载人深空探测任务太阳粒子事件物理防护研究进展

康金兰， 管春磊， 蔡 琴， 赵亚丽， 周 鹏， 强 静

（中国航天员科研训练中心， 北京 100094）

1 引言

空间辐射环境是载人深空探测面临的严酷环境之一，辐射源主要包括长期存在的银河宇宙射线（Galactic Cosmic Ray， GCR）和不可预见的太阳粒子事件（Solar Particle Event，SPE），这会对执行深空探测任务的航天员健康造成有害影响，保护航天员免遭辐射危害是载人深空探测任务面临的主要挑战之一。

SPE 因其预警时间短、辐射强度高而备受关注。 在深空探测任务中，由于飞行时间长，遇到强SPE 的概率也随之增加。 强SPE 可能引起急性辐射效应，甚至危及航天员生命安全。 与GCR 相比，SPE 的特点是通量高，能量相对较低，穿透性相对较弱，因此可通过物理屏蔽手段进行有效防护。 航天飞行中，飞行物资有限，载荷质量的有效利用至关重要，因此，需要研究有效的辐射屏蔽措施，以确保辐射屏蔽效果与载荷质量的比率最佳。

本文对国外SPE 物理防护研究进展进行综述，包括SPE 防护需满足的工程要求、辐射防护材料研究进展以及航天机构研究的多种SPE 防护概念，重点介绍2 种具有应用前景的可穿戴辐射防护服，并给出中国近地轨道和深空探测任务可采取的物理防护建议。

2 SPE 防护要求

为了降低SPE 给航天乘组带来的急性辐射风险，必须研究可行的物理防护措施，并采用历史上最强的SPE 作为辐射参考环境，进行地面仿真验证。 为此，NASA 根据器官剂量限值，研究制定了SPE 防护的工程要求：①所提供的防护应能确保航天员受SPE 辐射时30 d 内人体造血器官（Blood Forming Organ，BFO）接受的戈瑞当量不超过250 mGy⁃Eq；②以1989 年10 月的SPE（具有更高的能量）作为舱内硬件辐射加固的参考环境，以1972 年8 月的SPE（具有更高的通量）作为乘员辐射防护装备设计的参考环境；③SPE 期间，防护系统的任何必要组装必须在30 min 内完成，以减少航天员的暴露时间；④空间辐射防护系统的设计必须确保航天员受到的辐射照射尽可能低，即符合ALARA（As Low As Reasonably Achiev⁃able）原则，最大程度地降低致癌风险和其他随机效应。

3 辐射防护材料研究进展

SPE 屏蔽效果与采用的辐射屏蔽材料性能有关。 低Z（原子序数）材料，尤其是氢，为空间辐射提供了最好的屏蔽性能；然而，空间应用的安全考虑因素以及体积约束限制了最理想屏蔽材料的使用。 现实中，最佳屏蔽材料是低Z 材料和高密度材料（倾向于高Z 材料）的组合。

传统的辐射屏蔽材料包括聚乙烯和水，它们都是富氢材料，且是在轨可利用资源。 聚乙烯不仅对辐射初级粒子具有较好的屏蔽性能，还是中子（次级粒子）的有效屏蔽材料。 高能粒子与航天器相互作用产生的中子比初级粒子对人的损伤更大，中子屏蔽在高能辐射中极具难度。 因此，近年来，研究人员对基于聚乙烯的材料研究较多，King对聚乙烯醇、中密度聚乙烯、聚乙烯进行了中子屏蔽测试，结果表明，交联的聚乙烯醇辐射屏蔽效果最好，其次是聚乙烯醇和中密度聚乙烯。

尽管聚乙烯辐射屏蔽性能好，但由于其力学性能较差，因此这种材料主要用于非结构性应用。为了提高其力学和热学等方面性能，以便在空间辐射防护上有更广阔的应用，Laurenzi 等研究了聚乙烯基纳米复合材料，以中密度聚乙烯为基体，分别以碳化硼（CB）、氧化石墨烯（GO）纳米片和单壁碳纳米管（SWCNT）作为填料，并进行了数值仿真实验。 结果表明：①加入其他填料后，聚合物的辐射屏蔽性能相对于聚乙烯均有所下降，且填充的越多，性能下降得越多；②在所研究填料中，氧化石墨烯纳米复合材料具有最佳的辐射屏蔽效果，其次是单壁碳纳米管复合材料；③氧化石墨烯可以作为聚乙烯基体的增强材料，用于制造具有空间辐射屏蔽性能的多功能复合材料。 此外，Weiss 等还用超高分子量聚乙烯（UHMW⁃PE）／ Spectra 研制了一种有望用于月球舱外航天服的辐射防护材料。 该材料强度重量比高、耐磨性好、尺寸稳定，可作为辐射防护材料用于舱外航天服内、外层。

