太空辐射防护技术探究

太空辐射防护技术探究

李寅

身份证：410305198604010017

摘要：近年来，随着科学技术的不断进步，人类对太空的探索不断深入，太空商业活动也开始慢慢起步。在未来，除了宇航员外，将会有越来越多的人进入太空，而太空空间辐射环境将成为制约科研探索和太空旅游的重要因素。本文简要介绍了目前可以直接或间接用于太空辐射防护的几种技术，对其背景及基础信息进行了简要的阐述。

关键词：太空辐射、辐射防护、仿真平台

1、前言

在本学期的课堂演讲中，我们小组选择了‘航天员在太空中的辐射防护’这一主题。在准备演讲、信息收集的过程中，我愈发感受到随着科学技术的发展，太空正离我们越来越“近“，而这也使得太空辐射防护技术的重要性将在未来不断提高，成为制约各国太空探索、太空商业活动发展的关键因素。

地球周围的空间环境辐射有三个来源：地球辐射带、银河宇宙线（GCR）和太阳质子事件（SPE），其中后两者对人类的危害最大，易造物理损伤、癌症、免疫力低下等症状。在太空中，失去地磁场保护的航空器材直接暴露在深空辐射环境中，高能质子和重离子能破坏器材组成物质的晶体结构、使得器材的性能受到影响。

2、技术介绍

目前，对于太空辐射的物理防护主要有主动防护和被动防护两种。其中被动防护主要表现形式为：增加航天器舱壁厚度使其超过粒子在对应材料中的射程，从而达到保护宇航员的效果。然而，被动防护存在许多局限性，其中最显著的就是重量成本问题以及难以防护核反应产物。

为了达到和弥补被动防护的局限性，更多的技术正被运用到太空辐射防护中，本文主要聚焦于空间辐射环境仿真技术以及三种主动防护技术：磁场方法，等离子体方法、静电场方法。

2.1  空间辐射环境仿真平台

太空辐射防护的各种技术要落地、真正发挥作用离不开前期的测试。然而，地球上的辐射环境与太空中相差甚远，想要在现实中完全模拟成本又太高，空间辐射环境仿真平台恰恰提供了一个成本较低的解决方案，也是后续其它技术实现的重要支持。

该平台能够在能谱、总剂量、传能线密度、射程四个层面相对真实地模拟太空辐射环境，内部嵌套的银河宇宙射线模型和太阳质子事件模型相对于其它通用模型也可以输出更有价值的数据。此外，平台采用COTS构件、使用星型拓扑结构开发，相比传统结构可以更便捷地升级套件，做到了“与时俱进”，保证了数据的相对准确性能够始终位于同类产品前列。

2.2  磁场防护方法

通过课程的学习我们知道，对航天器及宇航员危害最大的太空辐射就是太阳质子事件，而其中的主要粒子——质子，携带正电，由此我们不难联想到高中物理所学的洛伦兹力。洛伦兹力是磁场对运动电荷产生的作用力，如果在航天器的周围生成一个足够强的磁场，就可以给高速移动的带电粒子施加一个力使其偏离原来的运动轨迹。

目前主要的磁场防护方法主要有约束和无约束磁场防护两种。前者将磁场限制在航天器周围，而后者则是在航天器四周形成与地球相似的两极磁场。两种方法的关键都在于如何产生一个强度足够大的磁场，这一点超导技术为我们提供了未来可能的一种解决方案。

2.3 静电场防护方法

静电场防护方法的原理同样与高中所学的物理知识相关——利用电场对电荷的作用力使粒子发生偏移，主要有径向对称和非对称静电场两种模式，前者的难点在于难以创造足够高的静电势能，后者采用用“四极型”布置，主舱体位于四个防护球中心，通过可伸缩杆连接，可以通过调整航天器姿态改变结构面对带电粒子的角度从而增强防护能力。

总的来说静电场防护方法与磁场防护方法有异曲同工之妙。

2.4 等离子体防护方法

等离子体防护可以视作前两种方法的结合，主要原理是在航天器周围生成正电场吸引周围的电子并使其加速。再人工生成一个低强度的磁场控制热电子，形成一层电子构成的防护层，使正电粒子发生偏移，保护航天器。这种方法同样存在局限性：如只能偏移带正电的粒子、防护层控制存在不稳定性等。

3、分析评议

纵观以上所列的四种防护技术，空间辐射环境仿真平台为其它技术提供了重要的支持，在仿真平台中对其它三种技术进行测试，大大减少了成本，也使得数据的采集变得更为直接便捷——可以直接通过程序实现数据可视化，方便了其它辐射防护技术的改进，也可以通过采集到的大量数据形成一套太空辐射防护有效性评价体系，给结构稳定性、总体重量、成本、防护效果各自赋予一定比重，使得技术的评估、筛选有普遍且完善的标准。

对比磁场防护方法和静电场防护方法，两者的原理有很多相似之处，因而两者在未来面对的困难也较为相同。综合对比两者目前的技术壁垒，超导体技术的飞速发展使得前者在目前看来有更高的远期价值。

作为商科的学生，从技术层面来说对上述几种技术的分析还是比较有限，从商业层面上来说我有一些看法。

对于市场前景，抛开太空探索科研不谈，随着科技发展，太空旅游可行性提高，人们在第三产业消费逐年提升，未来太空旅游一定会成为旅游业新的风口，这意味着太空辐射防护这条赛道正出于较好的形式，远期价值较高。

对于资金的支持，随着近年来国内金融市场不断发展，国内涌现出不少科技型创投企业，大众对于创新科技赛道的关注也不断增加，对于致力于太空辐射防护的科技型企业来说，只要有一定的技术储备，再加以合适的融资股权设计，不难在我国市场上获得大量研发基金，快速成长。

总体上，我认为从商业层面来讲，太空辐射防护相关产业正处在欣欣向荣的发展道路上。

4、结论

本文总结了在太空辐射防护方面重要的几项技术，对每种技术的原理、未来难点进行了一定阐述，并对各项技术进行了一定的对比分析。

未来，在太空探索、旅游逐渐进入大众视野的情况下，各类科技类创新企业都将有更多的资金支持孵化，各项技术更将进一步发展，使得太空旅游大众化成为现实。

5、参考文献

[1] 陈世适, 张宁博, 熊芬芬. 主动太空辐射防护方法分析与研究[A]. 中国宇航学会深空探测技术专业委员会、飞行器动力学与控制教育部重点实验室、国家重点基础研究发展计划项目（深空973）办公室.中国宇航学会深空探测技术专业委员会第九届学术年会论文集（下册）[C].中国宇航学会深空探测技术专业委员会、飞行器动力学与控制教育部重点实验室、国家重点基础研究发展计划项目（深空973）办公室:中国宇航学会深空探测技术专业委员会,2012:7.

[2]  航天员辐射效应https://baike.baidu.com/item/%E8%88%AA%E5%A4%A9%E5%91%98%E8%BE%90%E5%B0%84%E6%95%88%E5%BA%94/18597177?fr=aladdin

[3]党炜, 吕从民 ,王治强. 空间辐射环境仿真平台的设计与实现[J].微计算机信息, 2007(28):200-202.