載人深空長期飛行輻射粒子的磁場防護探討

楊垂柏 張斌全 薛彥杰 曹光偉 梁金寶 張珅毅

(1 中國科學院國家空間科學中心，北京 100190) (2 沈陽出入境檢驗檢疫局，沈陽 110016)

載人深空長期飛行輻射粒子的磁場防護探討

楊垂柏1張斌全1薛彥杰2曹光偉1梁金寶1張珅毅1

(1 中國科學院國家空間科學中心，北京 100190) (2 沈陽出入境檢驗檢疫局，沈陽 110016)

簡介了空間輻射環境中的銀河宇宙線和太陽質子事件及其對航天員的輻射危害；根據輻射危害防護需求，比較了磁場偏轉、電場抵消和等離子體偏轉3種防護方法的原理和優缺點；對載人火星探測選用的磁場防護方法進行了初步分析和數值仿真。分析表明：偏轉200 MeV能量以下的質子，須在航天器上建造半徑2.04 km，質量2240 kg，通過電流1600 A的環形線圈。此方法可以使進入航天器艙室的宇宙線粒子總通量降低3個數量級，能顯著地降低空間粒子對航天員的危害。分析結果可為載人深空飛行項目的任務規劃、載人飛船設計、輻射危害評價防護措施的制定等提供參考。

載人飛行；輻射粒子；輻射危害；磁場防護

1 引言

隨著人類太空探索活動的不斷發展，美、歐及中國各國家陸續展開了以火星、月球探測為代表的深空探測任務[1-2]，使得人類對深空了解不斷深入，同時反過來也不斷激勵人類對于其他星球探索的熱情，載人深空飛行正在成為航天發展的重要趨勢[3-6]。

地球強大地磁場阻止了宇宙線高能粒子直接到達地球表面，避免了對地面生物造成傷害。但當人們進入太空后，由于地磁場強度降低，空間輻射危害將加重對人體健康的危害。載人探測中，航天員將長期暴露于各類宇宙線輻射粒子中，如果不考慮防護措施，長期的粒子輻射就可能造成人體累積劑量超出健康耐受閾值。因此，宇宙線的空間輻射防護是載人飛行(特別是深空飛行)過程中，需要重點關注的問題。

航天器飛行過程中，遭受到的宇宙線粒子包括兩部分：太陽宇宙線和銀河宇宙線。太陽宇宙線是太陽爆發過程釋放出來的大量高能帶電粒子流，也被稱之為太陽質子事件，呈現出以太陽為中心的放射狀。銀河宇宙線則是來自于銀河系的高能帶電粒子，經過長距離的空間相互的調制作用，基本上呈現出各向同性特點。

載人長期深空飛行遭受的粒子輻射問題，自人們了解到太空充滿輻射粒子就開始關注了。美國及其它航天大國持續地開展著各類可以偏轉或吸收粒子的防護方法和措施的研究，包括靜電高壓偏轉防護、磁場偏轉防護及等離子體偏轉防護等[7-10]，并且磁場偏轉也提出了緊湊型結構和散列型結構。

本文具體分析了深空飛行過程所遭受的輻射環境及劑量危害，比較了幾種不同類型在軌防護方法的優缺點，然后優選出磁場偏轉的防護法，并對載人探測火星防護需要指標進行了仿真計算，據此方法可以將造成輻射危害的宇宙線通量降低10%以上，而太陽宇宙線甚至可降低3個數量級。

2 深空飛行輻射粒子特性

運行于行星際的航天器將遭受的兩類宇宙線具有不同來源和特性，太陽宇宙線相對運行距離“較短”而殘存著方向性，銀河宇宙線行程“長距離”由于各類相互作用而最終形成各向同性。

太陽宇宙線能夠進入航天器艙體對航天員構成危險的主要是30 MeV以上的高能粒子，這些粒子先受到太陽耀斑地加速，爾后受到太陽風磁場約束驅動飛行[8-9]。太陽風速度在200～800 km/s之間變化，凍結的磁力線較為穩定，在黃道面內與日地連線夾角變化為幾十度或更小的垂直分量。通常與地球軌道夾角為45°，而火星軌道夾角為30°，如圖1所示，構成阿基米德螺旋線隨著太陽旋轉。角度隨著時間變化較為緩慢，通常為小時或者天量級的變化。高能帶電粒子順著拖拽磁場運行，與磁力線的夾角也依著能量不同而改變。

