空間環境對載人登月活動的影響及保障需求研究

陳鳳貴，王勝國，謝志輝，劉克華，陳光明

（1.總參大氣環境研究所，北京 100029；2.中國人民解放軍94683部隊，晉江 福建 362001）

載人登月航天器要經歷地球大氣、地球空間、行星際空間、月球空間和月表等整個地月空間。地月空間環境復雜多變，給載人登月航天器及航天員登月探測活動帶來了很大影響，這就對載人登月空間環境保障提出了新的、更高的要求。

1 空間環境對載人登月活動的影響

1.1 地球空間環境

關于對流層大氣環境的研究已經比較深入和系統，主要包括風、云、雨、雷電等影響載人登月航天器和火箭的轉運、待發姿態、發射和返回艙的回收，影響機理等方面的研究比較清楚，保障技術和手段也比較成熟完善。平流層和中間層夏季盛行東風，冬季盛行西風，平流層的平均水平風速約30 m/s，最大風速在中緯度地區60 km高度附近，風速達100 m/s左右。對航天器的影響主要是：空氣阻力對航天器軌道的影響和大氣中原子氧對航天器表面的剝蝕作用等。平流層到中間層是載人登月飛行器發射、初始飛行、返回艙回收的重點保障區域，對航天器的發射、航天員的安全以及返回艙落區的精確預測具有重要影響。

由于電離層吸收了太陽極紫外及軟X射線譜段的輻射而呈電離狀態，由自由電子、離子和未電離的中性成分組成［1］。電離層能引起無線電波的折射、散射和衰減等效應，影響無線電短波通信、全球導航信號、測控和衛星通信等。地球磁層對航天器的影響主要是：等離子體以高電壓系統電流泄漏和離子曳力方式影響低地球軌道航天器；以高充電方式影響中軌道和地球同步軌道航天器；以輻射帶粒子的劑量效應和單粒子事件影響中軌道、地球同步軌道和行星際軌道航天器。

在地球空間環境內流星體和空間碎片也會對航天器的安全造成嚴重影響［2］。流星體在太陽引力場的作用下沿著各種橢圓軌道運動，其平均密度為0.5 g/cm3，相對于地球的速度為11～72 km/s，平均速度為20 km/s。流星體在空間的分布不均勻。許多流星體密集產生在它們的母體軌道附近，形成“流星體群”，當地球繞太陽公轉穿過這些區域時，會接近或穿越這些軌道，地球及繞地球運行的航天器就會遇到多個流星體撞擊。空間碎片的分布不像流星體那樣有一定的時間性和固定的軌道，但也呈現出一定的規律性。據估計，在距地球表面2000 km的高度內，約有3000 t人造在軌物體，這些物體大多在高傾角軌道，平均相對速度約10 km/s。地球同步軌道（GEO）是空間碎片的另一密集區域，流星體和空間碎片對空間飛行器的影響主要是造成機械損傷［3］。

1.2 行星際空間環境

行星際空間充滿著來自太陽的稀薄等離子體、所有波長的天體電磁輻射和不同能量的粒子輻射，并伴隨著行星際磁場。這種高溫稀薄等離子體的溫度達數百萬度，以每秒幾百千米的速度從太陽向外膨脹，其影響與磁層等離子體和高能粒子相似。行星際塵埃是存在于行星際空間的固態物質，直徑多在10～100 μm之間，有的甚至小于0.1 μm，它和流星體一樣會對航天器造成機械損傷［4］。

1.3 月球空間環境

1.3.1 月球真空環境

月球擁有一個接近真空的環境，月表大氣的主要成是氖、氫、氦和氬。對深測器和航天員登月活動的影響主要是：脫氣作用、溫度的劇烈變化和無明顯阻尼介質的振動。由于月球表面高真空，沒有大氣的熱傳導，月球表面的白天和黑夜、受到太陽照射的位置與沒有受到大陽照射的位置溫差極大，極限溫度差可達到150～180℃。因此，用于月球車和航天員保障設備的材料必須能抵抗高真空下的脫氣，防止材料破損，增加強度。還必須能經受極限溫度而不致變形或損傷，防止探測設備各部件的傳動潤滑油由于溫度高揮發或由于溫度低而凝固，致使潤滑油失效。同時，月表沒有空氣等阻尼介質，當探測設備發生振動時，需要消減振動。

