大連海事大學(xué) 環(huán)境系統(tǒng)生物學(xué)研究所；2.大連海事大學(xué) 物理系：大連 116026）

模擬載人探月中航天員空間輻射風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

趙 磊1，郭 祎祎1，宓 東2， 孫野青1

（1.大連海事大學(xué) 環(huán)境系統(tǒng)生物學(xué)研究所；2.大連海事大學(xué) 物理系：大連 116026）

空間輻射是長(zhǎng)期載人航天飛行任務(wù)中影響航天員健康的重要風(fēng)險(xiǎn)因素。為了探求載人探月過(guò)程中對(duì)空間輻射的合理防護(hù)方式，文章借助空間輻射場(chǎng)模型對(duì)“嫦娥三號(hào)”飛行任務(wù)在不同質(zhì)量厚度材料屏蔽下的艙內(nèi)空間輻射環(huán)境進(jìn)行了仿真計(jì)算，并確定了航天員各器官接受的空間輻射劑量、劑量當(dāng)量以及有效劑量等輻射防護(hù)量以進(jìn)行輻射風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。結(jié)果表明，隨著屏蔽厚度的增加，航天員的各組織或器官的吸收劑量和劑量當(dāng)量以及有效劑量均明顯降低；采用質(zhì)量屏蔽的方法對(duì)低于100 MeV的質(zhì)子具有很好的防護(hù)效果，但對(duì)高能質(zhì)子或重離子的防護(hù)效果不明顯。計(jì)算和分析顯示，載人探月過(guò)程中，只要采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施，航天員的空間輻射風(fēng)險(xiǎn)是可控的。

載人探月；航天員；空間輻射；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；輻射防護(hù)；材料屏蔽

0 引言

我國(guó)的探月工程采取“繞、落、回”三步走的發(fā)展戰(zhàn)略，計(jì)劃于 2020年前完成[1]。相比于無(wú)人月球探測(cè)任務(wù)，載人探月任務(wù)重點(diǎn)圍繞“去、登、駐、用、回”以及“人”等方面進(jìn)行研究，其中，“人”是載人探月任務(wù)的核心[2]。因此，確?！叭恕痹谡麄€(gè)任務(wù)期間的健康和安全成為首先要面對(duì)的問(wèn)題[3]。

空間輻射是長(zhǎng)期在軌飛行或?qū)嶋H在軌生存作業(yè)過(guò)程中影響航天員健康的主要因素之一[4]。美國(guó)航空航天局認(rèn)為，空間輻射將有可能成為人類深空探測(cè)中的最大限制因素[5]。載人探月時(shí)，由于失去了地磁場(chǎng)的保護(hù)，航天器將直接暴露在銀河宇宙射線（GCR）和太陽(yáng)粒子事件（SPE）等深空輻射環(huán)境中[6-9]。GCR是來(lái)自太陽(yáng)系之外的帶電粒子流，主要由質(zhì)子、α粒子、電子和高能重離子組成。重離子在GCR中通量較低，但其一般具有較高的傳能線密度（LET）。SPE是一種潛在的輻射危險(xiǎn)源，其發(fā)生具有隨機(jī)性且頻率和強(qiáng)度與太陽(yáng)活動(dòng)周期有關(guān)：在太陽(yáng)活動(dòng)高年，發(fā)生SPE的可能性較大[5]。SPE主要含有大量的質(zhì)子，其能量范圍為 10～1000 MeV。深空輻射環(huán)境的強(qiáng)度要比低地球軌道輻射環(huán)境高1個(gè)數(shù)量級(jí)甚至更多，可能會(huì)增加航天員患各種疾?。ㄈ绨┌Y、中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷、白血病、白內(nèi)障、生殖功能障礙、心臟病和退行性疾病等）的風(fēng)險(xiǎn)，威脅航天員的健康與安全[10]。