硼在空间辐射屏蔽材料中的应用也具有很大潜力。 硼是具有较高密度（2.3 g／cm）的低Z材料，其天然同位素丰度为19.9%，对低能中子具有极高的捕获截面。 材料中加入硼有利于降低中子辐射剂量，并能在给定厚度下增加屏蔽层的质量厚度（面密度）。 硼可以以填充物的形式加入到富氢材料中，例如聚乙烯或氢化氮化硼纳米管。

氮化硼纳米管（Boron Nitride Nanotubes，BNNT）强度高，具有高耐热性，能承受极端温度，且抗辐射性能好，重量轻，因而成为空间探索任务辐射防护的优选材料。 NASA 已成功地把BNNT织入了纱线，并编织到航天服织物中，完成了其在航天服应用的第一步。 NASA 先进概念研究所正在研究氢化BNNT，旨在使其成为含有氢、硼和氮的辐射屏蔽材料。 虽然氢化和含硼砂的BNNT 仍在研发中，但Weiss 等认为其有潜力成为火星上使用的航天器、居住舱和航天服的关键结构材料和屏蔽材料。 目前，BNNT 的商用制造进展良好，但制造成本高。

碳纳米管（Carbon Nanotubes，CNT）的性质与BNNT 类似，具有抗辐射性、耐高温性。 Argaman公司把单壁碳纳米管空化到棉纤维中制成了一种辐射屏蔽织物，可作为航天服的辐射防护材料。 它是一种由超声空化纤维转化而成的纺织品，转化时使用了特殊的聚合物添加剂以改变某些聚合物的性质。

此外，脂肪酸也是可以利用的辐射屏蔽材料。借助生物反应器可以用航天员产生的废物生产大量脂肪酸，因为生物反应器可在太空中运行数年，期间可生产出大量辐射屏蔽材料，因此该方面的应用潜力很大。

星体表土是星际任务辐射防护必不可少的原材料，不仅可以防辐射，还可以满足居住舱隔热保温的需求。 有研究表明，月球风化层与铝材料具有同样的辐射屏蔽效果，当采用主要由月壤和其他可用材料（如铝、聚乙烯）构成的多层结构时，可有效屏蔽辐射。 火星表土与月壤类似，同样能起到辐射防护作用。

总之，非结构性辐射防护材料多以聚乙烯基体和水为主，结构性辐射防护材料有其特殊性能要求，应用不同，所采用的材料也不同，一般采用多种材料的组合或聚合，其中BNNT 未来应用潜力较大。

4 SPE 防护系统开发概念

对于SPE，通过增加航天器屏蔽层厚度即可阻止高能粒子穿透，从而提供有效防护，但这种方案会增加发射质量，成本昂贵，而且高能粒子与航天器相互作用产生次级粒子还会增加二次辐射的可能性，因此不被采纳。 任何SPE 防护设计都应考虑因防辐射而增加的载荷质量问题，应尽可能重复使用在轨资源。 在此前提下，研究人员提出了几种防护概念。

4.1 睡袋防护概念

为尽量减少保护单个乘员所需材料，Walker 等提出了一种穿戴式的睡袋防护策略，利用具有防辐射作用的在轨物资（水或其他补给物）填充睡袋。 睡袋为便携式，以便于发生SPE 期间航天员在舱内完成相关操作时提供防护。

防护睡袋有2 种方案，第一种方案是利用水袋作为睡袋的填充物，如图1（a）所示。 水袋可预先填充到睡袋中，也可根据SPE 防护需要临时填充。 在睡袋头部添加可拆卸的、充满水的睡帽，以保护头颈部。 当水袋装满水时，利用挡板使其保持理想形状。 上躯干和下躯干的水袋设计成单独两片，以增加灵活性，当需要加强保护造血器官时可重叠使用。 第二种方案是以睡袋为基础，在其上添加鳞片式重叠口袋网格，网格中装有食物袋和／或垃圾形成的“绿砖”（也称为热熔致密砖），如图1（b）所示。 存放食品袋和绿砖的口袋预装成行，可以像手风琴一样折叠存放，或者整个网格可作为一个整体折叠存放。 每一行储物袋都配有绳带和／或尼龙搭扣。 部署该系统时，还可增加一个可拆卸的、充满水的睡帽，以保护头颈部。

