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。     

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。     

载人登月任务人-机系统安全性分析及对策研究

载人登月任务中,航天员、航天器以及内外部环境构成了典型的人-机系统。运用安全性分析方法,以载人登月任务为对象,基于"事件树+故障树"方法构建安全性分析模型,对导致载人登月任务失败的潜在原因进行分析,并从载人登月任务的人、机、环境等方面提出相应的安全性控制对策措施,提出的安全性建模和影响因素分析方法,可为我国载人登月任务安全性建模和分析提供借鉴。     

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%。     

载人登月人货分运与人货合运模式对比分析

由于载人航天任务所具有的确保航天员安全的特殊属性,载人登月任务模式往往因此必须考虑救生等多种环节和因素,变得十分复杂。针对目前载人登月人货分运及人货合运两种任务模式,通过比较分析表明,从安全性、任务风险、飞船设计约束、发射窗口、测控支持复杂度方面来看,人货合运模式要优于人货分运模式,但是人货合运模式中的重型火箭如果被要求按照载人火箭标准进行设计和考核,其研制周期、经费方面的投入将会增加。     

载人登月的航天医学工程问题

载人登月与近地轨道载人飞行相比,将会遇到许多新的医学、心理学、工效学、登月服技术等医学工程问题。研究和解决这些问题是航天医学工程发展的重要任务。结合美、俄载人登月和月球居留的研究情况,重点分析载人登月与月面舱外活动中人的工作能力、压力制度选择、乘组组成、航天员选拔训练、航天员医监医保、心理健康维护、营养食品保障、环境医学和工效学、登月服技术等医学工程问题及解决思路,提出下一步研究的方向和重点。     

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...     

载人登月返回轨道发射窗口分析与设计

将航天员安全送回地球是载人登月无论成功与否都必须执行的任务。本文建立了从环月轨道出发,以月地转移轨道为设计目标,满足轨道、光照、测控和地球再入等约束的发射窗口的计算模型;提出了从着月点窗口起算、逐步反推的发射窗口选择算法。最后,给出包括低纬/高纬、陆地/海洋四个回收场的月地转移轨道仿真算例。研究结果表明,在我国境内(包括近海)可以实现载人登月的陆地或海洋、低纬或高纬的回收。     

2022年国外载人航天发展初步分析

2022年美国阿尔忒弥斯载人登月计划取得里程碑式的进展,成功发射阿尔忒弥斯-1,完成载人登月系统的首次全流程、全系统演示验证;俄罗斯载人航天遭遇进一步挤压,联盟5火箭与雄鹰飞船的首飞任务进一步延迟,规划的新空间站建设任务仍未得到政府批准;欧洲发展独立的载人航天能力的意愿不断加强,顺利完成新一轮航天员招募活动,以满足未来载人航天任务发展需求;越来越多的国家加入载人航天发展行列,以发展经济和提高国际地位。俄乌冲突爆发后,国际空间站成为俄罗斯与西方仍能保持合作的唯一项目,目前延寿至2028年已成定局。私人航天员任务成为2022年的新亮点,不仅成功完成首次私人航天员任务,且成为多个国家开展载人航天的主渠道;以SpaceX公司为代表的商业载人航天力量发展迅速,将承担更多的深空任务,成为未来载人航天发展及深空探测的重要角色。     

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。     

我国首次载人月球车任务需求分析

载人探月任务中,载人月球车在确保航天员安全的同时,需要有效拓展航天员月面活动范围、提高航天员月面工作效率。针对此问题,分析国内外载人月球车研究现状和技术特点,结合我国首次载人月面探测任务,从工作模式、安全、人因工程、高速移动、平台保障、工程实现、后续扩展等方面分别开展论述,分析了我国首次载人月球车的任务需求,可作为首次载人月球车的设计参考。     