目前對(duì)于載人深空探測(cè)任務(wù)的空間防護(hù)，國(guó)際上一般采用被動(dòng)防護(hù)的方式，即使用一定質(zhì)量厚度材料屏蔽的方法來(lái)降低航天員接受的劑量，從而盡可能地減少輻射危害[11]。這種增加艙體厚度的方法可以在一定程度上降低輻射劑量[12]，但對(duì)于含有高能重離子的GCR，其防護(hù)效果并不理想[13]。而且，高能重離子與艙體屏蔽材料發(fā)生相互作用，可產(chǎn)生大量的次級(jí)粒子，如反沖質(zhì)子、次級(jí)中子和軔致輻射等[14]，這些次級(jí)粒子一般具有較強(qiáng)的生物學(xué)效應(yīng)，對(duì)總劑量或者劑量當(dāng)量也有重要的貢獻(xiàn)[5]。對(duì)于SPE的防護(hù)，Townsend等假設(shè)飛行中遇到大型的SPE，同時(shí)具有1972年8月發(fā)生的SPE（歷史上觀測(cè)到的注量最大的SPE）的通量和1959年2月發(fā)生的SPE（歷史上觀測(cè)到的能譜硬度最大的SPE）的能譜，在2和20g/cm2的鋁屏蔽厚度條件下，發(fā)現(xiàn)造血器官的吸收劑量分別可達(dá)4.40和2.62 Sv[15]。這樣的輻射劑量甚至?xí)鸫_定性輻射損傷，直接威脅航天員的生命安全。在上述 SPE發(fā)生的情況下，要使航天員接受的空間輻射劑量值控制在0.45 Sv以內(nèi)，鋁屏蔽厚度需要達(dá)到50g/cm2[16]。由于航天器載荷質(zhì)量的限制，屏蔽厚度的增加會(huì)使發(fā)射成本高昂。

本文借助空間輻射場(chǎng)模型對(duì)“嫦娥三號(hào)”飛行任務(wù)進(jìn)行不同質(zhì)量厚度材料屏蔽下艙內(nèi)空間輻射環(huán)境仿真計(jì)算，并進(jìn)一步模擬粒子在航天員體內(nèi)的輸運(yùn)過(guò)程，對(duì)航天員各器官接受的空間輻射劑量、劑量當(dāng)量以及有效劑量等輻射防護(hù)量進(jìn)行預(yù)估。

1 模型與方法

1.1 空間輻射場(chǎng)模型

空間電離輻射場(chǎng)模型主要提供GCR和SPE粒子的能量分布和空間分布，這是計(jì)算不同厚度屏蔽下艙內(nèi)輻射環(huán)境和航天員各器官接受的輻射量的基礎(chǔ)。本文采用中國(guó)科學(xué)院空間中心空間環(huán)境研究室研發(fā)的空間環(huán)境效應(yīng)仿真分析軟件[17]，仿真計(jì)算載人探月過(guò)程中的艙外空間輻射環(huán)境，主要包括GCR和SPE中不同原子序數(shù)（1～92）粒子的微分和積分能譜等。該軟件嵌套的銀河宇宙射線模型和太陽(yáng)質(zhì)子事件模型，其預(yù)言與實(shí)際測(cè)量結(jié)果符合較好，且相對(duì)于國(guó)際上其他通用模型（如Cosmic Ray Effects on Micro-Electronics 96，CRèME 96[18]等）可輸出更多有價(jià)值的信息。

本文采用“嫦娥三號(hào)”的軌道參數(shù)。2013年12月1日17:30（Coordinated Universal Time, UTC，下同）“嫦娥三號(hào)”探測(cè)器于西昌發(fā)射場(chǎng)發(fā)射后直接進(jìn)入奔月軌道，12月6日9:53進(jìn)入月球軌道，12月14日01:00左右著陸月球表面。本文擬假定的任務(wù)周期為30 d，也就是到2013年12月31日17:30為止。根據(jù)美國(guó)國(guó)家海洋和大氣局空間環(huán)境服務(wù)中心發(fā)布的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在該任務(wù)期內(nèi)的12月28日21:50至23:15內(nèi)，發(fā)生一次SPE，其大于10 MeV的質(zhì)子流量為29 pfu（p·cm-2·sr-1·s-1），有關(guān)詳情可參見(jiàn)網(wǎng)站http://umbra.nascom.nasa.gov/SEP/。

1.2 載人航天器質(zhì)量厚度分布模型

國(guó)際上經(jīng)常采用的質(zhì)量厚度分布模型的建立方法主要包括計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)建模法和射線實(shí)驗(yàn)法[19]。由于航天器體積龐大，無(wú)論用哪種方法都會(huì)使問(wèn)題都過(guò)于復(fù)雜，所以本文選用球形艙壁作為載人航天器簡(jiǎn)化模型。

