IAA宇航研究小組——火星探測任務的離子輻射風險

最新 03-16

執行載人火星探測任務之前，必須對任務中離子輻射風險進行詳細的評估並準備切實可行的應對方案。這些風險既有飛往火星過程中的離子輻射，也包括在火星表面承受的各類離子輻射。無論何種水平的輻射，都可能導致宇航員身患疾病（基因、造血、神經系統等）並損壞宇宙飛船從而使任務失敗。因此，必須明確任務過程中的各類離子輻射，並將輻射值控制在合理的範圍之內。離子輻射量的控制可參照NASA的ALARA原則以及3%REID量。

1、任務中的主要離子輻射1）離子輻射類型

載人火星探測任務要經歷范艾倫輻射帶、深空銀河系高能離子輻射、太陽系高能離子輻射，以及火星表面的離子輻射。

地球輻射帶（ERB）的范艾倫輻射帶由內環和外環構成，內環的輻射粒子主要是電子和質子，外環的輻射粒子主要是電子，即使穿越最薄的范艾倫輻射，也要承受20 mSv的輻射量。地球輻射帶在火星探測任務的開始和結束階段產生影響。地球輻射帶（ERB）帶電離子的能量從50keV到1000MeV。ERB粒子流隨著軌道高度的不同而不同，在南太平洋異常區達到最高值。

銀河系宇宙輻射（GCR）的影響貫穿整個火星探測任務的全周期。GCR帶電離子具有很強的穿透性和生物破壞性。

太陽系宇宙輻射（SCR）主要由太陽系高能離子（SEP）構成，SCR在火星探測任務中的影響是不確定的，因為SCR受太陽活動影響並且是離散分布的。SCR主要是由質子構成，還包括10%的氦原子以及不到1%的重元素。太陽耀斑產生的離子不僅具有電磁輻射，還具有幾百MeV/核子的動能，甚至能夠達到幾GeV/核子。

2）離子輻射分析模型

空間中的各類離子輻射不僅對宇航員的身體健康有諸多不良影響，而且對宇宙飛船上的電子設施也會造成破壞。目前，離子輻射或宇宙射線影響的模型分析方法主要有：CRèME 2009模型（宇宙射線對微電子設備的影響）、BRYNTRN與HZETRN模型（NASA蘭利研究中心高能原子核與重離子穿透宇宙飛船防護層、人體的評估模型）、MEREM模型（ESA建立的火星高能輻射環境分析模型）等。報告基於上述模型分別對載人火星探測任務的巡航飛行階段、火星表面探測階段的銀河系宇宙射線輻射、太陽系高能離子輻射的不同構成及其影響進行了分析。

2、輻射對火星探測任務的影響

在（GCR）穿透宇宙飛船防護材料的過程中，GCR離子的屬性會因為電磁和原子核相互作用而發生變化。GCR中的高能離子會與防護材料中的原子核發生碰撞，從而發生裂變和電磁反應並改變防護材料的組分。在這個過程中發生的一次、二次輻射會進入宇宙飛船內部，從而對宇航員造成輻射。太陽系宇宙輻射（SCR）具有較強的偶發性，因為SCR離子的強度和光譜隨著太陽活動周期而變化較大。SCR的輻射風險可通過太陽粒子活動變化進行評估。

3、火星任務飛行途中的離子輻射應對策略

在火星探測過程中，宇宙飛船遇到的各類離子輻射雖然可能被完全消除，但應該通過相應的設計和策略儘可能減輕離子輻射對飛船設施和宇航員身體的影響。

對於宇航員的防輻射，應該根據銀河系宇宙射線（GCR）和太陽粒子輻射（SCR）兩類輻射的不同，分別建立有針對性的應對策略。飛船設計師應考慮在飛船中建立防護安全區，保證宇航員在休息時盡量少的受輻射影響。安全防護區是宇宙飛船除操作區以外的特殊區域，該區域得到特殊的防輻射加固，可以同時減少宇航員遭受的太陽粒子輻射和銀行系宇宙輻射，並且宇航員在該區域可以對宇宙飛船的關鍵系統進行操作。

