基于“嫦娥三號”放射性載荷的總裝防護設計與實施

張延磊，馮 偉，易旺民，田 帥，鄭圣余

（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

基于“嫦娥三號”放射性載荷的總裝防護設計與實施

張延磊，馮 偉，易旺民，田 帥，鄭圣余

（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

“嫦娥三號”月球探測器安裝有放射性載荷，因此需要在總裝過程中進行有針對性的防護，以盡量降低操作人員可能受到的輻射危害。文章在分析各工作平臺輻射劑量率的基礎上，結合一般防護方法，提出了基于操作時間控制、操作距離限定以及屏蔽防護選擇3項基本控制要素的核輻射環境中的操作防護設計方案。經地面模擬演練的驗證及塔架上最終實施結果比對，證明防護方案設計合理可行，操作人員受到的累積輻射劑量處于預期值范圍內的較低水平。

嫦娥三號；航天器總裝；核輻射環境；輻射防護

0　引言

“嫦娥三號”月球探測器（下文簡稱探測器）在軟著陸階段需通過伽馬關機敏感器精確測定距離月面的高度，當達到關機的高度要求時，向著陸器發出軌控發動機和姿控推力器關機指令［1］。月夜休眠期間，由于無太陽輻照，月表溫度低至-180 ℃，探測器無法從外界獲取熱量以安全度過。為保證探測器上設備工作溫度要求，需采用同位素熱源供熱［2］。另外，為了探測和鑒別月壤的元素種類及其豐度，采用了粒子激發 X射線譜儀［3］。上述設備均使用到放射源，故被稱為核儀器設備。探測器總裝期間，針對這些設備，須采取輻射防護技術措施，以降低對操作人員的輻射風險［4］。

1　“嫦娥三號”涉核輻射環境分析

探測器使用的放射源會發射出 γ射線和中子。因此，在探測器總裝階段，須分析放射源對周圍環境產生的輻射劑量率，以距離放射源0.5 m處和 1 m處的輻射劑量率檢測結果作為制定防護方案的設計依據。

1.1核儀器設備概況

“嫦娥三號”探測器共有核儀器設備8臺［5］，包括3臺I類238Pu放射源、2臺II類238Pu放射源、1臺IV類137Cs放射源以及2臺V類放射源，參見表1。

表1　“嫦娥三號”核儀器設備信息Table 1　Information of nuclear radiation equipment on Chang'e-3

1.2操作環境輻射劑量分析

探測器放射源安裝之前置于屏蔽容器內，放在有特殊標識的位置，使用時有專門交通和工具對其搬運，不會受到輻射影響或影響可忽略。而對總裝操作人員有影響的主要有2個階段：發射場技術區和發射塔架上安裝放射源后的總裝操作。

1）技術區放射源安裝后

粒子激發 X射線譜儀探頭在發射場技術區完成安裝后，在距放射源0.5 m范圍內需要完成包括巡視器吊具裝拆和吊點熱控多層恢復 2項操作，持續時間約需1 h；在距離放射源1 m以外還需要完成其他操作。

根據表1的放射源信息，0.5 m范圍內的2項操作的累計輻射劑量較小，約為0.009 μSv。

2）發射塔架放射源安裝后

探測器核儀器設備在塔架平臺上的布局參見圖1。

圖1　“嫦娥三號”探測器核儀器設備在塔架平臺上的布局Fig.1　Layout of radiation equipment of Chang'e-3 probe on launch tower

“嫦娥三號”的總裝過程中，總裝人員在發射塔架上開展工作的平臺有4層：49.7 m平臺，52.3 m平臺，54.5 m平臺和57.5 m平臺。

據表1的核儀器設備信息，除粒子激發X射線譜儀探頭外，其他核儀器設備分別在上述 4層平臺中的3層完成安裝，并分為3個階段：

階段A：在54.5 m平臺上安裝巡視器同位素熱源、極紫外相機核源、粒子激發 X 射線譜儀探頭及生存裝置、伽馬關機敏感器發射器；

階段B：在52.3 m平臺上安裝著陸器±y同位素熱源；

階段C：在49.7 m平臺上摘除伽馬關機敏感器發射器保護罩。

塔架上放射源安裝后，其他各項總裝操作均在整流罩側壁附近，因此需重點關注該位置的輻射劑量率。由于輻射劑量率與距離平方成反比，因此結合表1中給出的數據，可以計算得到各工作平臺上整流罩邊界處的輻射劑量率。不同安裝階段后，各平臺整流罩邊界處的最大輻射劑量率見表2。

