外太空的防輻射進(jìn)階之旅

史金陽

沖出地球懷抱，向宇宙進(jìn)發(fā)

每當(dāng)夕陽收起它最后一點余光，點綴在漆黑夜幕上的點點星光便會吸引人類駐足凝望。經(jīng)歷了無數(shù)夜晚的觀察后，人們發(fā)現(xiàn)了星象變幻的規(guī)律， 也找到了時間的概念。以星象變化規(guī)律作為時間的劃分（星象歷）大大提高了古代人時間概念的精確性。對于天空上萬年的凝望，讓我們對宇宙有了最初的認(rèn)識，但對于宇宙的理解更多是停留在幻想層面。

人類不甘于總是蜷縮在穹頂之下。1957年10月， 蘇聯(lián)發(fā)射了人類第一顆人造衛(wèi)星——斯普特尼克一號。雖然它在太空中僅僅停留了3個多月的時間就墜入大氣層消失了，但它的出現(xiàn)標(biāo)志著人類開始擺脫地球引力的束縛。從那天開始，人類的足跡開始在宇宙中蔓延。隨著我們離開地球母親的懷抱，人類也失去了它的保護(hù)，開始獨自面對宇宙輻射的威脅。

暗藏殺機的無邊宇宙

在人們的傳統(tǒng)印象中， 外太空總是空曠且漆黑的， 然而事實并非如此。許多肉眼不可見的高能粒子在宇宙中徘徊， 它們被叫做宇宙射線。銀河宇宙射線是由85% 的質(zhì)子（氫元素的原子核）、14% 的α 粒子（氦元素的原子核）以及1% 的重離子（電子、光子、重離子、中子、中微子等）組成，而太陽宇宙射線則幾乎完全是由質(zhì)子構(gòu)成的。

宇宙射線來源目前眾說紛紜，可能是由恒星產(chǎn)生的，比如太陽耀斑爆發(fā)、超新星爆炸等，也可能與暗物質(zhì)有關(guān)，還有學(xué)說提出與宇宙膨脹有關(guān)。但是有一點是毋庸置疑的——它們是危險的。

當(dāng)高能粒子入射到非真空的介質(zhì)中時，它們會與介質(zhì)中的電子發(fā)生相互作用，使得原本束縛在介質(zhì)原子核周圍的電子獲得能量，獲得能量的電子就可能會脫離原子核的束縛在介質(zhì)中“亂竄”，導(dǎo)致介質(zhì)的原有的物理和化學(xué)性能退化。這些高能粒子還有較小概率與原子核發(fā)生直接碰撞，導(dǎo)致原子核離開原有的位置，使得介質(zhì)的變得扭曲變形。

對于生物體而言，當(dāng)宇宙射線照射到生物體表面的時候，射線中的高能粒子會穿透皮膚入射到體內(nèi)。生物體內(nèi)的原子們通過原子核外電子的相互作用結(jié)合在一起?，F(xiàn)在隨著高能粒子的突然闖入，電子們開始離開它們的“崗位”，互相拉扯在一起的原子們可能散開，細(xì)胞的正常生命活動就很難保證了。

對于精密的航天器而言，其中含有大量的集成電路模塊，當(dāng)入射的宇宙射線在材料中“激發(fā)”出了多余的電子，按照設(shè)計此時原本沒有電流的電路被突如其來的電子影響而產(chǎn)生電流，這就可能導(dǎo)致原本設(shè)計的功能被異常激活或者關(guān)閉， 比如太陽能帆板展開或者關(guān)閉、數(shù)據(jù)儲存發(fā)生錯誤等。

