载人航天废弃物的空间辐射防护性能研究

许 峰，鲁 维，杨春信，国耀宇，费锦学，贾向红∗

（1.中国航天员科研训练中心，北京100094；2.北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100191）

1 引言

在空间飞行期间，航天员不可避免会受到空间粒子的辐射，天然电离辐射源有银河宇宙辐射，地磁捕获辐射和太阳粒子事件三种。空间辐射可能造成航天员损伤，影响航天员的健康和安全，所以在载人航天中备受重视。由于有地球磁场的防护，近地轨道载人航天飞行期间，空间辐射对航天员的影响相对较小；载人登月或者载人登火星等深空探索，因为缺少了地球磁场的防护，空间辐射对航天员的威胁比近地轨道飞行时更大。如果星际飞行期间遭遇大的太阳粒子事件，可能发生严重的急性效应，甚至威胁到航天员的生命［1］。因此，空间辐射防护是载人深空探索必须面对的主要问题之一。

空间辐射防护方法分被动防护和主动防护两类：被动防护是指利用材料厚度对空间辐射环境中的带电粒子进行防护；主动防护是指利用电场、磁场以及等离子体等偏转空间辐射环境中的带电粒子［2-3］。世界各主要航天大国都进行了大量主动防护技术的研究，但距离工程应用尚有一些关键技术待解决［4］，因此，目前被动防护方法仍然是空间辐射防护的主要方法。但是，被动防护方法存在一定的局限性，主要是增加屏蔽厚度需要增加载荷，而载人深空探索中单位重量载荷的发射成本高昂。因此，针对空间辐射环境的特点，合理利用载人航天飞行中已有物品或设备，在不增加载荷的情况下，设计合理可行的空间辐射防护方法，使航天员受到的空间辐射剂量最小化，是载人深空探索中空间辐射防护研究的重要方向。利用载人航天任务中的废弃物建立空间辐射应急防护区，可以在不增加额外载荷的条件下，为航天员在遭遇太阳粒子事件的时候提供必要的保护。

载人航天任务中废弃物主要包括塑料包装，个人卫生用品，用过的干、湿纸巾和衣服，食品和饮料的剩余物等。利用热融化压实技术，可以回收废弃物中约98% ～100%的水，使整个生保系统水的完全闭合成为可能，对降低发射费用，延长任务飞行时间都是非常有利的；在去除水分的同时，通过高温杀菌防止细菌滋生，能够保障载人飞船舱内的环境卫生；并且废弃物经过热融化压实处理后呈瓷砖状，大大降低了空间占用率，更加适用于空间辐射防护应急防护区的设计［5］。

个人剂量限值是辐射防护体系的一个重要环节，美国［6］、俄罗斯［7］和中国［8］均制定了相关的载人航天辐射剂量限值标准，并以航天员组织器官剂量作为空间辐射防护性能评价的依据。目前，国际上研究比较多的空间辐射防护材料主要有铝、液氢、聚乙烯、水、聚四氟乙烯、尼龙以及钛等［9-10］，这些方法都需要增加额外的载荷。因而，本文提出一种利用载人航天现有材料进行空间辐射防护进的新方法，并在建立的载人航天废弃物热融化压实产物模型的基础上，利用Monte Carlo方法，计算不同能量质子经过不同屏蔽厚度条件下的出射能量，结合太阳粒子事件能谱和剂量转换因子，得到航天员组织器官剂量，对载人航天废弃物的空间辐射防护性能进行研究。

2 仿真建模

“剂量”是将辐射沉积能量与分布与辐射生物效应联系起来的一个“桥梁”。在NASA-STD-3001中规定用皮肤、中枢神经（脑）、眼、循环系统（心脏）和造血器官（红骨髓）的剂量限值作为航天员空间辐射风险评价的标准，如表1所示［6］。

表1 NASA-STD-3001中的剂量限值（Gy-Eq／Gy）Table 1 Dose limit in NASA-STD-3001（Gy-Eq／Gy）

组织器官剂量计算公式如式（1）所示［11］：

其中，ϕ是与Monte Carlo抽样方法相关的系数，E代表粒子能量，f（E）为带电粒子微分谱，DT（E）为单个入射粒子在组织器官中的剂量计算转换因子。因此，只需分别获得屏蔽材料或者结构前、后的带电粒子能谱，依据公式（1）计算出屏蔽前、后的组织器官剂量，就可以对其空间辐射防护性能进行研究与分析。为了便于计算，用不同能量的离散点代替微分谱，将式（1）变化成式（2）的形式：