图1 睡袋防护方案［10］Fig.1 Sleeping bag protection scheme［10］

4.2 充水防护帘概念

Kodaira 等研究了层叠板式结构的防辐射帘，内有卫生湿巾和毛巾，如图2（a）所示，图2（b）为层叠板，图2（c）为层叠板及其安装在国际空间站中的示意图。 在防辐射帘内，吸水湿巾和毛巾分4 层配置，厚度为6.3 g／cm。

图2 充水防护帘［11］Fig.2 Protective curtain［11］

4.3 个人掩体防护概念

与睡袋防护概念相似，个人掩体的底座是由2个水密封系统铰接而成，如图3（a）所示，该底座存储应急生命保障用水。 在底座两边留有安装孔，将U 型细杆插入安装孔中固定，如图3（b）所示，以搭建掩体框架。 “绿砖”、货物转运袋和储存的食品等充当防护介质，预先装在防护袋里，发生SPE时，盖在掩体框架上，为航天员提供辐射防护。

图3 个人掩体防护概念图［10］Fig.3 Protection concept view of individual shelter［10］

4.4 飞行器舱室重构防护概念

在飞行器货舱的货架设计上考虑空间辐射防护需求，在货舱中心位置用铝板搭建货物储存空间，每个储物格可以容纳一名航天员。 当发生SPE 时，将货物取出，重新部署舱内物资，利用货包、处理后的废弃物以及储水箱等作为铝板的外部屏蔽层，并用软管、线缆或尼龙搭扣等将货包固定，将储物间改作辐射避难室。 图4（a）是猎户座飞船舱内辐射防护设计的CAD 图，图4（b）是部署前的储物室和部署后的避难室。

图4 猎户座舱内乘员辐射防护设计［12－13］Fig.4 Design of crew radiation protection in Orion cabin［12－13］

4.5 太空居住舱防护概念

就月面居住舱的辐射防护而言，月壤是一种颇具潜力的辐射防护材料，可作为居住舱的墙体。 为了把180 d 的有效剂量当量维持在150 mSv 以下，居住舱至少要采用160 g／cm的压实月壤屏蔽。 居住舱还应采用多层屏蔽，例如，最外层是月壤墙体，中间是铝板，内层是聚乙烯防护层。

为了加强SPE 防护，在太空居住舱内可采用中空结构板／墙，以设计小范围的舱内辐射避难室，在中空板／墙内储存生保系统用水，以提供辐射防护。 墙板内可长期注满水，也可根据需要临时注满水，不需要加强防护时将水排空。 从辐射防护角度出发，将避难室尽可能置于居住舱中部，以便在居住舱内壁与避难室外墙之间保留充足空间，在避难室外围临时部署物资，以提供额外防护。

4.6 可穿戴的舱内防护服概念

对于深空探测任务，仅有太空居住舱的屏蔽是不够的，因为未来的飞行任务日益增加的复杂性要求航天员能够在低屏蔽区自我防护。 在SPE 期间（一般持续数小时或数天），为了让航天员安全地走出辐射避难室进行相关操作，以保障任务顺利实施，或为了降低航天员在进入避难室之前接受的辐射剂量，需要开发与居住舱屏蔽相辅相成的防护措施。研究人员设计了可穿戴的个人辐射防护服。根据人体器官对辐射的敏感性不同，选择性地对敏感器官进行防护，重点保护人体骨髓造血干细胞，以尽可能地减少屏蔽带来的载荷质量需求。 目前，研究较成熟的是欧航局采用2 种富氢材料设计的两款辐射防护背心，具有很好的应用前景。

5 选择性屏蔽辐射防护服

选择性屏蔽主要是对富含干细胞的骨髓和胃、肺、乳腺、卵巢、结肠、性腺等辐射敏感器官进行防护，即重点对人体上半身进行防护。

5.1 聚乙烯辐射防护背心AstroRad

以色列航天局研制的聚乙烯辐射防护背心是通过设计屏蔽厚度实现对敏感组织进行选择性防护，屏蔽厚度与防护区域内的皮下组织厚度和辐射密度成反比。

5.1.1 研制情况

对人体器官而言，总的辐射屏蔽为3 个因素的总和，即，总屏蔽＝人体固有屏蔽＋飞行器屏蔽＋背心防护。 为了计算人体固有屏蔽，确定每个器官的保护重点，研究人员创建了完整的具有解剖细节的、三维可视的正常男性和女性人体数字模型。 通过人体数字模型研究选定器官周围的组织，测量其厚度并确定其总辐射剂量。