1.3.2 月表塵埃等離子體環境

月球沒有地球那樣稠密的大氣和全球磁場，太陽風等離子體幾乎可以直接作用于月球表面，經與月表相互作用，形成了一個復雜的塵埃等離子體環境［5］。

月球表面存在著大量的細小塵埃，月表電導率較低，月表塵埃帶電后不易消失，再加上月球重力場非常小，塵埃便在月表電場的作用下懸浮運動。美國阿波羅號登月航天員在早晨看到了由月表塵埃引起的高度約1 m的“暈”，美國Clementine也拍到了月球塵埃所形成的“暈”。對于微米量級的靜電懸浮顆粒，在向陽面懸浮高度為1 m，而在背陽面可達幾十米。0.01 μm的靜電懸浮顆粒在向陽面高度接近1 km，而背陽面高度可達近百千米。在月球晨側，由于鞘層較薄，電場梯度最大，靜電懸浮顆粒快速浮起，形成一個塵埃“泉涌”現象。美國阿波羅號在月表安放的月表火山噴出物和微流星實驗儀LEAM首先監測到這一現象［6］。

月表塵埃顆粒的懸浮運動，對月表著陸器、月球基地和登月航天員構成威脅。靜電塵埃懸浮顆粒的強附著性和研磨性，導致著陸器的光學鏡頭、太陽能電池、轉動機構等性能下降，甚至發生故障。靜電塵埃懸浮顆粒甚至能透過航天服，對航天員的肺部形成嚴重的威脅。阿波羅號登月艙內曾出現塵埃多到影響視線的程度。

1.3.3 月球空間輻射環境

月球空間環境粒子輻射的來源主要是太陽宇宙射線和銀河宇宙射線［7］。

太陽宇宙射線（SCR），也叫太陽高能粒子、太陽質子事件。在太陽活動的11年周期里，當太陽活動在極小年附近時，幾乎看不到太陽宇宙射線粒子，而當太陽相當活躍的時候（通常太陽黑子數在50以上），在月球附近任何位置都可以看到太陽宇宙射線粒子。銀河宇宙射線由能量極高、而通量很低的帶電粒子（質子、α粒子和重粒子等）組成，在行星際空間中傳播時，受到行星際磁場的影響，銀河宇射線的強度隨時間變化受太陽11年周期的調制。

月球探測衛星繞月球運行和登月時，極可能受到大量的粒子輻射。現有的探測數據顯示，在每次太陽11年活動周期中都有可能發生幾次危險的太陽質子事件。其中能量大于10 MeV，年積分通量大于2×109/cm2的普通質子事件對衛星有不利的影響；能量大于10 MeV，最高達103MeV，通量大于1010/cm2的特大質子事件在太陽活動極大年發生幾率較大。太陽宇宙射線中的高能質子會引起單粒子效應，可能損壞月球探測器表面、結構的整體性和電子元件。這些大而重的高能質子能使光學材料電離，導致光學設備癱瘓。低通量的銀河宇宙射線，由于粒子能量高，可能引起單粒子事件發生，導致探測設備電路產生位翻轉、閂鎖、門陣列斷裂和線性改變等不良效果甚至失效。

近月空間和月表的空間高能粒子輻射可能對人體造成輻射損傷，超過一定劑量的粒子輻射可能造成航天員肌肉、骨骼等組織的變性和血液礦物質含量的變化，尤其是高LET（線性能量轉移）的質子、重離子會造成宇航員的眼部閃光，對航天員的眼睛傷害非常大。美國規定的航天員接受輻射劑量標準見表 1［8］。