在宇宙飛船艙內安裝輻射登記監測與預警設備，通過監測輻射強度為艙內宇航員提供合適的應對建議，在火星探測任務中是必須的。另外，為加強輻射監測，保障火星探測任務安全，應對可能對探測過程造成輻射影響的潛在因素進行監測和總結，包括：太陽磁場及其變化；地球1AU環境；宇宙輻射變化情況；太陽活動特徵，預測強烈的太陽離子活動等。滿足上述任務需求，下一步還應發展：太陽耀斑、CMEs/ICMEs、SEPs的預測能力；離子輻射事件預測模型；覆蓋探索空間的成像觀測與測量系統。

為執行火星探測任務，減輕宇宙離子輻射對任務的影響，應建立以下監測項目：

a. 1 AU距離的離子流監測。

b.太陽觀測：

i.常規監測（磁力記錄；EUV成像；日冕記錄；離子場探測等）；

ii.太陽離子高危活動區域的專門和持續監測；

iii.觀測太陽背日面；

c.星際介質實時監測模型：

i.探測任務飛行路徑目標監測；

ii.與宇宙飛船相關的太陽風與IMF觀測；

iii.太陽離子威脅評估；

iv.超級太陽活動威脅評估；

4、太陽離子風險預測

同在太陽系中，太陽風離子輻射不僅對地球有明顯影響，對火星也有重要的影響，例如2003年的太陽耀斑事件同時對地球及相反方向的火星產生了輻射影響，高壓太陽風壓迫火星離子環境併到達大氣層底部。

1）太陽離子風險預測

利用統計方法和時序疊加方法對一組太陽離子事件進行對比分析發現：1）電子總是在質子之前被觀測到，具體來講，在1AU距離會延遲63分鐘，這為預測質子達到時間提供了可能；2）電子和質子的密度增加依賴於當時兩者的磁性連接。基於上述發現，基於稍前的電子密度和電子增加參數能夠預測即將到來的質子密度，如圖1。

圖1質子密度預測矩陣

2）火星太陽高能離子環境模型

「火星輻射環境模型」由ESA資助研究人員建立，該模型可以提供火星表面、大氣層、火星軌道的詳細的輻射環境預測。依靠該模型，探測任務規劃人員可以掌握火星環境的離子輻射情況。

還有研究人員基於「Mars-PLANETOCOSMIC」模型與「MarsREC」模型建立了更詳細的模擬模型。該模型可應用於火星、木衛一等探測任務，可以模擬土質結構、組成、大氣層構成、大氣密度等。

另外，相關模型還有dMEREM、eMEREM、QinetiQAtmospheric Radiation Model、Solar Energetic ParticleEnvironment Modeling（SEPEM）、Earth-Moon-Mars Radiation EnvironmentModule/EMMREM。

3）太陽黑子24周期的空間環境預測

通過計算太陽黑子9~23周期的地磁數據中的極向與曲面太陽磁流發達係數（Af），研究人員發現Af與極端空間環境事件（太陽質子時間、電磁風暴）有重要的反相關關係，當太陽耀斑最大值2，當太陽耀斑最大值>150時，Af值5、太陽風暴對火星的影響

MGS（MarsGlobal Surveyor）已經在火星軌道執行了9年的火星監測任務，收集了大量的火星太陽風暴和離子輻射的科學數據。

1）大氣層逃逸

通過觀測數據分析發現，在太陽耀斑和高能離子通過火星的時候，火星大氣層的逃逸率明顯提高。另外，有學者針對2003年較強烈的一次太陽耀斑進行了研究，在太陽耀斑衝擊波達到火星時，太陽風穿透火星大氣層，在太陽風電子的作用下，火星大氣層離子化現象明顯，離子逃逸率明顯提高。

