載人登月航天員輻射劑量分析與防護(hù)建議

呼延奇，吳正新，周 強(qiáng)，孫 偉，范志瑞

（1.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京100094；2.深圳大學(xué)核技術(shù)應(yīng)用研究所，深圳518060；3.北京空間技術(shù)研制試驗(yàn)中心，北京100094；4.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京100094；5.大連理工大學(xué)，大連116024）

1 引言

載人登月任務(wù)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(chǎng)）的保護(hù)，將持續(xù)遭遇不同能量和強(qiáng)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(fā)產(chǎn)生的能量粒子、地球輻射帶捕獲質(zhì)子和捕獲電子。

地球輻射帶捕獲粒子對(duì)載人登月航天員產(chǎn)生的輻射劑量，取決于航天員穿越輻射帶中心區(qū)域的持續(xù)時(shí)間以及相應(yīng)的粒子能譜。高能電子暴持續(xù)期間，外輻射帶電子通量可能存在短時(shí)強(qiáng)烈變化，期間輻射劑量可能增加1個(gè)數(shù)量級(jí)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(hù)（如艙外活動(dòng)時(shí)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(zhì)量屏蔽即可使輻射帶捕獲粒子的輻射劑量大為降低［1］。

當(dāng)航天器穿出地球磁層，脫離地球磁場(chǎng)的保護(hù)，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(huì)對(duì)航天員產(chǎn)生幾乎穩(wěn)定的輻射劑量。銀河宇宙線通量隨太陽活動(dòng)存在長(zhǎng)期緩慢變化，其最大強(qiáng)度出現(xiàn)在太陽活動(dòng)低年。對(duì)于超過1年以上的長(zhǎng)期載人飛行，銀河宇宙線累積劑量可能達(dá)到或超過航天員輻射暴露限值。而對(duì)于載人飛行周期不超過30天的短期任務(wù)，銀河宇宙線對(duì)航天員的輻射劑量可以忽略不計(jì)。因此，針對(duì)銀河宇宙線的輻射防護(hù)問題與飛行任務(wù)周期及所經(jīng)歷的太陽活動(dòng)狀態(tài)密切相關(guān)。

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(dòng)周期內(nèi)可能出現(xiàn)1次或數(shù)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(fā)生于Apollo-16和Apollo-17號(hào)任務(wù)之間［2-3］。極端太陽粒子事件會(huì)在短時(shí)間內(nèi)對(duì)航天員產(chǎn)生非常大的輻射劑量。對(duì)于任務(wù)周期在數(shù)十天的載人登月任務(wù)，其面臨的最大輻射風(fēng)險(xiǎn)就是可能遭遇極端太陽粒子事件。針對(duì)此類事件所需要的輻射防護(hù)代價(jià)，取決于太陽粒子事件的能譜和強(qiáng)度。

本文依據(jù)載人登月任務(wù)全周期內(nèi)面臨的空間輻射環(huán)境特點(diǎn)，對(duì)典型載人登月任務(wù)往返全過程輻射劑量開展量化分析，對(duì)載人登月飛行器輻射防護(hù)設(shè)計(jì)要求以及防護(hù)設(shè)計(jì)重點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，并提出初步防護(hù)建議。

2 載人登月任務(wù)輻射防護(hù)設(shè)計(jì)

載人登月任務(wù)按照任務(wù)階段可以分為奔月、環(huán)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(guān)系，即月球軌道在滿月前后約6 d運(yùn)行于地球磁尾，剩余時(shí)間則處于地球磁層以外的行星際空間。載人登月任務(wù)在奔月和返回階段遭遇的空間輻射環(huán)境特征，與采用的軌道方案密切相關(guān)。

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

針對(duì)載人登月任務(wù)，航天員輻射防護(hù)設(shè)計(jì)主要包含3方面內(nèi)容：①應(yīng)針對(duì)特定任務(wù)剖面和航天器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)狀態(tài)，預(yù)測(cè)航天員遭受的輻射風(fēng)險(xiǎn)；②如果航天員的輻射風(fēng)險(xiǎn)超過了可接受的限值，必須采取相應(yīng)的輻射防護(hù)措施直到輻射暴露限值要求得到滿足；③采取的輻射防護(hù)措施應(yīng)結(jié)合任務(wù)目標(biāo)及相應(yīng)的代價(jià)開展詳細(xì)的評(píng)估，同時(shí)還需要保證輻射防護(hù)效果遵循NASA提出的合理可達(dá)到盡量低（As Low As Reasonably Achievable，ALARA）的原則，實(shí)現(xiàn)輻射防護(hù)方案的最優(yōu)化。