利用人体模型，采用射线追踪法测量辐射敏感器官保护点到人体表面各点的皮下组织厚度和辐射密度，进而计算出人体模型表面每个点所需屏蔽质量厚度的最终值，单位为g／cm。 然后根据数值的不同将人体模型的外表面分成20 个不同区域，形成人体表面辐射衰减图，作为屏蔽防护的优先级图，以此定义背心在人体不同部位的质量厚度。

航天应用的一个主要约束是体积最小化，因此需要材料密度最大化，但致密材料又缺乏灵活性。 Gaza 等提出了亮片设计概念，将薄的固体片附着在一种薄而柔软的聚合物上，如图5 所示。 图5（a）是具用不同屏蔽厚度的背心局部，不同亮片颜色代表辐射屏蔽优先级不同，即屏蔽厚度不同，并通过柱体高度决定背心厚度，柱体内填充多层结构的防辐射材料（主要成分是高密度聚乙烯）。 图5（b）是辐射背心在人体模型上的立体展示图，图5（c）是研制的辐射背心成品。 在飞行器上，可使用模具或3 D 打印技术将可回收再利用的塑料包材制作成辐射防护片材。

图5 辐射防护背心设计［12－13］Fig.5 The design of radiation protection vest［12－13］

5.1.2 测试与验证

防辐射背心的地面仿真测试结果表明：穿着背心的人体模型的有效剂量从229 mSv 降到121 mSv，辐射致癌风险相应地降低了45%以上，大多数器官的平均剂量当量减少了35%以上，表明AstroRad 背心可显著提高辐射防护效果。

为了测试防护背心的设计是否满足人体工效学要求，2019 年11 月，AstroRad 作为载荷被送到国际空间站上进行在轨测试，研究航天员是否可以长时间穿着背心而不会感到疼痛或不适。 乘组穿着背心进行各种活动，以评估背心的伸缩性和灵活性，并提供反馈意见，包括背心的穿法、适体性及穿着感觉，以及允许的运动范围。 该项实验目前仍在国际空间站上持续进行，以获得更多的实验数据。

NASA 计划将AstroRad 作为实验载荷，在未来的猎户座EM－1 任务中使用。 EM－1 任务是地－月空间无人飞行试验。 在该试验中计划将2 个辐射人体模型放在猎户座乘员座位上，一个模型穿防护背心，另一个不穿，并在模型的外部（皮肤）和内部（器官点）不同位置加装剂量计，以测试AstroRad 背心的辐射屏蔽效果。

5.2 充水式辐射防护服PERSEO

5.2.1 研制情况

意大利航天局研制的PERSEO 防护服是一件无袖上衣，有4 个嵌入式充水袋，通过内部水管相互连接，用在轨水分配器的单一接口充水，使用后再将水排回水再生系统。 服装和水袋的尺寸根据穿着者的尺寸量身定制，2 个前水袋保护胸部和腹部，2 个后水袋保护上背部和下背部，设计如图6 所示。 图6（a）是内部连接的水袋，包括水管线路、阀门和快速断接头（作为充水和排水的匹配接口）。 其中，阀门采用商用聚丙烯（PP），耐化学腐蚀，适用于真空操作（发射时水袋抽成真空），管道采用线性低密度聚乙烯（LLDPE）。图6（b）是服装内里视图，为展示水袋打开了尼龙搭扣。 防护服采用阻燃材料（厚度为190 g／m的织物）研制。 充满水后，所有水袋的厚度均为7 cm，外加2.5 mm 的聚氨酯外包层（PU），4 个水袋系统的标准存水量为22.8 L。 水袋抽成真空后，整个防护服的重量约为4 kg。

图6 PERSEO 防护服设计［17］Fig.6 The design of PERSEO［17］

该设计方案能够保证航天员的躯干灵活性，可自由弯曲，适合于微重力条件下的姿势调整。充水防护服只设有一个进水口，且水袋相互隔离，以尽量减少乘员充水操作和大量漏水的风险。

