载人登月航天员辐射剂量分析与防护建议

针对载人登月航天员任务全周期中可能遭受空间粒子辐射损伤的问题,从航天器辐射防护设计流程出发,梳理了国际现行航天员辐射防护要求。通过蒙特卡罗模拟程序Geant4构建皮肤、眼晶体、造血器官等效人体组织模型,并对典型载人登月任务航天员受到的辐射剂量开展量化分析。从任务设计和辐射防护设计2个层面,对我国载人登月航天员辐射防护提出建议:在不超过20天的载人登月任务期内,5 g/cm~2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/cm~2。     

月壤对太阳粒子事件防护性能研究

针对载人登月活动中航天员可能遭遇太阳粒子事件,研究了月壤作为防护材料的屏蔽性能。选取了1956和1989年2个典型的太阳粒子事件,计算了在屏蔽不同质子通量的情况下月壤所需的质量厚度,与铝和水进行了比较,并计算了屏蔽后的皮肤剂量;进一步利用蒙特卡洛方法计算了不同截止能量对应质子被屏蔽后的中子和次级质子产额,对质量厚度和次级粒子产额的关系进行了讨论。结果表明:13.43 g/cm~2的月壤可以阻挡1956年和1989年太阳粒子事件中99%的质子,此时皮肤剂量已在剂量限值内;在屏蔽相同数量的质子时,月壤所需的质量厚度小于铝,但大于水;月壤屏蔽后产生的中子产额小于铝。从工程实现的角度考虑,月壤可实现对太阳粒子事件的防护。     

载人深空探测被动屏蔽优化仿真研究

深空环境下高能银河宇宙射线与防护材料间产生了复杂多样的次级粒子,使得航天员辐射损伤效应和防护问题突出。运用Geant4蒙特卡罗仿真工具,计算了1000 MeV·n~(-1)的铁离子与铝或聚乙烯相互作用后,产生次级碎片粒子分布规律;分析了银河宇宙射线经过不同材料屏蔽体后,其碎片及次级中子对人体剂量当量的贡献随屏蔽厚度变化规律;依据该规律优化设计质量密度为20 g/cm~2聚乙烯掺杂比为15%硼的复合材料,得到的仿真设计复合材料成分比例可为载人航天被动屏蔽材料制备提供依据。     

可穿戴太阳质子应急辐射防护服的仿真设计

针对载人月球探测任务中偶发太阳质子事件对航天员造成的突出辐射剂量危害与防护问题,采用蒙特卡洛方法仿真研究了常用屏蔽材料在舱内与舱外航天服应用中的防护效能,分析了不同高密度聚乙烯和氮化硼配比组成下单层富氢复合材料的屏蔽效果,并结合NASA航天服特征参数仿真分析了聚乙烯材料对航天服不同部位的屏蔽效率.结果表明:在相同质量密...     

近地空间辐射和航天员辐射风险

近地空间辐射主要包括银河系宇宙线(GCR)、太阳高能粒子(SEP)、南大西洋异常区辐射带粒子(SAA)和由地球大气层散射引起的反照质子和中子.空间辐射造成的航天员辐射风险是载人航天重要关注对象.讨论了空间辐射和辐射对航天员的危害,报道了近地轨道辐射测量结果、基于辐射传能线密度(LET)观测谱和辐射风险截面的辐射风险评估LET谱方法、载人火星飞行的辐射风险以及辐射危害的应对措施.并用辐射风险计算的LET谱方法获得了地面环境辐射和火星之旅辐射风险,结果与其它方法获得的辐射风险吻合.     

空间重粒子入射屏蔽材料的蒙特卡罗模拟

针对空间辐射环境中银河宇宙射线重离子的屏蔽防护问题,使用基于蒙特卡罗方法的Geant4软件模拟330 MeV/n ~(12)C粒子入射铝、聚乙烯、水、液态氢4种屏蔽材料,分析了~(12)C粒子在4种屏蔽材料内的深度剂量分布;在Geant4中建立MIRD人体模型,分析了~(12)C粒子入射4种屏蔽材料后在人体睾丸器官内的吸收剂量;对每种次级粒子在器官内的吸收剂量进行比对,分析了~(12)C粒子入射PE材料产生的次级质子和次级中子能谱。结果表明:330 MeV/n ~(12)C粒子在液态氢中的入射深度为9.66 g/cm~2,在Al中的入射深度为液态氢中入射深度的2.63倍,~(12)C粒子入射5 g/cm~2Al屏蔽材料后在器官内的吸收剂量为2.98×10~(-14 ) Gy/Ion,在液态氢屏蔽后器官内的吸收剂量为2.29×10~(-14 ) Gy/Ion,与Al屏蔽相比吸收剂量降低23.2%。     

