火星載人探測中輻射防護綜述

薛玉雄，馬亞莉，楊生勝，張洪鵬，田 愷，高 欣

（蘭州物理研究所 真空低溫技術與物理國家級重點實驗室，蘭州 730000）

0 引言

火星是除了地球以外人類了解最多的行星。人類探測火星的歷史業(yè)已長久，幾乎在人類剛剛有能力掙脫地球引力飛向太空的時候，第一個火星探測器（1960年10月10日蘇聯(lián)發(fā)射）就開始了它的旅程[1-2]。火星探測技術復雜，難度大，發(fā)展道路極不平坦。在過去數(shù)十年中，美國、俄羅斯、歐洲及日本進行了39次火星探測任務[3-5]，其中成功或部分成功的有18次，美國成功了13次。在14次火星著陸任務中，圓滿完成或部分完成任務的僅有6次。目前，人類已采用3種方式實現(xiàn)火星探測：掠過火星觀測，環(huán)繞火星探測，在火星著陸進行現(xiàn)場勘測。

世界航天大國都非常重視火星探測，美國、歐空局、俄羅斯等對火星的探測已提出長遠計劃[6-16]。美國積極推進“空間探索新構想”，計劃每兩年開展一次火星探測任務。2011年美國計劃發(fā)射的 “火星科學實驗室”（MSL）火星車將采用新型精確著陸技術，進行火星生物學研究。NASA還提出了火星飛機、火星氣球等新的火星任務概念。歐洲“曙光”計劃的核心內容就是火星探測，其旗艦任務“生物火星”（ExoMars）火星車正在進行關鍵技術研發(fā)，計劃2013年發(fā)射，2014年完成載人飛行任務技術論證，2030～2040年實現(xiàn)載人登陸火星。2006年4月，俄羅斯“能源”火箭航天集團公布了《俄羅斯未來25年載人航天發(fā)展計劃方案》，提出在2020～2030年向火星發(fā)射載人飛船[17]。

在火星探測過程中，飛船穿越地球磁層后在星際空間至少要飛行7個多月[18]才能到達火星軌道；航天員登陸火星表面后將在那里工作數(shù)周或半年左右，之后返回地球。因此，在載人火星探測中，航天員在空間輻射環(huán)境中暴露至少 2年左右。必須采取適當?shù)拇胧┍M可能減小航天員所受的輻射危害。雖然可以居住在特殊建造的艙內，但這種危害仍不能完全防止。與地球大氣約等于10 m深的水屏蔽效果相比較而言，載人探測器外殼的屏蔽厚度僅為1～30 cm，與地球大氣屏蔽厚度相差甚遠，因此，航天員長期暴露在空間輻射環(huán)境中致癌死亡率相當大[19]。迄今為止，航天員在空間飛行的時間一般不超過2周，僅有俄羅斯的幾名航天員飛行時間超過了一年。雖然接受的輻射超過了俄羅斯標準中制訂的致癌風險量值[19]，但還是比美國輻射保護和測量委員會（National Council on Radiation Protection and Measurement,NCRPM）所推薦的航天員一生容許的接受劑量水平限制要小。而火星探測軌道已脫離了地球磁場保護，進入星際空間，航天員在火星表面活動時，遭遇高能太陽粒子事件的概率相對更大，可導致航天員發(fā)生急性輻射效應。無疑，帶電粒子輻射是火星載人航天活動公認的棘手問題。

1 火星探測輻射環(huán)境

1.1 帶電粒子輻射環(huán)境

載人火星探測的典型過程如圖1所示[18]。首先將火星探測器各組件發(fā)射到近地軌道，并將其裝配成一個綜合系統(tǒng)。之后，將航天員組成的機組送往火星探測器。火星探測器在近地軌道上運行一段時間，在獲得必需的加速度后，脫離地球軌道飛往火星。當火星探測器進入火星軌道后進行制動，最終分離出載有航天員的起飛著陸器。航天員在搭乘起飛著陸器登陸火星以后，在火星表面工作數(shù)周，再返回位于近火星軌道上的火星探測器。在返回地球前，火星探測器進入日心軌道，兩次橫穿水星軌道，追逐地球；之后打開制動，進入地球軌道，返回地球。

