空間輻射，危害航天員健康的“無形刃”

　　人類探索太空的腳步，逐漸由近地空間向月球、火星和更遠的深空邁進。在載人深空探索任務的過程中，首先需要考慮的是確保航天員的安全和健康。空間輻射是載人深空飛行中威脅航天員健康的主要風險因素之一，其防護也是制約人類邁向深空的主要瓶頸之一，危害航天員健康的“無形刃”。在航天飛行中電離輻射主要來源於：

1、星體捕獲輻射帶(trapped belt radiation，TBR)
2、銀河宇宙輻射(galactic cosmic rays，GCR)
3、太陽粒子事件(solar particle events，SPE)

　　GCR源自太陽系外，重粒子約佔98%，其餘爲電子，粒子能量最高可達1020 eV，在星際空間基本滿足各向同性分佈。銀河宇宙輻射受到太陽活動的調製，在太陽活動極小年強度大，在太陽活動極大年強度小。

　　SPE則源自太陽耀斑時產生的高能帶電粒子流，主要由質子組成，因此也稱其爲太陽質子事件。太陽粒子事件的爆發具有隨機性，目前還無法預測，但是其與太陽活動週期具有一定的相關性：在太陽活動極大年附近，SPE出現次數較多；在太陽活動極小年附近，SPE出現次數較少。

　　地球磁層是指在太陽風和行星磁場的相互作用下，地球原來磁場的磁力線被太陽風壓縮在一個有限的空間，位於地球周圍、被太陽風包圍並受地磁場控制的等離子體區域。

　　在近地軌道飛行中，由於地球磁場與大氣層的防護，航天員受到的輻射劑量貢獻主要來源於地磁捕獲輻射和銀河宇宙輻射。在近地軌道飛行期間，GCR對總劑量的貢獻與軌道高度和傾角有很大的相關性。

　　向火星出發就意味着離開地球磁層的保護。往返地球途中，空間輻射環境主要輻射源是銀河宇宙射線GCR和太陽粒子事件SPE。

　　當航天員在火星表面活動時, 除了GCR和SPE外, 還有星體吸收原初輻射後所釋放的次級輻射。

　　鑑於火星稀薄的大氣層無法提供太多保護，科學家利用NASA好奇號上的輻射評估探測器（RAD）收集的數據預測，在火星上停留500天，人類受到來自太陽和宇宙射線的輻射劑量會超過120毫西弗，這個劑量是地球表面平均年輻射劑量的100多倍，再加上往返地球與火星之間所測量到的輻射受照量，研究者們統計出來的受輻射總量將高達1西弗。

　　火星

　　空間輻射可以導致航天員組織或器官中遺傳物質的損傷，如DNA雙鏈斷裂(double strand break, DSB)、基因突變和染色體畸變等，引起細胞失活和基因組的不穩定性，從而破壞人體骨髓、皮膚、中樞神經系統、生殖系統等組織器官或系統，引發白內障甚至癌症、白血病等疾病，並且對人體的傷害會隨着時間推移而逐步積累。

　　在過量接受輻射後數天、甚至更短的時間(4到24h)內，航天員會出現頭痛、眩暈、不適、嗅覺或者味覺異常、噁心、嘔吐、腹瀉、疲勞、血壓降低、白細胞或血小板減少等症狀。一般情況下，當輻射劑量爲1到10 Gy時，會表現爲明顯的骨髓造血系統損傷；當輻射劑量爲10到50 Gy時，會表現爲明顯的消化系統損傷；當輻射劑量超過50 Gy時，會表現爲明顯的中樞神經系統的損傷。

　　航天器的“防護屏障”

　　對於載人登陸火星飛行而言，航天員受到的空間輻射劑量將可能超過其職業生涯的允許劑量限值。如果加上飛行中可能遭受的太陽粒子事件，航天員在目前防護條件下的深空探索飛行就會遭受嚴重的空間輻射問題。在載人星際飛行中，我們主要防護的空間輻射源是太陽粒子事件和銀河宇宙輻射。

　　GCR能量高，貫穿能力極強，一般質量厚度難以屏蔽，造成的輻射損傷更嚴重，是載人航天飛行任務及生物科學的重要挑戰。GCR輻射損傷效應的品質因子約爲4~5，而近地軌道的品質因子約爲1.5~2。其器官劑量與皮膚劑量比值約爲1，近地軌道約爲0.5。人體本身對該輻射無任何防禦能力。GCR主要成分都是高能的質子和重離子，由於其能量達到GeV量級，其穿過航天服、飛船及人體發生次級反應的概率增大，次級輻射對人體的損傷也不容忽視。

　　GCR示意圖

　　被動屏蔽

　　被動屏蔽是指利用航天器的艙壁作爲屏蔽材料，是目前常用的太空輻射防護方法。其原理是帶電粒子在貫穿屏蔽物質的時候逐漸損失能量而沉積下來，當屏蔽材料的厚度大於粒子在其中的射程時，入射粒子將沉積在屏蔽材料中而實現對航天器和航天員的防護，較好地降低了艙內的輻射劑量。

