空间辐射，危害航天员健康的“无形刃”

人类探索太空的脚步，逐渐由近地空间向月球、火星和更远的深空迈进。在载人深空探索任务的过程中，首先需要考虑的是确保航天员的安全和健康。空间辐射是载人深空飞行中威胁航天员健康的主要风险因素之一，其防护也是制约人类迈向深空的主要瓶颈之一，危害航天员健康的“无形刃”。在航天飞行中电离辐射主要来源于：

• 1、星体捕获辐射带(trapped belt radiation，TBR)
• 2、银河宇宙辐射(galactic cosmic rays，GCR)
• 3、太阳粒子事件(solar particle events，SPE)

GCR源自太阳系外，重粒子约占98%，其余为电子，粒子能量最高可达1020 eV，在星际空间基本满足各向同性分布。银河宇宙辐射受到太阳活动的调制，在太阳活动极小年强度大，在太阳活动极大年强度小。

SPE则源自太阳耀斑时产生的高能带电粒子流，主要由质子组成，因此也称其为太阳质子事件。太阳粒子事件的爆发具有随机性，目前还无法预测，但是其与太阳活动周期具有一定的相关性：在太阳活动极大年附近，SPE出现次数较多；在太阳活动极小年附近，SPE出现次数较少。

地球磁层是指在太阳风和行星磁场的相互作用下，地球原来磁场的磁力线被太阳风压缩在一个有限的空间，位于地球周围、被太阳风包围并受地磁场控制的等离子体区域。

在近地轨道飞行中，由于地球磁场与大气层的防护，航天员受到的辐射剂量贡献主要来源于地磁捕获辐射和银河宇宙辐射。在近地轨道飞行期间，GCR对总剂量的贡献与轨道高度和倾角有很大的相关性。

向火星出发就意味着离开地球磁层的保护。往返地球途中，空间辐射环境主要辐射源是银河宇宙射线GCR和太阳粒子事件SPE。

当航天员在火星表面活动时, 除了GCR和SPE外, 还有星体吸收原初辐射后所释放的次级辐射。

鉴于火星稀薄的大气层无法提供太多保护，科学家利用NASA好奇号上的辐射评估探测器（RAD）收集的数据预测，在火星上停留500天，人类受到来自太阳和宇宙射线的辐射剂量会超过120毫西弗，这个剂量是地球表面平均年辐射剂量的100多倍，再加上往返地球与火星之间所测量到的辐射受照量，研究者们统计出来的受辐射总量将高达1西弗。

火星

空间辐射可以导致航天员组织或器官中遗传物质的损伤，如DNA双链断裂(double strand break, DSB)、基因突变和染色体畸变等，引起细胞失活和基因组的不稳定性，从而破坏人体骨髓、皮肤、中枢神经系统、生殖系统等组织器官或系统，引发白内障甚至癌症、白血病等疾病，并且对人体的伤害会随着时间推移而逐步积累。

在过量接受辐射后数天、甚至更短的时间(4到24h)内，航天员会出现头痛、眩晕、不适、嗅觉或者味觉异常、恶心、呕吐、腹泻、疲劳、血压降低、白细胞或血小板减少等症状。一般情况下，当辐射剂量为1到10 Gy时，会表现为明显的骨髓造血系统损伤；当辐射剂量为10到50 Gy时，会表现为明显的消化系统损伤； 当辐射剂量超过50 Gy时， 会表现为明显的中枢神经系统的损伤。

航天器的“防护屏障”

对于载人登陆火星飞行而言，航天员受到的空间辐射剂量将可能超过其职业生涯的允许剂量限值。如果加上飞行中可能遭受的太阳粒子事件，航天员在目前防护条件下的深空探索飞行就会遭受严重的空间辐射问题。在载人星际飞行中，我们主要防护的空间辐射源是太阳粒子事件和银河宇宙辐射。

GCR能量高，贯穿能力极强，一般质量厚度难以屏蔽，造成的辐射损伤更严重，是载人航天飞行任务及生物科学的重要挑战。GCR辐射损伤效应的品质因子约为4~5，而近地轨道的品质因子约为1.5~2。其器官剂量与皮肤剂量比值约为1，近地轨道约为0.5。人体本身对该辐射无任何防御能力。GCR主要成分都是高能的质子和重离子，由于其能量达到GeV量级，其穿过航天服、飞船及人体发生次级反应的概率增大，次级辐射对人体的损伤也不容忽视。

GCR示意图

被动屏蔽

被动屏蔽是指利用航天器的舱壁作为屏蔽材料，是目前常用的太空辐射防护方法。其原理是带电粒子在贯穿屏蔽物质的时候逐渐损失能量而沉积下来，当屏蔽材料的厚度大于粒子在其中的射程时，入射粒子将沉积在屏蔽材料中而实现对航天器和航天员的防护，较好地降低了舱内的辐射剂量。

