载人航天废弃物的空间辐射防护性能研究

针对载人深空探索中的空间辐射,特别是大规模太阳粒子事件对航天员的威胁,需要在载人航天器内建立空间辐射应急防护区,为航天员在遭遇太阳粒子事件的时候提供必要的保护。考虑热融化压实技术在降低废弃物的空间占用率、高温杀菌和回收水分的同时能在不增加额外载荷的情况下为航天员空间辐射应急防护区的建设提供材料,在载人航天废弃物模型的基础上,利用Monte Carlo方法对其热融化压实产物的质子防护能力进行了计算,结合太阳粒子事件能谱和组织器官剂量计算转换因子,对不同屏蔽条件下太阳粒子事件造成航天员组织器官剂量的变化进行了研究。结果表明,在10 g/cm~2屏蔽厚度下,皮肤、脑、心脏以及红骨髓的辐射剂量都大大降低,均在剂量限值之下;除了需要对眼采取额外的局部防护措施以外,5 g/cm~2铝屏蔽+5 g/cm~2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。     

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。     

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%。     

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...     

空间重离子在水模体中剂量深度分布的蒙特卡罗模拟

利用蒙特卡罗方法模拟计算了56 GeV铁离子穿过简化空间飞行器中水模体的总剂量深度分布以及次级粒子剂量深度分布,统计了次级中子在水模体中的通量深度分布。计算结果表明:56 GeV铁离子穿过简化空间飞行器在水模体中产生较完整的布拉格曲线,并且次级核碎片对总剂量的贡献达到了58%,其次是初始入射的铁离子以及电子和质子,其他的粒子对总剂量贡献比例较小,可忽略不计。次级中子通量在布拉格峰值附近达到最大值。     

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。     

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%。     

月球反应堆屏蔽研究

针对月球特殊使用环境下的反应堆辐射屏蔽问题,采用蒙特卡罗方法的MCNP程序对月球反应堆建立了月壤屏蔽和全集成屏蔽两种计算模型。利用MCNP程序对航天员所受剂量和斯特林电机所受通量进行了详细计算,给出月壤屏蔽和全集成屏蔽优化设计的建议。计算结果表明:两种屏蔽方案均能满足剂量限值要求,屏蔽优化设计合理可行。     

中短期任务的太阳质子事件通量预报研究

太阳质子事件通量的预测对航天器的抗辐射加固设计和宇航员的出舱活动具有重要意义。针对1年以下的中短期航天任务,对太阳活跃年和太阳平静年分别统计了太阳质子事件和大于10 Me V质子事件通量的发生概率,分析得到太阳质子事件通量分布基本符合对数正态分布。在此基础上,计算出了一定置信度下1年以下不同航天任务期内的质子事件通量分布,为执行中短期航天任务提供了太阳质子事件通量预测的依据。     

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。     

强磁对空间带电粒子环境影响研究

为避免空间带电粒子在强磁作用下发生偏转,造成局部区域内粒子通量增加,导致卫星设备损坏的情况,针对太空中辐射带、太阳耀斑以及宇宙射线中的典型粒子能谱特征和在强磁作用下的运动特性开展研究。建立数学模型,以典型卫星重要单机设备布局位置作为测试区,对粒子通量变化率进行仿真。仿真结果表明:卫星强磁场环境对穿透本体的质子通量几乎无影响,对低能段电子产生较为显著影响,可能导致部分单机设备区域电子通量增加,需相应采取屏蔽防护以及静电放电防护措施,为整星电磁防护设计提供依据。     

空间电离辐射对镧系光学玻璃透射率的影响

利用60Coγ射线对镧火石玻璃和镧冕玻璃进行辐照,研究不同辐照剂量对光学透射率的影响及其在空间光学系统中使用的适应性,辐照总剂量最大达到10 kGy。结果表明:所有玻璃在辐照后可见光透射率都下降了,而在近红外波段仍然保持较高的透射率。尽管镧火石玻璃LaF10平均透射率在辐照前最小,但是辐照后LaF10透射率衰减是所有玻璃中最小的。模拟了8个不同轨道高度地球辐射环境10年累积的总剂量以及经过10 mm铝屏蔽后的累积总剂量。发现对于10年任务期,在3 000、6 000和10 000 km轨道需要增加屏蔽层厚度,而在其他5个轨道,10 mm厚的铝屏蔽可以保证镧系玻璃满足系统对透射率的要求。     

航天器空间辐射防护材料与防护结构

电子、质子、重离子、光子等空间辐射环境可在航天器材料或元器件中产生单粒子效应、总剂量效应、表面充放电效应、位移损伤效应、内带电效应等,因此,需要对航天器进行空间辐射防护。本文首先介绍空间辐射防护原理和防护有效性,进而从材料、分系统(或部组件)、航天器3个不同维度,对质量屏蔽防护材料、静电防护材料、抗辐射功能材料、航天器局部辐射防护结构和整星辐射防护结构进行了探讨,最后对未来发展的方向进行了讨论。     

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.     