圖1 火星探測器的飛行示意圖Fig.1 Flight of Mars explorer

于是，在整個探測飛行中需要考慮的輻射環(huán)境包括：

· 飛往火星和返回地球途中的銀河宇宙射線和太陽宇宙射線；

· 飛往火星和返回地球途中的太陽風和日冕拋射；

· 環(huán)火星軌道的銀河宇宙射線和太陽宇宙射線；

· 環(huán)火星和返回地球途中的太陽風和日冕拋射；

· 在火星表面停留時的銀河宇宙射線和太陽宇宙射線；

· 在火星表面停留時的太陽風和日冕拋射；

· 火星磁場。

據(jù)1977年“火星全球勘探者”飛船測量的資料顯示，火星表面磁場微弱，約為數(shù)十γ，因此火星磁場對行星際輻射的影響可以忽略不計。科學家認為，對火星探測影響較大的環(huán)境因素主要來自于火星的帶電粒子輻射環(huán)境，它由銀河宇宙射線、太陽宇宙射線、太陽風及日冕物質拋射等組成。

1）銀河宇宙射線

銀河宇宙射線（GCR）是由能量極高、通量極低的帶電粒子組成，主要為質子，其次為α粒子和重離子。星際空間典型銀河宇宙射線能譜如圖2所示[20]。

圖2 空間銀河宇宙射線能譜Fig.2 Free space GCR environment

2）太陽宇宙射線

太陽宇宙射線（SCR）中高能部分主要是來自太陽耀斑爆發(fā)期間從太陽表面的活動區(qū)噴射出來的高能質子，低能部分可能產(chǎn)生于行星際激波。太陽宇宙射線與太陽活動密切相關，其主要成分是質子，其次是α粒子，此外還包括重離子（主要是碳、氮和氧離子）。典型的 3次太陽質子事件（solar particle event，簡稱SPE）質子能譜如圖3 所示[21]。

圖3 典型的3次太陽質子事件質子能譜Fig.3 Proton spectra for three historic large solar particle events

3）太陽風[22]

太陽風是從日面上不斷噴射的等離子體流，主要成分由高通量、低能的電子和質子組成（約占95%），此外α粒子約占 4.8%，其他重離子約占0.2%。

4）太陽日冕物質拋射

從太陽向外拋射物質主要為等離子體，拋射速度高達2 000 km/s，拋射質量達109～1010t，這些高溫等離子體流被拋向行星際空間。在空間一次典型日冕物質拋射事件中產(chǎn)生的高能帶電粒子足以使衛(wèi)星上的電子設備損壞。

1.2 火星表面中子輻射環(huán)境

美國R.K.Tripathi利用NASA的空間粒子輻射傳輸軟件 HZETRN，計算了在太陽活動極大和極小年火星表面GCR粒子能譜[23]，該能譜如圖4所示。

比較火星表面粒子與星際空間粒子能譜（圖4和圖2），可以看出火星表面低能中子的通量密度很高，比低能質子和α粒子的通量密度明顯高兩個數(shù)量級，這主要是由于帶電粒子與火星大氣層及土壤相互作用的結果。但高能區(qū)中子通量密度變化不大，其余重粒子通量密度變化很小。

圖4 火星表面GCR產(chǎn)生的粒子能譜Fig.4 Martian surface environment due to GCR

美國M.S.Clowdsley等人利用NASA的空間粒子輻射傳輸軟件HZETRN和Monte Carlo方法，計算了火星表面的中子能譜，如圖5所示[24]。

從圖5中可以看出，在GCR和SPE的背景下有一定數(shù)量的低能中子，說明帶電粒子與火星土壤和大氣層相互作用也會產(chǎn)生低能中子。

圖5 火星表面的中子環(huán)境Fig.5 Neutron environment on the Martian surface

2 輻射探測結果分析

NASA的“奧德賽號”火星探測器（Mars Odyssey）攜帶的探測裝置MARIE（Martian Radiation Environment Experiment），對火星軌道輻射環(huán)境進行了為期20個月的探測，獲得了大量數(shù)據(jù)和圖片，部分測量結果[25-26]如表1所示。MARIE探測到12次SPEs。其中2003年10月26日～28日的SPE造成MARIE探測器停止工作，并對整個探測器上其他電子儀器設備也產(chǎn)生一定的影響。這說明SPE對火星探測的影響極大，在后續(xù)防護設計中應重點關注。

表1 MARIE測量的2002年4月～2003年4月之間GCR+SPE和GCR輻射劑量率Table 1 The dose rate measured by MARIE due to SPE and GCR during April 2002 through April 2003

美國P.Sagantia等人[27]利用MARIE探測器探測到的數(shù)據(jù)建立了火星輻射預示模型，預估火星輻射在皮膚中的等效劑量率，并與國際空間站（ISS）的輻射等效劑量率進行比對，見圖6所示。可以看出，火星軌道的輻射環(huán)境比ISS軌道惡劣，輻射等效劑量率是ISS軌道的2倍多。

