载人登月航天员辐射剂量分析与防护建议

呼延奇，吴正新，周 强，孙 伟，范志瑞

（1.北京空间飞行器总体设计部，北京100094；2.深圳大学核技术应用研究所，深圳518060；3.北京空间技术研制试验中心，北京100094；4.北京卫星环境工程研究所，北京100094；5.大连理工大学，大连116024）

1 引言

载人登月任务中空间粒子辐射损伤是威胁航天员健康和安全的重要因素之一。一旦航天员脱离地球空间（大气层、地球磁场）的保护，将持续遭遇不同能量和强度的空间粒子辐射，这些空间辐射源包括银河宇宙线、太阳爆发产生的能量粒子、地球辐射带捕获质子和捕获电子。

地球辐射带捕获粒子对载人登月航天员产生的辐射剂量，取决于航天员穿越辐射带中心区域的持续时间以及相应的粒子能谱。高能电子暴持续期间，外辐射带电子通量可能存在短时强烈变化，期间辐射剂量可能增加1个数量级甚至更高。捕获粒子的能谱特性（低能粒子通量较高）决定了如果航天员只获得较薄的屏蔽保护（如舱外活动时身穿航天服），可能接受到较高的辐射剂量。然而，大约5 g/cm2的质量屏蔽即可使辐射带捕获粒子的辐射剂量大为降低［1］。

当航天器穿出地球磁层，脱离地球磁场的保护，航天员将面临行星际空间中银河宇宙线的直接轰击，银河宇宙线高能粒子会对航天员产生几乎稳定的辐射剂量。银河宇宙线通量随太阳活动存在长期缓慢变化，其最大强度出现在太阳活动低年。对于超过1年以上的长期载人飞行，银河宇宙线累积剂量可能达到或超过航天员辐射暴露限值。而对于载人飞行周期不超过30天的短期任务，银河宇宙线对航天员的辐射剂量可以忽略不计。因此，针对银河宇宙线的辐射防护问题与飞行任务周期及所经历的太阳活动状态密切相关。

极端太阳粒子事件是载人深空飞行的重要威胁，通常此类事件在约11年太阳活动周期内可能出现1次或数次。过去有记录的极端太阳粒子事件包括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月事件正好发生于Apollo-16和Apollo-17号任务之间［2-3］。极端太阳粒子事件会在短时间内对航天员产生非常大的辐射剂量。对于任务周期在数十天的载人登月任务，其面临的最大辐射风险就是可能遭遇极端太阳粒子事件。针对此类事件所需要的辐射防护代价，取决于太阳粒子事件的能谱和强度。

本文依据载人登月任务全周期内面临的空间辐射环境特点，对典型载人登月任务往返全过程辐射剂量开展量化分析，对载人登月飞行器辐射防护设计要求以及防护设计重点进行总结，并提出初步防护建议。

2 载人登月任务辐射防护设计

载人登月任务按照任务阶段可以分为奔月、环月、月面着陆、返回等阶段。图1给出了月球轨道与地球磁层的位置关系，即月球轨道在满月前后约6 d运行于地球磁尾，剩余时间则处于地球磁层以外的行星际空间。载人登月任务在奔月和返回阶段遭遇的空间辐射环境特征，与采用的轨道方案密切相关。

图1 月球轨道与地球磁层的位置关系Fig.1 Lunar orbit and the terrestrialmagnetosphere

针对载人登月任务，航天员辐射防护设计主要包含3方面内容：①应针对特定任务剖面和航天器结构设计状态，预测航天员遭受的辐射风险；②如果航天员的辐射风险超过了可接受的限值，必须采取相应的辐射防护措施直到辐射暴露限值要求得到满足；③采取的辐射防护措施应结合任务目标及相应的代价开展详细的评估，同时还需要保证辐射防护效果遵循NASA提出的合理可达到尽量低（As Low As Reasonably Achievable，ALARA）的原则，实现辐射防护方案的最优化。

