載人登月航天員輻射劑量分析與防護建議

呼延奇，吳正新，周 強，孫 偉，范志瑞

（1.北京空間飛行器總體設計部，北京100094；2.深圳大學核技術應用研究所，深圳518060；3.北京空間技術研制試驗中心，北京100094；4.北京衛星環境工程研究所，北京100094；5.大連理工大學，大連116024）

1 引言

載人登月任務中空間粒子輻射損傷是威脅航天員健康和安全的重要因素之一。一旦航天員脫離地球空間（大氣層、地球磁場）的保護，將持續遭遇不同能量和強度的空間粒子輻射，這些空間輻射源包括銀河宇宙線、太陽爆發產生的能量粒子、地球輻射帶捕獲質子和捕獲電子。

地球輻射帶捕獲粒子對載人登月航天員產生的輻射劑量，取決于航天員穿越輻射帶中心區域的持續時間以及相應的粒子能譜。高能電子暴持續期間，外輻射帶電子通量可能存在短時強烈變化，期間輻射劑量可能增加1個數量級甚至更高。捕獲粒子的能譜特性（低能粒子通量較高）決定了如果航天員只獲得較薄的屏蔽保護（如艙外活動時身穿航天服），可能接受到較高的輻射劑量。然而，大約5 g/cm2的質量屏蔽即可使輻射帶捕獲粒子的輻射劑量大為降低［1］。

當航天器穿出地球磁層，脫離地球磁場的保護，航天員將面臨行星際空間中銀河宇宙線的直接轟擊，銀河宇宙線高能粒子會對航天員產生幾乎穩定的輻射劑量。銀河宇宙線通量隨太陽活動存在長期緩慢變化，其最大強度出現在太陽活動低年。對于超過1年以上的長期載人飛行，銀河宇宙線累積劑量可能達到或超過航天員輻射暴露限值。而對于載人飛行周期不超過30天的短期任務，銀河宇宙線對航天員的輻射劑量可以忽略不計。因此，針對銀河宇宙線的輻射防護問題與飛行任務周期及所經歷的太陽活動狀態密切相關。

極端太陽粒子事件是載人深空飛行的重要威脅，通常此類事件在約11年太陽活動周期內可能出現1次或數次。過去有記錄的極端太陽粒子事件包括1956年1月、1960年11月、1972年8月和1989年9～10月事件等，其中1972年8月事件正好發生于Apollo-16和Apollo-17號任務之間［2-3］。極端太陽粒子事件會在短時間內對航天員產生非常大的輻射劑量。對于任務周期在數十天的載人登月任務，其面臨的最大輻射風險就是可能遭遇極端太陽粒子事件。針對此類事件所需要的輻射防護代價，取決于太陽粒子事件的能譜和強度。

本文依據載人登月任務全周期內面臨的空間輻射環境特點，對典型載人登月任務往返全過程輻射劑量開展量化分析，對載人登月飛行器輻射防護設計要求以及防護設計重點進行總結，并提出初步防護建議。

2 載人登月任務輻射防護設計

載人登月任務按照任務階段可以分為奔月、環月、月面著陸、返回等階段。圖1給出了月球軌道與地球磁層的位置關系，即月球軌道在滿月前后約6 d運行于地球磁尾，剩余時間則處于地球磁層以外的行星際空間。載人登月任務在奔月和返回階段遭遇的空間輻射環境特征，與采用的軌道方案密切相關。

圖1 月球軌道與地球磁層的位置關系Fig.1 Lunar orbit and the terrestrialmagnetosphere

針對載人登月任務，航天員輻射防護設計主要包含3方面內容：①應針對特定任務剖面和航天器結構設計狀態，預測航天員遭受的輻射風險；②如果航天員的輻射風險超過了可接受的限值，必須采取相應的輻射防護措施直到輻射暴露限值要求得到滿足；③采取的輻射防護措施應結合任務目標及相應的代價開展詳細的評估，同時還需要保證輻射防護效果遵循NASA提出的合理可達到盡量低（As Low As Reasonably Achievable，ALARA）的原則，實現輻射防護方案的最優化。