5.2.2 测试与验证

充水防护服地面测试结果表明：穿着防护服后，人体模型BFO 的辐射剂量降低31% ～42%，表明充水防护服可有效降低辐射剂量。

2017 年11 月在国际空间站开展了PERSEO防护服在轨测试，测试了在轨充水时间、穿着服装时间、排水时间以及服装舒适性和将水排回舱内水回收系统的可行性等，并收集航天员的反馈意见。 测试结果表明：①认为服装的展开／折叠、充水／排水和穿／脱易于操作；②充水时间约为20 min、服装穿着时间约30 min、排水时间约40 min，且不会造成水的浪费；③服装体积和质量仅略微限制了运动的自由度，对日常操作有中等程度的影响，是可以接受的，但仍有改进空间。 缺点是穿着时感觉冷，这是由于水袋内水温和体温之间存在温差。 在轨实验证明了从数小时到一整天的时间内使用该防护服实现个人辐射屏蔽的可能性。 未来还将在地－月飞行试验中进一步验证辐射防护效果。

5.3 2 种防护服的分析比较

2 种辐射防护服均利用在轨可利用资源作为辐射防护材料，且地面测试结果表明均可有效屏蔽辐射。 相比之下，充水防护服具有以下优点：①服装柔韧性好，活动更灵活；②防辐射材料不需要在轨加工，直接充水即可；③设计相对简单。 其缺点是：①水袋厚度一样，各器官防护程度无差别；②整个上半身水袋并非无缝连接，存在人体辐射风险；③充水、排水操作增加了航天员的工作量，且水袋存在漏水隐患；④充水、穿着时间较长，尤其是发生强SPE 时，多件防护服临时充水导致不能及时穿上而增加了航天员辐射风险；⑤对于深空任务，该方案可能并不理想，因为在月球（1／6 G）和火星（约2／5 G）上有重力存在，水袋厚度不均匀，且不能根据屏蔽需要分布，因而存在辐射风险。

聚乙烯辐射防护背心AstroRad 辐射防护优点包括：①完全根据器官辐射屏蔽需要设置防护服厚度，最大程度优化屏蔽材料的使用；②辐射防护服是连续的，在任何重力条件下形状都是固定的，能较好地保护敏感器官；③当发生SPE 时，随时可穿戴，能及时进行防护。 其缺点包括：①实际应用中，辐射防护服发射前已根据航天员尺寸研制好，但辐射防护片材可能需要在轨加工、填充，增加了航天员在轨工作量；②长时间穿着的舒适度和灵活性可能不如充水防护服。

6 小结与展望

在近地轨道，由于地球磁场的保护，空间站航天员所受的辐射剂量相对较低，舱内的辐射防护可考虑辐射防护水帘、辐射防护睡袋、利用水箱和其他在轨物资临时搭建辐射避难室等方案，应重点防护南大西洋异常区（South Atlantic Anomaly，SAA）的辐射，应尽量避免在该区域执行出舱活动任务。

未来深空探测任务中，可同时采取太空居住舱防护、辐射背心防护、飞行器舱室重构防护等方案，例如在月球或火星上利用防辐射材料建立居住舱，并在舱内利用在轨资源建立小范围的辐射避难室，以在发生SPE 时加强防护；在飞行期间，除飞行器本身起到的屏蔽作用外，还可采取舱室重构防护方案，搭建紧急避难室；此外，防护服可作为其他防护方案的补充，在飞行器和月球／火星居住舱内与其他防护方案同时使用；但是所有这些防护准备需要在SPE 发生30 min 之内完成，以避免航天员在采取防护措施之前暴露太长时间。

需要注意的是，如果在组建避难室的过程中需要使用飞行器上的物资、消耗品和／或设备，则需要制定能在任务期间快速获取必要物品存放位置和数量的方法，以确保有足够的物品，并能在30 min 内完成组装工作。 与此类似，航天员待在避难室内的时间，短则数小时，长则数天，设计的避难室不能妨碍航天员获取必要的生活物资，并能与飞行器系统通信。 为此，可采用2 种设计方案：一是在避难室内配置数天的食物，并在室内建立与飞行器系统的通信；二是可以快速进出避难室，以便航天员在必要时离开（穿着辐射防护服）。

辐射防护服的研制在满足辐射防护预期效果的同时，还要考虑防护服的适体性、穿着方便性以及灵活性，因此充水防护服可考虑赋形设计；必要时，聚乙烯防护背心柔性部件可考虑用水填充，同时防护服还需考虑透气性、保温性和安全性要求。除防护背心外，还可考虑研制头部和眼部防护部件（例如聚合物头盔和眼镜），以对头部和眼睛进行辐射防护。

在星际任务的舱外活动中，辐射防护也是舱外航天服设计必须考虑的重要因素，除可以考虑基于聚乙烯的复合材料作为防护层外，还可以考虑把BNNT 或空化的单壁碳纳米管编织到航天服织物中，为航天员提供重要的辐射防护手段。