图2给出了辐射防护设计的基本流程。由于整个航天器结构均是辐射屏蔽的重要组成部分，因此结构设计和材料选取非常关键。结构设计不仅要考虑任务目标，同时还需要考虑与人相关的因素，如人体工效学、起居空间、工作区及其他防护与支撑系统（包括碎片防护结构、热防护结构、食物和水储存空间等），即使像航天员休闲区和工作区的布局等也是需要考虑的因素之一。航天器结构的具体实现方法也会影响航天员的辐射暴露剂量，比如结构材料类型等。另外，任务目标相关的因素，例如航天员是否执行表面巡视任务，是否具备就位的屏蔽措施（如月球车），以及任务周期与太阳活动周期的对应关系等。图3中描绘了上述多学科参与的迭代设计过程，这些过程需要具备高效的软件工具对相应的航天员辐射风险进行快速有效的评估。

图2 辐射防护设计基本流程Fig.2 Basic design process of radiation protection

3 航天员辐射防护要求

NASA目前对近地轨道（Low Earth Orbit，LEO）上人体可接受的辐射暴露限值制定了明确的要求，具体量值与美国辐射防护和测量委员会（National Council on Radiation Protection，NCRP）第98号报告［4］中定义的一致，见表2。对于非LEO载人飞行任务的辐射剂量医学限值还没有明确的规定，但NCRP建议可以参考目前LEO剂量限值。

表2 造血器官、眼晶体和皮肤LEO辐射暴露限值Table 2 Recommended dose lim its in E（Sv）for BFO，eye lens，skin exposure in LEO

NCRP-98报告中给出的剂量限值，引用了国际放射防护委员会（ICRP）定义的与特定组织（点剂量）相关的剂量当量概念，其定义见式（1）：

图3 辐射防护的多学科迭代设计过程Fig.3 M ultidisciplinary iterative design process of radiation protection

其中Q（L）是ICRP-60报告［5］中给出的品质因子，反映了不同类型的带电粒子沉积相同电离剂量所产生的生物效应的不同。

上述剂量当量品质因子是对动物实验中细胞死亡和变异研究获得大量数据基础上发展起来的，其重点考虑的是长期随机性效应，对于短时确定性辐射效应并不适用。

因此，在NCRP第132号报告［6］中又引入了戈瑞当量的概念，其引用了ICRP-92报告［7］中的定义，对于组织T，戈瑞当量定义见式（2）：

式中，DT，i是组织T吸收的平均电离剂量，Ri为推荐的相对生物效应因子（Relative biological effectiveness）。NCRP-132号报告中根据新定义的戈瑞当量（Gy-eq）的概念制定了新的辐射暴露限值，其中30天限值与NCRP-98保持不变（见表2），但该限值用于评估短时确定性效应。

本文后续对航天员辐射剂量分析，参考ICRP-92号报告定义的戈瑞当量进行，其中相对生物因子源自ICRP-92报告。

4 载人登月任务航天员辐射剂量分析

考虑我国载人登月任务飞行器详细结构及设备布局等具体信息尚不明确，因此，本文采用简化辐射屏蔽分析模型，如图4所示。将飞行器或航天服提供的质量屏蔽简化为一定厚度的平板，根据国际放射委员会标准对于人体组织可采用15 cm厚的平板，其中皮肤、眼晶体和造血器官可等效于组织深度为1 mm、3 mm和9 cm的位置处［8］。

针对空间粒子在屏蔽材料中的输运分析及在人体组织中的剂量沉积过程，采用基于Geant4软件包的蒙特卡洛计算程序，建立图4中的分析模型，针对不同厚度的屏蔽材料情况下，对沉积在1 mm、3mm和9 cm 3种深度下的组织层（计算采用的吸收剂量层均为1mm）进行计算。统计高能带电粒子在不同深度处的能量沉积，从而获得皮肤、眼晶体及造血器官的格瑞当量（Gy-eq）。

4.1 地球辐射带捕获粒子剂量

图4 采用的航天员辐射剂量分析屏蔽模型Fig.4 The astronaut radiation dose shielding m odel

表3、表4计算了不同太阳活动条件下，载人登月任务在奔月和返回阶段穿越地球辐射带期间，由捕获质子和捕获电子分别沉积在皮肤、眼晶体和造血器官中的戈瑞当量。从表中可以看出，对于皮肤剂量，屏蔽厚度低于1 g/cm2时，剂量主要来自捕获电子，因此太阳活动高年高于太阳活动低年。当屏蔽厚度高于1 g/cm2，尤其是达到3 g/cm2以上的屏蔽厚度时，捕获质子产生的剂量占主导。由于捕获质子通量与太阳活动负相关，因此在较厚屏蔽状态下，太阳活动低年的剂量更高。对于眼晶体和造血器件剂量，由于人体组织自屏蔽效应，其变化情况更为复杂。