载人航天的安全性要求

载人航天面临的的最主要的问题是航天员的安全.国外载人航天的经验表明,保证航天员安全,首先要研究制定和完善安全性要求,因为它们是进行安全性设计、生产及验证的依据.载人航天的特点载人航天系统高度复杂,且大量采用高新技术,其运行环境又恶劣多变,一旦产生重大事故,其影响特别巨大.这些特点都直接关系到载人航天的安全性.1.系统高度复杂载人航天高度复杂,其组成部分包括运载火箭、载人飞船以及直接服务于航天员的生命保障系统等,各部分之间均有软、硬接口,涉及结构、气动力、热防护、测     

对长期飞行任务中航天员医学防护问题的思考

通过对国外航天医学发展的分析,结合我国载人航天发展实际,综述长期飞行任务中失重、辐射等因素对人体的影响,从医学监测和失重生理效应防护技术角度对行星际航天飞行任务中保障航天员的健康安全提出建议,为我国航天事业未来发展提供参考.     

空间微生物控制技术综述

空间微生物是长期载人航天面临的一个重大安全性问题,严重威胁航天员的生命健康和航天器的长期安全运行。载人航天器内微生物滋生会污染环境,导致航天员感染或生病,腐蚀材料,导致设备故障,在空间发生变异的微生物如被带回地球,还会威胁地球生态安全。空间微生物来源途径多样,种类复杂,且种群在航天环境下不断演变,控制难度大。空间微生物控制是在航天器的设计建造、在轨运行各阶段采取适当的监测、控制和防护措施,控制航天器的微生物水平,防范其风险。介绍了国际空间站飞行前和飞行阶段的微生物控制标准与监测要求,以及国外在载人航天器设计、消毒灭菌、洁净组装、发射及在轨飞行等阶段的微生物控制技术发展现状,并对我国空间微生物控制技术的发展提出建议。     

神舟飞船特大型空间环境模拟器

特大型空间环境模拟器又称KM6载人航天器空间环境试验设备(简称KM6工程),是模拟太空真空、冷黑、太阳辐照环境,提供我国载人航天器(飞船、空间站,小型航天飞机)与大型应用卫星做热平衡、热真空试验的设备,是我国发展载人航天不可缺少的重大基础设施     

载人飞船组合体期间应急撤离任务规划

航天员长期驻留载人航天器组合体期间,当发生影响驻留安全的故障且决策应急撤离时,需进行应急撤离任务规划,合理安排撤离期间各飞行事件执行时机,以保障航天员安全及时撤离。为此,首先在对应急撤离各影响因素深入分析的基础上,重点研究撤离期间分离点选取需满足的约束条件,并构造拉格朗日函数求解满足条件的分离点;其次以求解的分离点为基准,对分离前后飞行事件进行人工规划;最后,以测控区内发生载人环境异常故障,地面决策应急撤离为例进行规划,实现了撤离项目和撤离时间的量化。结果表明：本文采用的方法能够在应急撤离允许处置时间内完成撤离,且分离前后各事件满足约束条件,测控等待时长较短,能实现航天员在应急情况下安全撤离。     

热管冷却型月球堆的辐射屏蔽设计研究

针对40 k We热管型月球堆的辐射屏蔽问题,建立了三维蒙特卡罗计算模型。屏蔽布局方式整体采用地埋式,堆芯上方的轴向屏蔽体则采用影锥构形,选取适用温度范围宽、耐辐照的碳化硼作为中子屏蔽材料,伽玛屏蔽材料则采用钨,模拟计算了空腔及钨层厚度对轴向屏蔽体后端典型位置的辐射影响,同时也考察了百米外人员所受剂量随径向屏蔽体厚度的变化关系。据此得到了热管型月球堆初步的屏蔽体构型,其总质量为2.15 t,十年运行寿期内紧靠屏蔽体后端的敏感器件最大中子注量(1 Me V等效)为1.86×1014cm~(-2)、最大伽玛剂量为3.68 Mrad,而人员剂量仅为11.92 m Sv/a,在较大的裕量范围内满足辐射安全要求。     

不同屏蔽材料对空间100 MeV质子防护效果分析

为了研究地球空间辐射环境中高能质子的屏蔽问题,使用基于蒙特卡罗方法的Geant4软件模拟了100 MeV质子入射相同面密度的Al、PE、水三种屏蔽材料,通过分析射线穿过屏蔽材料后在水模体中的深度剂量分布、屏蔽材料内的能量沉积、屏蔽材料产生的次级粒子能谱,对不同面密度下三种材料的质子屏蔽效果进行了对比分析。结果表明:Al、PE、水三种屏蔽材料中,使用PE屏蔽材料比Al屏蔽材料节省27.29%的重量即可实现对100 MeV质子的有效屏蔽,水屏蔽材料比Al材料节省22.46%的屏蔽材料重量;面密度为6.48 g/cm~2PE材料对100 MeV质子的屏蔽能力比同等面密度下Al材料增加59.23%;等效Al厚度为27 mm时,PE屏蔽比Al屏蔽能力增加达到最大值82.96%。     