載人航天器一般采用鋁、聚乙烯、水等輻射防護(hù)能力已知的屏蔽材料，其質(zhì)量厚度一般都大于1g/cm2?？紤]載人航天器艙體載荷及耗資等因素制約，本文選取鋁作為艙壁材料。此外，載人航天任務(wù)中，一般將材料分成3個(gè)等級(jí)：1）航天服等級(jí)，等效鋁質(zhì)量厚度為1g/cm2；2）航天器屏蔽等級(jí)，等效鋁質(zhì)量厚度為5g/cm2，屏蔽材料薄時(shí)為2g/cm2；3）高屏蔽等級(jí)，等效鋁質(zhì)量厚度為10～50g/cm2，該屏蔽厚度一般用于防護(hù)大型 SPE對(duì)航天員造成的損傷或危害[20]。因此，本研究設(shè)置了8種不同厚度的等效鋁材料屏蔽，分別為 0、1、2、5、10、25、50和100g/cm2。這種簡(jiǎn)化的等效策略可以大致模擬載人航天器的質(zhì)量厚度分布，其中，0g/cm2表示沒(méi)有屏蔽材料防護(hù)，即艙外暴露的情況。

1.3 數(shù)字化人體模型

人體輻射劑量的計(jì)量是輻射防護(hù)領(lǐng)域的一個(gè)研究重點(diǎn)，目前人體組織或器官的輻射劑量一般通過(guò)模擬計(jì)算得到。而數(shù)字化人體模型是輻射劑量模擬計(jì)算中重要的組成部分[21]，其構(gòu)造方法主要有數(shù)學(xué)模型和體素模型[22]。數(shù)學(xué)模型是指將人體抽象成若干簡(jiǎn)單幾何體的組合，這種模型最早由美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室建立，迄今已建立了很多類似且更符合真實(shí)解剖結(jié)構(gòu)的模型[21]。體素模型是指把人體劃分為大量的小體積單元（體素），通過(guò)核磁共振成像、計(jì)算機(jī)斷層掃描或切割斷層圖片得到各體素所屬的組織器官，依此建立數(shù)字化人體解剖結(jié)構(gòu)[23]。由于數(shù)學(xué)模型的局限，近些年來(lái)，研究人員更加關(guān)注體素模型的研究。為了能夠更加準(zhǔn)確地計(jì)算中國(guó)人的不同組織器官受輻射后的劑量值，國(guó)內(nèi)在建立中國(guó)人體素模型方面已取得了一些重要的進(jìn)展[21,24]。

本文采用清華大學(xué)工程物理系建立的體素模型[24]，它包括中國(guó)成年男性參考人體素模型（Chinese reference adult male voxel model, CRAM）和中國(guó)成年女性參考人體素模型（Chinese reference adult female voxel model, CRAF）。以CRAM為例，這是基于中國(guó)成年男性體素模型的彩色照片數(shù)據(jù)集所建立，該男性身高170 cm，體重65 kg[25]。CRAM采用了1 mm厚度切片（調(diào)整后體模橫向水平分辨率為1.741 mm × 1.741 mm），共計(jì)1759個(gè)斷層來(lái)建立男性初始體素模型，劃分出80個(gè)不同組織或器官，包含了超過(guò)6 × 109個(gè)體素。需要指出的是，CRAM和CRAF劃分出的組織或者器官并不是一一對(duì)應(yīng)的，部分組織或者器官只有在特定的數(shù)字模型中才能識(shí)別出來(lái)，具體可參考文獻(xiàn)[24]。該模型結(jié)合粒子輸運(yùn)程序，可用于評(píng)估人體受空間輻射的劑量，適合于中國(guó)人的輻射防護(hù)實(shí)際工作[25]。

1.4 空間輻射劑量的計(jì)算方法

本文中空間輻射劑量的計(jì)算參考了張斌全等[26]所述的方法進(jìn)行。計(jì)算的基本過(guò)程為：通過(guò)隨機(jī)抽樣，把抽出粒子的位置、方向、能量和原子序數(shù)等信息作為輸入，計(jì)算粒子穿過(guò)人體數(shù)字模型各體素時(shí)的LET和輻射品質(zhì)因數(shù)，進(jìn)一步得到粒子在各體素中的沉積能量、吸收劑量和劑量當(dāng)量。

