空間站工程空間激光安全工程技術研究

王 偉，王 功

（中國科學院空間應用工程與技術中心，北京100094）

空間站工程空間激光安全工程技術研究

王 偉，王 功

（中國科學院空間應用工程與技術中心，北京100094）

針對我國空間站工程空間激光器的危害問題，提出了完整的空間站工程激光安全的技術方案，涉及激光器安全等級的劃分、激光器安全閾值要求、激光器危害的防護控制措施、以及激光器安全風險的評估等工程范疇。在此基礎上，結合我國目前空間站空間應用的實際需求，提出了開展空間激光器安全防護的工程設計準則，為后續空間站工程空間應用系統激光器安全性設計提供了參考。

空間站；激光安全；空間應用載荷；最大允許輻射量

1　引言

激光器是航天領域用于解決各種工程及科學問題的重要工具，目前，激光器已經成功應用于國內外航天項目的各個領域［1-2］，范圍覆蓋激光測距、激光敏感器、激光照明、激光通信等各個方面。特別是在航天飛機和國際空間站等載人航天領域［3-5］，作為各種密閉敏感器的光源、測量、通信、實驗照明等得到了更為廣泛的應用。

相比載人航天領域的應用，在無人航天項目中采用的激光器大多屬于高功率激光產品［6］，由于無人參與，因此，運行期間不會產生對人的危害。

在載人航天領域所采用的激光器，由于有人員參與，對其危害應特別關注。激光安全成為諸多載人航天領域安全性問題中的一個重要和焦點問題，直接決定著航天員的生命安全、空間應用規模的深度和廣度。國際空間站的經驗［7］是對于Class 1M、2M、或者3R等級的激光系統應聯系JSC的激光安全辦公室（LSO）進行激光危險的評估，并由JSC的激光安全辦公室來確定附加的安全性要求和必要的激光系統的使用培訓項目。當操作Class 3B或者4類的激光系統時，應填寫JSC Form 44B表進行注冊，并獲得JSC的激光安全辦公室批準才能使用。

在艙外活動中所使用激光產品（如艙外照明、艙外攝像等）以及艙內科學實驗中所采用的高功率激光器，更應是防護的重點。航天飛機上采用的軌道機械臂傳感器系統OBSS［8］（Orbiter Boom Sensor System）采用了兩個激光傳感器LCS（Laser Camera System）和LDRI（Laser Dynamic Range Imager），這兩個傳感器的激光器等級均高于3B級，對航天員的眼睛存在潛在的危害。其中，激光動態范圍成像儀LDRI作為軌道器機械臂傳感器系統的一個重要部件，用于提供航天器熱保護系統的在軌檢查。在設計過程中Flight E-quipment and Reliability Review Panel（FESRRP）咨詢了JSC專家LDRI所使用的激光器是否會對參與艙內和艙外活動的航天員的眼睛造成傷害，同樣也邀請了航天器窗戶設計的專家來參與討論，并建立窗戶的傳輸特性模型。最終激光器專家同意了硬件提供商關于建立必要的EVA過程中的遮擋區（Keep-out Zone），以及在IVA過程中，推薦即使通過窗口觀察仍需要戴特定的太陽鏡以防止可能的眼損傷。

激光攝像系統LCS是一個高精度自動同步三角測量的三維激光掃描儀，它屬于OBSS中的另一個重要的傳感器，采用激光器為3B級Nd：YAG激光產品，其脈沖能量為25 mJ，波長為1064 nm。FESRRP同樣向JSC專家咨詢了有關非電離輻射的問題，并且同意了硬件提供商推薦的遮擋區。在實際的EVA維修活動中，ISS Safety Review Panel、Orbiter Safety Review Panel以及MOD EVA專家經過討論一致認為：在進入這兩個傳感器遮擋區開展維修活動情況下，激光照射將有可能造成航天員災難性的后果（失明），因此，在不得不進入這兩個傳感器的遮擋區內時，必須采用適當的控制措施［8］。