宇宙射線禁止入內(nèi)！

其實，宇宙射線也是可以防御的。單位體積的材料中質(zhì)子數(shù)量越多則高能粒子在其中飛行的距離越短。這該如何理解呢？ 我們知道一個原子的大部分是空的，只有極小部分是有物質(zhì)的（原子核），所以原子與入射的帶電粒子相互作用主要不是依靠物理上的直接碰撞，而是電磁力的相互作用。這就意味著原子內(nèi)帶電粒子越多，與入射的粒子相互作用越強烈。原子內(nèi)什么是帶電的呢？電子與質(zhì)子。中性的原子核中帶負(fù)電的電子數(shù)量等于帶正電的質(zhì)子的數(shù)量，那么我們可以用質(zhì)子的數(shù)量來代表原子內(nèi)部帶電物質(zhì)的多少，也就是原子內(nèi)質(zhì)子數(shù)量越多，那么它與入射帶電粒子的相互作用就越強烈。這就意味著元素周期表中排序越高則該元素的原子與入射粒子相互作用的強度越大。因此使用高原子序數(shù)的材料制作防護(hù)屏障能夠更有效的阻止高能粒子的穿透。

搭建防護(hù)屏障如何多快好省？

理想中的防護(hù)屏障應(yīng)該是高密度的、很厚的、由重元素構(gòu)成的屏障。但受限制于運載火箭的承載能力，防護(hù)屏障的總重量有限。如果采用較高密度材料，必然導(dǎo)致防護(hù)屏障的厚度要小。也就是說如果我們用沙墻保護(hù)水球，墻壁就要做得很薄。這就帶來一個問題——次級輻射。入射的高能粒子會與屏障內(nèi)的電子、原子核發(fā)生相互作用，力的作用是相互的，屏障內(nèi)的質(zhì)子、中子、電子就可能被“撞”出來，而被“撞”出來的粒子對人體與儀器同樣有害。只有當(dāng)屏障足夠厚時，才能保證將次級輻射的能量完全吸收。就好比當(dāng)沙墻很薄的時候，我們用力一打，組成沙墻的沙子就會到處飛濺，同樣也會傷害到后面的水球。

我們已知高原子序數(shù)高密度的材料能夠更快速的讓入射的粒子停下來，但這個過程會產(chǎn)生大量有害的次級輻射，需要足夠厚的屏障才能確保將次級輻射也吸收掉。低原子序數(shù)材料中的電子數(shù)目有限，不會產(chǎn)生太多的次級輻射，但是它阻止宇宙射線穿透的能力較弱。

是如何解決的呢？兩者各取所長！我們在航天器的設(shè)計中，使用高原子序數(shù)與低原子序數(shù)材料相結(jié)合的方法，先讓入射離子在低原子序數(shù)的材料中減速，然后用高原子序數(shù)的材料把它停下來，這樣既減少了宇宙輻射的影響，也避免了大量次級輻射的產(chǎn)生。

舉一反三的宇航服設(shè)計

這種思路同樣適用于設(shè)計宇航服。宇航服按照穿著環(huán)境分為兩類： 艙內(nèi)應(yīng)急航天服與艙外航天服。艙內(nèi)宇航服是航天員在載人航天器座艙內(nèi)使用的，一般是在發(fā)射時和返回地球時穿用， 一旦座艙發(fā)生氣體泄漏和氣壓突然變低時，艙內(nèi)宇航服迅速充氣，起到保護(hù)航天員的作用。艙外宇航服是航天員出航活動，進(jìn)行空間漫步時使用。艙外環(huán)境相比于艙內(nèi)缺少了航天器外壁的直接保護(hù)，宇宙輻射與熱輻射直接作用在宇航服表面，這就需要宇航服能夠遮擋一定量的宇宙射線，因此艙外航天服外層往往采用鍍鋁的復(fù)合材料，以吸收或減少宇宙射線的直接傷害，并且普遍選用白色作為宇航服的主要色調(diào)以最大限度減少熱輻射對內(nèi)部的影響。

隨著航天器在外太空停留時間的增長，宇宙射線造成的影響也逐步顯現(xiàn)。如何減少宇宙射線對航天器與宇航員的危害成了當(dāng)務(wù)之急。為了確保萬無一失，在航天器在發(fā)射之前，需要對其進(jìn)行高能粒子的照射實驗，并根據(jù)實驗結(jié)果調(diào)整輻射防護(hù)設(shè)計。

經(jīng)過科研人員努力，中國的宇航服與航天器在外太空的環(huán)境下經(jīng)受住了考驗。未來，相關(guān)研究成果會更廣泛地應(yīng)有在中國航天領(lǐng)域。