表1 美國航天員的輻射劑量當量限值Table 1 Radiation dose equivalent limit for astronauts in the United States

流星體是自然存在且正在穿過空間的固態物體，體積小速度快，撞擊到月球表面的速度約為11～72 km/s。流星體的質量雖小，但由于運行速度很高，所以具有很大動能，在與空間飛行器相撞時，巨大的能量將在極短的時間內、在極小的碰撞點上釋放出來，就會對飛行器造成極為嚴重的危害后果。微流星體的碰撞會汽化碰撞目標上的一些物質，從而形成羽狀等離子體流，當等離子體穿透儀器時會造成電路短路。碰撞導致的沙蝕，可使光學儀器表面、太陽電池等受到損害。稍大尺度的流星體，可能對飛行器造成機械損傷，甚至有可能穿透殼壁［9］。由于月球上空沒有大氣層的屏蔽，容易受到流星體的轟擊，具有一定的危險。因此登月服的外套層需要采用特殊的防護材料。

2 實施載人登月活動空間環境保障需要重點關注的環境要素和現象

2.1 空間環境保障需求要素分析

在載人登月過程中，如果采用嫦娥一號的發射方式，航天器需要繞地球軌道空間飛行數日，要多次穿越內外輻射帶（地心距分別為2.5 RE和3～7 RE）和空間碎片密集區（2000 km以下和地球同步軌道）。在此過程中，重點需要提供流星體、空間碎片、輻射帶環境、高能粒子、重離子等空間環境保障。流星體和空間碎片對航天器的影響主要是造成機械損傷。流星體具有很大的動能，會造成電路短路。空間碎片可能造成太陽能電池陣短路甚至損壞電池陣，或穿透舷窗，使航天器密封艙內氣體泄漏等。高能粒子或重離子會引起微電子器件狀態的改變，造成飛行器發生異常或故障。

航天器在繞月和航天員登陸月球后，對航天器和宇航員造成影響或損傷的主要是宇宙線、磁尾磁場和粒子。月球帶電粒子輻射的來源主要是銀河宇宙線和太陽宇宙線。銀河宇宙線可直接入射到月球表面，太陽宇宙線和銀河宇宙線含有大量的高能粒子和重離子，會致使登月航天器性能受損和故障，并對航天員造成輻射損傷。月表塵埃顆粒的懸浮運動，對月表著陸器、月球基地和航天員會構成重要的威脅。因此需要對月球表面和近月空間的高能粒子、重離子和月表塵埃環境以及磁尾磁場和粒子環境狀態提供保障。

表2是針對載人登月通信、控制，航天器、探測器、月球車，航天員等保障對象，研究提出的空間環境保障重點要素和現象。

2.2 月球空間環境探測研究

對于地球空間環境，國內外已經完成了大量探測工作，其空間環境的狀態及其對航天器的影響機理以及環境保障研究相對成熟。月球空間環境雖然在國內外進行了一些探測研究，但資料較少，研究不全面、不深入，諸如月表的高能粒子、重離子和月表塵埃環境狀態以及月球粒子輻射對航天器和航天員的輻射損傷［6］等研究。急需重點開展以下3個方面工作。

1）研究近月空間和月表的高能粒子輻射環境，評估月表高能粒子對器件造成的單粒子效應和輻射劑量效應，需要使用高能粒子探測器對高能粒子、重粒子輻射環境進行監測，包括對太陽宇宙線和銀河宇宙線的測量。高能粒子和重離子是造成元器件單粒子事件的主要因素，同時也會產生輻射劑量效應，使航天材料產生原子位移，從而導致材料變性。因此需要對航天器（著陸器）所處的粒子輻射環境進行就位測量。雖然嫦娥一號航天器對月球空間高能質子進行了探測，同時還對2路電子和3種重離子成份進行了探測，但還沒有對宇宙線粒子測量和粒子輻射效應監測，需要研制宇宙線重離子探測器對太陽宇宙線和銀河宇宙線進行測量。主要測量H，3He，4He～Fe等粒子，能量范圍約為H：3～300 MeV，3He，4He：8～25 MeV/nucleon，C、N、O：15～55 MeV/nucleon，Fe：30～100 MeV/nucleon。