考慮到空間環境的影響，空間激光器的使用與地面應用具有一定差異性，如，空間密封艙內的環境狹小，使得地面上對足夠安全距離或觀察角度的要求，在空間站上難以保證；空間科學實驗載荷的質量和體積的約束，使得地面上要求的互鎖、光束的衰減、防護罩、光學路徑的控制等核心設計問題更加受限；另外，空間振動、微重力、輻照等特殊太空環境的影響，使得完全參照地面標準開展的激光系統防護設計效果變得更加脆弱。因此，在軌激光系統的安全性設計與防護問題是載人空間站工程空間應用系統設計過程中較為普遍且急需重點關注的安全性問題。

本文在總結國外空間激光安全使用的相關經驗基礎上，規劃空間激光安全工程技術要素，提煉出激光產品安全性防護的通用設計準則與要求；在梳理我國現階段空間應用系統科學實驗載荷所采用激光器需求的基礎上，借鑒國際空間站的成功經驗，提出我國空間應用系統在空間激光安全方面的相關設計準則，為后續開展空間應用系統的激光安全防護設計工作提供參考。

2　空間激光安全的影響分析

開展空間激光安全防護設計工作應重點解決兩個方面問題。首先解決激光產品的環境適應性問題，本項工作的重點就是分析空間環境對激光產品的影響，并進行空間環境適應性防護設計；其次就是需要分析地面激光產品與空間激光產品在設計要求方面的差異性，并結合空間站上的實際約束，確定專門的空間激光安全性設計要求。

2.1 空間環境對激光器的影響分析及控制措施

空間激光器的工程設計首先應確保其滿足空間環境適應性。空間環境對激光系統的影響及其控制措施如表1所示［1］。

2.2 地面激光安全要求對空間激光產品設計的影響分析

在滿足激光產品空間環境適應性設計的基礎上，需要進一步分析地面激光產品的安全性要求可能對空間激光產品設計上產生的影響。現有的地面激光產品安全性標準中規定的設計要求［9］對空間激光產品設計可能產生的影響分析如表2所示。

表1　空間環境對激光器的影響及控制措施［1］Table 1 The effect of space environment on the laser and the control measures［1］

表2　地面激光安全要求對空間激光產品設計的影響分析Table 2 The impact analysis of ground laser requirements on design of space laser products

3　空間激光安全的工程技術設計要素

總結工程經驗可得空間激光安全工程技術設計要素總體框架如圖1所示。

圖1　空間應用系統激光安全工程技術設計要素Fig.1 Design elements for laser safety engineering technology of space utilization system

圖中可以看出，在空間有效載荷產品研制過程中，對于空間激光安全問題，工程上首先需要解決的是空間激光產品/系統的安全性要求問題，然后根據激光產品/系統安全要求，結合空間應用的需求情況，對空間中采用的激光產品/系統進行分級，再依據激光產品/系統危害等級的識別結果確定相應的安全性防護措施；除了需要考慮必要的設計防護措施外，還應采取相應的管理措施，如制定規范的激光器操作規程、提供警示標識等。最后，空間應用載荷在上站之前，應對激光產品/系統安全問題進行風險評估，其結果將作為空間科學實驗載荷上站安全性認證的重要考核內容之一，從而為工程決策提供安全性方面的依據。

3.1 激光安全的控制閾值

激光安全中最重要的一項指標就是最大允許輻照量MPE（maximum permissible exposure），指眼或皮膚受到照射后即刻或長時間后無損傷發生的最大輻射水平，與輻射波長、脈寬或照射時間、處于危險狀態的生物組織以及暴露在400 nm～1400 nm的可見和近紅外輻射中的視網膜成像的大小等相關［10］。根據IEC 60825中的標準［11］，可繪制連續波激光器不同波長的MPE與暴露時間關系曲線如圖2，脈沖激光器的MPE與暴露時間的關系曲線如圖3。

3.2 激光器安全等級的劃分

針對空間應用系統激光器的使用需求，首要的工作就是應對各科學實驗載荷所采用的激光器/激光系統的安全等級進行分類。因此，激光器等級分類工作應重點考慮。

圖2　連續波（CW）激光器不同波長下的MPE與暴露時間的關系曲線［10］Fig.2 MPE and exposure time curve under different wavelength for continuous wave（CW）lasers［10］

圖3　脈沖激光器在不同暴露時間下MPE與波長關系曲線Fig.3 MPE and wavelength curve under different exposure time for pulse lasers

