基于两种屏蔽技术的火星之旅防辐射

基于两种屏蔽技术的火星之旅防辐射

黄天雨 向超 梁子杰 肖萌 李欣宇

武警警官学院 成都 610000

摘要：为保护人类在航天器上旅行到火星免受大多数辐射，我们提出了一个包含被动吸收屏蔽涂层和主动屏蔽防护的解决方案。在航天器外涂层的选择中，发现普通金属难以防止伽马射线，于是通过比较选择了屏蔽辐射效果较好的水和有机材料。此外，为了进一步确保宇航员的安全，我们创新性地提出使用屏蔽效果好，装饰效果佳的超疏水性纳米钨酸铅

（PbWO_４）。为了达到最佳的辐射防护效果，讨论了电场屏蔽、磁场屏蔽和等离子体屏蔽的优缺点，最后选择了节能高效的磁场屏蔽方案，并计算出一定条件下线圈所需的长度和质量。

关键词：被动吸收屏蔽，主动屏蔽

0.背景介绍

旅行者把宇航员送到火星的挑战之一是他们在旅途中会经历的巨大辐射，载人航天不可避免地要暴露在辐射环境下。在近地轨道的短期载人飞行作业中，由于存在地磁场的保护，辐射粒子发生偏移使人类接收到的辐射大大减少，传统的被动吸收屏蔽防护技术基本能达到宇航员安全防护的要求。但从地球到火星的深空探测载人星际飞行中，磁场几乎不存在，如何解决宇航员的空间辐射安全问题并保存宜居体积是重中之重。

航天器飞行过程中，遭受到的宇宙线粒子包括两部分：太阳宇宙线和银河宇宙线。其中的X射线和γ射线这样的高能光子辐射，本身反射折射特性和可见光有很大不同，特别是硬X射线和γ射线没有已知的材料能反射折射两者，如何运用其他方法解决防护问题是重点。

1.被动吸收屏蔽

1.1材料的选择

被 动吸收屏蔽指深空航天器等利用材料与粒子相互作用削减粒子能量并被材料吸收以达到防辐射效果。但是随着需要屏蔽的质子能量不断增加，材料吸收粒子能量与其深入路径成正比，需要耗费材料的质量也将不断增加。

Figure 1:Depth and areal density of absorbing material

如图1所示，给出的吸收不同能量质子所需要的铝、铁及铅作为防护材料的资源需求。其中铝厚度增加最迅速，而铅增加最慢，虽然铅吸收厚度小，但由于其密度大导致质量增加最快.不难发现常规的防辐射金属很难做到两者兼顾。我们小组经查阅资料意外发现屏蔽辐射较好的物质是水和有机材料^[1]。南京航空航天大学恰好采用聚酰亚胺树脂为基体，掺杂Ｓｍ_２Ｏ_３，并采用碳纤维进行增强，制备了新型屏蔽材料，其最高使用温度可达300 ℃，抗拉强度达200ＭＰａ，且具有较好的中子和γ射线屏蔽性能，3ｃｍ 材料可使中子低于环境水平，5ｃｍ 材料可使^１３７Ｃｓ和^６０Ｃｏγ射线透过率分别达到57.6％和67.8％^[2]，所以我们决定在服务舱外涂该种材料（ ）。在舱内为了双重保险，我决定涂超疏水性纳米钨酸铅（PbWO_４）（ρ2= ）^[3]，该材料对γ射线有良好的辐射屏蔽性能，薄薄的一层即可达最高32%的屏蔽率，且施工性能优良的、抗辐照并且分散体系稳定性较高，表面修饰效果较好，对于长时间居住的服务舱来说是绝佳选择。更可贵的是其填充料和涂料的制备成本低，操作简单^[3]。

1.2增加质量的计算

由上文可知航天器的表面积约为S=，外涂层厚度选择为H1=20cm，内涂层厚度选择为H2=1cm。所以航天器增加的质量为：

被动屏蔽技术简单、可靠性高、造价低廉，但缺点是笨重、发射成本高，同时在吸收粒子过程中又会产生次级粒子和光子辐射^[4]，依旧存在影响。可见航天器如果完全采用被动吸收防护则资源需求极大，因此须考虑结合其他主动吸收防护方法进行联合防护。

2.主动屏蔽防护

主动屏蔽防护是指利用诸如电场、磁场或等离子体等偏转驱离或吸能驱离空间带电辐射粒子，使辐射粒子偏离宇航员所在的服务舱以达到防护的效果。主动屏蔽缺点是结构复杂、操控难度大，但优点是质量小发射成本相对较低^[5]。

2.1电场屏蔽

2.1.1原理解释

太阳粒子事件具有偶然性，与太阳的周期性活动有关，相对于宇宙射线来说更容易防护^[6]；而银河宇宙射线中，质子占约 87%^[7]，因此主要考虑质子对航天器的辐射影响。质子的带电量为+，所以选择高压电场为+极，如图示架设电极：

