载人航天器密封舱内生物剂量三维仿真技术

杨 彪，杨东升，魏传锋

（1. 中国空间技术研究院 载人航天总体部，北京 100094；2. 北京卫星环境工程研究所，北京 100094；3. 可靠性与环境工程技术重点实验室，北京 100094）

0 引言

运行在低地球轨道上的载人航天器遭遇的空间电离辐射源主要包括地球辐射带捕获质子和电子、太阳高能粒子事件和银河宇宙射线[1]。这些带电粒子可能穿透航天器壁板与航天员人体组织发生相互作用，并在组织内部引起原子的电离、激发、核反应和化学反应，导致航天员生理功能变化和组织损伤，甚至诱发癌变[2-4]。载人航天器密封舱为航天员工作和生活的场所，舱内的生物剂量水平需满足航天员剂量限值要求[5]，以保证航天员的在轨安全和健康。

辐射剂量三维仿真技术是在传统的一维实心球屏蔽模型基础上，考虑卫星总体布局所导致的质量屏蔽各向异性特点，采用扇区射线法获得不同方向的辐射剂量分布[6]。该技术已在我国长寿命卫星总体设计中广泛应用，为卫星电子元器件和材料的抗辐射设计提供了重要依据[7]。然而，辐射剂量三维仿真技术在我国载人航天器领域的应用并不多见。在以往载人航天器总体设计中，往往采用一维实心球模型获得等效铝厚度和生物剂量的关系，仅能粗略评估航天员在轨生物剂量水平，难以指导航天员辐射防护工程设计。我国正在发展中长期驻留载人航天器，要求航天员在轨长期驻留，因此，迫切需要发展航天员生物剂量三维仿真技术，以仿真结果为依据改进航天器构型布局总体设计，实现整器质量屏蔽最优化，为航天员提供有效的辐射防护。

本文以某中期驻留的载人航天器为例，通过计算实例介绍如何将三维仿真技术用于密封舱内生物剂量分析，并以分析结果指导辐射防护优化设计。

1 剂量分析方法

载人航天器密封舱内生物剂量分析技术流程如图1所示，具体步骤如下：

1）根据载人航天器轨道根数计算随时间变化的轨道高度、地理经纬度，再将轨道地理坐标系转换为地磁坐标系；

2）通过集成的空间辐射环境模型（包括辐射带捕获粒子模型、太阳高能粒子事件模型和银河宇宙射线模型），计算航天器轨道上不同粒子成分的平均能谱；

3）建立人体组织模型，通过辐射分析软件计算均匀屏蔽模型下的铝厚度和生物剂量的关系，即一维深度−生物剂量关系；

4）建立载人航天器的三维质量屏蔽模型，将舱壁材料和舱内外仪器设备的屏蔽效果等效为不同方向上的铝厚度分布；

5）结合一维深度−生物剂量关系，计算不同方向上的生物剂量，最终获得生物剂量三维分布结果。

图1 载人航天器舱内生物剂量三维分析技术流程Fig. 1 The 3-dimensional radiation dose analysis for mannedspacecraft

建立人体组织一维深度−生物剂量关系常用的方法是采用一维辐射分析软件 SHIELDOSE-2[8]计算铝球半径r与球心处探测器（这里选用人体组织材料）的吸收剂量之间的关系，再乘以平均辐射品质因数[9]，获得人体组织的典型生物剂量值。

由于载人航天器舱体结构和设备布局复杂，质量屏蔽特性在全空间方向并不是均匀的[6]，三维分析技术考虑了质量屏蔽各向异性，从剂量分析点出发，将全向空间分割成若干具有一定立体角的小区域；从分析点向每个网格点中心引出射线，计算每条射线方向上的等效屏蔽厚度；结合一维深度−生物剂量关系曲线，计算每个网格所对应的立体角区域经屏蔽后的生物剂量，最终获得生物剂量在不同方位角上的分布情况。