圖2給出了輻射防護設計的基本流程。由于整個航天器結構均是輻射屏蔽的重要組成部分，因此結構設計和材料選取非常關鍵。結構設計不僅要考慮任務目標，同時還需要考慮與人相關的因素，如人體工效學、起居空間、工作區及其他防護與支撐系統（包括碎片防護結構、熱防護結構、食物和水儲存空間等），即使像航天員休閑區和工作區的布局等也是需要考慮的因素之一。航天器結構的具體實現方法也會影響航天員的輻射暴露劑量，比如結構材料類型等。另外，任務目標相關的因素，例如航天員是否執行表面巡視任務，是否具備就位的屏蔽措施（如月球車），以及任務周期與太陽活動周期的對應關系等。圖3中描繪了上述多學科參與的迭代設計過程，這些過程需要具備高效的軟件工具對相應的航天員輻射風險進行快速有效的評估。

圖2 輻射防護設計基本流程Fig.2 Basic design process of radiation protection

3 航天員輻射防護要求

NASA目前對近地軌道（Low Earth Orbit，LEO）上人體可接受的輻射暴露限值制定了明確的要求，具體量值與美國輻射防護和測量委員會（National Council on Radiation Protection，NCRP）第98號報告［4］中定義的一致，見表2。對于非LEO載人飛行任務的輻射劑量醫學限值還沒有明確的規定，但NCRP建議可以參考目前LEO劑量限值。

表2 造血器官、眼晶體和皮膚LEO輻射暴露限值Table 2 Recommended dose lim its in E（Sv）for BFO，eye lens，skin exposure in LEO

NCRP-98報告中給出的劑量限值，引用了國際放射防護委員會（ICRP）定義的與特定組織（點劑量）相關的劑量當量概念，其定義見式（1）：

圖3 輻射防護的多學科迭代設計過程Fig.3 M ultidisciplinary iterative design process of radiation protection

其中Q（L）是ICRP-60報告［5］中給出的品質因子，反映了不同類型的帶電粒子沉積相同電離劑量所產生的生物效應的不同。

上述劑量當量品質因子是對動物實驗中細胞死亡和變異研究獲得大量數據基礎上發展起來的，其重點考慮的是長期隨機性效應，對于短時確定性輻射效應并不適用。

因此，在NCRP第132號報告［6］中又引入了戈瑞當量的概念，其引用了ICRP-92報告［7］中的定義，對于組織T，戈瑞當量定義見式（2）：

式中，DT，i是組織T吸收的平均電離劑量，Ri為推薦的相對生物效應因子（Relative biological effectiveness）。NCRP-132號報告中根據新定義的戈瑞當量（Gy-eq）的概念制定了新的輻射暴露限值，其中30天限值與NCRP-98保持不變（見表2），但該限值用于評估短時確定性效應。

本文后續對航天員輻射劑量分析，參考ICRP-92號報告定義的戈瑞當量進行，其中相對生物因子源自ICRP-92報告。

4 載人登月任務航天員輻射劑量分析

考慮我國載人登月任務飛行器詳細結構及設備布局等具體信息尚不明確，因此，本文采用簡化輻射屏蔽分析模型，如圖4所示。將飛行器或航天服提供的質量屏蔽簡化為一定厚度的平板，根據國際放射委員會標準對于人體組織可采用15 cm厚的平板，其中皮膚、眼晶體和造血器官可等效于組織深度為1 mm、3 mm和9 cm的位置處［8］。

針對空間粒子在屏蔽材料中的輸運分析及在人體組織中的劑量沉積過程，采用基于Geant4軟件包的蒙特卡洛計算程序，建立圖4中的分析模型，針對不同厚度的屏蔽材料情況下，對沉積在1 mm、3mm和9 cm 3種深度下的組織層（計算采用的吸收劑量層均為1mm）進行計算。統計高能帶電粒子在不同深度處的能量沉積，從而獲得皮膚、眼晶體及造血器官的格瑞當量（Gy-eq）。

4.1 地球輻射帶捕獲粒子劑量

圖4 采用的航天員輻射劑量分析屏蔽模型Fig.4 The astronaut radiation dose shielding m odel

表3、表4計算了不同太陽活動條件下，載人登月任務在奔月和返回階段穿越地球輻射帶期間，由捕獲質子和捕獲電子分別沉積在皮膚、眼晶體和造血器官中的戈瑞當量。從表中可以看出，對于皮膚劑量，屏蔽厚度低于1 g/cm2時，劑量主要來自捕獲電子，因此太陽活動高年高于太陽活動低年。當屏蔽厚度高于1 g/cm2，尤其是達到3 g/cm2以上的屏蔽厚度時，捕獲質子產生的劑量占主導。由于捕獲質子通量與太陽活動負相關，因此在較厚屏蔽狀態下，太陽活動低年的劑量更高。對于眼晶體和造血器件劑量，由于人體組織自屏蔽效應，其變化情況更為復雜。

