載人深空探測(cè)任務(wù)太陽粒子事件物理防護(hù)研究進(jìn)展

康金蘭， 管春磊， 蔡 琴， 趙亞麗， 周 鵬， 強(qiáng) 靜

（中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心， 北京 100094）

1 引言

空間輻射環(huán)境是載人深空探測(cè)面臨的嚴(yán)酷環(huán)境之一，輻射源主要包括長(zhǎng)期存在的銀河宇宙射線（Galactic Cosmic Ray， GCR）和不可預(yù)見的太陽粒子事件（Solar Particle Event，SPE），這會(huì)對(duì)執(zhí)行深空探測(cè)任務(wù)的航天員健康造成有害影響，保護(hù)航天員免遭輻射危害是載人深空探測(cè)任務(wù)面臨的主要挑戰(zhàn)之一。

SPE 因其預(yù)警時(shí)間短、輻射強(qiáng)度高而備受關(guān)注。 在深空探測(cè)任務(wù)中，由于飛行時(shí)間長(zhǎng)，遇到強(qiáng)SPE 的概率也隨之增加。 強(qiáng)SPE 可能引起急性輻射效應(yīng)，甚至危及航天員生命安全。 與GCR 相比，SPE 的特點(diǎn)是通量高，能量相對(duì)較低，穿透性相對(duì)較弱，因此可通過物理屏蔽手段進(jìn)行有效防護(hù)。 航天飛行中，飛行物資有限，載荷質(zhì)量的有效利用至關(guān)重要，因此，需要研究有效的輻射屏蔽措施，以確保輻射屏蔽效果與載荷質(zhì)量的比率最佳。

本文對(duì)國(guó)外SPE 物理防護(hù)研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，包括SPE 防護(hù)需滿足的工程要求、輻射防護(hù)材料研究進(jìn)展以及航天機(jī)構(gòu)研究的多種SPE 防護(hù)概念，重點(diǎn)介紹2 種具有應(yīng)用前景的可穿戴輻射防護(hù)服，并給出中國(guó)近地軌道和深空探測(cè)任務(wù)可采取的物理防護(hù)建議。

2 SPE 防護(hù)要求

為了降低SPE 給航天乘組帶來的急性輻射風(fēng)險(xiǎn)，必須研究可行的物理防護(hù)措施，并采用歷史上最強(qiáng)的SPE 作為輻射參考環(huán)境，進(jìn)行地面仿真驗(yàn)證。 為此，NASA 根據(jù)器官劑量限值，研究制定了SPE 防護(hù)的工程要求：①所提供的防護(hù)應(yīng)能確保航天員受SPE 輻射時(shí)30 d 內(nèi)人體造血器官（Blood Forming Organ，BFO）接受的戈瑞當(dāng)量不超過250 mGy?Eq；②以1989 年10 月的SPE（具有更高的能量）作為艙內(nèi)硬件輻射加固的參考環(huán)境，以1972 年8 月的SPE（具有更高的通量）作為乘員輻射防護(hù)裝備設(shè)計(jì)的參考環(huán)境；③SPE 期間，防護(hù)系統(tǒng)的任何必要組裝必須在30 min 內(nèi)完成，以減少航天員的暴露時(shí)間；④空間輻射防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須確保航天員受到的輻射照射盡可能低，即符合ALARA（As Low As Reasonably Achiev?able）原則，最大程度地降低致癌風(fēng)險(xiǎn)和其他隨機(jī)效應(yīng)。

3 輻射防護(hù)材料研究進(jìn)展

SPE 屏蔽效果與采用的輻射屏蔽材料性能有關(guān)。 低Z（原子序數(shù)）材料，尤其是氫，為空間輻射提供了最好的屏蔽性能；然而，空間應(yīng)用的安全考慮因素以及體積約束限制了最理想屏蔽材料的使用。 現(xiàn)實(shí)中，最佳屏蔽材料是低Z 材料和高密度材料（傾向于高Z 材料）的組合。

傳統(tǒng)的輻射屏蔽材料包括聚乙烯和水，它們都是富氫材料，且是在軌可利用資源。 聚乙烯不僅對(duì)輻射初級(jí)粒子具有較好的屏蔽性能，還是中子（次級(jí)粒子）的有效屏蔽材料。 高能粒子與航天器相互作用產(chǎn)生的中子比初級(jí)粒子對(duì)人的損傷更大，中子屏蔽在高能輻射中極具難度。 因此，近年來，研究人員對(duì)基于聚乙烯的材料研究較多，King對(duì)聚乙烯醇、中密度聚乙烯、聚乙烯進(jìn)行了中子屏蔽測(cè)試，結(jié)果表明，交聯(lián)的聚乙烯醇輻射屏蔽效果最好，其次是聚乙烯醇和中密度聚乙烯。