表2　放射源階段安裝后各平臺輻射劑量率最大值Table 2　Maximal radiation dose on different platforms after radiation equipment being assembled mSv·h-1

2　核輻射環境防護原則

2.1職業人員和公眾劑量限值

我國現行標準對輻射工作人員定義為受聘用全日、兼職或臨時從事輻射工作并已了解與職業輻射防護有關的權利和義務的任何人員；公眾是指除職業受照人員和醫療受照人員以外的任何社會成員，但對于驗證是否符合公眾照射的年劑量限值而言，則指有關關鍵人群組中有代表性的個人。

在“嫦娥三號”項目中，核輻射環境中的總裝操作人員屬臨時從事輻射工作的職業受照人員，按照國家標準其連續 5年的年平均有效劑量限定為20 mSv，并且任何一年不超過50 mSv；而非操作人員即公眾受照，關鍵人群組的成員所受到的平均劑量估計值年有效劑量限定為1 mSv［6］。

核輻射環境人員基本要求：工作人員必須通過輻射安全和防護專業知識及相關法律的培訓與考核并持有有效《輻射工作人員培訓合格證》；取得輻射安全培訓合格證書的人員，應每4年接受1次再培訓，并需提供個人受照劑量監測報告。

2.2輻射防護基本原則

輻射對人體的照射方式分內、外2種，外照射是放射源在人體外部釋放出粒子、光子作用于人體的照射，而內照射是放射性核素進入人體內，在體內衰變釋放出粒子、光子作用于機體的照射。

針對這 2種照射方式，分別有不同的防護措施與方法。外照射防護是盡量縮短受照射的時間，增加與放射源之間的距離，在人與放射源之間設置屏蔽物（防護三要素）；內照射防護包括包容、隔離、凈化和稀釋。

3　總裝過程中的核輻射防護方案設計與實施

基于探測器核儀器設備安裝后的輻射劑量率分析以及核輻射防護的一般策略，對總裝過程中的核輻射防護方案進行設計及實施。

3.1基于三要素的核輻射防護設計

“嫦娥三號”探測器總裝階段，操作人員不直接接觸放射源，面臨的輻射環境為外照射，應通過控制操作時間，并結合距離和屏蔽防護來實現核輻射防護。

3.1.1時間防護及措施

首先，要求所有涉核操作要盡可能快速完成并減少人為失誤；其次，通過合理規劃、優化操作流程，從程序上減少涉核操作累計時間。

以放射源安裝輔助踏板搭建與撤除為例，總裝操作中采取如下具體措施：

1）通過人機工效學分析［7-10］，計算機仿真確定平臺搭建的方向與位置，以保證核源安裝人員能在較舒適的狀態下完成操作；且搭建方案要在模擬塔架上進行演練，并最終確定合理位置，參見圖2。

2）輔助踏板未搭建之前，提前在發射塔架上標識擺放固定位置，以減少現場確認時間。

3）踏板撤離時，分別撤收并擺放在所在平臺，不必集中放置。

4）合整流罩前，平臺搭建原則為“3次搭建、1次拆除”；合整流罩后，平臺搭建原則為“2次搭建、1次拆除”。

圖2　放射源安裝輔助踏板布局仿真Fig.2　Simulation and layout of auxiliary pedal for nuclear equipments mounting

3.1.2距離防護及措施

要求所有的總裝操作與放射源間的距離均不得小于安全控制距離，并根據放射源的輻射方向選擇相對安全的操作方位。

伽馬關機敏感器發射器的伽馬源非工作狀態下（安裝時）帶有防護罩，工作狀態下無防護罩，伽馬源的輻射方向在發射窗下部116°范圍內，參見圖3。以伽馬源的工藝件更換為正樣件為例，總裝操作中采取如下具體防護措施：

1）使用高度為250mm的操作輔助踏板，以增加操作便利性，并增大操作人員與輻射源間的距離。

2）總裝人員應在設備側面進行操作，盡量避開輻射源輻射方向。

3）扶持設備人員只允許接觸支架，不得接觸設備本體，并盡量靠近設備安裝面。

圖3　伽馬源示意圖Fig.3　Sketch map of gamma radiation equipment

3.1.3屏蔽防護措施

操作人員在操作過程中應佩戴防護設備?！版隙鹑枴焙溯椛洵h境中使用的防護設備見表3。

表3　安全防護設備清單Table 3　List of radiation protection facilities

總裝過程中須根據具體工況選擇不同的屏蔽防護措施：伽馬放射源換裝時，操作人員應佩戴鉛背心、鉛手套、個人輻射劑量計，考慮到放射源的輻射方向及操作的便利性，不建議佩戴防護眼鏡。探測器發射前，伽馬源防護罩摘除時，輻射劑量率達到最大，操作人員須佩戴盡可能多的屏蔽防護設施。