其中，N代表了离散点的数量［12］。

2.1 载人航天废弃物模型

在NASA热融化压实机测试数据的基础上［13］，建立了载人航天废弃物模型，包含塑料（低密度聚乙烯），食品（肉、谷类、蔬菜、水果），铝制包装，非蒸馏水（废水），打印纸，湿纸巾，棉毛巾，乳胶手套和胶带，模型成分见表2。

表2 载人航天废弃物模型Table 2 Waste model in manned spaceflight

表3 废弃物模型热融化压实前后参数对比Table 3 Comparison of waste parameters before and after heat melt compaction

图1为载人航天废弃物经过热融化压实处理前后的状态［14］。

2.2 太阳粒子事件能谱

图1 载人航天废弃物［14］Fig．1 Waste in manned spaceflight［14］

载人深空探索中，随机爆发的太阳粒子事件是威胁航天员健康和安全的最主要有害环境因素之一。太阳粒子事件中质子约占96% ～99%［15］，因此本文只仿真计算了废弃物热融化压实产物对质子的防护能力。以1972年8月和1989年10月的太阳粒子事件作为研究对象，其微分谱如图2所示［16］：1972年8月的太阳粒子事件是迄今为止观测到的能量大于30 MeV质子通量最大的事件；1989年10月的太阳粒子事件是迄今为止观测到的质子总通量最大的事件。

图2 太阳粒子事件微分谱［16］Fig．2 Differential proton fluences in SPE［16］

2.3 仿真参数设置

利用欧洲核子中心（CERN）和日本高能物理中心（KEK）主导开发的Monte Carlo模拟程序软件包GEANT4，编写了质子在载人航天废弃物热融化压实产物中的仿真输运程序。GEANT4能够由用户定制自己的物理模块、几何模块、粒子源模块以及信息统计模块。本文研究的是载人航天废弃物热融化压实产物对太阳粒子事件（主要为质子）的防护性能，因此在物理模块中，主要考虑质子与物质的相互作用，包括电磁相互作用、弱相互作用以及强相互作用等物理过程。几何模块中屏蔽厚度分别设置为5 g／cm2铝屏蔽 ＋1 g／cm2载人航天废弃物屏蔽（Shield1）、5 g／cm2铝屏蔽＋5 g／cm2载人航天废弃物屏蔽（Shield2）和 5 g／cm2铝屏蔽 ＋10 g／cm2载人航天废弃物屏蔽（Shield3），其中5 g／cm2铝屏蔽为典型的载人航天器屏蔽厚度。粒子源模块中，根据太阳粒子事件能谱特点，入射质子能量范围设置为1 MeV～2000 MeV，每个能量点计算100万次。信息统计模块主要记录不同能量质子经过不同屏蔽后的出射粒子信息。

3 屏蔽后出射粒子信息

3.1 屏蔽后质子出射能量

统计不同能量质子分别经过三种屏蔽条件后的能量变化，得到不同屏蔽厚度下质子入射能量与出射能量的关系如图3，从中可以看出，Shield1、Shield2和Shield3防护条件可分别阻挡能量约在70 MeV、100 MeV和120 MeV以下的质子。随着质子入射能量的增加，防护效果变差，其变化趋势如下：

1）当入射质子能量达到300 MeV时，在Shield1、Shield2和Shield3防护条件，质子出射能量与入射能量的比值分别为94.1%、89.3%和83.2%；

2）当入射质子能量达到500 MeV时，在Shield1、Shield2和Shield3防护条件，质子出射能量与入射能量的比值分别为97.2%、95.0%和92.3%；

3）当入射质子能量达到1000 MeV时，在Shield1、Shield2和Shield3防护条件，质子出射能量与入射能量的比值分别为98.9%、98.0%和96.9%。

结合图2太阳粒子事件微分谱，可以得到经过屏蔽后的质子能谱。

图3 不同屏蔽下质子入射和出射能量Fig．3 Incident and emitted energy of proton in different shielding thickness

3.2 屏蔽后次级粒子

质子与屏蔽材料发生作用可产生次级粒子，包括次级质子、中子、光子、电子和其它重离子，其中可以从屏蔽材料中出射、并且会影响航天员辐射剂量的主要为次级质子和中子，其份额随着入射质子能量增大而增加，计算结果如图4所示。

结合图2太阳粒子事件微分谱，可以得到经过屏蔽后的次级质子和中子能谱。

4 仿真分析结果

4.1 剂量转换因子

剂量转换因子表示具有特定能量的单个粒子穿过某一屏蔽厚度到达剂量点所产生的剂量。在空间辐射剂量计算中，可以使用剂量转换因子的方法来求得某种粒子在人体组织中的剂量。首先计算某能量的粒子在剂量点周围屏蔽物质中的输运产生一个作为粒子入射能量和物质深度函数的剂量转换因子表。然后根据入射粒子的能谱和剂量转换因子，快速计算剂量点的吸收剂量。皮肤、脑、眼、心脏和红骨髓的能量-吸收剂量转换因子如图5所示［17］。根据辐射权重因数，计算出航天员组织器官的剂量当量（质子的辐射权重因数为2，中子的辐射权重因数为中子能量的连续函数［18］）。

