楊 彪，楊東升，魏傳鋒

（1. 中國空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094；2. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094；3. 可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094）

0 引言

運(yùn)行在低地球軌道上的載人航天器遭遇的空間電離輻射源主要包括地球輻射帶捕獲質(zhì)子和電子、太陽高能粒子事件和銀河宇宙射線[1]。這些帶電粒子可能穿透航天器壁板與航天員人體組織發(fā)生相互作用，并在組織內(nèi)部引起原子的電離、激發(fā)、核反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致航天員生理功能變化和組織損傷，甚至誘發(fā)癌變[2-4]。載人航天器密封艙為航天員工作和生活的場所，艙內(nèi)的生物劑量水平需滿足航天員劑量限值要求[5]，以保證航天員的在軌安全和健康。

輻射劑量三維仿真技術(shù)是在傳統(tǒng)的一維實(shí)心球屏蔽模型基礎(chǔ)上，考慮衛(wèi)星總體布局所導(dǎo)致的質(zhì)量屏蔽各向異性特點(diǎn)，采用扇區(qū)射線法獲得不同方向的輻射劑量分布[6]。該技術(shù)已在我國長壽命衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用，為衛(wèi)星電子元器件和材料的抗輻射設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)[7]。然而，輻射劑量三維仿真技術(shù)在我國載人航天器領(lǐng)域的應(yīng)用并不多見。在以往載人航天器總體設(shè)計(jì)中，往往采用一維實(shí)心球模型獲得等效鋁厚度和生物劑量的關(guān)系，僅能粗略評估航天員在軌生物劑量水平，難以指導(dǎo)航天員輻射防護(hù)工程設(shè)計(jì)。我國正在發(fā)展中長期駐留載人航天器，要求航天員在軌長期駐留，因此，迫切需要發(fā)展航天員生物劑量三維仿真技術(shù)，以仿真結(jié)果為依據(jù)改進(jìn)航天器構(gòu)型布局總體設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)整器質(zhì)量屏蔽最優(yōu)化，為航天員提供有效的輻射防護(hù)。

本文以某中期駐留的載人航天器為例，通過計(jì)算實(shí)例介紹如何將三維仿真技術(shù)用于密封艙內(nèi)生物劑量分析，并以分析結(jié)果指導(dǎo)輻射防護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 劑量分析方法

載人航天器密封艙內(nèi)生物劑量分析技術(shù)流程如圖1所示，具體步驟如下：

1）根據(jù)載人航天器軌道根數(shù)計(jì)算隨時(shí)間變化的軌道高度、地理經(jīng)緯度，再將軌道地理坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為地磁坐標(biāo)系；

2）通過集成的空間輻射環(huán)境模型（包括輻射帶捕獲粒子模型、太陽高能粒子事件模型和銀河宇宙射線模型），計(jì)算航天器軌道上不同粒子成分的平均能譜；

3）建立人體組織模型，通過輻射分析軟件計(jì)算均勻屏蔽模型下的鋁厚度和生物劑量的關(guān)系，即一維深度?生物劑量關(guān)系；

4）建立載人航天器的三維質(zhì)量屏蔽模型，將艙壁材料和艙內(nèi)外儀器設(shè)備的屏蔽效果等效為不同方向上的鋁厚度分布；

5）結(jié)合一維深度?生物劑量關(guān)系，計(jì)算不同方向上的生物劑量，最終獲得生物劑量三維分布結(jié)果。

圖1 載人航天器艙內(nèi)生物劑量三維分析技術(shù)流程Fig. 1 The 3-dimensional radiation dose analysis for mannedspacecraft

建立人體組織一維深度?生物劑量關(guān)系常用的方法是采用一維輻射分析軟件 SHIELDOSE-2[8]計(jì)算鋁球半徑r與球心處探測器（這里選用人體組織材料）的吸收劑量之間的關(guān)系，再乘以平均輻射品質(zhì)因數(shù)[9]，獲得人體組織的典型生物劑量值。

由于載人航天器艙體結(jié)構(gòu)和設(shè)備布局復(fù)雜，質(zhì)量屏蔽特性在全空間方向并不是均勻的[6]，三維分析技術(shù)考慮了質(zhì)量屏蔽各向異性，從劑量分析點(diǎn)出發(fā)，將全向空間分割成若干具有一定立體角的小區(qū)域；從分析點(diǎn)向每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)中心引出射線，計(jì)算每條射線方向上的等效屏蔽厚度；結(jié)合一維深度?生物劑量關(guān)系曲線，計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格所對應(yīng)的立體角區(qū)域經(jīng)屏蔽后的生物劑量，最終獲得生物劑量在不同方位角上的分布情況。

2 仿真建模參數(shù)

假設(shè)載人航天器運(yùn)行在高度為 340 km、傾角為40°的圓軌道，航天員最長在軌駐留時(shí)間為30 d，太陽活動(dòng)水平為低年，僅考慮地球輻射帶捕獲粒子的影響，空間輻射環(huán)境模型采用太陽活動(dòng)低年的輻射帶AP-8[7]和AE-8[10-12]模型。通過SHIELDOSE-2計(jì)算得到一維深度?生物劑量關(guān)系曲線，如圖2所示，其中一維深度為等效鋁厚度，生物劑量為人體組織30天累積生物劑量。