　　天器的艙壁

　　根據模擬計算結果，在載人航天器平均5g/c㎡鋁屏蔽厚度的基礎上，利用載人航天廢棄物熱融化壓實產物建立一個質量屏蔽厚度爲5g/c㎡的應急防護區，那麼除了需要對眼提供局部防護以外，基本上可以滿足對太陽粒子事件的防護需求；利用載人航天廢棄物熱融化壓實產物建立一個質量屏蔽厚度爲10g/c㎡的應急防護區，就完全可以滿足對太陽粒子事件的防護需求，並且無需額外增加發射載荷。所以在載人深空探索中可暫不考慮太陽粒子事件對航天員的劑量貢獻，但銀河宇宙輻射對航天員的劑量貢獻比近地軌道要大很多。

　　對於GCR來說，被動防護的效果不明顯。當屏蔽厚度超過5g/c㎡，隨着屏蔽厚度的增加，像皮膚和眼的年劑量會有一定的減少，但是對於深部器官,比如腦和心臟其劑量的衰減就很少。目前我們飛行器典型的屏蔽厚度是5g/c㎡，每增加1g/c㎡帶來的載荷增量變化是非常巨大的。所以對於GCR輻射來說，必須使用主動防護策略，被動的材料防護技術無法滿足工程需求。

　　僅僅依靠被動屏蔽的方法，不足以保證深空探測飛行中人員的輻射安全。被動防護方法通過增加艙體質量厚度的代價很高；另一方面，射線與屏蔽材料相互作用可產生次級輻射，給防護增加了難度，並帶來了新的問題。

　　主動屏蔽

　　主動屏蔽是在飛船座艙和居住艙周圍形成人工強磁場，使射向飛船和居住艙的輻射粒子偏離，不能進入艙內。主動防護技術的主要優勢在於比被動防護技術質量更輕，建造費用更低，並且能夠有效地減少空間輻射對航天員以及星載設備的危害。

　　飛船座艙

　　歐空局Piero Spillantini教授主持研究的超導磁環指出，對於防護大尺度飛行器的防護情況：整個飛行器大約直徑是2米，長度大於3米，對於質子能量200MeV以下而言，被動的材料防護需要增加載荷重量是3359kg，而利用三個磁環增加的載荷重量是700kg，利用四個磁環是900kg。主動防護的載荷重量比被動防護降低了3倍。

　　目前關於行星際飛行空間高能帶電粒子的防護問題主要是幾個航天大國在研究，主要是美國、歐洲航天局、俄羅斯和中國。NASA和俄羅斯最早從上世紀60年代就開始關注該問題，最早提出的方案包括電場與磁場防護的方法。後經過計算，電場的防護結構僅可用於星球表面駐留時的空間輻射防護設計，而無法應用於星際飛行期間載人航天器的空間輻射防護設計。目前關於星際飛行時的空間輻射主動防護設計都聚焦於磁場防護。

　　螺線管結構

　　旋管結構磁場防護示意圖

　　螺線管結構是NASA目前工程計劃中的主要方案之一。Paolo Papini等設計的螺旋管結構（toroidal configuration）磁場防護如圖所示，圖中圓柱體的內部爲需要保護的區域，通過調節參數可以改變磁場強度，同時使內部區域磁場強度爲0。

　　等離子體引發磁膨脹方案

　　離子體引發磁場膨脹空間輻射防護原理圖

　　由於偶極磁場的強度與距離的三次方成反比，磁場強度衰減很快，與空間輻射環境中帶電粒子的作用範圍小，因此無法提供足夠有效的防護。華盛頓大學Winglee教授提出將高能等離子體注入偶極磁場，入射的等離子在滿足等離子動壓等於磁壓的條件下，將拖動磁力線，使磁場膨脹，作用範圍增大，從而在航天器周圍形成一個磁氣圈。空間輻射環境中的帶電粒子將沿着磁力線發生偏轉，使其無法進入航天器內部，提高了防護效果。

　　另外，Delamere等人採用離子動力學模型研究磁膨脹及其與空間帶電粒子的相互作用過程。Delamere等人使用一個包含MHD和離子動力學的3D混合程序研究等離子體膨脹磁場的工作過程，程序提供了離子的動力學描述和電子的流動描述。磁氣圈內部被磁化的高密度等離子體區域可以不考慮動力學過程，減小了計算量。計算模型假設電準中性，不考慮輻射效應。計算結果顯示，太陽風粒子密度在下游區域增大2倍，橫向方向源粒子消失，等離子體膨脹磁場非常均勻對稱。

　　離子體引發磁場膨脹示意圖

　　環形磁場

　　該方案是ESA的研究項目，R.A.Bamford等提出了另外一種磁場防護方法，其基本思路與Winglee相似，即偶極磁場衰減速度過快，需要在一定範圍內增加磁場強度，從而擴大磁場的防護範圍。但是與Winglee 提出的將等離子體注入偶極磁場不同，Bamford 提出的設計方案不需要額外輸入等離子體，而是通過偶極磁場捕獲空間環境中的背景等離子體，當達到動態平衡後會形成一個等離子體鞘層，磁場強度和位形也隨之改變。