图4 屏蔽后次级粒子份额Fig．4 Quotient of secondary particles after shielding

图5 吸收剂量计算转换因子Fig．5 Coefficient of absorption dose calculation

4.2 航天员组织器官剂量

图6 （a）和图 6（b）分别为 1972年 8月和1989年10月太阳粒子事件在不同屏蔽条件下造成的航天员皮肤、脑、眼、心脏和红骨髓剂量当量。

图6 不同屏蔽厚度下组织器官剂量Fig．6 Organ doses in different shielding thickness

NASA-STD-3001中没有制定关于太阳粒子事件的应急剂量限值，因此本文在进行评价时以30天剂量限值以及GB18871－2002《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》中规定的应急人员在一次应急事件中的受照剂量作为参考依据［19］。在此标准中，规定了一次应急照射四肢（皮肤）剂量当量不超过1.0 Sv，眼晶体剂量当量不超过0.15 Sv，其它单个器官或组织剂量当量不超过0.50 Sv。从图6中可以看出：

1）星际飞行期间如遭遇类似1972年8月的太阳粒子事件，在无屏蔽的情况下，皮肤剂量当量、眼剂量当量和红骨髓剂量当量可分别达到53.45 Sv、32.35 Sv 和 2.02 Sv；星际飞行期间如遭遇类似1989年10月的太阳粒子事件，在无屏蔽条件下，皮肤剂量当量、眼剂量当量和红骨髓剂量当量可分别达到 109.32 Sv、24.54 Sv和1.19 Sv。1989年10月太阳粒子事件造成的皮肤剂量当量约为1972年8月太阳粒子事件的2倍，而1972年8月太阳粒子事件造成的红骨髓剂量当量高于1989年10月太阳粒子事件，这是由于1989年10月太阳粒子事件能谱中的低能质子通量比1972年8月太阳粒子事件更大。

2）对于1972年8月的太阳粒子事件，在Shield1、Shield2和Shield3屏蔽条件下，皮肤剂量当量分别减少为3.61 Sv、0.57 Sv和0.18 Sv；对于1989年10月的太阳粒子事件，在 Shield1、Shield2和Shield3屏蔽条件下，皮肤剂量当量分别减少为0.83 Sv、0.07 Sv和0.02 Sv。可以看出，1989年10月的太阳粒子事件比1972年8月的太阳粒子事件更易于防护，这同样是1989年10月太阳粒子事件能谱中的低能质子通量比1972年8月太阳粒子事件更大造成的。

3）对于心脏和红骨髓而言，Shield1屏蔽条件已经可以满足防护太阳粒子事件的需求；对于皮肤和脑而言，Shield1屏蔽条件无法满足其对太阳粒子事件的防护需求，Shield2屏蔽条件可以使皮肤剂量当量降低到剂量限值以下；对于眼而言，在Shield2和Shield3屏蔽条件下，1972年8月太阳粒子事件造成的剂量当量分别为0.62 Sv和0.20 Sv，均超过了0.15 Sv的剂量限值。

4.3 次级粒子剂量

经过不同屏蔽后的次级质子和次级中子剂量以及占总剂量百分比见表4和表5。

表4 1972年太阳粒子事件次级粒子剂量Table 4 Secondary particles dose in 1972 SPE

表5 1989年太阳粒子事件次级粒子剂量Table 5 Secondary particles dose in 1989 SPE

从表4和表5中可以看出：

1）总体上来看，次级粒子的剂量随着屏蔽厚度的增加均减小。在同等防护条件下，1989年10月太阳粒子事件的次级质子剂量较1972年8月太阳粒子事件的次级质子剂量大，在增加屏蔽厚度的情况下更为明显，这是由于在高能段，1989年10月太阳粒子事件的通量大于1972年8月太阳粒子事件（图2），因此屏蔽后产生的次级质子较多。

2）在不同屏蔽条件下，1972年10月太阳粒子事件的次级质子剂量和次级中子剂量占总剂量的百分比变化不大，两种次级粒子剂量之和占总剂量百分比不超过10%；随着屏蔽厚度的增加，1989年10月太阳粒子事件次级质子和次级中子剂量占总剂量百分比增加明显，最主要的原因是随着屏蔽厚度的增加，1989年10月太阳粒子事件造成的辐射剂量变的较小（图6）。