载人火星任务带电粒子辐射探测方案与应用技术研究

为确保载人火星任务中航天员的安全,有必要搭载辐射探测器对舱内的辐射环境进行实时监测。在对载人火星任务辐射环境分析的基础上,确定了辐射探测器的测量指标并完成了基于两片硅传感器探头的探测器方案设计,包括探头设计和可变采样快门时间的采样设计。另外,针对人体组织与探测材料不同,测量数据无法直接用于航天员辐射损伤预估的问题,将人体组织近似为水,分别给出了辐射剂量、传能线密度在硅和水间的转换关系。     

虚拟现实技术在空间站舱内定向训练中的应用

载人航天中,失重环境和结构复杂的空间站对航天员空间定向能力的影响极大,导致航天员可能出现空间失定向现象。针对在地面难以使用实物进行空间定向任务训练的问题,阐述了虚拟现实技术在空间定向训练中的应用,并对其特点进行了分析,设计了基于虚拟现实技术的空间定向训练系统提供飞行前的适应性训练,使航天员掌握依赖视觉信息进行空间定向的技能,为后续更为复杂的航天员空间操作任务提供新的训练方式。     

中国空间站生命科学研究展望

中国载人航天工程即将进入空间站阶段,空间生命科学也随之迎来快速发展的黄金时期。为此,回顾了国内外空间生命科学的发展现状,并在未来20年中国空间生命科学发展战略目标的基础上,针对目前中国载人航天活动支撑下的航天员生命保障、宇宙生物学基础研究和空间生物技术转化研究的战略需求,凝练了空间人体科学和航天医学领域、空间基础生物学领域、空间生物技术和转化应用领域中亟待解决的关键科学和技术问题,为如何建好和用好中国的空间站及中国空间生命科学的发展战略提供了参考。     

对航天员出舱活动问题的几点初步认识

航天员出舱活动是载人航天持续发展与开展空间科学研究不可缺少的基础技术之一。航天员出舱活动首先必须保证人在宇宙空间生存和工作的能力,能够完成空间设施组装、在轨维修、有效载荷布设等任务。在脐带式出舱活动、机械臂辅助式出舱活动,以及采用载人机动装置出舱活动等三种方式之中,采用载人机动装置的出舱活动显现了许多优点,已成为当今世界载人航天技术研究与发展的一个重方面。     

载人航天工程空间应用载荷生物安全工程技术体系研究

针对我国载人航天工程空间应用系统科学实验载荷生物危害问题,提出了完整的载人航天工程空间应用科学实验载荷的生物安全工程体系,涉及空间生物安全的定量要求、生物安全等级的划分、生物安全监测以及生物危害的包覆设计等工程范畴。在此基础上,结合我国目前载人空间站空间应用的实际需求,提出了开展空间生物安全防护的工程实践方案和建议,为后续开展载人空间站空间应用系统生物安全设计提供了指导和参考。     

编者的话

11月26日,中共中央、国务院和中央军委在人民大会堂举行大会,隆重庆祝神州六号载人航天飞行圆满成功。这的确是一件值得庆祝的大事。我国实施载人航天工程13年就取得了这样的成绩,值得骄傲;费俊龙、聂海胜获得“英雄航天员称号”和“航天功勋奖章”当之无愧。与两年前的神州五号相比,神六的航天员从一人增至两人,飞行时间由一天延长到五天,我国两位航天员首次进入轨道舱,在太空中进行对地观测、空间研究、环境探测和育种搭载等多种科学实验,完成了我国真正意义上有人参与的空间科学实验。中国已成为世界上第三个能够独立开展空间科学实验的…     

航天材料空间环境效应损伤机制及关联性研究

基于航天材料在轨将遭遇多种空间环境的作用且不同空间环境对航天材料的损伤存在一定的关联性,本文首先对航天材料的空间环境及效应进行了介绍,接着对真空、温度、微重力、等离子体、粒子辐射、太阳电磁辐射、空间大气、空间碎片及微流星体、空间污染、空间动力学、腐蚀及空间生物等环境对航天材料的损伤机制及不同损伤机制之间的关联性进行了研究,最后对需要进一步研究和关注的方向进行了讨论并给出了发展建议。