盡管聚乙烯輻射屏蔽性能好，但由于其力學(xué)性能較差，因此這種材料主要用于非結(jié)構(gòu)性應(yīng)用。為了提高其力學(xué)和熱學(xué)等方面性能，以便在空間輻射防護(hù)上有更廣闊的應(yīng)用，Laurenzi 等研究了聚乙烯基納米復(fù)合材料，以中密度聚乙烯為基體，分別以碳化硼（CB）、氧化石墨烯（GO）納米片和單壁碳納米管（SWCNT）作為填料，并進(jìn)行了數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)。 結(jié)果表明：①加入其他填料后，聚合物的輻射屏蔽性能相對(duì)于聚乙烯均有所下降，且填充的越多，性能下降得越多；②在所研究填料中，氧化石墨烯納米復(fù)合材料具有最佳的輻射屏蔽效果，其次是單壁碳納米管復(fù)合材料；③氧化石墨烯可以作為聚乙烯基體的增強(qiáng)材料，用于制造具有空間輻射屏蔽性能的多功能復(fù)合材料。 此外，Weiss 等還用超高分子量聚乙烯（UHMW?PE）／ Spectra 研制了一種有望用于月球艙外航天服的輻射防護(hù)材料。 該材料強(qiáng)度重量比高、耐磨性好、尺寸穩(wěn)定，可作為輻射防護(hù)材料用于艙外航天服內(nèi)、外層。

硼在空間輻射屏蔽材料中的應(yīng)用也具有很大潛力。 硼是具有較高密度（2.3 g／cm）的低Z材料，其天然同位素豐度為19.9%，對(duì)低能中子具有極高的捕獲截面。 材料中加入硼有利于降低中子輻射劑量，并能在給定厚度下增加屏蔽層的質(zhì)量厚度（面密度）。 硼可以以填充物的形式加入到富氫材料中，例如聚乙烯或氫化氮化硼納米管。

氮化硼納米管（Boron Nitride Nanotubes，BNNT）強(qiáng)度高，具有高耐熱性，能承受極端溫度，且抗輻射性能好，重量輕，因而成為空間探索任務(wù)輻射防護(hù)的優(yōu)選材料。 NASA 已成功地把BNNT織入了紗線，并編織到航天服織物中，完成了其在航天服應(yīng)用的第一步。 NASA 先進(jìn)概念研究所正在研究氫化BNNT，旨在使其成為含有氫、硼和氮的輻射屏蔽材料。 雖然氫化和含硼砂的BNNT 仍在研發(fā)中，但Weiss 等認(rèn)為其有潛力成為火星上使用的航天器、居住艙和航天服的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料和屏蔽材料。 目前，BNNT 的商用制造進(jìn)展良好，但制造成本高。

碳納米管（Carbon Nanotubes，CNT）的性質(zhì)與BNNT 類似，具有抗輻射性、耐高溫性。 Argaman公司把單壁碳納米管空化到棉纖維中制成了一種輻射屏蔽織物，可作為航天服的輻射防護(hù)材料。 它是一種由超聲空化纖維轉(zhuǎn)化而成的紡織品，轉(zhuǎn)化時(shí)使用了特殊的聚合物添加劑以改變某些聚合物的性質(zhì)。

此外，脂肪酸也是可以利用的輻射屏蔽材料。借助生物反應(yīng)器可以用航天員產(chǎn)生的廢物生產(chǎn)大量脂肪酸，因?yàn)樯锓磻?yīng)器可在太空中運(yùn)行數(shù)年，期間可生產(chǎn)出大量輻射屏蔽材料，因此該方面的應(yīng)用潛力很大。

星體表土是星際任務(wù)輻射防護(hù)必不可少的原材料，不僅可以防輻射，還可以滿足居住艙隔熱保溫的需求。 有研究表明，月球風(fēng)化層與鋁材料具有同樣的輻射屏蔽效果，當(dāng)采用主要由月壤和其他可用材料（如鋁、聚乙烯）構(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)時(shí)，可有效屏蔽輻射。 火星表土與月壤類似，同樣能起到輻射防護(hù)作用。