5 结论

利用载人航天废弃物的热融化压实产物建立航天员空间辐射应急防护区的方案是合理可行的，除了需要对眼采取额外的局部防护措施以外，5 g／cm2铝屏蔽（典型的载人航天器屏蔽厚度）＋5 g／cm2载人航天废弃物热融化压实产物基本上可以满足对太阳粒子事件的防护需求，在此屏蔽厚度下，皮肤、脑、心脏以及红骨髓的剂量均在剂量限值之下。

参考文献（References）

［1］ 祁章年.载人航天的辐射防护与监测［M］.北京：国防工业出版社， 2003：1-6.Qi Z N.Radiation Protection and Monitoring for Manned Spaceflight［M］.Beijing： National Defense Industry Press，2003： 1-6.（in Chinese）

［2］ 许峰，白延强，吴大蔚，等.载人航天空间辐射主动防护方法［J］. 航天医学与医学工程，2012，25（3）：225-229.Xu F，Bai Y Q，Wu D W，et al.Active shielding methods against radiation in manned spaceflight［J］.Space Medicine ＆Medical Engineering， 2012， 25（3）： 225-229.（in Chinese）

［3］ Jia X H，Sun S X，Xu F，et al.Study of magnetic field expansion using a plasma generator for space radiation active protection［J］.Chinese Physics C， 2013， 37（9）：126-131.

［4］ Washburn S A，Blattnig S R，Singleterry R C，et al.Active magnetic radiation shielding system analysis and key technologies［J］.Life Sciences in Space Research， 2015， 4： 22-34.

［ 5 ］ Jeff R J，Adam M M，Guillermo M.Design of a high efficiency， high output plastic melt waste compactor［C］ ／／42nd International Conference on Environmental Systems （ICES）.San Diego， California， USA： AIAA.2012.

［6］ Williams R S.NASA-STD-3001 NASA Space Flight Human System Standard Volume 1： Crew Health［S］.NASA，2007.

［7］ Petrov V M.Present and future radiation dosimetry for Russian cosmonauts［J］.Radiat Res， 1997， 148： 24-32.

［8］ GJB 4018-2000飞船乘员舱电离辐射防护要求［S］.2000.GJB 4018-2000 Radiation Protection Requirements for Spacecraft Crew Module［S］.2002.（in Chinese）

［9］ Omid G，Maialen G E，Cristina E.Potential and prospective implementation of carbon nanotubes on next generation aircraft and space vehicles：A review of current and expected applications in aerospace sciences［J］.Progress in Aerospace Sciences，2014，70：42-68.

［10］ Singleterry R C.Radiation engineering analysis of shielding materials to assess their ability to protect astronauts in deep space from energetic particle radiation［J］.Acta Astronautica， 2013， 91： 49-54.

［11］ Xu F，Jia X H，Liu Q，et al.Analysis of aluminum protective effect for female astronauts in solar particle events［J］.Nuclear Technology＆ Radiation Protection，2017，32（1）：44-51.

［12］ Xu F，Jia X H， Liu Q， et al.Comparison of organ doses in human phantoms： variations due to body size and posture［J］.Radiation Protection Dosimetry， 2016， 174（1）： 21-34.

［13］ Adam M M，Jeff R J.Testing of a high efficiency high output plastic melt waste compactor prototype［C］ ／／41st International Conference on Environmental Systems （ICES）.Portland，Oregon：AIAA.2011.

［14］ Jeff R J，Adam M M.Testing of a high efficiency， high output plastic melt waste compactor［C］ ／／43rd International Conference on Environmental Systems （ICES）.Vail， CO： AIAA.2013.

［15］ LA B， FA C.Information needed to make radiation protection recommendations for space missions beyond low-earth orbit［R］.NCRP 153，2006.

［16］ 庄洪春.宇航空间环境手册［M］.北京：中国科学技术出版社，2000：182-204.Zhuang H C.The Manual of Space Environment［M］.Beijing： Press of Science and Technology of China， 2000： 182-204.（in Chinese）

［17］ Dietze G，Bartlett D T，Cool D A，et al.Assessment of radiation exposure of astronauts in space［R］.ICRP 123， 2013.

［18］ 潘自强.国际放射防护委员会2007年建议书［M］.北京：原子能出版社，2008：61-66.Pan Z Q.The 2007 Recommendations of the International Commission on Radiological Protection［M］.Beijing： Atomic Energy Press， 2008： 61-66.（in Chinese）

［19］ GB18871-2002电离辐射防护与辐射源安全基本标准［S］.2002.GB18871-2002 Basic Standards for Protection Against Ionizing Radiation and for the Safety of Radiation Sources［S］.2002.（in Chinese）