假設(shè)粒子在體素內(nèi)穿過(guò)的長(zhǎng)度為 Δd（μm），將其分成n等分（本文中采用n=100），令Δx=Δd/n，那么粒子在體素i內(nèi)沉積的能量ΔEi可表示為

式中Lj表示粒子的LET值。在此基礎(chǔ)上，體素i的吸收劑量Di可表示為

式中mi表示體素i的質(zhì)量。進(jìn)一步，可計(jì)算體素的劑量當(dāng)量Hi，

式中Qi為入射到體素i的粒子的輻射品質(zhì)因數(shù)。

與張斌全等所述的方法[26]不同的是，本文采用Bethe-Bloch公式[27]計(jì)算LET值Lj，并根據(jù)國(guó)際輻射防護(hù)委員會(huì)（International Commission on Radiological Protection, ICRP）60號(hào)出版物[28]定義的品質(zhì)因數(shù)計(jì)算Qi，其具體公式為

然后，對(duì)組織或器官T的所有體素的吸收劑量和劑量當(dāng)量求和，得到組織或器官的吸收劑量DT和劑量當(dāng)量HT。本文采用ICRP 60號(hào)出版物[28]中推薦的組織權(quán)重因數(shù)ωT，對(duì)于ICRP沒(méi)有推薦的器官，采用CRAM和CRAF中的器官的質(zhì)量大小進(jìn)行校正得到。最后，航天員接受的有效劑量（effective dose,E）可表示為

2 結(jié)果與討論

2.1 不同鋁屏蔽厚度下艙內(nèi)空間輻射環(huán)境

本文借助空間輻射場(chǎng)模型對(duì) 30 d的載人探月任務(wù)在不同質(zhì)量厚度鋁材料屏蔽下載人航天器艙內(nèi)空間輻射環(huán)境進(jìn)行仿真計(jì)算。其中，發(fā)射和著陸月球等過(guò)程按照“嫦娥三號(hào)”任務(wù)進(jìn)行，共計(jì)約13 d7.5 h；在月面駐留的時(shí)間約為16 d16.5 h。在進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)，考慮的航天員在月面駐留所接受空間輻射量比空間飛行減少了一半，因?yàn)樵虑虮旧砜商峁?π立體角的防護(hù)層?！版隙鹑?hào)”發(fā)射后直接進(jìn)入奔月軌道，因此本文忽略了地磁捕獲帶輻射對(duì)載人航天器艙內(nèi)空間輻射環(huán)境的影響。經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算，得到質(zhì)子和重離子的微分和積分能譜，如圖1和圖2所示?？梢钥闯?，質(zhì)子和重離子的微分和積分能譜存在很大不同。

圖1 30天模擬載人探月中不同鋁屏蔽厚度下質(zhì)子和重離子的微分能譜Fig.1 Differential energy spectrum of the proton and heavyion radiations under different shielding thicknesses of aluminum in the 30-day simulated mission of the manned lunar exploration

圖2 30天模擬載人探月中不同鋁屏蔽厚度下質(zhì)子和重離子的積分能譜Fig.2 Integral energy spectrum of the proton and heavy-ion radiations under different shielding thicknesses of aluminum in the 30-day simulated mission of the manned lunar exploration

對(duì)于沒(méi)有屏蔽材料防護(hù)的情況，即艙外的空間輻射環(huán)境，質(zhì)子的通量在能量低于10 MeV時(shí)比較穩(wěn)定，約為 107cm2·MeV/n；當(dāng)能量介于 10～100 MeV之間時(shí)，質(zhì)子的通量逐漸下降；當(dāng)能量大于100 MeV時(shí)，質(zhì)子的通量急劇下降（見(jiàn)圖1(a)和圖2(a)）。隨著鋁屏蔽厚度的增加（0～100g/cm2），能量低于100 MeV質(zhì)子的通量明顯下降，且質(zhì)子通量的下降程度與屏蔽厚度直接相關(guān)。這主要由于能量低于100 MeV的質(zhì)子大部分可以被鋁材料屏蔽。而對(duì)于100～450 MeV的質(zhì)子，厚度小于5g/cm2的鋁材料屏蔽效果較差，需要較大的鋁屏蔽厚度降低其通量。對(duì)于能量高于450 MeV的質(zhì)子，增加鋁屏蔽厚度的方式并不能降低其通量，因此達(dá)不到防護(hù)的效果。