月面人机联合探测概念研究

月面人机联合探测是载人月球探测任务的基础,是制定载人登月任务模式、设计登月飞行器系统方案的前提。以未来载人登月和月球基地任务为背景,对月面人机联合探测的需求进行了分析,梳理了不同阶段月面典型作业活动,并以此为基础,对月面人机联合探测系统方案进行了论证,设计了面向不同任务的系统组成,分析了月面人机联合探测关键技术,为后续开展有人参与的月球探测任务提供参考。     

搭载平动点中继星的载人自由返回探月轨道设计与优化

针对意义重大但目前尚无成功先例的月球背面载人登月任务,通过建立地惯系三体动力学模型,采用微分修正法迭代计算,设计了未来载人登月任务的候选自由返回轨道;通过建立旋转系三体动力学模型,利用"类Halo轨道截面"法,得到了从自由返回轨道以最低能耗转移到L2点halo轨道的拼接轨道。仿真计算结果显示所优化设计的搭载中继星的载人自由返回探月轨道既能满足任务安全要求,又能以最小能耗布设中继星座并提供中继任务支持。设计方法和结果可对未来月球背面载人着陆探测任务安全轨道设计和月球中继星座的设计方面提供参考。     

载人登月地月转移轨道方案综述

在总结国内外月球探测地月转移轨道研究进展与现状的基础上,从整体上研究了地月转移轨道的设计模型及设计约束,分析了不同类型地月转移轨道的特点及适用性。结合载人登月飞行任务特点,讨论了可满足载人登月任务约束的轨道类型及方案,并通过仿真计算和对比现有转移轨道研究结论,分析了不同类型轨道的飞行时间、能量消耗、月面可达区域等特性,提出了应用建议,可为载人登月任务地月转移轨道方案深入研究提供参考。     

新一代载人月面着陆器发展趋势研究

月面着陆器是实现载人探月任务的重要组成部分,从任务规划和着陆器参数两个方面对早期美国阿波罗计划中的月面着陆器（ LM）、苏联N1-L3登月计划中的月面着陆器（ L3登月系统）以及最近美国星座计划中的月面着陆器（ Altair）的相关情况进行了分析,并从任务需求、月面环境和研究经费及基础设施方面对LM与Altair月面着陆器进行详细比较,通过比较分析总结出新一代载人月面着陆器将沿着提高乘员运送能力、扩大到达范围、延长航天员生活时间及功能模块化的方向发展,并提出研制新一代月面着陆器应着重解决着陆器推进、结构、着陆障碍检测及缓冲以及月尘防护等关键技术。     

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。     

基于人工免疫算法的载人登月任务地月转移双脉冲中止策略研究彭 坤,果琳丽,向开恒,王 平,杨 雷

载人登月任务中,任务中止策略设计是确保航天员安全返回的重要基础。首先结合"星座"计划飞行方案分析了载人登月任务各飞行阶段的中止策略;其次针对地月转移巡航段进行了双脉冲中止策略设计,以速度增量数值、方位角以及变轨时间间隔为控制变量,加入轨道同向、近地点高度、偏心率以及飞行时间约束,提出双脉冲变轨计算流程;最后采用人工免疫算法对该问题进行了求解和优化。仿真算例表明,双脉冲中止策略存在多组解,其全局分布特性为:飞行时间越短速度增量需求越大;飞行时间相近时,大偏心率中止轨道对应的速度增量小;故障点离地月加速点越近,所需速度增量越小。同时也验证了人工免疫算法求解双脉冲中止策略问题的有效性。     

基于地月L1点的载人登月飞行方案分析

为解决传统载人登月方案中重型运载火箭难以研制、交会对接窗口选择困难等问题,提出了符合我国现有技术条件的基于地月L1点的载人登月方案设想。基于对圆形限制性三体模型和地月三,点特性的分析,将载人登月任务划分为不同的飞行阶段,研究了载人登月任务的规模、系统组成以及各舱段的质量分配等。通过与基于环月轨道方案各参数的分析和对比,提出通过付出较小代价将基于环月轨道的载人登月方案转化为基于地月,L1点的载人登月方案的方法。结果分析表明,经方案转化,不但能充分发挥地月L1点的优势,而且在一定条件下可以使节省燃料成为可能。