圖1 太陽爆發帶電粒子在行星際的運行軌跡Fig.1 Energetic solar cosmic rays spiraling around lines of interplanetary magnetic field

太陽耀斑爆發可以導致太陽質子事件的粒子通量迅速增加，在數小時相同能段內可以增長到相對于背景銀河宇宙線的104倍以上，并持續數天。在太陽平靜時期，就可以觀測到背景銀河宇宙線，而當太陽爆發觀測到輻射粒子通量急劇增加。圖2給出國際監測平臺-4(International Mornitoring Platform-4,IMP-4)在地球靜止軌道觀測到的高能粒子通量比值變化[10]，輻射粒子通量采用年度積分，顯示太陽質子事件的高能粒子通量大于銀河宇宙線的高能粒子通量。

圖2中橫虛線表示宇宙線的輻射粒子總通量與從20～80 MeV范圍的通量的比值，這項比值相對變化比較小；而圖2中顯示IMP-4發射以后統計到的太陽質子事件粒子總通量持續地比背景宇宙線的通量高，上升和下降曲線表示的是探測器觀測統計數據的開始和結束過程。

在第22～23太陽活動周(1986-2008年)期間的180次太陽質子事件中質子通量數據觀測統計分析表明，其中質子事件的持續時間從幾十分鐘到幾天不等，大約有69%的質子事件持續時間維持在2天以內，大約有52%的持續時間維持在1天以內，持續時間達到5天以上的有15次[12]。

采用Spenvis網站提供的計算軟件，利用銀河宇宙線CRME-96模型，計算了載人飛船在行星際不受地球磁場防護的銀河宇宙線的氫、氦及鐵核離子的積分能譜分布，銀河宇宙線的帶電粒子譜相對較硬，高能質子豐度占了總的85%～90%，而氦核占了約10%，其余重離子占比較小。利用太陽質子事件的ESP-PSYCHIC惡劣模型，計算出了不受地球磁場防護的情況下太陽活動高年期的1年內太陽宇宙線的空間氫、氦及鐵核離子的總能譜分布，相對于銀河宇宙線的能量較低，但是單次通量較大。將兩類宇宙線的粒子能譜進行比較，如圖3所示。

圖2 IMP-4衛星觀測太陽質子事件與銀河宇宙線

圖3 深空飛行過程遭受的宇宙線能譜
Fig.3 Interplanetary cosmic rays spectrum

深空飛行遭受到的銀河宇宙線能譜寬且硬，而太陽質子事件粒子能譜較窄且較軟，太陽質子事件較容易屏蔽，因而太陽質子事件造成的危害防護效果更明顯。

3 深空飛行的輻射生物危害

深空飛行生物將遭受到包括粒子輻射、失重、弱磁及心理適應多重危害，而粒子輻射危害將是需要考慮的重要部分。

空間輻射粒子對于人體的危害主要是輻射生物劑量效應，粒子通過電離輻射造成生物DNA分子的單鏈或雙鏈斷裂，導致生物細胞受到傷害。其表現可以分為早期效應和遠期效應兩類，對人體危害最大的為遠期效應。早期效應可引起惡心嘔吐、腹瀉、便血、脫水及休克等急性反應，甚至導致死亡；遠期效應會對人體造成諸如癌癥、中樞神經損傷以及遺傳后代等危害。

針對輻射生物劑量效應對航天人員的危害，輻射劑量分析的關鍵指標主要包括組織器官的吸收劑量、劑量當量及有效劑量。美、歐及日本等國都制定了各自的危害限值標準[3]，重點關注人體內的3項敏感器官劑量當量：骨髓、晶狀體及皮膚。美國輻射防護與測量委員會(NCRP)依據低軌道空間站制定了的輻射劑量不同暴露時間限值標準如表1和表2所示[12]。