從不同鋁屏蔽厚度下重離子的微分和積分能譜（圖1(b)和2(b)）可以看出，對(duì)于艙外空間輻射環(huán)境，重離子的通量明顯低于質(zhì)子通量2個(gè)數(shù)量級(jí)，約為質(zhì)子通量的 1%。與質(zhì)子能譜相同的是，低于100 MeV/n的重離子，在屏蔽厚度小于10g/cm2時(shí)，隨著鋁屏蔽厚度的增加，其通量顯著降低；而當(dāng)屏蔽厚度大于10g/cm2（10～50g/cm2）時(shí)，并未觀察到其通量的明顯降低，這說(shuō)明對(duì)于重離子，并不能單純地靠增加屏蔽材料厚度的方式加以防護(hù)。McCormack等人的計(jì)算結(jié)果表明，在屏蔽厚度小于10g/cm2時(shí)，初級(jí)粒子的劑量貢獻(xiàn)遠(yuǎn)高于次級(jí)粒子；在屏蔽厚度達(dá)到10g/cm2以上時(shí)，初級(jí)和次級(jí)粒子的劑量貢獻(xiàn)就大體相同了[29]。這一計(jì)算結(jié)果與本文的計(jì)算結(jié)果一致，即隨著屏蔽材料厚度增加，其能譜通量并未顯著下降。這主要是由于重離子與材料本身發(fā)生了一系列的核反應(yīng)[14]，產(chǎn)生了次級(jí)輻射，如反沖質(zhì)子、次級(jí)中子和軔致輻射等。此外，不同的屏蔽厚度下，高于350 MeV/n的重離子的通量并未發(fā)生明顯改變，這與質(zhì)子的情況一致，說(shuō)明靠增加屏蔽厚度的物理防護(hù)方式并不能阻擋高能重離子。這主要由于能量高的離子射程一般較大，所以需要研究新型的防護(hù)方式，如新型防護(hù)材料[28]和主動(dòng)防護(hù)設(shè)備[16]等。

總之，在模擬30天載人探月過(guò)程中，不同厚度的鋁材料屏蔽對(duì)重離子的防護(hù)效果不如對(duì)質(zhì)子的防護(hù)效果。也就是說(shuō)，在 SPE發(fā)生時(shí)，可通過(guò)適當(dāng)厚度的材料屏蔽進(jìn)行防護(hù)。一定厚度的材料將阻擋大部分能量低于100 MeV的質(zhì)子輻射，從而減小航天員的急性損傷。而對(duì)于重離子輻射，由于其可能與艙壁材料發(fā)生核反應(yīng)等產(chǎn)生次級(jí)輻射，盡管采取了不同的屏蔽措施，在大于10g/cm2的防護(hù)厚度時(shí)，輻射通量并未顯著改變，高能重離子及次級(jí)粒子將不可避免地進(jìn)入艙內(nèi)，且擊中細(xì)胞后會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的生物學(xué)效應(yīng)（如DNA斷裂[30]和染色體畸變[31]等）。此外，重離子輻射存在累積效應(yīng)，長(zhǎng)時(shí)間低通量的重離子輻射亦可能造成航天員組織器官嚴(yán)重?fù)p傷。因此，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間的載人探月任務(wù)，必須考慮其他方法進(jìn)行高能重離子的防護(hù)，如開(kāi)展生物學(xué)對(duì)抗中輻射防護(hù)劑的研究[32]等。

2.2 航天員組織或器官的吸收劑量

根據(jù)體素模型CRAF和CRAM，以及空間輻射劑量的計(jì)算方法，本文仿真計(jì)算了30天載人探月過(guò)程中不同鋁屏蔽厚度下女性和男性航天員各組織或器官的吸收劑量，其結(jié)果見(jiàn)表1和表2。可以看出，在不同鋁屏蔽厚度下，女性航天員各組織或器官的吸收劑量略微低于男性航天員的對(duì)應(yīng)值?？偟膩?lái)說(shuō)，女性和男性航天員各組織或器官的吸收劑量差異較小，吸收劑量的相對(duì)大小較為一致。因此，下面主要以女性航天員各組織或器官的吸收劑量為例，進(jìn)一步分析不同屏蔽厚度的作用。

