空间环境(载人航天生命保障技术)

人飞船或空间站是不现实的。
更为合理的防护方案是利用航天器舱内各仪 器、设备、燃料等物质科学的进行布局使各个方 向的屏蔽厚度保持均匀。由于各方面条件的限制 一般很难使各个方向的屏蔽厚度保持均匀。另外 其存在另一个问题是初级空间辐射与屏蔽材料相 互作用可产生次级辐射，如反冲质子、次级中子
等。
主动防护方法是指利用磁场或电场偏转入射带电粒子，将其 引离航天器，从而降低航天器内航天员的辐射剂量。包括静电场 防护、磁场防护(包括约束磁场和非约束磁场)及等离子体防护三 种载人航天的主动防护方法。 因为外层球壳带负电， 与电子产生斥力，通过相关 一、静电场防护 计算表明，能量不超过1MeV Vogler 等早期提出的静电 的电子将无法达到外层球壳 场防护为两球同心结构，内层 表面。 球内部为保护区。内层球壳表 而对于带正电荷的粒子， 面带正电荷，其电势为Va,外 外层球壳与其产生引力，带 层球壳表面带负电荷,电势为V 电粒子动能将有所增加，增 b。 量约为Ze|Vb|，若入射粒子 保护区 为铁离子，那么其增加能量 + 约26MeV/核子。
七、空间微流星环境与其效应
• 微流星体通常指直径在1mm以下、质量在1g以下的
固体颗粒，它们在太阳引力作用下运动，其速度 相当于地球的平均速度，约为10～30km/s，最大 速度可达72km／s。 • 由于微流星体的速度很快，当它与航天器相撞时，
释放出巨大的能量，对航天器有很大的危害。
（沙蚀、影响太阳能电池效率；产生裂痕和撞击）
磁场的强度和方向是宇宙空间很重要
的环境参数。在星际空间或磁层内离地球 几个地球半径以外的区域，磁场较弱，只 有几个到几百个纳特。卫星受外磁场产生 的力矩作用，使卫星扭转。
亚磁环境
• 亚磁环境生物学效应的研究伴随着人类太 空探索计划而开始。空间辐射、失重、亚 磁或零磁是空间飞行面临的不同于地球的 主要环境因素，对生物产生不同程度的影 响。
带电粒子被地球磁场捕获形成地球辐射带。地球辐射 带分为内辐射带和外辐射带，内外带之间是一个低辐射强 度区域。由于地球辐射高能带电粒子强度高，会对中、低 轨道航天器造成较严重的辐射效应。 太阳粒子辐射是太阳发射的高能粒子，主要是质子和 电子，其次是α 粒子，原子序数大于2的粒子较少。太阳宇 宙辐射分为平常期和异常期。平常期的太阳宇宙辐射称为 太阳风，是从太阳表面产生的质子和电子气体。异常期， 太阳色球层会发生局部短暂增亮的现象—太阳耀斑。太阳 耀斑一般持续30-50min，并伴随大量高能带电粒子和电磁 波发射。
• 是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负
电子组成的离子化气体状物质，它广泛存在于宇宙中。主 要分布于电离层以上（70km～3000km）
• 空间高温等离子体(带电粒子能量在几万电子伏以上)使卫
星充电，与等离子体的电位差可达10kv。这使卫星各部件 之间产生放电现象。放电中发出的电磁辐射将干扰卫星正 常工作，还可将卫星的部件击穿，造成永久性损坏。 • 等离子体环境对轨道上运行的卫星会引起卫星附加电阻力， 使探测仪器产生假信号，高压太阳阵电源系统漏电、大型 天线增益下降和指向精度减小等。
电离辐射生物效应类型及其特点
确定性效应
确定性效应(Deterministic effect)：是指辐射 效应的严重程度取决于所受剂量的大小。这种效应 有一个明确的剂量阈值，在阈值以下不会见到有害 效应，如放射性皮肤损伤、 生育障碍。
随机性效应
随机性效应(Stochastic effect)：是指辐射效应的发 生几率(而非其严重程度)与剂量相关的效应，不存在剂量 的阈值。主要指致癌效应和遗传效应。
这种静电场防护结构由13个球 静电场防护结构图如下： 组成，中心球的内部为受保护
区域，半径为20m，球壳表面
电压为300MV;周围6个小球的 半径为10m，每个球的球心距 离中心球的球心50m，球壳表 面电压V=+300MV; 外层6个球 的半径为20m。每个球的球心 距离中心球的球心160m，球壳 表面电压V=－300MV。