圖2給出了輻射防護(hù)設(shè)計(jì)的基本流程。由于整個(gè)航天器結(jié)構(gòu)均是輻射屏蔽的重要組成部分，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選取非常關(guān)鍵。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅要考慮任務(wù)目標(biāo)，同時(shí)還需要考慮與人相關(guān)的因素，如人體工效學(xué)、起居空間、工作區(qū)及其他防護(hù)與支撐系統(tǒng)（包括碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)、熱防護(hù)結(jié)構(gòu)、食物和水儲(chǔ)存空間等），即使像航天員休閑區(qū)和工作區(qū)的布局等也是需要考慮的因素之一。航天器結(jié)構(gòu)的具體實(shí)現(xiàn)方法也會(huì)影響航天員的輻射暴露劑量，比如結(jié)構(gòu)材料類型等。另外，任務(wù)目標(biāo)相關(guān)的因素，例如航天員是否執(zhí)行表面巡視任務(wù)，是否具備就位的屏蔽措施（如月球車），以及任務(wù)周期與太陽活動(dòng)周期的對(duì)應(yīng)關(guān)系等。圖3中描繪了上述多學(xué)科參與的迭代設(shè)計(jì)過程，這些過程需要具備高效的軟件工具對(duì)相應(yīng)的航天員輻射風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行快速有效的評(píng)估。

圖2 輻射防護(hù)設(shè)計(jì)基本流程Fig.2 Basic design process of radiation protection

3 航天員輻射防護(hù)要求

NASA目前對(duì)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(guó)輻射防護(hù)和測(cè)量委員會(huì)（National Council on Radiation Protection，NCRP）第98號(hào)報(bào)告［4］中定義的一致，見表2。對(duì)于非LEO載人飛行任務(wù)的輻射劑量醫(yī)學(xué)限值還沒有明確的規(guī)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(bào)告中給出的劑量限值，引用了國(guó)際放射防護(hù)委員會(huì)（ICRP）定義的與特定組織（點(diǎn)劑量）相關(guān)的劑量當(dāng)量概念，其定義見式（1）：

圖3 輻射防護(hù)的多學(xué)科迭代設(shè)計(jì)過程Fig.3 M ultidisciplinary iterative design process of radiation protection

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

上述劑量當(dāng)量品質(zhì)因子是對(duì)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中細(xì)胞死亡和變異研究獲得大量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其重點(diǎn)考慮的是長(zhǎng)期隨機(jī)性效應(yīng)，對(duì)于短時(shí)確定性輻射效應(yīng)并不適用。

因此，在NCRP第132號(hào)報(bào)告［6］中又引入了戈瑞當(dāng)量的概念，其引用了ICRP-92報(bào)告［7］中的定義，對(duì)于組織T，戈瑞當(dāng)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(duì)生物效應(yīng)因子（Relative biological effectiveness）。NCRP-132號(hào)報(bào)告中根據(jù)新定義的戈瑞當(dāng)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(píng)估短時(shí)確定性效應(yīng)。

本文后續(xù)對(duì)航天員輻射劑量分析，參考ICRP-92號(hào)報(bào)告定義的戈瑞當(dāng)量進(jìn)行，其中相對(duì)生物因子源自ICRP-92報(bào)告。