俄羅斯N.V.Kuznetsov等人[18]利用俄羅斯建立的火星輻射預示模型，預示了火星探測3年任務期內（地球飛往火星1年，停留火星軌道或火星表面1年，火星飛往地球1年）不同鋁材料屏蔽厚度下GCR和SCR的輻射劑量。在計算中，SPE產(chǎn)生的概率按1%考慮，計算結果見表2。

圖6 火星軌道和國際空間站軌道輻射在皮膚中等效劑量率比對Fig.6 Radiation dose-equivalent at skin level： ISS orbit vs.Mars orbit

表2 在不同屏蔽厚度、太陽極大和極小條件下火星探測3年任務期內輻射劑量Table 2 Doses at the end of a 3-year Earth-Mars-Earth mission during solar min and solar max for different shielding (Al) thickness

從表2中可以看出，太陽宇宙射線產(chǎn)生的輻射遠遠大于銀河宇宙射線的輻射。采用屏蔽的方法防護GCR輻射劑量效果不大，而防護SCR輻射劑量效果比較明顯。這說明，火星探測中太陽宇宙射線的輻射防護是基本要求，需重點對太陽粒子事件的輻射進行防護。

3 輻射屏蔽分析

3.1 火星大氣屏蔽分析

火星雖然缺乏足夠強的磁場以偏轉帶電粒子，但火星大氣對深空空間輻射有防護作用，其提供的輻射防護能力取決于大氣的組成、結構和航天員所處的高度[28]。按火星大氣由 CO2組成考慮，根據(jù)美國空間協(xié)會提出的溫暖的高密度和冷的低密度模型（表面大氣壓分別為7.8 mPa和5.9 mPa），在垂直方向的不同高度上所提供的屏蔽質量見表 3所示[28]。

表3 垂直方向火星大氣層所提供的防護Table 3 Martian atmospheric protection in vertical direction

不同高度銀河宇宙輻射（太陽極小年）和太陽質子事件下航天員皮膚和造血器官劑量計算結果見表4和表5[29]。

表4 按火星大氣模型計算的航天員皮膚劑量Table 4 Integrated skin dose equivalents for Martian atmospheric models(Data from Simonsen et al, 1990)

表 5 按火星大氣模型計算的航天員造血器官劑量Table 5 Integrated BFO dose equivalents for Martian atmospheric models(data from Simonsen et al, 1990)

從表4和表5可以看出，如果發(fā)生一次像1956年2月那樣的太陽質子事件，則在火星表面處航天員造血器官的年均輻射吸收劑量約為0.190～0.218 Sv/a，皮膚的年均輻射吸收劑量為0.205～0.242 Sv/a；在距火星表面12 km高度處，航天員造血器官的年均輻射吸收劑量約為0.290～0.333 Sv/a，皮膚的年均輻射吸收劑量為0.345～0.415 Sv/a。這些結果表明，火星大氣提供的防護可使皮膚和造血器官劑量維持在規(guī)定的年限值3 Sv/a和0.5 Sv/a以下[19]。如果航天員在火星停留時間為30 d，按發(fā)生一次太陽質子事件考慮。表4和表5數(shù)據(jù)表明，僅就1972年8月的事件而言，在距火星表面12 km高度處，航天員造血器官的劑量超過30 d規(guī)定的限值0.25 Sv，但該事件劑量隨屏蔽物質厚度增加而迅速降低，較少的附加屏蔽厚度即可將劑量降至限值以下。歷史上3次大的太陽質子事件中，距火星8 km以內產(chǎn)生的事件皮膚劑量和造血器官劑量均在30 d限值1.5 Sv和0.25 Sv以下[19]，這意味著火星大氣為航天員短時間的停留提供了良好的防護。

3.2 火星表面居住艙的屏蔽分析

假如火星表面居住艙設計為長 8.2 m、直徑4.45 m的圓柱型艙，一半掩埋在地下，地上的一半用15 cm厚的火星浮土覆蓋（設火星浮土的密度為1.33 g/cm3，其質量屏蔽厚度則為20 g/cm2）。在這樣的屏蔽防護能力下[30]，可使火星表面由于銀河宇宙射線輻射引起航天員造血器官的年均輻射吸收劑量由0.119 Sv/a降低到0.1 Sv/a，皮膚的年均輻射吸收劑量由0.132 Sv/a降低到0.11 Sv/a；1956年2月太陽質子事件輻射引起航天員的年輻射吸收劑量由 0.099 Sv降低到 0.063 Sv，皮膚的年輻射吸收劑量由0.11 Sv降低到0.069 Sv[31]。當屏蔽厚度大于20 g/cm2時，輻射吸收劑量的減小不再顯著，即再增加覆蓋浮土的厚度意義不大。總的來看，火星浮土的防護效果不如 CO2大氣的防護效果顯著。