2 仿真建模参数

假设载人航天器运行在高度为 340 km、倾角为40°的圆轨道，航天员最长在轨驻留时间为30 d，太阳活动水平为低年，仅考虑地球辐射带捕获粒子的影响，空间辐射环境模型采用太阳活动低年的辐射带AP-8[7]和AE-8[10-12]模型。通过SHIELDOSE-2计算得到一维深度−生物剂量关系曲线，如图2所示，其中一维深度为等效铝厚度，生物剂量为人体组织30天累积生物剂量。

载人航天器由密封舱、过渡锥和推进舱组成，其中密封舱由前舱门、前锥段、圆柱段和后球底组成，其几何模型如图3所示，坐标系选取在推进舱尾部，其中x轴沿舱体轴向，y轴、z轴位于舱体截面。在密封舱乘员活动空间内选取4个典型位置点作为分析点，从后球底至舱门方向分别标记为A1～A4。在建立质量屏蔽模型时，为了简化计算，仅考虑舱体蒙皮和舱门的屏蔽效应。各舱段舱体蒙皮、舱门的等效铝厚度如表1所示。

图2 一维深度−生物剂量关系Fig. 2 The organ dose as a function of the aluminum thickness

图3 载人航天器几何模型Fig. 3 The geometry of the manned spacecraft

表1 载人航天器舱体材料参数（等效铝厚度）Table 1 The cabin parameters (equivalent aluminum thickness)of manned spacecraft

3 仿真结果与分析

作为仿真算例演示，密封舱内4个分析点在每个方向上的人体30天累积生物剂量值分量和总剂量值如表2所示。可以看到，不同位置点的剂量值各不相同；每个位置点在各个方向上的剂量值分量也有所差别，其中+x、-x方向明显不同，并有别于y、z方向（考虑使用的航天器几何模型沿x轴对称，y、z方向的剂量值分量相同）。仿真结果能充分反映载人航天器质量屏蔽各向异性的特点。

表2 密封舱内4个分析点的生物剂量仿真计算结果Table 2 The simulation results of organ dose for the four analysis points inside the pressurized cabin

通过计算模型集成，仿真结果有3种图形表达方式，分别是：结果形式A——每个方向上的剂量分布情况，如图4所示；结果形式B——每个方向上的剂量值分量，如图5所示；结果形式C——每个分析点的总剂量值，如图6所示。

图4 生物剂量仿真结果形式A——每个方向上的剂量分布情况Fig. 4 The simulation result A: organ dose distribution on each surface of the bounding box

图5 生物剂量仿真结果形式B——每个方向上的剂量值分量Fig. 5 The simulation result B: organ dose magnitude on each surface of the bounding box

图6 生物剂量仿真结果形式C——总剂量值Fig. 6 The simulation result C: the total organ dose

在工程设计中，三维仿真分析的目的在于验证航天器不同方向上的质量屏蔽是否合理，找出屏蔽薄弱的部位，为辐射防护优化提供数据参考。这里获得的三维仿真结果为辐射防护工程实施提供了有效的技术支持：首先，结果形式 C可从宏观上考察不同位置的生物剂量值，与航天员生物剂量限值要求进行对比，找出不满足指标要求的部位；再利用结果形式B和A对不满足指标要求位置点的剂量分布情况进行具体分析，找出剂量值较大（屏蔽薄弱）的方位；之后视具体情况进行优化设计。优化设计措施包括：1）在不增加整器重量的前提下，调整舱内仪器设备和物资的布局，在屏蔽较弱的方向进行补强；2）经过布局调整和多轮迭代分析后，如果仍无法达到剂量限值要求，则考虑在屏蔽薄弱的部位增加防护材料。

4 结束语

本文首次将基于一维深度−剂量计算、结合扇区射线法的三维辐射仿真技术运用于载人航天器总体设计中，提出航天员生物剂量三维分析技术。并以某中期驻留载人航天器为例，构建生物剂量仿真模型，获得舱内生物剂量三维分布结果。研究结果表明，生物剂量三维仿真技术可为载人航天器辐射安全评估和辐射防护设计提供重要的工程数据，对后续长期载人飞行中乘员辐射安全设计具有较大的参考价值。

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