表1 基于CRAF計(jì)算30天模擬載人探月過(guò)程中不同鋁屏蔽厚度下女性航天員各組織或器官的吸收劑量Table 1 Absorbed doses of different organ based on CRAF under different shielding thicknesses of aluminum in 30 d simulated manned lunar exploration for female astronaut

表1 （續(xù)）

表2 基于CRAM計(jì)算30天模擬載人探月中不同鋁屏蔽厚度下男性航天員各組織或器官的吸收劑量Table 2 Absorbed doses of different organ based on CRAM under different shielding thicknesses of aluminum in 30 d simulated manned lunar exploration for male astronaut

從表1可以看出，女性航天員的不同組織或者器官的吸收劑量均隨著屏蔽厚度的增加而明顯下降。其中，相比于艙外輻射而言，1g/cm2的鋁屏蔽能使不同組織或器官的吸收劑量降低約 3個(gè)數(shù)量級(jí)。這主要是由于占主要成分的質(zhì)子輻射等可以被屏蔽材料有效阻擋。根據(jù)“阿波羅”系列飛船登月的實(shí)際測(cè)量值，皮膚吸收劑量的最大測(cè)量值為1.27 mGy/d[33]，略高于本文的仿真結(jié)果，這可能是由于仿真的條件和實(shí)際飛船的屏蔽厚度不一樣導(dǎo)致。對(duì)于5g/cm2的鋁屏蔽，不同組織或器官的吸收劑量較1g/cm2的鋁屏蔽下降了約1個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)鋁屏蔽厚度為10～100g/cm2時(shí)，各組織或器官內(nèi)的吸收劑量進(jìn)一步降低。這也說(shuō)明了采取適當(dāng)?shù)钠帘未胧┛捎行Ы档秃教靻T各組織或器官內(nèi)的吸收劑量。

2.3 航天員組織或器官的劑量當(dāng)量

由于空間輻射引起的損傷還與LET有關(guān)，不同LET的輻射品質(zhì)因數(shù)不同[28]，因此需要結(jié)合吸收劑量值計(jì)算分析航天員各組織或器官的劑量當(dāng)量與有效劑量。模擬30天探月過(guò)程中，不同鋁屏蔽厚度下女性和男性航天員各組織或器官的劑量當(dāng)量如圖3和圖4所示。

圖3 基于CRAF計(jì)算30天模擬載人探月中不同鋁屏蔽厚度下女性航天員各組織或器官的劑量當(dāng)量Fig.3 Different dose equivalents based on CRAF under different shielding thicknesses of aluminum in 30 d simulated manned lunar exploration for female astronaut

圖4 基于CRAM計(jì)算30天模擬載人探月中不同鋁屏蔽厚度下男性航天員各組織或器官的劑量當(dāng)量Fig.4 Different dose equivalents based on CRAM under different shielding thicknesses of aluminum in 30 d simulated manned lunar exploration for male astronaut

與吸收劑量的計(jì)算結(jié)果（見(jiàn)表1和表2）類似，從圖3和圖4可以看出，不同厚度鋁屏蔽下各組織或器官的劑量當(dāng)量都分別明顯下降，且性別之間差異不大。

由圖3可見(jiàn)，在艙外暴露的條件下，女性航天員的肺、肌肉、肝、骨、皮膚和腦組織或器官中，劑量當(dāng)量均超過(guò)1 Sv。其中，腦組織中劑量當(dāng)量達(dá)1.623 Sv，超過(guò)美國(guó)輻射防護(hù)與測(cè)量委員會(huì)（National Council for Radiation Protection and Measurements, NCRP）132號(hào)報(bào)告中規(guī)定的30天低地球軌道飛行期間中樞神經(jīng)系統(tǒng)所接受劑量當(dāng)量的限值（0.5 Sv）[34]。由于腦中輻射劑量的累積可以引起中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷，嚴(yán)重影響航天員工作效能，所以應(yīng)重點(diǎn)加以防護(hù)。此外，相比于艙外輻射而言，1g/cm2的鋁屏蔽能使組織或器官中劑量當(dāng)量降低約3個(gè)數(shù)量級(jí)，約是mSv級(jí)別，即1g/cm2的鋁屏蔽下，組織或器官中劑量當(dāng)量率約為0.1 mSv/d，這略微低于“神舟五號(hào)”和“神舟六號(hào)”的0.5～1 mSv/d[33]。這主要是由于該系列飛船處于低地球軌道，受到地磁捕獲帶輻射的影響。隨著屏蔽厚度的進(jìn)一步增加，其劑量當(dāng)量繼續(xù)降低，在鋁屏蔽厚度為 5g/cm2時(shí)降為0.1 mSv級(jí)別，在10g/cm2時(shí)降為0.01 mSv級(jí)別。但在1g/cm2的鋁屏蔽條件下，女性航天員肌肉組織中劑量當(dāng)量為24.1 mSv，在5和10g/cm2的鋁屏蔽時(shí)其劑量當(dāng)量分別降低為mSv和0.1 mSv級(jí)別。因此，對(duì)于不同的組織或者器官應(yīng)采取不同的屏蔽厚度防護(hù)策略，以應(yīng)對(duì)復(fù)雜的空間輻射環(huán)境。