表1 不同輻射暴露時間不同組織器官耐受的劑量當量限值

表2 長期暴露人員致死癌癥風險為3%的職業劑量當量限值

美國2011年發射的“火星科學實驗室”(MSL)的輻射評估探測儀(Radiation Assessment Detector,RAD)觀測結果顯示：航天員由地球至火星往返旅程不采取屏蔽下將可能遭受0.926 Sv輻射劑量[14]，接近、甚至超過了表2所給出的某些年齡段的職業航天員的輻射限值，而造成罹患致死癌癥的概率增加3%。

考慮人體健康風險，心理因素也是設計防護需要考慮的。航天員身體狀態保持與所承擔任務時間、艙室大小都相關。載人航天器的設計優化程度、性能限值及耐受度都受到與其執行任務時間的約束。執行較長時間的任務就需要比執行較短任務的艙室要大，執行探測火星任務的載人艙室就要比探測月球任務的載人艙室要大[15]。

4 空間粒子輻射防護原理

深空飛行的航天人員輻射防護須針對各個方面采取措施：屏蔽防護、選用合適藥物、選擇最佳飛行時間及設置太陽粒子事件預警系統。其中選用合適藥物、選擇最佳飛行時間及建立太陽粒子事件預警系統三個方面是在任務運行管理系統的防護層面，而屏蔽防護是針對航天器防護設計層面，屏蔽防護也可以分為主動屏蔽和被動屏蔽。

4.1 被動吸收屏蔽

被動屏蔽主要是以深空航天器、著陸器及航天服的結構材料或其他防輻射材料構成，利用材料與粒子相互作用消減粒子能量并被材料吸收。但是隨著需要屏蔽的質子能量不斷增加，材料吸收粒子能量與其深入路徑成正比，需要耗費材料的厚度和質量也將不斷增加。被動屏蔽技術簡單、可靠性高、造價低廉，缺點是笨重、發射成本高，同時在吸收粒子過程中又會產生次級粒子和光子輻射[16]。

圖4 不同能量粒子吸收材料的厚度和面密度Fig.4 Depth and areal density of absorbing material

如圖4所示，由粒子輸運計算工具(TRIM)計算給出吸收不同能量質子所需要的鋁、鐵及鉛作為防護材料的資源需求，隨著質子能量增加，各種防護材料質量急劇增加。鋁厚度增加最迅速，而鉛增加最慢。雖然鉛吸收厚度小，由于其密度大而導致質量增加大，當需要吸收500 MeV的質子時甚至達到了1 917.2 kg/m2的面密度。

由圖4顯示及前文分析，航天器如果完全采用被動防護方法則資源需求極大，因此須考慮結合其他諸如磁場偏轉、電場消解等主動防護方法進行聯合防護。

4.2 主動屏蔽防護

主動屏蔽防護方法是指利用諸如靜電場、靜磁場或等離子體等偏轉驅離或吸能驅離空間帶電輻射粒子進行防護，使輻射粒子偏離深空飛行的人類駐留艙體。主動屏蔽缺點是結構復雜、操控難度大，但優點是質量小、發射成本相對較低[15]。

1)電場屏蔽

電場驅離輻射粒子指在航天器周圍產生電場，利用電場對輻射粒子的電場力使其能量降低，從而降低碰撞航天器的能量，以降低對航天器構成的危害。

空間電場與作用力及斥力做功的關系如下：

F=qE

(1)

式中：F是輻射粒子受到電場偏轉力；q是輻射粒子電荷量;E是航天器周圍電場分布強度。

W=∫q·Eds

(2)

式中：W是輻射粒子消耗的能量，s是電荷運動軌跡。

電場屏蔽需要在航天器的外部架設大型結構，由導線、電極及支架構成，導線與電極和航天器電氣系統連接，支架用于支撐并隔離導線、電極，電氣系統對電極進行高壓加載，電極暴露在空間并于空間等離子體環境間形成大面積電場分布，如圖5所示。

圖5 航天器高壓電極及偏轉粒子Fig.5 Spacecraft HV electrostatic electrodes

如果驅離100MeV量級的輻射粒子，則用于產生電場的電極長度將在100m量級，電極的電壓將需要加載到MV量級，須耗費大量電源進行維持[15]。

2)磁場屏蔽

磁場驅離輻射粒子方法指在航天器周圍產生磁場，對輻射粒子產生的洛侖茲力使得其運動方向改變，從而降低威脅程度，這種方法猶如地球磁場對于宇宙線等的屏蔽防護。根據磁場構成形式，又可以分為緊湊型磁場結構、稀疏型磁場結構，或平面型和立體型，等。