表3 太陽活動高年奔月+返回過程輻射帶粒子輻射劑量Table 3 Radiation belt particle radiation dose in trajectory to and from themoon during solar maximum

表4 太陽活動低年奔月+返回過程輻射帶粒子輻射劑量Table 4 Radiation belt particle radiation dose in trajectory to and from them oon during solar m inim um

對于載人登月飛行器能夠提供的質量屏蔽，詳細數據需要飛行器結構和設備布局確定后才能明確，參考美國載人登月飛行器數據，圖5與圖6中給出NASA以往載人飛行器航天員典型活動區域質量屏蔽等效鋁厚度的積分分布［9］。所謂積分分布是指等效鋁屏蔽厚度大于某值T的分位數。從圖中可以看出，以往飛行器50%分位數的等效質量面密度值在5～10 g/cm2。因此，對于中國載人登月飛行器航天員活動區域質量屏蔽厚度不低于5 g/cm2是比較合理的。

圖5 執行國際空間站等任務航天員典型活動區域質量屏蔽等效鋁厚度積分分布［9］Fig.5 M ass distributions in alum inum-equivalent depths：In Space Shuttle，ISS Service M odule，and Skylab comm ander sleep com partment［9］

地月轉移過程中，航天員處于飛行器結構的有效屏蔽下（屏蔽厚度至少為5 g/cm2），在此情況下，航天員皮膚、眼晶體和造血器官吸收的輻射劑量均比NASA 30天醫學限值低1個數量級以上，因此地球輻射帶捕獲粒子的輻射防護可主要借助于航天器主結構來實現，通過合理的布局，實現對航天員主要駐留區域提供不低于5 g/cm2的鋁屏蔽，即可保證航天員的安全和健康。

4.2 銀河宇宙線劑量

圖6 阿波羅任務航天員典型活動區域質量屏蔽等效鋁厚度積分分布［9］Fig.6 M ass distributions in alum inum-equivalent depths for Apollo command module［9］

銀河宇宙線的典型特征為通量極低，而能量極高。對于載人登月任務，由于周期只有約20天，累積遭受的銀河宇宙線通量很低。表5中分別計算了太陽活動高年和太陽活動低年期間，完整任務期內銀河宇宙線對皮膚、眼晶體和造血器官產生的累積戈瑞當量。從表中可以看出，由于銀河宇宙線粒子通量極低，其產生的日累積輻射劑量在10-3Gy-eq的量級。在月面上，由于月球可以對銀河宇宙線提供有效的遮擋，因此月面上銀河宇宙線的輻射劑量相當于在自由空間中的一半。按上述方法計算，考慮載人登月任務航天員任務周期20天，可知在航天員任務周期內，在5 g/cm2的質量屏蔽厚度下，航天員造血器官遭受的輻射劑量在0.014～0.036 Gy-eq之間。但需要指出的是，從表中的數據可以看出，銀河宇宙線由于粒子能量極高，在0～10 g/cm2的屏蔽狀態下，隨屏蔽厚度的增加，劑量并沒有明顯的下降，說明對于銀河宇宙線的屏蔽防護將非常困難。另外，銀河宇宙線輻射劑量在太陽活動低年約是太陽活動高年的2.5倍。

4.3 極端太陽粒子事件輻射劑量

盡管極端太陽粒子事件發生概率很低，在過去60年中只發生了約7次，對于任務周期為20天的載人登月任務，遭遇此量級事件的概率約為6‰；但由于極端太陽粒子事件對載人登月航天員的輻射威脅非常高，短時間（數小時）內可能對航天員產生致命的劑量。

表5 太陽活動低年和高年的銀河宇宙線輻射劑量（Gy-eq）Table 5 Radiation dose of galactic cosm ic rays in solar m inimum and solar maxim um（Gy-eq）