由圖4可見(jiàn)，在艙外暴露條件下，男性航天員的肺、紅骨髓、肝、皮膚和腦組織或器官的劑量當(dāng)量超過(guò)1 Sv；其腦組織中劑量當(dāng)量達(dá)1.891 Sv，超過(guò)NCRP 132號(hào)報(bào)告規(guī)定的限值[34]，且高于女性航天員，說(shuō)明男性的中樞神經(jīng)系統(tǒng)受損傷的可能性略大于女性航天員。

此外，在艙外暴露條件下，男性航天員的皮膚、心臟和紅骨髓中的劑量當(dāng)量分別為 3.456、0.885和1.230 Sv，均超過(guò)了NCRP 132號(hào)報(bào)告規(guī)定的限值[34]。在鋁屏蔽厚度為1g/cm2時(shí)，這些組織或器官的劑量當(dāng)量均下降為mSv級(jí)別（1.010～3.414 mSv）；鋁屏蔽厚度為5和10g/cm2時(shí)，其劑量當(dāng)量分別降低為mSv和0.1 mSv級(jí)別。

2.4 不同鋁屏蔽厚度下的有效吸收劑量

根據(jù)不同組織或器官的組織權(quán)重因數(shù)，本文進(jìn)一步計(jì)算了女性和男性航天員在不同鋁屏蔽厚度下吸收的有效劑量，其結(jié)果如圖5所示。從圖中可以明顯看出，總體而言，女性航天員吸收的有效劑量均高于男性航天員。從這種意義上說(shuō)，男性航天員的空間輻射風(fēng)險(xiǎn)低于女性航天員，因此，男性航天員更適合完成長(zhǎng)期的深空探測(cè)任務(wù)。此外，從圖中還可發(fā)現(xiàn)，如果沒(méi)有任何防護(hù)，女性和男性航天員吸收的有效劑量均高于1 Sv，超過(guò)了NCRP 132報(bào)告中規(guī)定的人在1年任務(wù)期所接受的有效劑量限值（35歲女性和男性航天員分別為 550 和720 mSv）[34]。

圖5 30天模擬載人探月中不同鋁屏蔽厚度下各組織或器官有效劑量Fig.5 Effective doses under different shielding thicknesses of aluminum in the 30-day simulated mission of the manned lunar exploration

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是女性還是男性航天員，隨著鋁屏蔽厚度的增加，其有效吸收劑量均明顯下降。相對(duì)于直接艙外暴露來(lái)說(shuō)，在1g/cm2的鋁屏蔽條件下，女性和男性航天員吸收的有效劑量分別顯著下降到 16.19和 1.71 mSv；且在 2和5g/cm2的鋁屏蔽的條件下，有效劑量下降了1個(gè)數(shù)量級(jí)，分別為mSv和0.1 mSv級(jí)別。從這種意義上說(shuō)，典型的航天器屏蔽（5g/cm2等效鋁）能有效地降低航天員的有效劑量，從而降低空間輻射風(fēng)險(xiǎn)。進(jìn)一步增加鋁屏蔽厚度，雖然能使航天員接受的有效劑量急劇降低，但是隨之帶來(lái)的航天器載荷負(fù)擔(dān)不容忽視，也完全沒(méi)有這個(gè)必要。