總之，非結(jié)構(gòu)性輻射防護(hù)材料多以聚乙烯基體和水為主，結(jié)構(gòu)性輻射防護(hù)材料有其特殊性能要求，應(yīng)用不同，所采用的材料也不同，一般采用多種材料的組合或聚合，其中BNNT 未來應(yīng)用潛力較大。

4 SPE 防護(hù)系統(tǒng)開發(fā)概念

對(duì)于SPE，通過增加航天器屏蔽層厚度即可阻止高能粒子穿透，從而提供有效防護(hù)，但這種方案會(huì)增加發(fā)射質(zhì)量，成本昂貴，而且高能粒子與航天器相互作用產(chǎn)生次級(jí)粒子還會(huì)增加二次輻射的可能性，因此不被采納。 任何SPE 防護(hù)設(shè)計(jì)都應(yīng)考慮因防輻射而增加的載荷質(zhì)量問題，應(yīng)盡可能重復(fù)使用在軌資源。 在此前提下，研究人員提出了幾種防護(hù)概念。

4.1 睡袋防護(hù)概念

為盡量減少保護(hù)單個(gè)乘員所需材料，Walker 等提出了一種穿戴式的睡袋防護(hù)策略，利用具有防輻射作用的在軌物資（水或其他補(bǔ)給物）填充睡袋。 睡袋為便攜式，以便于發(fā)生SPE 期間航天員在艙內(nèi)完成相關(guān)操作時(shí)提供防護(hù)。

防護(hù)睡袋有2 種方案，第一種方案是利用水袋作為睡袋的填充物，如圖1（a）所示。 水袋可預(yù)先填充到睡袋中，也可根據(jù)SPE 防護(hù)需要臨時(shí)填充。 在睡袋頭部添加可拆卸的、充滿水的睡帽，以保護(hù)頭頸部。 當(dāng)水袋裝滿水時(shí)，利用擋板使其保持理想形狀。 上軀干和下軀干的水袋設(shè)計(jì)成單獨(dú)兩片，以增加靈活性，當(dāng)需要加強(qiáng)保護(hù)造血器官時(shí)可重疊使用。 第二種方案是以睡袋為基礎(chǔ)，在其上添加鱗片式重疊口袋網(wǎng)格，網(wǎng)格中裝有食物袋和／或垃圾形成的“綠磚”（也稱為熱熔致密磚），如圖1（b）所示。 存放食品袋和綠磚的口袋預(yù)裝成行，可以像手風(fēng)琴一樣折疊存放，或者整個(gè)網(wǎng)格可作為一個(gè)整體折疊存放。 每一行儲(chǔ)物袋都配有繩帶和／或尼龍搭扣。 部署該系統(tǒng)時(shí)，還可增加一個(gè)可拆卸的、充滿水的睡帽，以保護(hù)頭頸部。

圖1 睡袋防護(hù)方案［10］Fig.1 Sleeping bag protection scheme［10］

4.2 充水防護(hù)簾概念

Kodaira 等研究了層疊板式結(jié)構(gòu)的防輻射簾，內(nèi)有衛(wèi)生濕巾和毛巾，如圖2（a）所示，圖2（b）為層疊板，圖2（c）為層疊板及其安裝在國(guó)際空間站中的示意圖。 在防輻射簾內(nèi)，吸水濕巾和毛巾分4 層配置，厚度為6.3 g／cm。

圖2 充水防護(hù)簾［11］Fig.2 Protective curtain［11］

4.3 個(gè)人掩體防護(hù)概念

與睡袋防護(hù)概念相似，個(gè)人掩體的底座是由2個(gè)水密封系統(tǒng)鉸接而成，如圖3（a）所示，該底座存儲(chǔ)應(yīng)急生命保障用水。 在底座兩邊留有安裝孔，將U 型細(xì)桿插入安裝孔中固定，如圖3（b）所示，以搭建掩體框架。 “綠磚”、貨物轉(zhuǎn)運(yùn)袋和儲(chǔ)存的食品等充當(dāng)防護(hù)介質(zhì)，預(yù)先裝在防護(hù)袋里，發(fā)生SPE時(shí)，蓋在掩體框架上，為航天員提供輻射防護(hù)。