表3 太阳活动高年奔月+返回过程辐射带粒子辐射剂量Table 3 Radiation belt particle radiation dose in trajectory to and from themoon during solar maximum

表4 太阳活动低年奔月+返回过程辐射带粒子辐射剂量Table 4 Radiation belt particle radiation dose in trajectory to and from them oon during solar m inim um

对于载人登月飞行器能够提供的质量屏蔽，详细数据需要飞行器结构和设备布局确定后才能明确，参考美国载人登月飞行器数据，图5与图6中给出NASA以往载人飞行器航天员典型活动区域质量屏蔽等效铝厚度的积分分布［9］。所谓积分分布是指等效铝屏蔽厚度大于某值T的分位数。从图中可以看出，以往飞行器50%分位数的等效质量面密度值在5～10 g/cm2。因此，对于中国载人登月飞行器航天员活动区域质量屏蔽厚度不低于5 g/cm2是比较合理的。

图5 执行国际空间站等任务航天员典型活动区域质量屏蔽等效铝厚度积分分布［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］

地月转移过程中，航天员处于飞行器结构的有效屏蔽下（屏蔽厚度至少为5 g/cm2），在此情况下，航天员皮肤、眼晶体和造血器官吸收的辐射剂量均比NASA 30天医学限值低1个数量级以上，因此地球辐射带捕获粒子的辐射防护可主要借助于航天器主结构来实现，通过合理的布局，实现对航天员主要驻留区域提供不低于5 g/cm2的铝屏蔽，即可保证航天员的安全和健康。

4.2 银河宇宙线剂量

图6 阿波罗任务航天员典型活动区域质量屏蔽等效铝厚度积分分布［9］Fig.6 M ass distributions in alum inum-equivalent depths for Apollo command module［9］

银河宇宙线的典型特征为通量极低，而能量极高。对于载人登月任务，由于周期只有约20天，累积遭受的银河宇宙线通量很低。表5中分别计算了太阳活动高年和太阳活动低年期间，完整任务期内银河宇宙线对皮肤、眼晶体和造血器官产生的累积戈瑞当量。从表中可以看出，由于银河宇宙线粒子通量极低，其产生的日累积辐射剂量在10-3Gy-eq的量级。在月面上，由于月球可以对银河宇宙线提供有效的遮挡，因此月面上银河宇宙线的辐射剂量相当于在自由空间中的一半。按上述方法计算，考虑载人登月任务航天员任务周期20天，可知在航天员任务周期内，在5 g/cm2的质量屏蔽厚度下，航天员造血器官遭受的辐射剂量在0.014～0.036 Gy-eq之间。但需要指出的是，从表中的数据可以看出，银河宇宙线由于粒子能量极高，在0～10 g/cm2的屏蔽状态下，随屏蔽厚度的增加，剂量并没有明显的下降，说明对于银河宇宙线的屏蔽防护将非常困难。另外，银河宇宙线辐射剂量在太阳活动低年约是太阳活动高年的2.5倍。

4.3 极端太阳粒子事件辐射剂量

尽管极端太阳粒子事件发生概率很低，在过去60年中只发生了约7次，对于任务周期为20天的载人登月任务，遭遇此量级事件的概率约为6‰；但由于极端太阳粒子事件对载人登月航天员的辐射威胁非常高，短时间（数小时）内可能对航天员产生致命的剂量。

表5 太阳活动低年和高年的银河宇宙线辐射剂量（Gy-eq）Table 5 Radiation dose of galactic cosm ic rays in solar m inimum and solar maxim um（Gy-eq）

