載人月面著陸與上升飛行器輻射環(huán)境適應(yīng)性研究

高著秀， 王金昌， 王玉林， 張耀磊，王小錠

(中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076)

0 引言

載人月面著陸與上升飛行器主要用于月球軌道與月面之間人員和貨物的往返運(yùn)輸，是載人月球探測任務(wù)必不可少的運(yùn)輸工具。根據(jù)任務(wù)中飛行器交會對接的不同空間位置，載人登月飛行可選擇在地球軌道交會對接、月球附近交會對接或不交會模式[1]。本文中的飛行模式為近地軌道交會-月球軌道交會模式，如圖1所示。月面著陸與上升飛行器與推進(jìn)飛行器在近地軌道對接后進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道，飛行約3d后進(jìn)入環(huán)月軌道。載人登月飛行器的各部分于近地軌道完成組裝，近地軌道停留時(shí)間約2d，然后進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道，飛行約3d后進(jìn)入環(huán)月軌道，在環(huán)月軌道完成載人飛船與月面著陸與上升飛行器的交會對接。通過月面著陸與上升飛行器在月面飛行著陸，航天員月面出艙探測，采集月面樣本后由上升飛行器將返回艙送入環(huán)月軌道，進(jìn)而與停留在軌道上的月地轉(zhuǎn)移級進(jìn)行對接返回地球。載人月面著陸與上升飛行器總共飛行時(shí)間約11d，其中在近地軌道停留1d，地月轉(zhuǎn)移軌道飛行3d，環(huán)月飛行及月面活動共7d。

圖1 載人登月任務(wù)模式示意圖Fig.1 Schematic diagram of manned lunar mission mode

1 軌道輻射環(huán)境分析

1.1 近地軌道

近地軌道輻射環(huán)境中的高能帶電粒子主要來自地球輻射帶、太陽宇宙線及銀河宇宙線。本文分析的載人登月任務(wù)發(fā)射窗口選擇在2025年，軌道傾角為28.5°。由于2025年處于太陽活動高年期間，地球輻射帶模型取高年模型，圖2給出了近地軌道輻射環(huán)境中地球輻射帶及太陽宇宙線能譜。

(a)地球輻射帶電子

(b)地球輻射帶質(zhì)子

(c)太陽宇宙線質(zhì)子(5min通量模型)

(d)太陽宇宙線質(zhì)子(ESP平均模型)圖2 近地軌道輻射環(huán)境能譜圖Fig.2 Radiation environment spectrum of low earth orbit

1.2 地月轉(zhuǎn)移軌道

地月轉(zhuǎn)移軌道輻射環(huán)境中的高能帶電粒子主要來自地球輻射帶、太陽宇宙線及銀河宇宙線。飛行中的大部分時(shí)間處于行星際背景輻射環(huán)境中，由于總劑量效應(yīng)及單粒子效應(yīng)主要來源均是太陽宇宙線質(zhì)子，圖3給出了地月轉(zhuǎn)移軌道輻射環(huán)境中地球輻射帶及太陽宇宙線能譜。相比近地軌道，地月轉(zhuǎn)移軌道中地球輻射帶高能粒子通量降低，而太陽宇宙線質(zhì)子通量增大。

(b)地球輻射帶質(zhì)子

(c)太陽宇宙線質(zhì)子(5min通量模型)

(d)太陽宇宙線質(zhì)子(ESP平均模型)圖3 地月轉(zhuǎn)移軌道輻射環(huán)境能譜圖Fig.3 Radiation environment spectrum of earth-moon transfer orbit

1.3 環(huán)月軌道

(a)5min峰通量模型

(b) ESP平均模型圖4 環(huán)月軌道太陽宇宙線質(zhì)子能譜圖Fig.4 Proton spectra of solar cosmic rays of lunar orbit

環(huán)月軌道及月球表面輻射環(huán)境主要為宇宙線輻射環(huán)境[2-4]，包括太陽宇宙線及銀河宇宙線質(zhì)子和重離子?？倓┝啃?yīng)及單粒子效應(yīng)主要來源均是太陽宇宙線質(zhì)子，考慮不同太陽活動情況影響，圖4給出了峰通量模型(1989年5min通量模型)及平均統(tǒng)計(jì)模型(ESP模型)下的太陽宇宙線質(zhì)子能譜。相比近地軌道、地月轉(zhuǎn)移軌道，環(huán)月軌道太陽宇宙線質(zhì)子通量最高。