表6計算了1956年2月和1989年10月兩次極端太陽粒子事件經不同鋁屏蔽厚度狀態下，對航天員皮膚、眼晶體及造血器官產生的戈瑞當量。從中可以看出，1989年事件由于質子通量更大，其產生的輻射劑量在0～20 g/cm2均高于1956年事件；但后者由于質子能譜更硬，隨著屏蔽厚度的增加，其產生的輻射劑量逐漸與1989年事件接近，尤其是對于人體自身屏蔽較厚的造血器官。另外，從兩次強太陽粒子事件產生的輻射劑量來看，這兩次事件產生的輻射劑量均非常高，對于1956年2月事件，只有屏蔽厚度超過15 g/cm2時，皮膚和眼晶體遭受的戈瑞當量才下降至NASA 30天劑量限值以下，而對造血器官產生的戈瑞當量在約45 g/cm2的屏蔽條件下，才下降至劑量限值以下。對于1989年10月事件，屏蔽厚度則至少需要達到30 g/cm2，造血器官的輻射劑量才低于NASA 30天劑量限值。

以上分析顯示現有飛行器常規的輻射屏蔽狀態難以滿足航天員醫學限值要求，必須設置專門的輻射防護結構，才能保證航天員遭受的輻射劑量低于當前NASA 30天劑量限值。

通常與鋁相比，富含H元素的材料對粒子沉積劑量的屏蔽衰減作用更為顯著，因此在輻射防護材料選取時，盡量選擇諸如聚乙烯、水等材料。表7給出了采用聚乙烯作為屏蔽材料后的戈瑞當量。在超過10 g/cm2屏蔽厚度的條件下，選取聚乙烯材料的輻射防護效率比鋁高40%，換言之，對于40 g/cm2的鋁屏蔽，約27 g/cm2的聚乙烯即可達到相當的屏蔽效果。

表6 強太陽粒子事件對航天員典型器官劑量（鋁屏蔽）Table 6 Typical organ dose of astronauts in large solar particle event（shielded by Al）

4.4 任務期內累積輻射劑量

從以上分析看出，造血器件的輻射劑量限值要求對屏蔽防護要求最高。太陽活動低年期間，只考慮捕獲粒子和銀河宇宙線，造血器官在5 g/cm2鋁屏蔽下遭受的戈瑞當量為0.046 Gyeq；而在太陽活動高年期間，不遭遇極端太陽粒子事件時，則該量值為0.026 Gy-eq，均顯著低于NASA制定的30日限值0.25 Gy-eq（造血器官）。但如果任務期內遭遇極端太陽粒子事件，則需采取約30 g/cm2富氫材料（如聚乙烯）的屏蔽防護，才能確保造血器件遭受的劑量低于限值。

5 載人登月任務輻射防護建議

5.1 任務設計層面

對于任務周期約20天的非LEO載人飛行，面臨的主要輻射風險是遭遇極端太陽粒子事件，因此在任務時段設計時，盡量選擇太陽活動較低的年份，此時遭遇極端太陽粒子事件的概率很低。

針對航天員月面出艙活動距離的約束，根據以往出現的極端太陽粒子事件粒子通量上升過程，應將航天員進入輻射防護港的時間考慮在內，該時間最長不能超過3.5 h［10］。

5.2 防護結構設計方面

輻射防護結構設計的目標是航天員任務期內遭受的輻射劑量不超過航天員醫學限值，該醫學限值建議參考NASA制定的30日限值，即皮膚、眼晶體和造血器官遭受的劑量分別不超過1.5 Gy-eq、1.0 Gy-eq和0.25 Gy-eq。

對于月地轉移過程中遭遇的捕獲粒子和銀河宇宙線，主要通過航天器主結構進行防護，在需要5 g/cm2的等效鋁厚度條件下，即可保證其產生的劑量比NASA 30日輻射暴露限值低一個數量級。

極端太陽粒子事件是可能威脅航天員生命安全的危險源，必須為航天員設置專門的太陽粒子事件防護港，輻射防護材料盡量選用聚乙烯或水等富氫材料，防護港需要提供至少30 g/cm2的等效鋁屏蔽厚度。

6 結論

根據載人登月任務全周期內面臨的空間輻射環境特點，對典型載人登月任務往返全過程輻射劑量開展了量化分析，提出了初步的輻射防護建議。通過歐洲核子中心開發的蒙特卡羅模擬程序Geant4構建了航天員防護層，皮膚，眼晶體，造血器官等效人體組織的平板模型，計算了任務期內捕獲粒子和銀河宇宙線對3種人體器官的劑量，考慮不超過20天的載人登月任務期內，在5 g/cm2鋁材料屏蔽下的劑量即可比NASA劑量限值小一個數量級，而如果遭遇極端太陽粒子事件，航天員防護材料可選用聚乙烯等富氫材料作為保護層，屏蔽厚度需要約30 g/cm2。