空間輻射帶電粒子與磁場之間的洛侖茲力的關系式如下：

F=qv×B

(3)

式中：v是空間帶電粒子速度；B是周圍線圈產生的磁感應強度。

稀疏型磁場構型通常借鑒地磁場的偶極型磁場對帶電粒子作用斯篤默模型，磁場對于輻射粒子的驅離能力可以采用斯篤默半徑描述，在偶極型磁場作用下存在著以偶極場軸為軸的同心環，如圖6所示，顯示磁場對輻射粒子屏蔽，特征值的表達式如下。

(4)

式中：Cst為斯篤默特征值；M為磁場磁矩;μo為磁導率常數；p為輻射粒子動量。

圖6 航天器周圍線圈產生磁場并偏轉帶電粒子Fig.6 Magnet field around a spacecraft current coil

磁場屏蔽需要在航天器外部架設大型結構，由導線及支架構成，導線和航天器電氣系統連接，支架用于支撐并隔離導線，導線內加載電流從而產生磁場。由于常規導線內電阻存在導致熱功耗會非常的大，因此需要盡可能地采用超導體材料構成導線，從而降低對電氣系統的功耗。

3)等離子體屏蔽

等離子體屏蔽方法也屬于磁場屏蔽，但磁場設計成繞著軸線旋轉，同時在航天器周圍釋放等離子體疊加磁場旋轉，在與太陽風等離子體作用形成“迷你”磁層，由于等離子體地流動而形成類似環電流結構，附加地增強磁場，“迷你”磁層及其磁場對高能帶電粒子進行調制從而實現對高能粒子進行偏離，最終實現對航天器的防護[21]。

等離子體屏蔽不需要在航天器外部架設大型結構，只需要基本旋轉磁場，但需要安裝有大型等離子體產生和噴射的裝置，從而極大地降低結構的復雜度。等離子體產生裝置需要消耗工質和電能，用于實現噴射等離子體產生電流環。

4)屏蔽方式比較

3種不同主動屏蔽方式比較如表3所示，采用電源作為主動控制，采用大尺度構型作為支撐，對資源供應提出了新要求，包括電源供應、大型架構制造或者大型等離子體發生器，以及飛行過程中的導航與控制等。

表3 3種屏蔽方式對比

5 載人火星探測的磁場偏轉防護

火星是離地球最近的太陽系行星，也是人類了解最多和將來最有可能深空飛行后登陸的行星，載人火星探測任務依據策略不同總飛行時間為350～562天[22]。如果不采取專門防護而只采用低地球軌道載人航天器類似屏蔽措施，在整個飛行中遭受輻射劑量總值將會接近、甚至超出人體承受限值[14]。

載人火星飛行階段利用磁場偏轉屏蔽是防護措施之一，采用稀疏磁場屏蔽，利用環繞航天器艙體同心圓環導線束內電流流動產生以航天器為軸的偶極性磁場。利用偶極性磁場對空間輻射粒子進行偏轉，保護位于偶極軸內的航天人員。磁場偏轉防護設計除了給出線圈大小滿足載人艙室的防護，另外還需要給出質量最優評估。

如圖7所示，為保護載人航天艙室半徑12 m、線圈半徑為2 km，利用磁場偏轉掉空間輻射粒子中的各種能量質子、氦核及鐵核的線圈內所需要電流。偏轉的粒子能量越高，所需電流也將越多。當偏轉200 MeV的質子情況下，線圈內需要電流為1600 A；而當需要屏蔽掉200 MeV的鐵核，則需要的電流更大。

如圖8所示，為載人航天艙室半徑12 m的設計約束下，至少屏蔽掉200 MeV的質子、氦核及鐵核3種輻射粒子需求下，磁場偏轉輻射粒子中的質子、氦核及鐵核3種的設置不同線圈環繞半徑時所需要的電流強度，環繞半徑越小則需要的電流也將越大。當線圈環繞半徑為2 km時，屏蔽氦核內需要電流為1300 A；而質子、鐵核則需要電流更大。