圖3 個(gè)人掩體防護(hù)概念圖［10］Fig.3 Protection concept view of individual shelter［10］

4.4 飛行器艙室重構(gòu)防護(hù)概念

在飛行器貨艙的貨架設(shè)計(jì)上考慮空間輻射防護(hù)需求，在貨艙中心位置用鋁板搭建貨物儲(chǔ)存空間，每個(gè)儲(chǔ)物格可以容納一名航天員。 當(dāng)發(fā)生SPE 時(shí)，將貨物取出，重新部署艙內(nèi)物資，利用貨包、處理后的廢棄物以及儲(chǔ)水箱等作為鋁板的外部屏蔽層，并用軟管、線纜或尼龍搭扣等將貨包固定，將儲(chǔ)物間改作輻射避難室。 圖4（a）是獵戶座飛船艙內(nèi)輻射防護(hù)設(shè)計(jì)的CAD 圖，圖4（b）是部署前的儲(chǔ)物室和部署后的避難室。

圖4 獵戶座艙內(nèi)乘員輻射防護(hù)設(shè)計(jì)［12－13］Fig.4 Design of crew radiation protection in Orion cabin［12－13］

4.5 太空居住艙防護(hù)概念

就月面居住艙的輻射防護(hù)而言，月壤是一種頗具潛力的輻射防護(hù)材料，可作為居住艙的墻體。 為了把180 d 的有效劑量當(dāng)量維持在150 mSv 以下，居住艙至少要采用160 g／cm的壓實(shí)月壤屏蔽。 居住艙還應(yīng)采用多層屏蔽，例如，最外層是月壤墻體，中間是鋁板，內(nèi)層是聚乙烯防護(hù)層。

為了加強(qiáng)SPE 防護(hù)，在太空居住艙內(nèi)可采用中空結(jié)構(gòu)板／墻，以設(shè)計(jì)小范圍的艙內(nèi)輻射避難室，在中空板／墻內(nèi)儲(chǔ)存生保系統(tǒng)用水，以提供輻射防護(hù)。 墻板內(nèi)可長(zhǎng)期注滿水，也可根據(jù)需要臨時(shí)注滿水，不需要加強(qiáng)防護(hù)時(shí)將水排空。 從輻射防護(hù)角度出發(fā)，將避難室盡可能置于居住艙中部，以便在居住艙內(nèi)壁與避難室外墻之間保留充足空間，在避難室外圍臨時(shí)部署物資，以提供額外防護(hù)。

4.6 可穿戴的艙內(nèi)防護(hù)服概念

對(duì)于深空探測(cè)任務(wù)，僅有太空居住艙的屏蔽是不夠的，因?yàn)槲磥淼娘w行任務(wù)日益增加的復(fù)雜性要求航天員能夠在低屏蔽區(qū)自我防護(hù)。 在SPE 期間（一般持續(xù)數(shù)小時(shí)或數(shù)天），為了讓航天員安全地走出輻射避難室進(jìn)行相關(guān)操作，以保障任務(wù)順利實(shí)施，或?yàn)榱私档秃教靻T在進(jìn)入避難室之前接受的輻射劑量，需要開發(fā)與居住艙屏蔽相輔相成的防護(hù)措施。研究人員設(shè)計(jì)了可穿戴的個(gè)人輻射防護(hù)服。根據(jù)人體器官對(duì)輻射的敏感性不同，選擇性地對(duì)敏感器官進(jìn)行防護(hù)，重點(diǎn)保護(hù)人體骨髓造血干細(xì)胞，以盡可能地減少屏蔽帶來的載荷質(zhì)量需求。 目前，研究較成熟的是歐航局采用2 種富氫材料設(shè)計(jì)的兩款輻射防護(hù)背心，具有很好的應(yīng)用前景。

5 選擇性屏蔽輻射防護(hù)服

選擇性屏蔽主要是對(duì)富含干細(xì)胞的骨髓和胃、肺、乳腺、卵巢、結(jié)腸、性腺等輻射敏感器官進(jìn)行防護(hù)，即重點(diǎn)對(duì)人體上半身進(jìn)行防護(hù)。

5.1 聚乙烯輻射防護(hù)背心AstroRad

以色列航天局研制的聚乙烯輻射防護(hù)背心是通過設(shè)計(jì)屏蔽厚度實(shí)現(xiàn)對(duì)敏感組織進(jìn)行選擇性防護(hù)，屏蔽厚度與防護(hù)區(qū)域內(nèi)的皮下組織厚度和輻射密度成反比。