4 載人登月任務(wù)航天員輻射劑量分析

考慮我國(guó)載人登月任務(wù)飛行器詳細(xì)結(jié)構(gòu)及設(shè)備布局等具體信息尚不明確，因此，本文采用簡(jiǎn)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(zhì)量屏蔽簡(jiǎn)化為一定厚度的平板，根據(jù)國(guó)際放射委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(duì)空間粒子在屏蔽材料中的輸運(yùn)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(jì)算程序，建立圖4中的分析模型，針對(duì)不同厚度的屏蔽材料情況下，對(duì)沉積在1 mm、3mm和9 cm 3種深度下的組織層（計(jì)算采用的吸收劑量層均為1mm）進(jìn)行計(jì)算。統(tǒng)計(jì)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(dāng)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(jì)算了不同太陽活動(dòng)條件下，載人登月任務(wù)在奔月和返回階段穿越地球輻射帶期間，由捕獲質(zhì)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(dāng)量。從表中可以看出，對(duì)于皮膚劑量，屏蔽厚度低于1 g/cm2時(shí)，劑量主要來自捕獲電子，因此太陽活動(dòng)高年高于太陽活動(dòng)低年。當(dāng)屏蔽厚度高于1 g/cm2，尤其是達(dá)到3 g/cm2以上的屏蔽厚度時(shí)，捕獲質(zhì)子產(chǎn)生的劑量占主導(dǎo)。由于捕獲質(zhì)子通量與太陽活動(dòng)負(fù)相關(guān)，因此在較厚屏蔽狀態(tài)下，太陽活動(dòng)低年的劑量更高。對(duì)于眼晶體和造血器件劑量，由于人體組織自屏蔽效應(yīng)，其變化情況更為復(fù)雜。

表3 太陽活動(dòng)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(dòng)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(duì)于載人登月飛行器能夠提供的質(zhì)量屏蔽，詳細(xì)數(shù)據(jù)需要飛行器結(jié)構(gòu)和設(shè)備布局確定后才能明確，參考美國(guó)載人登月飛行器數(shù)據(jù)，圖5與圖6中給出NASA以往載人飛行器航天員典型活動(dòng)區(qū)域質(zhì)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(shù)。從圖中可以看出，以往飛行器50%分位數(shù)的等效質(zhì)量面密度值在5～10 g/cm2。因此，對(duì)于中國(guó)載人登月飛行器航天員活動(dòng)區(qū)域質(zhì)量屏蔽厚度不低于5 g/cm2是比較合理的。

圖5 執(zhí)行國(guó)際空間站等任務(wù)航天員典型活動(dòng)區(qū)域質(zhì)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(zhuǎn)移過程中，航天員處于飛行器結(jié)構(gòu)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(yī)學(xué)限值低1個(gè)數(shù)量級(jí)以上，因此地球輻射帶捕獲粒子的輻射防護(hù)可主要借助于航天器主結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，通過合理的布局，實(shí)現(xiàn)對(duì)航天員主要駐留區(qū)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(wù)航天員典型活動(dòng)區(qū)域質(zhì)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(duì)于載人登月任務(wù)，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(jì)算了太陽活動(dòng)高年和太陽活動(dòng)低年期間，完整任務(wù)期內(nèi)銀河宇宙線對(duì)皮膚、眼晶體和造血器官產(chǎn)生的累積戈瑞當(dāng)量。從表中可以看出，由于銀河宇宙線粒子通量極低，其產(chǎn)生的日累積輻射劑量在10-3Gy-eq的量級(jí)。在月面上，由于月球可以對(duì)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(dāng)于在自由空間中的一半。按上述方法計(jì)算，考慮載人登月任務(wù)航天員任務(wù)周期20天，可知在航天員任務(wù)周期內(nèi)，在5 g/cm2的質(zhì)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(shù)據(jù)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(tài)下，隨屏蔽厚度的增加，劑量并沒有明顯的下降，說明對(duì)于銀河宇宙線的屏蔽防護(hù)將非常困難。另外，銀河宇宙線輻射劑量在太陽活動(dòng)低年約是太陽活動(dòng)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(fā)生概率很低，在過去60年中只發(fā)生了約7次，對(duì)于任務(wù)周期為20天的載人登月任務(wù)，遭遇此量級(jí)事件的概率約為6‰；但由于極端太陽粒子事件對(duì)載人登月航天員的輻射威脅非常高，短時(shí)間（數(shù)小時(shí)）內(nèi)可能對(duì)航天員產(chǎn)生致命的劑量。