當線圈環繞半徑不斷增加，則產生磁場偏轉所需要的電流需求不斷減小，而線圈總質量也在不斷減小，但是減小到一定程度總質量便開始增加而不減少，如圖8所示，總質量的最小值就出現在2.04 km處的2240 kg。

圖7 屏蔽各種能量輻射粒子所需線圈的電流強度和總質量
Fig.7 Coils current density and total mass when particle need to be shielded

圖8 偏轉200 MeV輻射粒子的線圈內電流強度及其總質量
Fig.8 Coils current density and total mass when 200MeV particles need to be deflected

如第4.2節所述，宇宙線粒子隨著能量增加通量將減少，因此通過采用磁場防護措施偏轉掉帶電粒子，從而降低大量的宇宙線粒子進入載人飛船的人員駐留區域。如圖9所示為空間宇宙線在經過磁場偏轉后，可以進入到載人艙的200 MeV以上能量的宇宙線離子1年的能譜分布。相對于背景宇宙線的通量而言，銀河宇宙線通量降低超過10%，太陽質子事件粒子通量可降低3個數量級。

圖9 宇宙線經過磁場偏轉以后的粒子能譜Fig.9 Particle spectrum after cosmic rays deflected by magnetic shielding

6 結束語

載人深空飛行登陸其他星球是人類一直以來的夢想，但空間粒子輻射可能對人體產生的各種輻射生物學危害是在規劃任務及執行任務中需要重點關注，亟需研究相應方法措施加以防護。本文就空間輻射危害及其防護措施、被動防護和主動防護不同優缺點進行了分析，并重點就磁場防護進行了討論。

針對磁場偏轉防護開展了初步分析和數值仿真，分析表明磁偏轉可以給深空飛行的輻射劑量危害提供防護，然而在航天任務實際執行過程中需要涉及到多方面工程因素，本文磁場偏轉防護研究可為后續工程設計開展提供參考。

隨著我國自主火星探測等深空飛行任務的展開，載人深空探測將成為包括我國在內的人類的重要航天路線，建議我國在規劃論證、航天器研制及后期運營的各個階段均需要考慮空間粒子輻射對于載人航天任務所造成的危害影響，需要深入研究除被動防護以外的各類主動防護方法和措施，特別是在深空飛行過程由于不存在像地球空間的地磁防護下，空間寬譜段宇宙線將直接作用于航天器和人員。對于深空航行的主動防護，需要綜合考慮防護效果和發射質量、功耗等參數，需要根據具體的載人航天器的任務約束條件設計各類防護參數。

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(編輯：張小琳)

Magnetic Shielding for Long Duration Human Interplanetary Mission

YANG Chuibai1ZHANG Binquan1XUE Yanjie2CAO Guangwei1LIANG Jinbao1ZHANG Shenyi1

(1 National Space Science Center,CAS,Beijing 100190,China)(2 Shenyang Entry-exit Inspection and Quarantine Bureau,Shenyang 110016,China)

In this paper，the deep space flight radiation environment, such as galaxy cosmic ray (GCR) and solar proton event (SPE), and the radiation personnel harm are analyzed. The flight personnel radiation tolerance value and the requirements of radiation protection are analyzed too. Some radiation protection methods, such as magnetic defection, plasma defection and electric field absorb, for human deep space flight are introduced and compared. The preliminary analysis and numerical simulation of the protection method for human exploration of Mars has been carried out. The results show that deflection of proton below 200MeV requires 2.04km coil radius, 2240kg coil mass, and 1600A coil current. By using the method of magnetic deflection, the cosmic ray particle flux entering the cabin can be less than 10%, while the particle flux of the solar proton events decreases 3 orders of magnitude, which will greatly reduce the harm caused by space particle radiation on flight personnel. This result can serve as a reference for human deep space flight project planning, design of human interplanetary spacecraft and spacesuit, and the development of protective measures.

human fight;radiation particles;radiation hazard;magnetic shielding

2015-07-24；

2016-11-09

國家自然科學基金(410404149)

楊垂柏，男，副研究員，從事空間環境及效應危害研究。Email:ycb@tiamotech.com。

V520.6

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2016.06.017