天器的舱壁

根据模拟计算结果，在载人航天器平均5g/c㎡铝屏蔽厚度的基础上，利用载人航天废弃物热融化压实产物建立一个质量屏蔽厚度为5g/c㎡的应急防护区，那么除了需要对眼提供局部防护以外，基本上可以满足对太阳粒子事件的防护需求；利用载人航天废弃物热融化压实产物建立一个质量屏蔽厚度为10g/c㎡的应急防护区，就完全可以满足对太阳粒子事件的防护需求，并且无需额外增加发射载荷。所以在载人深空探索中可暂不考虑太阳粒子事件对航天员的剂量贡献，但银河宇宙辐射对航天员的剂量贡献比近地轨道要大很多。

对于GCR来说，被动防护的效果不明显。当屏蔽厚度超过5g/c㎡，随着屏蔽厚度的增加，像皮肤和眼的年剂量会有一定的减少，但是对于深部器官,比如脑和心脏其剂量的衰减就很少。目前我们飞行器典型的屏蔽厚度是5g/c㎡，每增加1g/c㎡带来的载荷增量变化是非常巨大的。所以对于GCR辐射来说，必须使用主动防护策略，被动的材料防护技术无法满足工程需求。

仅仅依靠被动屏蔽的方法，不足以保证深空探测飞行中人员的辐射安全。被动防护方法通过增加舱体质量厚度的代价很高；另一方面，射线与屏蔽材料相互作用可产生次级辐射，给防护增加了难度，并带来了新的问题。

主动屏蔽

主动屏蔽是在飞船座舱和居住舱周围形成人工强磁场，使射向飞船和居住舱的辐射粒子偏离，不能进入舱内。主动防护技术的主要优势在于比被动防护技术质量更轻，建造费用更低，并且能够有效地减少空间辐射对航天员以及星载设备的危害。

飞船座舱

欧空局Piero Spillantini教授主持研究的超导磁环指出，对于防护大尺度飞行器的防护情况：整个飞行器大约直径是2米，长度大于3米，对于质子能量200MeV以下而言，被动的材料防护需要增加载荷重量是3359kg，而利用三个磁环增加的载荷重量是700kg，利用四个磁环是900kg。主动防护的载荷重量比被动防护降低了3倍。

目前关于行星际飞行空间高能带电粒子的防护问题主要是几个航天大国在研究，主要是美国、欧洲航天局、俄罗斯和中国。NASA和俄罗斯最早从上世纪60年代就开始关注该问题，最早提出的方案包括电场与磁场防护的方法。后经过计算，电场的防护结构仅可用于星球表面驻留时的空间辐射防护设计，而无法应用于星际飞行期间载人航天器的空间辐射防护设计。目前关于星际飞行时的空间辐射主动防护设计都聚焦于磁场防护。

螺线管结构

旋管结构磁场防护示意图

螺线管结构是NASA目前工程计划中的主要方案之一。Paolo Papini等设计的螺旋管结构（toroidal configuration）磁场防护如图所示，图中圆柱体的内部为需要保护的区域，通过调节参数可以改变磁场强度，同时使内部区域磁场强度为0。

等离子体引发磁膨胀方案

离子体引发磁场膨胀空间辐射防护原理图

由于偶极磁场的强度与距离的三次方成反比，磁场强度衰减很快，与空间辐射环境中带电粒子的作用范围小，因此无法提供足够有效的防护。华盛顿大学Winglee教授提出将高能等离子体注入偶极磁场，入射的等离子在满足等离子动压等于磁压的条件下，将拖动磁力线，使磁场膨胀，作用范围增大，从而在航天器周围形成一个磁气圈。空间辐射环境中的带电粒子将沿着磁力线发生偏转，使其无法进入航天器内部，提高了防护效果。

另外，Delamere等人采用离子动力学模型研究磁膨胀及其与空间带电粒子的相互作用过程。Delamere等人使用一个包含MHD和离子动力学的3D混合程序研究等离子体膨胀磁场的工作过程，程序提供了离子的动力学描述和电子的流动描述。磁气圈内部被磁化的高密度等离子体区域可以不考虑动力学过程，减小了计算量。计算模型假设电准中性，不考虑辐射效应。计算结果显示，太阳风粒子密度在下游区域增大2倍，横向方向源粒子消失，等离子体膨胀磁场非常均匀对称。

离子体引发磁场膨胀示意图

环形磁场

该方案是ESA的研究项目，R.A.Bamford等提出了另外一种磁场防护方法，其基本思路与Winglee相似，即偶极磁场衰减速度过快，需要在一定范围内增加磁场强度，从而扩大磁场的防护范围。但是与Winglee 提出的将等离子体注入偶极磁场不同，Bamford 提出的设计方案不需要额外输入等离子体，而是通过偶极磁场捕获空间环境中的背景等离子体，当达到动态平衡后会形成一个等离子体鞘层，磁场强度和位形也随之改变。

阳耀斑（TRACE卫星拍摄）

总之，关于载人深空探索的GCR辐射防护问题目前还没有完善的解决方案，主要倾向于利用10T的超导强磁场来实现，但是超强磁场如何实现又能避免航天员不受强磁场的影响，强磁场如何避免与行星际磁场磁重联后,导致低能等离子体对飞行器及磁场构建的影响,依然是一个巨大的挑战。

来源 | 太空梦想

作者 | 贾向红

编辑 | 牛萌萌