1.4 吸收劑量分析

圖5給出了近地軌道、地月轉(zhuǎn)移軌道及環(huán)月軌道中載人月面著陸與上升飛行器每天的在軌吸收劑量-深度曲線。假設(shè)飛行器艙體等效鋁防護(hù)厚度為3mm，飛行器艙內(nèi)在3個(gè)階段飛行任務(wù)期間累計(jì)吸收的劑量，在峰通量模型下約為60krad，在ESP平均統(tǒng)計(jì)模型下累計(jì)的吸收劑量約為100rad。其中，在平均統(tǒng)計(jì)模型情況下，近地軌道吸收劑量最大，是由于地球輻射帶高能粒子的作用。在峰通量模型情況下，吸收劑量主要來源于環(huán)月軌道飛行期間，是由于爆發(fā)太陽活動情況下，環(huán)月軌道無磁場屏蔽，且飛行時(shí)間較長。由上述分析可見，在不同的環(huán)境模型下，計(jì)算結(jié)果相差較大，因此飛行任務(wù)窗口應(yīng)盡量選擇太陽平靜時(shí)期?？紤]2025年處于太陽活動高年，針對總劑量效應(yīng)敏感器件需要采取相應(yīng)的輻射防護(hù)措施。如果考慮艙體內(nèi)各設(shè)備互相之間的屏蔽效果，則吸收劑量值會比預(yù)估值低。

(a)近地軌道

(b)地月轉(zhuǎn)移軌道

(c)環(huán)月軌道圖5 輻射劑量-深度分布曲線Fig.5 Radiation dose-depth distribution curve

2 輻射環(huán)境影響及防護(hù)措施

2.1 單粒子效應(yīng)及防護(hù)

輻射環(huán)境中的高能帶電粒子與飛行器電子器件相互作用，可引起翻轉(zhuǎn)、閂鎖及燒毀等多種單粒子效應(yīng)，對電子設(shè)備功能產(chǎn)生不利影響，甚至導(dǎo)致飛行器失效。如飛行器控制系統(tǒng)使用的FPGA(現(xiàn)場可編輯邏輯門陣列)發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)，可使其有效載荷出現(xiàn)功能異常，必須通過地面操作執(zhí)行斷電重啟動作才能恢復(fù),對飛行安全帶來嚴(yán)重威脅。

近月軌道及月表的高能質(zhì)子、重離子與行星際背景輻射環(huán)境接近，由于沒有磁場和大氣層對高能粒子的屏蔽和衰減，應(yīng)重視單粒子效應(yīng)的影響，可采取以下措施：

1)質(zhì)量屏蔽： 采用一定厚度的飛行器艙體和單機(jī)殼體來降低低能部分帶電粒子引起的單粒子效應(yīng)概率。

2)選擇抗輻射加固器件：對于飛行器控制器件、存儲器件等應(yīng)采用抗輻射性能好的器件，主要包括FPGA等集成電路及存儲控制指令的SRAM(靜態(tài)隨機(jī)存儲器)等，以滿足抗輻射需求。

3)軟、硬件措施：采取程序陷阱、多位標(biāo)識及定時(shí)刷新等軟件措施，看門狗、EDAC(錯(cuò)誤檢測與糾正)及限流電阻等硬件措施。

2.2 總劑量效應(yīng)及防護(hù)

近月軌道及月表的高能粒子作用于飛行器的材料及電子器件時(shí)，發(fā)生電離作用，將能量傳遞給被輻照的物質(zhì)，從而對材料、器件的性能產(chǎn)生不利影響。如高能帶電粒子作用于雙極性器件時(shí)，能夠降低器件增益，引起器件性能參數(shù)退化。高能帶電粒子與CCD (電荷耦合元件)器件及光纖等光電器件相互作用時(shí)，可引起位移損傷效應(yīng)，影響CCD 器件的電荷轉(zhuǎn)換率，降低有效輸出信號，影響信號的獲取特別是CCD 器件成像時(shí)圖像上出現(xiàn)斑點(diǎn)，甚至造成器件損壞不能成像[5-8]。如作用于太陽電池片可使光電轉(zhuǎn)換效率下降，輸出電壓降低，輸出功率下降。

在本文的任務(wù)模式下，載人月面著陸與上升飛行器任務(wù)期間吸收的輻射劑量主要來源于環(huán)月軌道期間，尤其是遇到太陽活動爆發(fā)時(shí)，飛行器艙內(nèi)累計(jì)吸收的劑量有超過敏感器件閾值的可能，可采取以下措施：

1)對敏感器件進(jìn)行局部屏蔽：對敏感電子器件采用局部防護(hù)的方案，比如采用增加防護(hù)屏或者防護(hù)罩的方式，既不對飛行器整體增加荷載負(fù)擔(dān)，又能起到有效的防護(hù)作用。

2)合理布局單機(jī)設(shè)備：飛行器內(nèi)不同位置的質(zhì)量屏蔽效果是不同的，合理布局單機(jī)位置，將包含敏感器件的單機(jī)置于大質(zhì)量單機(jī)的屏蔽范圍內(nèi)，可以起到輻射防護(hù)的作用。