3.2涉核操作的全流程防護實施

以減少時間、增大距離、增加屏蔽作為總裝過程中的核輻射防護的三要素，對“嫦娥三號”探測器涉核操作全流程進行防護實施，防護方案見圖4。

粒子激發射線譜儀探頭的放射源在技術區廠房內完成安裝，根據前文所述此階段輻射劑量率非常小，可通過嚴格控制操作時長及限定操作距離來控制照射劑量，同時操作人員佩戴個人輻射劑量計進行實時監測記錄。塔架總裝階段，有 7臺核儀器設備需要陸續安裝，其中伽馬關機敏感器發射器、極紫外相機、粒子激發 X射線譜儀生存裝置、巡視器同位素熱源等在合整流罩之前裝器；著陸器±y向的同位素熱源在合整流罩后裝器；發射前 1～3 h，摘除伽馬關機敏感器發射器防護罩。隨著核儀器設備逐一安裝到探測器上，總裝操作人員所采取防護措施的要求越來越高。

圖4　探測器總裝涉核操作的全流程防護方案Fig.4　Protection scheme on whole process involving nuclear radiation during probe assembly

4　操作驗證

在地面搭建模擬塔架，作為操作人員操作演練和工裝規劃的工作平臺，以模擬真實塔架的狀態和環境，對防護設計及實施方案進行綜合演練及驗證。演練階段使用模擬件替代真實放射源，記錄每次操作的耗費時間，并通過耗時計算得出總裝操作過程中人員受到的輻射劑量。將總裝過程中的全部涉核操作項目（伽馬源更換為正樣件、探測器與運載火箭對接、合罩前搭建輔助踏板、合罩前撤除輔助踏板、合罩后搭建輔助踏板、合罩后撤除輔助踏板、發射前搭建輔助踏板、星表操作、伽馬源摘保護罩、發射前搭建撤離）分別標記為A～J。

操作人員受到的累計輻射劑量為

式中：t0為進入輻射環境的時刻；τ為進入輻射環境后經歷的時間（操作時長）；（ t）為t時刻的輻射劑量率?！版隙鹑枴表椖恐兴褂玫姆派湓矗胨テ谧疃痰臑?8 a，因此可認為，在涉核操作的短時間內在設定距離處的輻射劑量率為定值 D，那么，操作人員受到的累計輻射劑量為

根據各項操作的時長及表2給出的輻射劑量率，可以得出操作人員在各項操作中受到的累計輻射劑量，結果見表4。

表4　模擬演練結果Table 4　Results of simulation operation

從表4數據可以看出，按照現有防護設計及實施方案執行，“嫦娥三號”探測器總裝過程中全部涉核總裝操作中人員（職業照射）受到的最大累計輻射劑量為2.13 mSv。對非操作人員（公眾照射）須嚴格控制其進入區域，將其限定在安全控制距離之外，則其受到輻射的劑量可以忽略不計。

在“嫦娥三號”探測器發射場總裝涉核操作人員佩戴的個人輻射劑量計監測記錄數據中，最大輻射劑量為2.05 mSv?？梢?，“嫦娥三號”總裝過程中的涉核操作順利完成的同時，操作人員所受的累計輻射劑量遠低于國家標準的規定，驗證了本文所述的核輻射防護方案設計的合理性。

5　結束語

本文對“嫦娥三號”探測器總裝過程中涉核操作的全流程防護開展了研究。首先對塔架上各工作平臺輻射劑量率進行了分析，然后通過選擇防護措施、減少人員在核輻射環境中的操作時間、限定人員與放射源的距離等手段，針對不同總裝工況制定了詳細的防護方案。同時在地面搭建模擬塔架開展防護方案的演練，經地面模擬演練的驗證及塔架上最終實施結果比對，防護方案設計確保了操作人員受到的輻射劑量處于預期值范圍內的較低水平。本文核輻射防護方案的設計可為后續型號中涉核操作的安全防護方案設計與實施提供參考。