Figure 2： Spacecraft HV electrostatic electrodes

电场驱离辐射粒子指在航天器周围产生高压电场，利用电场对辐射粒子的电场力使其能量降低，从而削弱其碰撞航天器的能量，以降低对航天器构成的危害。

高压电场与质子的作用力及斥力做功的关系如下：

F=q E (1)

式中F是质子受到高压电场的偏转力；q是质子的电荷量；E是航天器周围高压电场的大小。

（2）

式中W是质子撞击航天器时消耗的能量，ｓ是质子的运动轨迹。

如果需要驱离100MeV量级的质子辐射流，则用于产生电场的电极长度将在100m量级，电极的电压将需要加载到MV量级，须使用大量电源进行维持^[5]。由于太阳能帆板^[10]的存在，电源问题迎刃而解。

2.1.2电极架设

电场屏蔽需要在航天器的外部架设大型结构，由导线、电极及支架构成，导线与电极和航天器电气系统连接，支架用于支撑并隔离导线、电极、电气系统，对电极进行高压加载，电极暴露于等离子体环境中形成大面积电场分布。

2.2磁场屏蔽

2.2.1原理解释

人处于地球之上受辐射影响不大的一个重要原因是地磁场的存在，受这一点启发，我们小组认为完全可以将地磁场转移到航天器上以达到防辐射效果。由于地球存在南北两极，所以地磁场是偶极型磁场，如图：

Figure 3：The earth and electric dipole

在此基础之上，我们小组将航天器的磁场屏蔽装置设计如下：

Figure 4：Magnet field around a spacecraft current coil

当辐射粒子射向航天器时，不论粒子带电性，在洛伦磁力 (V是带电粒子速度，B是周围线圈产生的磁感应强度）的作用下，在磁场中做圆周运动后射出磁场，有效的保护了航天器。

2.2.2所需条件

强磁场的产生需要在线圈中通以强电流，在太阳能帆板^[8]的支持下，电流不是问题。由于常规导线内阻较大，导致热损耗会非常大，因此需要尽可能的使用超导材料构成导线，从而降低功耗。

2.3等离子体屏蔽

等离子体屏蔽需要安装大型等离子体产生和喷射的装置，运行过程需消耗大量工质和电能^[11]用于实现喷射等离子体产生电流环。

2.4屏蔽方式比较与选择

Table 1：Three types of particles shielding

由于电场屏蔽会吸引异性电荷粒子，虽然屏蔽了大部分的辐射粒子，但仍存在极大的辐射风险，不利于航天员的健康。等离子屏蔽可以驱离更高能量粒子，但功耗太大，不利于长时间的深空探测飞行。综合考虑选择磁场屏蔽。

2.5线圈质量计算

如图5，描绘了载人航天器在设计约束下，屏蔽掉200MeV的质子、氦核及铁核３种辐射粒子，磁场偏转辐射粒子中的质子、氦核及铁核，线圈环绕半径设置不同时所需要的电流强度不同，环绕半径越小则需要的电流越大。 当线圈环绕半径为２ｋｍ 时，屏蔽氦核内需要的电流为1300A，而质子、铁核则需要电流更大。当线圈环绕半径不断增加是，产生磁场偏转所需要的电流需求不断减小，而线圈总质量也在不断减小，但是减小到一定程度总质量便开始增加而不减少，总质量的最小值就出现在2.04km处的2240kg。

所以线圈质量在航天器设计约束下的最小值为：

F igure 5：Coils current density and total mass when 200 MeV particles need to be deflected.

3.总结

在本计划的讨论设计中，对于被动吸收屏蔽的外涂层材料选择上，我们通过实验发现传统的防辐射金属效果并不理想，通过资料的查阅最终确定了由南京航空航天大学采用聚酰亚胺树脂为基体，掺杂

Ｓｍ_２Ｏ_３，并采用碳纤维进行增强，制备出的新型屏蔽材料，不仅防辐射能力出色，其耐热性与抗拉能力都极强。为了安全起见，确实保护宇航员的健康，我们小组还添加了防辐射内涂层。该涂层为超疏水性纳米钨酸铅（PbWO_４），该涂料制作材料便宜，提取方法简单，更重要是不仅防辐射能力极强还有极好的装饰效果，不仅可以达到保护效果还可以装饰服务舱内的舱壁。得出的总增加质量为 。

在主动屏蔽上，我们对电场屏蔽、磁场屏蔽及等离子体屏蔽的原理进行讲解，并作出设计分析各自利弊。由于电场屏蔽对异性辐射粒子存在吸引，存在屏蔽的不完全性，我们将该方法否定。由于等离子体屏蔽的高消耗不利于深空探索，我们最后选择了磁场屏蔽，并在屏蔽掉200MeV辐射的情况下算出其线圈质量为 。

额外质量为

参考文献：

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