在火星表面居住時，主要需防護太陽質子事件；而當長期居住時，除防護太陽質子事件以外還需防護銀河宇宙射線的輻射。若在火星表面居住一年，按一年的宇宙輻射加一次1956年2月太陽質子事件的劑量分析，航天員造血器官劑量[32]將不超過0.218 Sv，低于美國0.5 Sv的年劑量限值[19]。同時，按 30 d飛行遭遇一次大的太陽質子事件，航天員造血器官最高劑量也低于0.25 Sv的30 d劑量限[19]。上述估計尚未考慮居住艙內其他物品所提供的附加屏蔽。由此可見，航天員在火星表面一年以內的短暫停留，利用20 cm的火星浮土可以提供銀河宇宙射線和太陽質子事件的適當防護，但在選擇最佳屏蔽厚度和屏蔽策略以前，需仔細地研究考慮整個飛行方案（包括火星航天器）。

3.3 星際間飛行中輻射屏蔽分析

載人飛船在空間飛行中，電離輻射對航天員的損傷是關鍵問題。在地球輻射帶中，航天員接受的輻射劑量取決于在該區(qū)域飛行時間和所通過時的地球磁場狀態(tài)。對于航天員在小傾角低軌道上飛行，其輻射防護有一定的辦法和措施，同時實際探測結果表明，輻射對航天員的危害沒有想象中的嚴重。但在飛往火星約200多天的旅途中，已沒有地球磁場保護，航天員接受到的銀河宇宙射線和太陽宇宙射線輻射將更加嚴重，其中，太陽粒子事件輻射最為嚴重，所接受的輻射劑量取決于在星際飛行時間和持續(xù)時間。因而，航天員居住艙需提供足夠的輻射防護屏蔽來保障航天員安全。針對鋁結構和聚乙烯結構航天器計算航天員重要器官的吸收劑量，計算中假設在飛行期間遇到注量最高的 1972年8月的太陽質子事件，計算結果見表6[32]。

表 6 星際飛行期間遭遇到1972年8月太陽質子事件的預估劑量Table 6 Estimated SEP dose for long-duration stays interplanetary missions on Aug.1972

從表6中可以看出，對于薄屏蔽（≤1 g/cm2）航天服和壓力艙的預估劑量超過了1.5 Gy，達到致死劑量水平，但是5 g/cm2以上的屏蔽可使劑量顯著降低。這說明靠傳統(tǒng)的增加質量屏蔽厚度方法可以使航天員盡量少受輻射的危害，但增加艙體質量厚度的代價很高。假如一個圓形艙的容積為30 cm3，增加10 g/cm2的物質屏蔽，則需增加約為5 t的飛船載荷[33]。另外，質量屏蔽方法存在的另一個問題是初級空間輻射與屏蔽材料相互作用可產(chǎn)生次級輻射，如反沖質子、次級中子和軔致輻射等，這些核反應產(chǎn)物給防護增加了難度，并帶來了新的問題。因而尋找適宜的屏蔽材料是解決輻射防護問題的關鍵。國外對材料的屏蔽效能研究表明[34-35]，液態(tài)氫在理論上是最好的屏蔽材料，但實際應用尚存在許多問題，比如，存儲的低溫、容器的隔熱要求以及由此帶來的安全和可靠性問題。建議的較好屏蔽物質是水和有機材料。

4 結束語

本文僅僅論及載人火星探測中電離總劑量的防護問題，實際環(huán)境問題還包括：太陽風中的低能等離子體可能會使飛船表面帶高達上千 V負電位（引起表面帶電效應）、還會發(fā)生放電效應；高能質子和重離子會使飛船電子設備中的半導體器件發(fā)生單粒子效應，導致飛船內部的電子設備邏輯電路混亂，引起錯誤的動作，影響飛船的性能和功能，嚴重時會使部分功能失效。因此，火星載人飛船輻射防護問題是一個尚未解決的重大課題，在火星載人飛船設計中，必須解決好以下幾個問題，才能實現(xiàn)飛往火星并對火星探測：

1）空間高能粒子輻射效應（含材料和生物）模擬問題；

2）太陽宇宙射線和銀河宇宙射線高能核輻射引起癌變的風險分析；

3）長期的行星際空間飛行，重離子對人中樞神經(jīng)系統(tǒng)危害分析；

4）載人飛船選擇、設計與輻射環(huán)境的關系及其對航天員生存的影響等問題；

5）屏蔽材料的問題。

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