3 主动防护方法
上方深色线表示没有防 护条件下的辐射剂量，中间 的最浅色线表示材料防护下 的辐射剂量，下方的浅色线 表示静电场防护下的辐射剂 量。 静电场防护结构需要在 防护区以外安装设备，因此 仅仅适合用于星球表面的辐 射防护，无法应用于载人飞 船。
图为静电场和材料防护条 件下的辐射剂量曲线：
二、磁场防护 所谓磁场防护是指在需要保护区周围产生一个磁 场，带电粒子进入该磁场将受到洛伦兹力作用，其运 动轨迹发生改变，无法到达受保护区。磁场防护方法 有约束磁场防护和非约束磁场防护两种。
（二）空间电离辐射：
载人航天不可避免地要暴露于外层空间的辐射环境，空间 的电离辐射源主要有3种:银河宇宙辐射、地磁捕获辐射和太阳 粒子事件。 银河宇宙射线是高速运动的粒子流，含有85%的质子，13% 的α 粒子，和电荷数大于2的其他原子核（约2%）。银河宇宙 射线的粒子能量很高，最高可达1020ev。在近地轨道，由于地 球大气层和地磁的过滤与屏蔽作用，银河宇宙射线强度大大减 弱。另一方面，银河宇宙射线的强度与太阳活动的周期有关。 当太阳活动最强时，星际间磁场最强，反之最弱。
• 卫星上某些有机材料在冷黑环境下会产生老化和变脆，影 响材料的性能。
六、空间原子氧环境与其效应
• 原子氧是低地球轨道大气的重要成分，美 国航天飞机的发射，使人们逐步认识到原 子氧环境的严重效应。特别对永久性空间 站，是必须考虑的一项重要环境。 • 在200-700km高度范围，大气的主要成分是 原了氧。原了氧对有机物与碳照会产生质 量损失，对银涂层产生氧化反应。
• 亚磁环境(hypomagnetic evironment)通常指远小 于地磁场的极弱的磁场环境，在某些研究文献中
表述为极低磁场、近零磁场或零磁空间等。
• 地球是一个大磁体，在其周围形成地磁场，地球
表面的磁场是不均匀的，赤道附近的磁场强度低，
两极处的强度略大，平均地磁场强度约5.0×105T。
• 在地球轨道上运行的空间站、航天飞机，虽然仍 在地球磁场的影响范围之内，但强度已经很弱， 并且随运行轨道的高度不同和太阳风的影响而波 动。 • 未来的载人星际探索活动，航天员将长期处于亚 磁或零磁环境中，已知银河系内星际空间的磁场 强度在0.1×10-9～1×10-9 T。月球是人类探索 的地球以外的第一个星球，月球基地将是人类未 来深空探测的中转站。月球磁场极弱，表面磁场 小于5.0×10-8 T，是地磁场的1/1000以下。
膨胀磁场与带电粒子的作用会 产生磁顶层边界，带电粒子无法 穿过磁顶层，会沿着磁顶层发生 偏转，实现对太阳风或其它高能 粒子的偏转，从而实现对航天员 和航天器的有效防护。 此外，通过调整飞行器姿态和 磁气圈的姿态，利用膨胀磁场与 太阳风之间所产生的相互作用， 可以实现对航天器的推进。右图 为利用等离子体引发磁场定向膨 胀空间工作示意图。
五、空间冷黑环境与其效应
• 不考虑太阳与行星的辐射．宇宙空间的能量密度约为105w／cm2，相当于温度为4K的黑体发出的热量。在太空， 卫星体的热辐射全被太空所吸收．没有二次反射，这一环 境称为冷黑环境，又称热沉。 • 卫星上可伸缩性的活动机构，如太阳帆板、天线等，由于 冷黑环境效应，会使展开机构卡死，影响其伸展性能。
2 空间辐射环境
三、空间高能带电粒子环境与其效应
（一）辐射概念： 辐射通常是指波动（电磁波或机械波）或大量的微观粒 子（如质子或α 粒子等）从它们的发射体发出到空间或 介质中并向各个方向传播的过程，也可指波动能量或微 观粒子本身。 根据辐射的构成，可分为电磁辐射和粒子辐射；根据其 能量的大小又可分为电离辐射和非电离辐射。电离辐射 是指能够通过直接或间接过程使作用物质产生电离的辐 射，如各种带电粒子（质子、电子、α粒子等）能够直接 使作用物质电离，而中性粒子（中子、Χ射线和γ射线） 可间接地使作用物质电离。
而在银河宇宙辐射的能谱中，注量较大的铁离子能量 约1GV/核子，26MeV/核子的增量与其相比可以忽略。护 方法