目前，針對激光器安全等級劃分的標準，國際上主要遵循的是CDRH［9］（Center for Devices and RadiologicalHealth）的21CFR1040，ANSI 136.1［10］、以及IEC 60825-1［11］三大標準，其中CDRH標準和IEC標準側重于對制造商的要求，ANSI系列標準則側重對用戶即使用者的要求。

上述三大主流國外標準中，CDRH和ANSI Z136.1屬于美國的分類方法，IEC60825-1基本上代表了歐洲的劃分思路。雖然這些標準使用的分類系統具有相似性，但不是絕對相同的。IEC60825標準中的AEL極限沒有CDRH所要求的那么嚴格。但是，CDRH的分類基于正常使用條件下最大輻射水平，而IEC 60825標準基于“合理可預見故障條件”（例如光纖正好在輸出耦合器處斷裂，或者依次將LED的限流電阻短路等）。

當前，國內外激光安全標準中針對激光安全等級的劃分標準的比較如表3所示。

表3　國內外激光安全等級劃分標準的比較Table 3 Comparison of laser safety classification standards at home and abroad

從表3可以看出，國外激光安全性分級標準在承認細微差異的基礎上保持著相互協調，目前為止，“Class1-Class 1M-Class2-Class 2M-Class 3RClass 3B-Class 4”的四大類七小類的分類系統已經成為IEC和ANSI普遍采用的分類標準。目前，國際空間站項目中有關激光安全的標準主要遵循的ANSI Z136.1就是采用該標準劃分方式［10］。

一般來說，激光產品的安全等級劃分主要由產品制造商（供應商）提供，但是，由于在空間科學應用中，大多數應用激光產品的場合都是采用了激光器外加附加的光學系統，重新構成了新的復雜激光系統，其安全等級可能發生變化，因此，對于激光安全等級的劃分應根據具體應用有效載荷的設計方案進行區分和確定。對于空間激光產品的安全等級劃分應參照國際現行通用的標準重新制定新的分類標準，這樣在后續的空間應用過程中，才能制定更加適當、有效地控制措施，做到有的放矢。

3.3 空間激光危害的防護控制優先級

激光危害控制的優先級主要包括以下四個層次［12］（見圖4）：

1）替換：采用較低等級的激光產品；

2）工程控制：入口控制，屏蔽，包覆，聯鎖裝置等；

3）監測與報警：主要是設置警告標識，提醒航天員避免進入危險操作區；

4）管理控制：規章制度、航天員操作使用培訓、制定操作規程和手冊等；

5）個人防護設備：眼罩等。

3.4 激光安全性風險的評估

在明確激光器/激光系統的安全等級的基礎上，可以開展相對應的控制措施，然后根據控制措施對激光器/激光系統的安全風險進行評估［13］，找出薄弱環節和殘余風險，補充、改進、完善各項控制措施，通過持續改進和迭代的風險評價過程，可以將激光器安全性風險控制到可接受的水平，即實現風險可控。整個激光器安全性風險評價的通用流程如下圖5所示。

圖4　安全性控制措施體系示意圖Fig.4 Sketch map of safety control measures

圖5　激光器安全風險評估一般流程Fig.5 General assessment process for laser safety risk

風險評估的主要內容概括如下：

1）明確激光系統的性能參數和指標要求，即理清并明確輸入與邊界條件；

2）明確激光系統的安全等級，可以參照制造商提供安全等級，必要時需要根據系統的整體設計重新確定適當的安全等級；

3）識別危險或危險過程，包括非光束性危害，此項工作通常以檢查單形式開展更為有效；

4）確定哪些人可能受到損害，以及如何損害；

5）評估風險，考慮現有的預防和控制措施；

6）識別可以采取哪些措施來消除或降低風險到可接受水平；

7）記錄風險評估過程；

8）評審，設計更改時需重新評估。

4　空間應用系統激光器安全的工程防護考慮

4.1 空間站激光器的應用需求分析及初步控制措施

根據空間站空間應用系統科學實驗柜現階段的方案和需求，初步梳理各科學實驗柜采用激光器搭建激光系統的需求及初步控制措施如表4所示。

4.2 空間激光安全防護設計準則

對于空間應用的激光產品，由于空間環境的影響，尤其是狹小空間、以及質量、體積等因素的限制，使得地面上規定的一些激光器防護措施要求，如保持安全距離、安裝保護罩、鑰匙控制器、光線終止器和衰減器等［12］，往往在設計上難以同時滿足。因此，有必要結合我國空間應用科學實驗載荷的設計需求，在合理確定激光系統安全等級、明確其潛在危害影響及后果（尤其是伴隨危害，如火災、高壓等）的基礎上，研究制定有效的空間激光系統（這里激光系統是指采用了特定類別激光器以及特殊的光學組件構成復雜光路的具有特定應用功能需求的系統）專門的安全性設計準則和工程實踐。