載人航天器由密封艙、過渡錐和推進(jìn)艙組成，其中密封艙由前艙門、前錐段、圓柱段和后球底組成，其幾何模型如圖3所示，坐標(biāo)系選取在推進(jìn)艙尾部，其中x軸沿艙體軸向，y軸、z軸位于艙體截面。在密封艙乘員活動(dòng)空間內(nèi)選取4個(gè)典型位置點(diǎn)作為分析點(diǎn)，從后球底至艙門方向分別標(biāo)記為A1～A4。在建立質(zhì)量屏蔽模型時(shí)，為了簡化計(jì)算，僅考慮艙體蒙皮和艙門的屏蔽效應(yīng)。各艙段艙體蒙皮、艙門的等效鋁厚度如表1所示。

圖2 一維深度?生物劑量關(guān)系Fig. 2 The organ dose as a function of the aluminum thickness

圖3 載人航天器幾何模型Fig. 3 The geometry of the manned spacecraft

表1 載人航天器艙體材料參數(shù)（等效鋁厚度）Table 1 The cabin parameters (equivalent aluminum thickness)of manned spacecraft

3 仿真結(jié)果與分析

作為仿真算例演示，密封艙內(nèi)4個(gè)分析點(diǎn)在每個(gè)方向上的人體30天累積生物劑量值分量和總劑量值如表2所示。可以看到，不同位置點(diǎn)的劑量值各不相同；每個(gè)位置點(diǎn)在各個(gè)方向上的劑量值分量也有所差別，其中+x、-x方向明顯不同，并有別于y、z方向（考慮使用的航天器幾何模型沿x軸對稱，y、z方向的劑量值分量相同）。仿真結(jié)果能充分反映載人航天器質(zhì)量屏蔽各向異性的特點(diǎn)。

表2 密封艙內(nèi)4個(gè)分析點(diǎn)的生物劑量仿真計(jì)算結(jié)果Table 2 The simulation results of organ dose for the four analysis points inside the pressurized cabin

通過計(jì)算模型集成，仿真結(jié)果有3種圖形表達(dá)方式，分別是：結(jié)果形式A——每個(gè)方向上的劑量分布情況，如圖4所示；結(jié)果形式B——每個(gè)方向上的劑量值分量，如圖5所示；結(jié)果形式C——每個(gè)分析點(diǎn)的總劑量值，如圖6所示。

圖4 生物劑量仿真結(jié)果形式A——每個(gè)方向上的劑量分布情況Fig. 4 The simulation result A: organ dose distribution on each surface of the bounding box

圖5 生物劑量仿真結(jié)果形式B——每個(gè)方向上的劑量值分量Fig. 5 The simulation result B: organ dose magnitude on each surface of the bounding box

圖6 生物劑量仿真結(jié)果形式C——總劑量值Fig. 6 The simulation result C: the total organ dose

在工程設(shè)計(jì)中，三維仿真分析的目的在于驗(yàn)證航天器不同方向上的質(zhì)量屏蔽是否合理，找出屏蔽薄弱的部位，為輻射防護(hù)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)參考。這里獲得的三維仿真結(jié)果為輻射防護(hù)工程實(shí)施提供了有效的技術(shù)支持：首先，結(jié)果形式 C可從宏觀上考察不同位置的生物劑量值，與航天員生物劑量限值要求進(jìn)行對比，找出不滿足指標(biāo)要求的部位；再利用結(jié)果形式B和A對不滿足指標(biāo)要求位置點(diǎn)的劑量分布情況進(jìn)行具體分析，找出劑量值較大（屏蔽薄弱）的方位；之后視具體情況進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)措施包括：1）在不增加整器重量的前提下，調(diào)整艙內(nèi)儀器設(shè)備和物資的布局，在屏蔽較弱的方向進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)；2）經(jīng)過布局調(diào)整和多輪迭代分析后，如果仍無法達(dá)到劑量限值要求，則考慮在屏蔽薄弱的部位增加防護(hù)材料。

4 結(jié)束語

本文首次將基于一維深度?劑量計(jì)算、結(jié)合扇區(qū)射線法的三維輻射仿真技術(shù)運(yùn)用于載人航天器總體設(shè)計(jì)中，提出航天員生物劑量三維分析技術(shù)。并以某中期駐留載人航天器為例，構(gòu)建生物劑量仿真模型，獲得艙內(nèi)生物劑量三維分布結(jié)果。研究結(jié)果表明，生物劑量三維仿真技術(shù)可為載人航天器輻射安全評估和輻射防護(hù)設(shè)計(jì)提供重要的工程數(shù)據(jù)，對后續(xù)長期載人飛行中乘員輻射安全設(shè)計(jì)具有較大的參考價(jià)值。

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