5.1.1 研制情況

對(duì)人體器官而言，總的輻射屏蔽為3 個(gè)因素的總和，即，總屏蔽＝人體固有屏蔽＋飛行器屏蔽＋背心防護(hù)。 為了計(jì)算人體固有屏蔽，確定每個(gè)器官的保護(hù)重點(diǎn)，研究人員創(chuàng)建了完整的具有解剖細(xì)節(jié)的、三維可視的正常男性和女性人體數(shù)字模型。 通過人體數(shù)字模型研究選定器官周圍的組織，測(cè)量其厚度并確定其總輻射劑量。

利用人體模型，采用射線追蹤法測(cè)量輻射敏感器官保護(hù)點(diǎn)到人體表面各點(diǎn)的皮下組織厚度和輻射密度，進(jìn)而計(jì)算出人體模型表面每個(gè)點(diǎn)所需屏蔽質(zhì)量厚度的最終值，單位為g／cm。 然后根據(jù)數(shù)值的不同將人體模型的外表面分成20 個(gè)不同區(qū)域，形成人體表面輻射衰減圖，作為屏蔽防護(hù)的優(yōu)先級(jí)圖，以此定義背心在人體不同部位的質(zhì)量厚度。

航天應(yīng)用的一個(gè)主要約束是體積最小化，因此需要材料密度最大化，但致密材料又缺乏靈活性。 Gaza 等提出了亮片設(shè)計(jì)概念，將薄的固體片附著在一種薄而柔軟的聚合物上，如圖5 所示。 圖5（a）是具用不同屏蔽厚度的背心局部，不同亮片顏色代表輻射屏蔽優(yōu)先級(jí)不同，即屏蔽厚度不同，并通過柱體高度決定背心厚度，柱體內(nèi)填充多層結(jié)構(gòu)的防輻射材料（主要成分是高密度聚乙烯）。 圖5（b）是輻射背心在人體模型上的立體展示圖，圖5（c）是研制的輻射背心成品。 在飛行器上，可使用模具或3 D 打印技術(shù)將可回收再利用的塑料包材制作成輻射防護(hù)片材。

圖5 輻射防護(hù)背心設(shè)計(jì)［12－13］Fig.5 The design of radiation protection vest［12－13］

5.1.2 測(cè)試與驗(yàn)證

防輻射背心的地面仿真測(cè)試結(jié)果表明：穿著背心的人體模型的有效劑量從229 mSv 降到121 mSv，輻射致癌風(fēng)險(xiǎn)相應(yīng)地降低了45%以上，大多數(shù)器官的平均劑量當(dāng)量減少了35%以上，表明AstroRad 背心可顯著提高輻射防護(hù)效果。

為了測(cè)試防護(hù)背心的設(shè)計(jì)是否滿足人體工效學(xué)要求，2019 年11 月，AstroRad 作為載荷被送到國(guó)際空間站上進(jìn)行在軌測(cè)試，研究航天員是否可以長(zhǎng)時(shí)間穿著背心而不會(huì)感到疼痛或不適。 乘組穿著背心進(jìn)行各種活動(dòng)，以評(píng)估背心的伸縮性和靈活性，并提供反饋意見，包括背心的穿法、適體性及穿著感覺，以及允許的運(yùn)動(dòng)范圍。 該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)?zāi)壳叭栽趪?guó)際空間站上持續(xù)進(jìn)行，以獲得更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

NASA 計(jì)劃將AstroRad 作為實(shí)驗(yàn)載荷，在未來的獵戶座EM－1 任務(wù)中使用。 EM－1 任務(wù)是地－月空間無人飛行試驗(yàn)。 在該試驗(yàn)中計(jì)劃將2 個(gè)輻射人體模型放在獵戶座乘員座位上，一個(gè)模型穿防護(hù)背心，另一個(gè)不穿，并在模型的外部（皮膚）和內(nèi)部（器官點(diǎn)）不同位置加裝劑量計(jì)，以測(cè)試AstroRad 背心的輻射屏蔽效果。