空間應用系統激光器安全性設計的一般性要求和設計考慮主要包括以下幾個方面：

1）在滿足空間科學應用的前提下，應盡量采用危害等級較低的激光器產品。激光器的使用者應提供設備的分類等級說明，激光器設備的數據清單，只有Class 1，1M激光器允許直接使用，對于其他激光器類型（2，2M，3R）激光器有條件使用，而對于3B和4類激光器應嚴格限制使用。特殊空間應用需求導致不得不選用3B以上級別的激光器的情況下，需要采取嚴格的工程控制措施和管理程序措施。需要注意的是，拆卸或調整激光設備可能導致類型的改變。

2）光學儀器的設計應確保有害光不能被操作人員觀察到（可能是直射，也可能是散射光，視具體的激光產品的安全等級而定）。

3）對于危險的波長和光照強度，應采用合理可行的保護措施加以防護，如石英窗、孔或光束停止和外殼等進行限制和包覆。

4）直接用于觀察的光學系統的非電離輻射量應限制在最大允許暴露水平（MPE）之下。可能采取的措施是采用衰減器等。

表4　空間站應用系統典型的激光器使用需求、安全等級及相應控制措施Table 4 Typical laser use requirement，safety level and related control measures for application system in space station

5）激光系統應采取故障容限設計和故障隔離設計，應具有鎖定功能，包括限位、互鎖等，確保激光器光束輸出功能在故障情況下不被誤導。

6）激光系統的設計應考慮其他的非光束危害，如高壓，照射易燃材料引起的火災、有毒材料泄露等等。相關的控制措施也應根據具體選用的激光器而定。

7）應對各種采用激光器的載荷產品根據激光器的安全等級進行警示標識。

8）在軌科學實驗過程中需要航天員參與的科學實驗或維修活動應提供必要的個人防護措施，相關防護設備應根據所采用的激光器的類型進行專門設計等。

9）應針對應用有效載荷設計中采用中高功率激光器的產品開展風險評估工作，通過定性或定量的評價工作確保這類激光產品的安全性風險是可控并且可接受的。

10）應組織對設計激光器系統的設計人員、裝調人員、航天員等相關可能參與激光產品設計和使用的人員進行專門的培訓。

5　結論

通過系統分析空間環境以及地面激光安全要求對空間激光產品設計影響，規劃了適用于空間站空間應用有效載荷激光安全設計的工程技術方案。本方案從確定激光安全控制要求入手，通過分析激光安全等級，確定了空間激光產品安全性設計準則，相關成果和設計準則要求已在現階段我國空間站工程空間應用系統有效載荷的激光安全設計工程實踐中得到了初步應用，提出的一系列適用于空間站空間應用系統激光安全防護設計的控制措施，也將為后續開展空間應用有效載荷激光安全性設計提供了參考。

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Study on Space Laser Safety in China's Space Station Project

WANG Wei，WANG Gong
（Technology and Engineering Center for Space Utilization，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100094，China）

Aiming at the hazardous problem of space lasers in China's space station，a complete space lasers safety technical scheme for the space station project was proposed.The technical proposal includes the division of laser safety level，the quantitative requirement of laser safety，the protective control measures for laser hazards，as well as the risk estimation of the laser safety etc.On the basis of the technical scheme，considering the actual requirements of China's space station application system at present，the engineering design guidelines for space laser safety were proposed，which may serve as a guidance and reference for subsequent space laser safety design in space station application system.

space station；laser safety；space utilization payloads；maximum permissible exposure

V528

A

1674-5825（2016）05-0587-07

2015-05-17；

2016-07-01

王偉（1977-），男，博士，研究員，研究方向為航天產品安全性、可靠性技術研究與應用。E-mail：wangwei@csu.ac.cn