載人深空探索中的問題與挑戰

太空輻射風險評估是確保執行載人深空探索任務航天員健康和安全的基礎。《科學通報》2018年第16期特邀大連海事大學趙磊，宓東和孫野青對相關問題進行了系統地梳理和分析，討論了未來相關的研究或實踐中需要建立和發展的關鍵技術，可為有效地降低空間輻射引起的航天員的健康風險提供相應的對策。

太空輻射是載人深空探索中威脅航天員健康的主要因素，也是制約載人深空探索發展的重要原因之一，因而一直受到美俄等載人航天大國的高度關注。

隨著我國載人深空探索任務的規劃與實施，確保航天員在整個任務期間的健康和安全被認為是航天醫學領域的首要任務，而其中的太空輻射對航天員的健康風險評估更是被視為亟需要解決的重要問題之一。事實上，美國國家航空與航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）已將太空輻射列為航天生物醫學發展路線圖的五大領域之一，並將「太空輻射緩解」（Space radiation mitigation，SRM）技術列為美國載人航天工程中八大核心技術之一。

我國在「空間科學發展戰略」中也將「太空輻射損傷評估與防護技術」確定為空間科學領域中擬解決的核心關鍵技術之一。在主題為「空間輻射生物交叉學科研究」的香山科學會議上，來自國內外30餘家科研機構和大學的50餘位從事空間生命科學和輻射生物學研究的專家學者一致認為：太空輻射健康風險是各國太空研究機構和研究人員共同關心的熱點問題，中國亟需在現有太空輻射生物學研究的基礎上，建立自主的太空輻射風險評估體系，研發有效的太空輻射防護措施，以適應國家的重大需求。

太空輻射環境

載人航天器在飛離和返回地球時需要穿過稱為范愛倫帶（Van Allen belts）的地磁場捕獲帶。深空探索中，載人航天器脫離了地磁場的保護，主要輻射源是銀河宇宙射線（Galactic cosmic rays，GCR）和太陽高能粒子（Solar energetic particles，SEP）。

地磁場捕獲帶（內俘獲帶和外俘獲帶）示意圖

深空探索中太空輻射的主要來源

根據NASA在阿波羅（Apollo）任務中的實際太空輻射監測結果可知，探月旅途中太空輻射的有效劑量率為0.7~3.0 mSv/d。如果按照30天的任務周期計算，太空輻射的有效劑量可達21.0~90.0 mSv。這個數值約為地面上的公眾在同樣天數中接受的有效劑量0.2 mSv（按年平均有效劑量2.4 mSv計算）的105~450倍。而由NASA研發的「好奇號」火星探測器（Curiosity Rover）所攜帶的火星科學實驗室（Mars science laboratory，MSL）的測量結果可知，好奇號往返火星旅途的劑量當量率約為1.84 mSv/d，火星表面的劑量當量率約為0.64 mSv/d。若按照往返火星均為180天，在火星表面停留500天計算，載人登火過程中航天員接受的GCR有效劑量將達到982.40 mSv。這個數值約為地面上的公眾在同樣天數中接受的有效劑量5.65 mSv的175倍左右。

不同條件下人體所接受的輻射量比較

太空輻射健康風險

載人深空探索任務中，航天員長期在軌和艙外活動使得太空輻射引起的健康風險明顯增加，甚至可影響載人深空探索任務的實施。太空輻射可導致航天員組織或器官中遺傳物質的損傷，如DNA雙鏈斷裂，基因突變和染色體畸變等，引起細胞失活和基因組的不穩定性，從而破壞人體骨髓、皮膚、中樞神經系統、生殖系統等組織器官或系統，引發白內障甚至癌症、白血病等疾病。

深空探索中太空輻射的健康風險

根據NASA於2009年提出的「人類空間探索任務風險降低策略」以及「空間輻射綜合研究計劃」，空間輻射風險主要可分為四大類，分別為輻射致癌風險、太陽粒子事件導致的急性輻射綜合症風險、中樞神經系統的急/慢性輻射風險和退行性組織或其它健康效應的輻射風險。目前認為，太空輻射致癌風險是最重要的風險類型，而載人深空探索任務中航天員的太空輻射風險評估主要是預測航天員的癌症發生率和死亡率。

太空輻射風險評估及其存在的問題

利用國際輻射防護委員會等機構推薦的方法評價長期載人深空探索任務中太空輻射引起航天員的癌症風險存在很大的不確定性，且該不確定性明顯大於地面輻射暴露引起癌症風險的不確定性。對於載人深空探索任務，目前空間輻射致癌風險評估的不確定性高達400%~600%。Marco Durante的研究表明，利用目前空間輻射的監測數據，如劑量和LET譜等預測航天員的早期癌症風險，其不確定性甚至可達400%~1500%。

地面和太空輻射風險評估的不確定性

太空輻射風險評估是確保執行載人深空探索任務航天員健康和安全的基礎，目前尚未完全解決。通過對相關問題進行了系統地梳理和分析，認為在執行載人深空探索任務中之前，對於太空輻射風險的評估需要解決以下主要科學問題：（1）輻射品質因子的預測；（2）低劑量輻射風險模型的建立；（3）劑量和劑量率降低效應因子的預測；（4）個體輻射敏感性差異的甄別；（5）微重力等空間因素對輻射風險的影響；（6）SPE引起的急性輻射損傷的評估。

原文發表於《科學通報》2018年第16期

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