表5 太陽活動(dòng)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(jì)算了1956年2月和1989年10月兩次極端太陽粒子事件經(jīng)不同鋁屏蔽厚度狀態(tài)下，對(duì)航天員皮膚、眼晶體及造血器官產(chǎn)生的戈瑞當(dāng)量。從中可以看出，1989年事件由于質(zhì)子通量更大，其產(chǎn)生的輻射劑量在0～20 g/cm2均高于1956年事件；但后者由于質(zhì)子能譜更硬，隨著屏蔽厚度的增加，其產(chǎn)生的輻射劑量逐漸與1989年事件接近，尤其是對(duì)于人體自身屏蔽較厚的造血器官。另外，從兩次強(qiáng)太陽粒子事件產(chǎn)生的輻射劑量來看，這兩次事件產(chǎn)生的輻射劑量均非常高，對(duì)于1956年2月事件，只有屏蔽厚度超過15 g/cm2時(shí)，皮膚和眼晶體遭受的戈瑞當(dāng)量才下降至NASA 30天劑量限值以下，而對(duì)造血器官產(chǎn)生的戈瑞當(dāng)量在約45 g/cm2的屏蔽條件下，才下降至劑量限值以下。對(duì)于1989年10月事件，屏蔽厚度則至少需要達(dá)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(xiàn)有飛行器常規(guī)的輻射屏蔽狀態(tài)難以滿足航天員醫(yī)學(xué)限值要求，必須設(shè)置專門的輻射防護(hù)結(jié)構(gòu)，才能保證航天員遭受的輻射劑量低于當(dāng)前NASA 30天劑量限值。

通常與鋁相比，富含H元素的材料對(duì)粒子沉積劑量的屏蔽衰減作用更為顯著，因此在輻射防護(hù)材料選取時(shí)，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(dāng)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(hù)效率比鋁高40%，換言之，對(duì)于40 g/cm2的鋁屏蔽，約27 g/cm2的聚乙烯即可達(dá)到相當(dāng)?shù)钠帘涡Ч?/p>

表6 強(qiáng)太陽粒子事件對(duì)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(wù)期內(nèi)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(duì)屏蔽防護(hù)要求最高。太陽活動(dòng)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(dāng)量為0.046 Gyeq；而在太陽活動(dòng)高年期間，不遭遇極端太陽粒子事件時(shí)，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(wù)期內(nèi)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(hù)，才能確保造血器件遭受的劑量低于限值。

5 載人登月任務(wù)輻射防護(hù)建議

5.1 任務(wù)設(shè)計(jì)層面

對(duì)于任務(wù)周期約20天的非LEO載人飛行，面臨的主要輻射風(fēng)險(xiǎn)是遭遇極端太陽粒子事件，因此在任務(wù)時(shí)段設(shè)計(jì)時(shí)，盡量選擇太陽活動(dòng)較低的年份，此時(shí)遭遇極端太陽粒子事件的概率很低。

針對(duì)航天員月面出艙活動(dòng)距離的約束，根據(jù)以往出現(xiàn)的極端太陽粒子事件粒子通量上升過程，應(yīng)將航天員進(jìn)入輻射防護(hù)港的時(shí)間考慮在內(nèi)，該時(shí)間最長(zhǎng)不能超過3.5 h［10］。

5.2 防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面

輻射防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是航天員任務(wù)期內(nèi)遭受的輻射劑量不超過航天員醫(yī)學(xué)限值，該醫(yī)學(xué)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(duì)于月地轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)進(jìn)行防護(hù)，在需要5 g/cm2的等效鋁厚度條件下，即可保證其產(chǎn)生的劑量比NASA 30日輻射暴露限值低一個(gè)數(shù)量級(jí)。

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

6 結(jié)論

根據(jù)載人登月任務(wù)全周期內(nèi)面臨的空間輻射環(huán)境特點(diǎn)，對(duì)典型載人登月任務(wù)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(hù)建議。通過歐洲核子中心開發(fā)的蒙特卡羅模擬程序Geant4構(gòu)建了航天員防護(hù)層，皮膚，眼晶體，造血器官等效人體組織的平板模型，計(jì)算了任務(wù)期內(nèi)捕獲粒子和銀河宇宙線對(duì)3種人體器官的劑量，考慮不超過20天的載人登月任務(wù)期內(nèi)，在5 g/cm2鋁材料屏蔽下的劑量即可比NASA劑量限值小一個(gè)數(shù)量級(jí)，而如果遭遇極端太陽粒子事件，航天員防護(hù)材料可選用聚乙烯等富氫材料作為保護(hù)層，屏蔽厚度需要約30 g/cm2。