3
为了防止真空击穿，2个球壳上的电场密度均不能低 于3×107V/m，球的半径需要达到数百米。因此，同心球 结构很显然无法应用于星际航行中的辐射防护。为了解 决上述问题提出了另一种静电场防护结构。
4 总结
不同的空间辐射主动防护方法适用于不同的任务：
辐射生物学效应: 是指在一定条件下, 射线作用于生物机体,从机体吸
收辐射能量开始, 引起机体电离或激发，引发体内的各
种变化及其转归，使人体中生物大分子(如蛋白质分子，
DNA分子和酶) 的结构破坏，进一步影响组织或器官的正
常功能，严重时导致机体死亡。
八、空间碎片环境与其效应
人类太空活动造成的。（停止工作的航天器、未排完推进 剂的助推火箭末级 、碰撞爆炸产生的碎片、反卫星试验、固
体火箭排出的氧化铝颗粒）
对航天器的危害: ①舱壁穿孔；
②威胁舱外活动的航天员；
③损坏脆性体表面； ④温控涂层剥落； ⑤温控涂层性能改变； ⑥太阳电池阵损坏。
九、空间等离子体环境与其效应
先天性畸形 生长发育障碍
四、空间微重力环境与其效应
如果航天器不是一个纯质点，且有其他星球引力
的作用，因此，航天器总是处于微重力条件下(约有
10-4g大小的重力加速度)。 对航天器的姿态及轨道稳定性有影响，需要不断 校正，近地卫星更是如此。 对航天员的生理健康有影响，易疲劳。
微重力使航天器的结构设计发生了变化，可采用
辐射防护有被动防护和主动防护。带电粒子穿过物质的过 程中，逐渐损失能量，当物质的厚度大于带电粒子在该物质中
的散射时，粒子将不能通过而被阻止在物质中。利用物质的质
量厚度（如飞船舱壁物质等）进行空间辐射防护称为被动防护， 是载人航天中普遍采用的辐射防护方法。然而为了更好的实现
防护，需要提高被动防护层的平均厚度和最小质量显然对于载
空间环境及其效应
一、空间真空环境与其效应
• 航天器入轨后始终运行在高真空与超真空环境中， 所产生的效应如下。 • 压力差效应 • 真空放电效应 • 辐射传热效应 • 真空出气效应 • 材料蒸发、升华和分解效应 • 粘着和冷焊效应 • 空间大气密度对航天器的阻尼效应 • 真空下材料出气污染效应
二、空间弱磁场环境与其效应
躯体效应
躯体效应是指辐射在受到照射的个体本身诱发 出的各种效应（包括癌症），是生物体的体细胞受到
照射后产生的后果，因而不具有遗传性，受影响的只
是受到照射的个体本身。在辐射防护中提到效应时，
多指这类效应。
遗传效应
遗传效应是某个生物体在受到电离 辐射照射时其生殖细胞也受到照射，而
且受照射的生殖细胞内已产生了发生突 变的基因。
• 总之，空间环境极其复杂，各种环境效应 其成因及变化规律都需要仔细研究，并用 来指导航天器的设计制造以及运行。
轻质柔性结构，可用很小的力来移动伸展大型构件。
五、空间磁层亚爆环境与其效应
• 磁层亚爆是磁层的高纬地区夜半侧和磁尾的强烈 扰动。扰动区域包括整个磁尾、等离子体片及极 光带附近的电离层，持续时间约1—2h。 • 当磁层发生亚爆时，航天器与热等离子体相互作 用，能量高达几千甚至几万电子伏的电子，积累 在表面可使航天器表面的负电位达到几千伏，甚 至上万伏。造成航天器的充电放电效应。
根据以上对空间电离辐射源的分析可知：
1、太阳粒子事件是一种潜在的辐射危险源，载人航天持续时 间越长，遭遇太阳粒子事件的概率越大。在星际飞行期间遭遇 特大太阳粒子事件，可发生严重的急性电离辐射效应，甚至威 胁到航天员生命。
2、根据NASA发表的计算结果，深空的银河宇宙辐射可以使航 天员接受0.6Sv/a的剂量，该值已经超过了国际放射防护委员 会第103号报告推荐的职业照射剂量限值0.5Sv/a。
辐射效应的分类
按效应发生的个体
按效应表现情况
—大剂量照射的
急性效应—急性放射病
按剂量-效应关系
躯体效应
—受照射远期发生的效应
— 白血病 — 癌症 — 白内障 — 不育
确定性效应
特殊的躯体效应—宫内受照后
随机性效应
胚胎和胎儿的效应：致死性效应 先天性畸形 生长发育缺陷 远期恶性疾病的诱发
来自百度文库
遗传效应
—基因突变—发生在性细胞：遗传性疾病