5.2 充水式輻射防護(hù)服PERSEO

5.2.1 研制情況

意大利航天局研制的PERSEO 防護(hù)服是一件無袖上衣，有4 個(gè)嵌入式充水袋，通過內(nèi)部水管相互連接，用在軌水分配器的單一接口充水，使用后再將水排回水再生系統(tǒng)。 服裝和水袋的尺寸根據(jù)穿著者的尺寸量身定制，2 個(gè)前水袋保護(hù)胸部和腹部，2 個(gè)后水袋保護(hù)上背部和下背部，設(shè)計(jì)如圖6 所示。 圖6（a）是內(nèi)部連接的水袋，包括水管線路、閥門和快速斷接頭（作為充水和排水的匹配接口）。 其中，閥門采用商用聚丙烯（PP），耐化學(xué)腐蝕，適用于真空操作（發(fā)射時(shí)水袋抽成真空），管道采用線性低密度聚乙烯（LLDPE）。圖6（b）是服裝內(nèi)里視圖，為展示水袋打開了尼龍搭扣。 防護(hù)服采用阻燃材料（厚度為190 g／m的織物）研制。 充滿水后，所有水袋的厚度均為7 cm，外加2.5 mm 的聚氨酯外包層（PU），4 個(gè)水袋系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)存水量為22.8 L。 水袋抽成真空后，整個(gè)防護(hù)服的重量約為4 kg。

圖6 PERSEO 防護(hù)服設(shè)計(jì)［17］Fig.6 The design of PERSEO［17］

該設(shè)計(jì)方案能夠保證航天員的軀干靈活性，可自由彎曲，適合于微重力條件下的姿勢(shì)調(diào)整。充水防護(hù)服只設(shè)有一個(gè)進(jìn)水口，且水袋相互隔離，以盡量減少乘員充水操作和大量漏水的風(fēng)險(xiǎn)。

5.2.2 測(cè)試與驗(yàn)證

充水防護(hù)服地面測(cè)試結(jié)果表明：穿著防護(hù)服后，人體模型BFO 的輻射劑量降低31% ～42%，表明充水防護(hù)服可有效降低輻射劑量。

2017 年11 月在國(guó)際空間站開展了PERSEO防護(hù)服在軌測(cè)試，測(cè)試了在軌充水時(shí)間、穿著服裝時(shí)間、排水時(shí)間以及服裝舒適性和將水排回艙內(nèi)水回收系統(tǒng)的可行性等，并收集航天員的反饋意見。 測(cè)試結(jié)果表明：①認(rèn)為服裝的展開／折疊、充水／排水和穿／脫易于操作；②充水時(shí)間約為20 min、服裝穿著時(shí)間約30 min、排水時(shí)間約40 min，且不會(huì)造成水的浪費(fèi)；③服裝體積和質(zhì)量?jī)H略微限制了運(yùn)動(dòng)的自由度，對(duì)日常操作有中等程度的影響，是可以接受的，但仍有改進(jìn)空間。 缺點(diǎn)是穿著時(shí)感覺冷，這是由于水袋內(nèi)水溫和體溫之間存在溫差。 在軌實(shí)驗(yàn)證明了從數(shù)小時(shí)到一整天的時(shí)間內(nèi)使用該防護(hù)服實(shí)現(xiàn)個(gè)人輻射屏蔽的可能性。 未來還將在地－月飛行試驗(yàn)中進(jìn)一步驗(yàn)證輻射防護(hù)效果。

5.3 2 種防護(hù)服的分析比較

2 種輻射防護(hù)服均利用在軌可利用資源作為輻射防護(hù)材料，且地面測(cè)試結(jié)果表明均可有效屏蔽輻射。 相比之下，充水防護(hù)服具有以下優(yōu)點(diǎn)：①服裝柔韌性好，活動(dòng)更靈活；②防輻射材料不需要在軌加工，直接充水即可；③設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單。 其缺點(diǎn)是：①水袋厚度一樣，各器官防護(hù)程度無差別；②整個(gè)上半身水袋并非無縫連接，存在人體輻射風(fēng)險(xiǎn)；③充水、排水操作增加了航天員的工作量，且水袋存在漏水隱患；④充水、穿著時(shí)間較長(zhǎng)，尤其是發(fā)生強(qiáng)SPE 時(shí)，多件防護(hù)服臨時(shí)充水導(dǎo)致不能及時(shí)穿上而增加了航天員輻射風(fēng)險(xiǎn)；⑤對(duì)于深空任務(wù)，該方案可能并不理想，因?yàn)樵谠虑颍?／6 G）和火星（約2／5 G）上有重力存在，水袋厚度不均勻，且不能根據(jù)屏蔽需要分布，因而存在輻射風(fēng)險(xiǎn)。