2）研制輻射效應探測器對近月空間和月表輻射環境進行測量，對器件和航天員的輻射損傷進行預測和評估。需要研制LET譜探測器測量月表粒子對器件和人體的輻射損傷，粒子種類為質子、電子、重離子；LET譜范圍為0.01～100 MeV/（mg·cm-2）；劑量當量率范圍為0～1 Sv/d。主要用于測量航天員接受的粒子輻射環境，監測航天員在月表接受的粒子輻射情況，對航天員的粒子輻射等級、輻射傷害進行預評估，為航天員在月表環境下輻射防護和生命安全提供保障。

3）開展月表塵埃等離子體環境探測及其效應研究。月表等離子體中，電子對于環境的影響要遠遠大于離子的影響，需要研制月表等離子體探測器，離子能量范圍為0.2～3 keV，32個能道；電子能量范圍為0.01～4 keV，32個能道；離子探測視場為±50°×360°；電子探測視場：140°×360°；角分辨為17.5°×30°；用于測量月表等離子體。研制月表靜電電位探測器，電位量程范圍為+150～-1500 V，電場量程范圍為-4～15 V/m，用于探測月表的充電電位和月表附近的電場強度。研制月表塵埃探測器，塵埃顆粒質量量程為10-6～10-3 g，測量靈敏度為10-7 g/cm2·Hz，主要用于探測塵埃顆粒的質量大小和分布情況。

3 結語

建立完善的載人登月空間環境保障系統，為登月航天器的飛行安全和航天員出艙登月探測活動提供空間環境保障，需要以月球空間環境探測為重點，開展近月和月表高能粒子和重離子環境探測、月表等離子體環境探測、輻射帶粒子能譜分布、流星體通量模式等研究，加強月球空間環境保障能力。

參考文獻：

［1］ 劉振興.太空物理學［M］.哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社，2005.LIU Zhen-xing.Space Physics［M］.Harbin:Harbin Industrial University Press，2005.

［2］ 王勁松，焦維新.空間天氣災害［M］.北京:氣象出版社，2009.WANG Jin-song，JIAO Wei-xin.Space Weather Disaster［M］.Beijing:Meteorological Press，2009.

［3］ 焦維新，傅綏燕.太空探索［M］.北京:北京大學出版社，2003.JIAO Wei-xin，FU Sui-yan.Space Exploration［M］.Beijing:Peking University Press，2003.

［4］ 李福林.中國軍事百科（空間天氣分冊）［M］.北京:中國大百科全書出版社，2007.LI Fu-lin.China Military Encyclopedia（Space Weather）［M］.Beijing:China Encyclopedia Press，2007.

［5］ 王世金.近月空間粒子輻射環境［M］.北京:經濟科學出版社，2012.WANG Shi-jin.Near Lunar Space Particle Radiation Environment［M］.Beijing:Economic Science Press，2012.

［6］ 吳偉仁.奔向月球［M］.北京:中國宇航出版社，2008.WU Wei-ren.Toward the Moon［M］.Beijing:Chinese Aerospace Press，2008.

［7］ 褚桂柏，張熇.月球探測器技術［M］.北京:北京大學出版社，2003.ZHU Gui-bai，ZHANG He.The Lunar Probe Technique［M］.Beijing:Peking University Press，2003.

［8］ 林貴平，王晉秀.載人航天生命保障技術［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2006.LIN Gui-ping，WANG Jin-xiu.Manned Spaceflight Life Support Technology［M］.Beijing:Beijing Aerospace University Press，2006.

［9］ 歐陽自遠.月球科學概論［M］.北京:中國宇航出版社，2008.OUYANG Zi-yuan.Introduction to Lunar Science［M］.