航天器介质盘环结构内带电特性三维仿真分析

针对航天器内特定结构的内带电（IDC）问题，以航天器典型复杂介质结构——太阳帆板驱动机构介质盘环为研究对象，开展了地球同步轨道恶劣充电环境（Flumic3）下介质内带电三维仿真分析。通过Geant4实现电荷输运模拟，根据电荷守恒定律数值计算得到电场，在此基础上，研究了屏蔽厚度对介质内带电的影响规律，提出了根据屏蔽厚度调整入射电子能谱能量下限以提高计算效率的方法。仿真结果表明，盘环结构内带电最严重部位是盘环最外圈上层介质与金属导电环接触的上边沿；增加屏蔽厚度可以减缓充电风险，但是随着温度降低，屏蔽效果会随之减弱。在地球同步轨道恶劣充电环境（Flumic3）下，当温度低至183 K时，由于辐射诱导电导率成为总电导率的主导部分，从而增大屏蔽的同时也会降低介质电导率，导致即使3 mm铝屏蔽下仍可能出现接近10⁷ V/m的场强峰值。     

太阳质子事件长期预报方法研究

太阳质子事件是对航天活动构成威胁的重要空间辐射环境事件,质子事件的长期预报对航天器防辐射设计具有重要的指导意义。通过分析最近的23太阳活动周数据,并对比21和22周相关资料,总结出了太阳质子事件分布的三段式特征,即质子事件与太阳活动周同步,呈11年周期变化,每一个周期中又可以划分为:上升期(前4年)、峰值期(中间4年)和下降期(最后3年),同时对每一个阶段的质子事件分布特征进行详细描述。在此基础上,对第24周的质子事件分布状况进行预测。     

空间天气事件对空间站的工程影响分析

基于历史统计数据,采用最坏情况分析方法,分析空间天气事件引发的带电粒子环境及大气密度变化对空间站的工程影响,结果显示:(1)发生强太阳质子事件并伴随强地磁扰动(Kp＞5)时,部分太阳质子可以到达空间站,但其对空间站元器件及材料在整个任务期内遭受的累积电离总剂量贡献不大;若航天员出舱活动持续8h,将遭受来自高能太阳质子的剂量当量为4mSv,大约相当于航天员驻留180d的1/80;(2)太阳耀斑和地磁暴均能引发大气密度变化,而地磁暴对空间站轨道影响较大,最恶劣情况多出现在太阳活动周下降期.即最坏情况下,在350km和400km高度,空间站轨道衰减率可分别增加652m/d和316m/d.     

复合推进剂中铝燃烧实验研究

采用长焦显微镜头和高速相机组合的光学拍摄方法,研究了不同压强下含铝复合推进剂中铝粒子在推进剂燃烧表面处和脱离燃面后的动态燃烧过程。分别在1MPa,3MPa和5MPa充满氮气的燃烧实验器中进行了实验。在3MPa和5MPa实验中,通过在镜头前增加不同透射率的中性密度滤波片解决了因铝滴燃烧发光过强导致相机成像过度曝光的问题。通过测定拍摄过程中相邻两张图片中同一粒径铝滴在不同位置,计算了不同粒径铝滴的随流运动速率。小粒径随流运动速率快,大粒径随流运动速率慢。实验中还得到了不同粒径铝滴在推进剂燃烧表面的团聚形成时间。1MPa实验下,200μm和150μm粒子的团聚时间分别约为8ms和6ms;3MPa下,300μm和200μm粒子的团聚时间分别约为5ms和3ms;5MPa下,300μm和150μm粒子的团聚时间分别约小于3ms和1ms。随着压强的增大,同一粒径团聚物的团聚时间缩短。在同一压强条件下,粒径越小的铝团聚物其所需团聚时间越短。     

飞机复合材料表面导电层的雷击仿真研究

复合材料在飞机上的应用越来越广泛,与金属相比复合材料导电性较差,因此处于雷击区域的复合材料部件表面要设计导电防护层以承受雷击时的瞬间放电,避免复合材料部件的烧蚀损伤。本研究利用数值仿真的方法建立了数学模型,计算了复合材料表面导电层通过雷击电流脉冲后的电场和温度场分布,并对该导电层的雷击防护能力及可靠性进行了评价。模拟结果表明,厚度为0.20 mm的铝导电层最适宜做飞机表面的雷击防护层。     

等质量异形粒子超高速撞击侵蚀

用数值方法模拟双锥，圆柱，椭球、圆锥和倒圆锥五类等质量异形铝粒子五种高宽比共２５种粒子对半无限铝靶的超高速撞击侵蚀，撞击速度为４ｋｍ／ｓ，给出了坑深、坑径、坑形参数和坑体积随粒子形状及高宽比的变化曲线。结果与非圆球异形粒子超高速撞击侵蚀计算有重要参考价值。