3 結(jié)論

本文利用空間輻射場(chǎng)模型、載人航天器質(zhì)量厚度分布模型和數(shù)字化人體模型，以及相應(yīng)的空間輻射劑量的計(jì)算方法，仿真計(jì)算了不同厚度鋁屏蔽下載人探月過(guò)程中的空間輻射環(huán)境與航天員的空間輻射風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量屏蔽的方法對(duì)于能量低于100 MeV的質(zhì)子具有很好的防護(hù)效果；對(duì)于此能量范圍的重離子，當(dāng)屏蔽厚度小于10g/cm2時(shí)，防護(hù)效能隨質(zhì)量厚度的增加而增強(qiáng)，而當(dāng)屏蔽厚度超過(guò)10g/cm2后，進(jìn)一步增加厚度并不能有效降低輻射的通量。此外，質(zhì)量屏蔽的方法對(duì)于高能粒子（450 MeV的質(zhì)子或350 MeV/n的重離子）均沒(méi)有明顯的防護(hù)效果。進(jìn)一步研究還發(fā)現(xiàn)，在艙外直接暴露的條件下，航天員的一些關(guān)鍵組織或器官，如腦和心臟等的劑量當(dāng)量將超過(guò)NCRP 132報(bào)告中規(guī)定的限值；但是，在做適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)（＞1g/cm2）后，大多數(shù)組織或器官的劑量當(dāng)量均降低到mSv量級(jí)。當(dāng)然，在實(shí)際情況中，應(yīng)對(duì)航天員的一些關(guān)鍵組織或器官予以重點(diǎn)防護(hù)。總的來(lái)說(shuō)，模擬30天探月過(guò)程顯示，隨著鋁屏蔽厚度的增加，航天員遭受輻射的有效劑量會(huì)明顯地降低，因此只要采取合適的防護(hù)措施，短期載人探月過(guò)程中的空間輻射風(fēng)險(xiǎn)是可控的。相關(guān)研究可為載人探月過(guò)程中飛船和航天服的設(shè)計(jì)、航天員輻射風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估和防護(hù)措施的制定等提供理論支撐。

致謝

感謝馮宇波博士協(xié)助進(jìn)行載人探月中空間輻射環(huán)境仿真與人體各組織或器官劑量仿真。

（

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（編輯：許京媛）

Space radiation risk assessment for astronauts in simulated manned lunar exploration

ZHAO Lei1, GUO Yiyi1, MI Dong2, SUN Yeqing1
(1.Institute of Environmental Systems Biology, Dalian Maritime University; 2.Department of Physics, Dalian Maritime University: Dalian 116026, China)

Space radiation is one of the most important risk factors for the health of astronauts in the long-term manned spaceflight.In order to develop reasonable space radiation protections in the manned lunar explorations, the space radiation field models are used to simulate and calculate the physical characterizations of the space radiation in the spacecraft cabin with different thicknesses of the shielding materials during the Chang’e-3 mission to the Moon, and the radiation doses, the dose equivalents and the effective doses of each organ of the astronauts are determined to evaluate the space radiation risk.The results show that the adsorbed doses, the dose equivalents and the effective doses decreases significantly with the increase of shielding thicknesses, and the mass shielding method has a very good protective effect for protons with energy below 100 MeV, while the effect is not significant for high energy protons or heavy ions.The calculation and analysis show that the space radiation risk of astronauts can be controlled in the manned lunar exploration mission as long as the appropriate shielding is adopted in the spacecraft or spacesuit.

manned lunar exploration; astronaut; space radiation; risk assessment; radiation protection; material shielding

V520.6; V527

：A

：1673-1379(2016)06-0571-10

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.06.001

趙磊（1987—），男，博士學(xué)位，主要從事空間輻射風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及輻射生物物理模型等研究；E-mail: zhaol@dlmu.edu.cn。通信作者：孫野青（1959—），女，博士學(xué)位，教授，主要從事空間輻射生物學(xué)及其交叉學(xué)科的相關(guān)科學(xué)與技術(shù)等研究；E-mail: yqsun@dlmu.edu.cn。宓 東（1966—），男，博士學(xué)位，教授，主要從事空間輻射和微重力生物學(xué)效應(yīng)的建模與損傷評(píng)估等研究；E-mail: mid@dlmu.edu.cn。

2016-07-08；

：2016-12-02

中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)“空間輻射誘變的分子生物學(xué)機(jī)制”（編號(hào)：XDA04020202-12）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“空間輻射和微重力影響dauer期線蟲(chóng)DNA損傷修復(fù)的分子機(jī)制”(編號(hào)：31270903)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目“生物安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與預(yù)警”(編號(hào)：3132016330)。