2）超熱電子

當太陽系高能離子（SEP）進入火星大氣層，少量能量電子會引起火星電離層的離子化，引起離子層電子密度增加，SEP引發的電子大多處於大氣層150公里高度以下，並且隨著大氣層高度升高以指數形式迅速減少。這些電子與中性大氣相互碰撞，其溫度迅速升高。

3）電子密度

通過數據分析發現，在太陽系高能離子（SEP）經過火星期間，火星電離層頂層電子密度有輕微減少，其他部位的電子密度也沒有明顯的增加。這說明，SEP對火星電離層的電子密度並沒有明顯影響。

6、MARSREM（火星輻射環境模型）項目

太陽系高能離子輻射環境主要受行星輻射帶、銀河系宇宙輻射（GCR）、太陽系高能離子（SEP）的影響。這些輻射源對人體、宇宙飛船、設施和通信都有嚴重威脅。火星探測任務在「地球—火星—地球」的整個過程都會長時間暴露在上述三種離子輻射環境中，因此ESA啟動了MarsREM（Mars Radiation Environment Models，火星輻射環境模型）項目。

1）MarsREM概述

歐空局（ESA）MarsREM項目共建立了兩個火星輻射環境模型，這兩個模型都可用於未來火星任務的火星輻射預測。這兩個模型分別是「精細火星能量輻射環境模型」（dMEREM）和「工程火星能量輻射環境模型」（eMEREM），其中dMEREM模型可以執行詳細複雜的行星及其衛星的蒙特卡洛輻射分析。eMEREM則用來計算大氣層及行星表面對能量粒子的防護效應。這兩個模型都可以作為單獨工具分別執行分析工作。

2-2 MEREM軟體流程結構圖

2）MarsREM框架

dMEREM模型是MarsREC與PLANETOCOSMICS兩個模型的擴展，可用來分析火星表面、亞表面、特定大氣層高度的輻射環境。

圖3 dMEREM模型總體框架

eMEREM模型主要用於提供準確、複雜的環境分析，該模型依賴於Geant4模擬演算法。eMEREM模型可以計算離子流、放射生物劑量，其計算原理洗去了用於地球環境研究的QARM模型（QinetiQ大氣層輻射模型）的演算法。

圖4 eMEREM模型總體架構

7、研究結論與建議

空間輻射，包括銀河系宇宙輻射、太陽系高能離子輻射、地球輻射帶等，都對電子部件、感測器、太陽能電池、材料等空間系統部件有嚴重影響。而且越是先進電子設備，對「單次事件影響」越敏感。在空間中，離子輻射很可能導致這些電子設備失效，並進而導致空間系統停止運行。因此，在火星探測等星際任務中，必須針對宇宙輻射採取相應對材料、結構對策措施。這些措施包括：

1）生產耐輻射性及在輻射環境下可靠性更強的硬體；

2）測試並明確部件、組件、子系統在輻射環境下的磁化係數；.

3）採取相應的對策和輻射減緩措施：

a)採取特殊的製造技術，例如「硅絕緣片」結構，強化空間設施；

b)對於系統架構設計，採用三元模態冗餘技術、雙互鎖單元技術等抗輻射設計技術；

c)採用輻射屏蔽技術。

有多個研究機構針對火星探測項目設計了不同方案，綜合來看，火星探測項目必須考慮：宇航員發射與分離、主轉移和休息艙等。另外，還應考慮部署中繼衛星、建設火星探索設備和宇航員返回設備、火星探索設備應考慮利用火星上的材料，包括燃料和消耗品。

另外，針對星際探測項目的空間輻射環境，研究提出如下建議：

1）利用模型模擬分析方法對空間輻射環境進行分析，包括銀河系宇宙射線（GCR）、太陽系高能離子輻射（SEP）等。

2）使用可靠的輻射屏蔽工具，評估輻射對系統部件和宇航員影響。

3）建立可靠的輻射影響評估計算模型。

建立超高速能量粒子試驗設施，用於空間輻射環境試驗。