2.3 充放電效應(yīng)及防護(hù)

近月軌道太陽風(fēng)等離子體與飛行器表面材料相互作用，不同部位充以不等量電荷，超過一定閾值后可引起表面充放電效應(yīng)，表面靜電放電可能產(chǎn)生具有瞬時(shí)高壓和強(qiáng)電流特征的電磁脈沖，導(dǎo)致飛行器上的敏感電子元器件及組件損壞或誤動作，干擾飛行器與地面通信，影響飛行器的飛行壽命，甚至造成飛行器飛行任務(wù)的失敗。同時(shí)，靜電放電還使飛行器表面材料產(chǎn)生物理性能損傷，導(dǎo)致材料性能退化。

在整個(gè)軌道任務(wù)的空間輻射環(huán)境中，存在大于100keV高能電子流爆發(fā)事件時(shí)，足以穿過飛行器表面的屏蔽層和電子儀器盒，進(jìn)入飛行器表面材料內(nèi)部或者儀器內(nèi)部絕緣材料，使其充電，引起內(nèi)帶電效應(yīng)，導(dǎo)致飛行器材料性能下降或者損壞某些敏感器件，對飛行器在軌安全帶來嚴(yán)重的危險(xiǎn)，可采取以下措施：

1)結(jié)構(gòu)接地：飛行器上主要結(jié)構(gòu)部件的導(dǎo)電部分必須采取接地措施。飛行器外表及艙內(nèi)應(yīng)盡量避免孤立導(dǎo)體的存在。

2)屏蔽干擾：對所有線纜、電子線路和部件都需提供電磁干擾屏蔽。屏蔽由飛行器結(jié)構(gòu)、電子儀器機(jī)殼和分立電纜的屏蔽提供。電纜屏蔽材料覆蓋全向空間。

3)電磁濾波：所有電路經(jīng)過電磁干擾屏蔽后還要采取電磁濾波防護(hù)，消除放電脈沖誘導(dǎo)的電路翻轉(zhuǎn)影響。

4)優(yōu)選材料：選擇合適的表面材料以減輕表面帶電的危害，采用高二次電子發(fā)射系數(shù)的材料有效降低表面帶電電位。

2.4 對航天員的影響及防護(hù)

空間輻射誘發(fā)航天員或生物體的損傷主要表現(xiàn)為癌癥、造血功能障礙、白內(nèi)障，引起輻射遺傳效應(yīng)等。微重力環(huán)境下，輻射損傷呈現(xiàn)加重的趨勢。為確保航天員生命安全，可采取以下措施：

1)屏蔽防護(hù)：為使航天員接受的空間輻射劑量值控制在規(guī)定范圍以內(nèi)，首先考慮使用一定質(zhì)量厚度材料屏蔽的方法來降低航天員接受的劑量，對于能量較低的質(zhì)子及重離子，大部分可以被鋁屏蔽材料屏蔽；對于能量較高的質(zhì)子，增加鋁屏蔽厚度的方式并不能降低其通量，達(dá)不到防護(hù)效果，應(yīng)采用平均原子質(zhì)量數(shù)較小的材料及其他新型復(fù)合屏蔽防護(hù)材料作為屏蔽結(jié)構(gòu)。

2)輻射預(yù)警：對輻射風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警, 對軌道輻射環(huán)境、艙內(nèi)輻射環(huán)境、航天員個(gè)人接受的輻射劑量進(jìn)行監(jiān)測，以便及時(shí)評估人體所受輻射劑量和損害情況，為進(jìn)一步采取防護(hù)措施提供依據(jù)。

3)選用輻射防護(hù)藥物[9-11]：采用預(yù)防慢性損傷的輻射防護(hù)藥物。生物防護(hù)藥能夠提高人體抵抗力而增加抗輻射能力，無毒副作用。因此，加強(qiáng)輻射防護(hù)藥物的研制是可采取的有效輻射防護(hù)手段。

3 結(jié)論

本文針對月面著陸與上升飛行器任務(wù)期間吸收的輻射劑量進(jìn)行了分析，對高能帶電粒子產(chǎn)生的總劑量效應(yīng)、單粒子效應(yīng)和充放電效應(yīng)影響進(jìn)行了評估。結(jié)果表明，月面著陸與上升飛行器的輻射防護(hù)應(yīng)重點(diǎn)考慮是否爆發(fā)太陽活動的影響；地磁平靜情況下，主要考慮近地軌道中輻射帶高能粒子的作用；爆發(fā)太陽活動情況下，主要考慮環(huán)月軌道中太陽宇宙線的影響。