表6计算了1956年2月和1989年10月两次极端太阳粒子事件经不同铝屏蔽厚度状态下，对航天员皮肤、眼晶体及造血器官产生的戈瑞当量。从中可以看出，1989年事件由于质子通量更大，其产生的辐射剂量在0～20 g/cm2均高于1956年事件；但后者由于质子能谱更硬，随着屏蔽厚度的增加，其产生的辐射剂量逐渐与1989年事件接近，尤其是对于人体自身屏蔽较厚的造血器官。另外，从两次强太阳粒子事件产生的辐射剂量来看，这两次事件产生的辐射剂量均非常高，对于1956年2月事件，只有屏蔽厚度超过15 g/cm2时，皮肤和眼晶体遭受的戈瑞当量才下降至NASA 30天剂量限值以下，而对造血器官产生的戈瑞当量在约45 g/cm2的屏蔽条件下，才下降至剂量限值以下。对于1989年10月事件，屏蔽厚度则至少需要达到30 g/cm2，造血器官的辐射剂量才低于NASA 30天剂量限值。

以上分析显示现有飞行器常规的辐射屏蔽状态难以满足航天员医学限值要求，必须设置专门的辐射防护结构，才能保证航天员遭受的辐射剂量低于当前NASA 30天剂量限值。

通常与铝相比，富含H元素的材料对粒子沉积剂量的屏蔽衰减作用更为显著，因此在辐射防护材料选取时，尽量选择诸如聚乙烯、水等材料。表7给出了采用聚乙烯作为屏蔽材料后的戈瑞当量。在超过10 g/cm2屏蔽厚度的条件下，选取聚乙烯材料的辐射防护效率比铝高40%，换言之，对于40 g/cm2的铝屏蔽，约27 g/cm2的聚乙烯即可达到相当的屏蔽效果。

表6 强太阳粒子事件对航天员典型器官剂量（铝屏蔽）Table 6 Typical organ dose of astronauts in large solar particle event（shielded by Al）

4.4 任务期内累积辐射剂量

从以上分析看出，造血器件的辐射剂量限值要求对屏蔽防护要求最高。太阳活动低年期间，只考虑捕获粒子和银河宇宙线，造血器官在5 g/cm2铝屏蔽下遭受的戈瑞当量为0.046 Gyeq；而在太阳活动高年期间，不遭遇极端太阳粒子事件时，则该量值为0.026 Gy-eq，均显著低于NASA制定的30日限值0.25 Gy-eq（造血器官）。但如果任务期内遭遇极端太阳粒子事件，则需采取约30 g/cm2富氢材料（如聚乙烯）的屏蔽防护，才能确保造血器件遭受的剂量低于限值。

5 载人登月任务辐射防护建议

5.1 任务设计层面

对于任务周期约20天的非LEO载人飞行，面临的主要辐射风险是遭遇极端太阳粒子事件，因此在任务时段设计时，尽量选择太阳活动较低的年份，此时遭遇极端太阳粒子事件的概率很低。

针对航天员月面出舱活动距离的约束，根据以往出现的极端太阳粒子事件粒子通量上升过程，应将航天员进入辐射防护港的时间考虑在内，该时间最长不能超过3.5 h［10］。

5.2 防护结构设计方面

辐射防护结构设计的目标是航天员任务期内遭受的辐射剂量不超过航天员医学限值，该医学限值建议参考NASA制定的30日限值，即皮肤、眼晶体和造血器官遭受的剂量分别不超过1.5 Gy-eq、1.0 Gy-eq和0.25 Gy-eq。

对于月地转移过程中遭遇的捕获粒子和银河宇宙线，主要通过航天器主结构进行防护，在需要5 g/cm2的等效铝厚度条件下，即可保证其产生的剂量比NASA 30日辐射暴露限值低一个数量级。

极端太阳粒子事件是可能威胁航天员生命安全的危险源，必须为航天员设置专门的太阳粒子事件防护港，辐射防护材料尽量选用聚乙烯或水等富氢材料，防护港需要提供至少30 g/cm2的等效铝屏蔽厚度。

6 结论

根据载人登月任务全周期内面临的空间辐射环境特点，对典型载人登月任务往返全过程辐射剂量开展了量化分析，提出了初步的辐射防护建议。通过欧洲核子中心开发的蒙特卡罗模拟程序Geant4构建了航天员防护层，皮肤，眼晶体，造血器官等效人体组织的平板模型，计算了任务期内捕获粒子和银河宇宙线对3种人体器官的剂量，考虑不超过20天的载人登月任务期内，在5 g/cm2铝材料屏蔽下的剂量即可比NASA剂量限值小一个数量级，而如果遭遇极端太阳粒子事件，航天员防护材料可选用聚乙烯等富氢材料作为保护层，屏蔽厚度需要约30 g/cm2。