聚乙烯輻射防護(hù)背心AstroRad 輻射防護(hù)優(yōu)點(diǎn)包括：①完全根據(jù)器官輻射屏蔽需要設(shè)置防護(hù)服厚度，最大程度優(yōu)化屏蔽材料的使用；②輻射防護(hù)服是連續(xù)的，在任何重力條件下形狀都是固定的，能較好地保護(hù)敏感器官；③當(dāng)發(fā)生SPE 時(shí)，隨時(shí)可穿戴，能及時(shí)進(jìn)行防護(hù)。 其缺點(diǎn)包括：①實(shí)際應(yīng)用中，輻射防護(hù)服發(fā)射前已根據(jù)航天員尺寸研制好，但輻射防護(hù)片材可能需要在軌加工、填充，增加了航天員在軌工作量；②長(zhǎng)時(shí)間穿著的舒適度和靈活性可能不如充水防護(hù)服。

6 小結(jié)與展望

在近地軌道，由于地球磁場(chǎng)的保護(hù)，空間站航天員所受的輻射劑量相對(duì)較低，艙內(nèi)的輻射防護(hù)可考慮輻射防護(hù)水簾、輻射防護(hù)睡袋、利用水箱和其他在軌物資臨時(shí)搭建輻射避難室等方案，應(yīng)重點(diǎn)防護(hù)南大西洋異常區(qū)（South Atlantic Anomaly，SAA）的輻射，應(yīng)盡量避免在該區(qū)域執(zhí)行出艙活動(dòng)任務(wù)。

未來深空探測(cè)任務(wù)中，可同時(shí)采取太空居住艙防護(hù)、輻射背心防護(hù)、飛行器艙室重構(gòu)防護(hù)等方案，例如在月球或火星上利用防輻射材料建立居住艙，并在艙內(nèi)利用在軌資源建立小范圍的輻射避難室，以在發(fā)生SPE 時(shí)加強(qiáng)防護(hù)；在飛行期間，除飛行器本身起到的屏蔽作用外，還可采取艙室重構(gòu)防護(hù)方案，搭建緊急避難室；此外，防護(hù)服可作為其他防護(hù)方案的補(bǔ)充，在飛行器和月球／火星居住艙內(nèi)與其他防護(hù)方案同時(shí)使用；但是所有這些防護(hù)準(zhǔn)備需要在SPE 發(fā)生30 min 之內(nèi)完成，以避免航天員在采取防護(hù)措施之前暴露太長(zhǎng)時(shí)間。

需要注意的是，如果在組建避難室的過程中需要使用飛行器上的物資、消耗品和／或設(shè)備，則需要制定能在任務(wù)期間快速獲取必要物品存放位置和數(shù)量的方法，以確保有足夠的物品，并能在30 min 內(nèi)完成組裝工作。 與此類似，航天員待在避難室內(nèi)的時(shí)間，短則數(shù)小時(shí)，長(zhǎng)則數(shù)天，設(shè)計(jì)的避難室不能妨礙航天員獲取必要的生活物資，并能與飛行器系統(tǒng)通信。 為此，可采用2 種設(shè)計(jì)方案：一是在避難室內(nèi)配置數(shù)天的食物，并在室內(nèi)建立與飛行器系統(tǒng)的通信；二是可以快速進(jìn)出避難室，以便航天員在必要時(shí)離開（穿著輻射防護(hù)服）。

輻射防護(hù)服的研制在滿足輻射防護(hù)預(yù)期效果的同時(shí)，還要考慮防護(hù)服的適體性、穿著方便性以及靈活性，因此充水防護(hù)服可考慮賦形設(shè)計(jì)；必要時(shí)，聚乙烯防護(hù)背心柔性部件可考慮用水填充，同時(shí)防護(hù)服還需考慮透氣性、保溫性和安全性要求。除防護(hù)背心外，還可考慮研制頭部和眼部防護(hù)部件（例如聚合物頭盔和眼鏡），以對(duì)頭部和眼睛進(jìn)行輻射防護(hù)。

在星際任務(wù)的艙外活動(dòng)中，輻射防護(hù)也是艙外航天服設(shè)計(jì)必須考慮的重要因素，除可以考慮基于聚乙烯的復(fù)合材料作為防護(hù)層外，還可以考慮把BNNT 或空化的單壁碳納米管編織到航天服織物中，為航天員提供重要的輻射防護(hù)手段。