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［1］徐冰， 馬龍， 鄭興林.月球著陸環境模擬試驗裝置的研制［J］.航天器環境工程， 2013， 30（1）： 82-86 Xu Bing， Ma Long， Zheng Xinglin.Development of lunar landing environment simulation test equipment［J］.Spacecraft Environment Engineering， 2013， 30（1）： 82-86

［2］王錄， 張紅星， 莫青.重力輔助兩相流體回路不凝氣體量間接測試方法研究［C］//第十三屆全國熱管會議論文集.上海： 中國工程熱物理學會， 2012： 1-8

［3］梁曉華， 吳明燁， 王煥玉.嫦娥三號粒子激發X射線譜儀紅外距離感知方法［J］.光譜學與光譜分析， 2013，32（5）： 1360-1363 Liang Xiaohua， Wu Mingye， Wang Huanyu.Near infrared distance sensing method for Chang'e-3 Alpha particle X-ray spectrometer［J］.Spectroscopy and Spectral Analysis， 2013， 32（5）： 1360-1363

［4］劉曉潔， 朱立紅.長期涉核人員心理感受的質性研究［J］.解放軍護理雜志， 2010， 27（15）： 1138-1140 Liu Xiaojie， Zhu Lihong.Qualitative research on psychological feelings of personnel with long-term implication in nuclear development［J］.Nursing Journalof Chinese People's Liberation Army， 2010， 27（15）：1138-1140

［5］吳偉仁.嫦娥三號任務發射場階段輻射安全防護手冊［M］.北京： 環境保護部核與輻射安全中心/國防科工局探月與航天工程中心， 2013： 22-54

［6］GB 18871 電離輻射防護與放射源安全基本標準［S］，2002

［7］馮偉， 張延磊， 易旺民， 等.基于虛擬仿真技術的探月工程二期航天器總裝工藝設計［J］.航天器環境工程， 2014， 31（3）： 326-331 Feng Wei， Zhang Yanlei， Yi Wangmin， et al.The virtual simulation technology in assembly process design of China's Lunar Exploration Project II［J］.Spacecraft Environment Engineering， 2014， 31（3）： 326-331

［8］孫剛， 易旺民， 代衛兵， 等.航天器總裝工藝流程優化的分析與思考［J］.航天器環境工程， 2008， 25（4）：381-383 Sun Gang， Yi Wangmin， Dai Weibing， et al.Optimization of spacecraft assembling process［J］.Spacecraft Environment Engineering， 2008， 25（4）： 381-383

［9］黃壘， 劉孟周， 邢帥， 等.虛擬仿真技術在載人航天器總裝工藝設計［J］.航天器環境工程， 2011， 28（6）：609-614 Huang Lei， Liu Mengzhou， Xing Shuai， et al.Application of virtual simulation technology in assembly process design of manned spacecraft［J］.Spacecraft Environment Engineering， 2011， 28（6）： 609-614

［10］馬智， 薛紅軍， 蘇潤娥.基于 JACK的人體建模與人機工效分析［J］.航空計算技術， 2008， 38（1）： 97-100 Ma Zhi， Xue Hongjun， Su Run'e.Human-modeling and analysis of ergonomics based on JACK［J］.Aeronautical Computing Technique， 2008， 38（1）： 97-100

（編輯：張艷艷）

Ground assembly protection scheme against nuclear radiation payload of Chang'e-3 probe

Zhang Yanlei， Feng Wei， Yi Wangmin， Tian Shuai， Zheng Shengyu
（Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering， Beijing 100094， China）

In view of the nuclear radiation payload on the Chang'e-3 probe， the targeted protection should be taken during the assembly process to reduce the radiation hazard on personnel.In this paper， by analyzing the effects of the radiation dose rate on different working platforms， combined with the general protection method， a radiation protection design scheme is proposed，based on the time control， the operating distance limit and the shielding choice involved in the nuclear assembly.Through the simulation-based verification and the final implementation results， it can be confirmed that the protection design scheme is reasonable and feasible， the cumulative radiation dose on personnel falls within the expected value and in the range of a low level.

Chang'e-3； spacecraft assembly； nuclear radiation environment； radiation protection

V465； TL7

A

1673-1379（2015）06-0674-06

10.3969/j.issn.1673-1379.2015.06.021

張延磊（1982—），男，碩士學位，主要從事深空探測器航天器總裝工藝設計研究。E-mail： yan_hust@163.com。

2014-12-10；

2015-09-20

國家重大科技專項工程