航天员出个门要“看天”么？丨Calling太空
2021/7/3 8:00:00 中科院之声
"浩瀚的空天还有许多未知的奥秘有待探索"，为此，中科院之声与中国科学院国家空间科学中心联合开设“Calling太空”科普专栏，为大家讲述有趣的故事，介绍一些与空间科学和航天相关的知识。
2021年6月17日，神舟十二号载人飞船在酒泉卫星发射中心点火发射，并与天和核心舱完成自主快速交会对接，航天员聂海胜、刘伯明、汤洪波先后进入天和核心舱，并开展了各项在轨工作和实验任务。
我国航天员在空间站执行任务期间，将多次开展出舱活动。那么，当航天员走出空间站，零距离接触空间环境时，在茫茫太空中将遭遇什么样的空间环境威胁呢？如何才能在舱外安全地执行任务呢？
答案就是中国科学院国家空间科学中心提供的空间辐射环境保障服务，利用我国空间站自主的粒子通量和太阳活动监测数据，保障航天员出舱环境的安全。
载人空间站和航天员可能遭遇的空间环境辐射危害
中国载人空间站位于低地球轨道，设计寿命为10年，长期驻留3人，预计在2022年前后完成空间站在轨建造任务。在此期间，影响空间站运行和航天员飞行安全的轨道空间环境主要是高能带电粒子辐射环境和高层大气环境。
图1 中国载人空间站所处的空间环境
对于航天员而言，需要常驻在空间站。在不定期开展出舱活动期间，除了要面对舱外太空特殊的压力环境、真空环境、温度环境的挑战外，还要面对太空特有的空间辐射环境，遭受空间高能带电粒子辐射的概率大大增加。
空间高能带电粒子对航天员的辐射危害主要是辐射损伤效应，即高能带电粒子通过电离作用和原子位移作用，导致被辐射对象的物质内部分子结构出现缺陷；就像高速运行的汽车与人体相撞会造成人体损伤一样，高能量的辐射线与人体组织细胞相撞，会引起细胞损伤(如图2所示)。如果人体只是受到轻微的辐照，比如地面上的本底辐射，也就是自然界中原本就存在的辐射，人体细胞能够很快进行自我修复。但是，在受到较强辐射情况下，细胞无法及时修复，就可能造成细胞的死亡或永久损伤，导致异常细胞的出现，会使航天员感觉不适、发生辐射导致的各种疾患，在特定条件下甚至会导致癌变的发生。
图2 辐射形成的自由基对DNA的破坏
空间环境中的辐射源
地球周围的空间环境中，主要存在三种高能粒子辐射源：地球辐射带、银河宇宙线(GCR)和太阳质子事件(SPE)。
地球辐射带是高能带电粒子受地球磁场捕获而形成的强辐射区域，包括内辐射带和外辐射带，主要由高能电子与高能质子构成，靠近地球的内辐射带中心位于3000-4000公里左右。我国载人空间站轨道高度在500公里以下的低轨道，处于内辐射带底部。这个高度上的质子辐射带主要集中在南大西洋异常区SAA。辐射带高能粒子的能量相对不高，航天器的舱壁对它们能起到很好的屏蔽作用，但航天员在出舱期间，在南大西洋异常区遭受的高能粒子辐射剂量将大大增加。
银河宇宙线是来自银河系超新星爆发时的高能粒子，能量很高，但通量较低，一般不会造成显著的短期效应，但长期暴露在银河宇宙线中会增加不育和癌症的风险。我国载人空间站轨道高度和倾角都比较低，地磁场屏蔽了大部分的银河宇宙线，因此影响很小。
太阳质子事件是太阳爆发活动产生的高能带电粒子流，持续时间从几分钟到几天不等，主要成分是质子，与银河宇宙线类似。在载人空间站轨道上，受地磁屏蔽的影响，一般级别的太阳质子事件对载人航天产生的辐射危害较小，只有级别比较高的太阳质子事件会产生较大的辐射危害，对载人空间站和出舱活动构成严重威胁。
航天员出舱的空间环境保障服务
航天员在太空中执行出舱任务时，脱离了空间站舱壁的保护，将不可避免地暴露于空间辐射环境当中，虽然穿着厚厚的航天服，但与空间站舱内相比，受到的空间辐射威胁大大增加，因此分析和预报辐射环境的特点及其可能对人体的损伤，进而采取必要的措施，降低航天员接受的辐射剂量，降低危险，对载人航天是十分必要的。
从神舟一号到神舟十一号，从天宫一号到天宫二号，中科院国家空间科学中心就一直是我国载人航天任务空间环境保障的承担单位，保障了历次发射任务都避开了太阳质子事件。
图3 历次发射任务均避开太阳质子事件
在载人空间站运行阶段，针对航天员的出舱任务，需要通过空间环境预报来协助航天员进行重点防护和规避辐射环境的危害。例如，太阳质子事件的提前预警，对空间站穿越南大西洋异常区边界的提前预报等。
由于我国载人空间站将在轨运行10年甚至更长时间，为了保障空间站长期运行安全，在天和核心舱上携带了中科院国家空间科学中心自主研发的空间环境要素监测载荷，包含1台粒子通量和太阳活动探测器和2台大气密度多向探测器，载荷设计寿命不少于15年。截至目前，空间环境要素监测载荷已经成功获取了高能粒子通量、太阳X射线流量、大气密度等大量探测数据，通过对探测数据的处理和分析，结果显示，自主的数据能够准确、灵敏、及时地反映空间环境要素的参数特点及其变化规律，具备为空间站保驾护航的能力，特别是在南大西洋异常区，自主探测的高能粒子通量数据能比较精确地给出该区域的辐射环境状况。
图4 天和核心舱空间环境要素监测载荷安装布局
在空间站后续运行期间，空间环境要素监测载荷将长期、连续、实时提供空间环境探测数据，为空间站可靠运行和实验任务实施提供准确的空间环境要素数据。
图5 空间站自主探测的大于9MeV质子通量分布
目前，中科院国家空间科学中心已经将我国空间站自主探测到的高能粒子数据应用到南大西洋异常区的通量和边界轮廓搭建中，提供空间站辐射安全评估和出舱活动空间环境预报，保障航天员在轨飞行安全。通过计算南大西洋异常区的高能粒子辐射水平，预报空间站穿越南大西洋异常区的时间，协助航天员进行出舱活动时规避南大西洋异常区的辐射危害，从而保障出舱活动的顺利进行。
通过自主的高能粒子探测数据，还可以给出轨道高度的太阳质子通量状况，可以用于预报和分析近期有无质子事件发生。当可能发生比较大的太阳质子事件时，能够向有关部门及时提出建议，采取相应的规避措施，避免太阳质子事件的辐射危害。当发生比较大的太阳质子时，我们能够获得空间站轨道上各个能道的太阳质子平均通量和峰值通量等，以及空间站轨道舱内外的累积剂量，这些数据将对分析太阳质子事件的危害水平发挥重要作用。
后续的空间环境保障
天和核心舱发射成功，中国航天员首次进入自己的空间站，标志着我国载人空间站进入大踏步建设阶段。在未来的空间站在轨运行阶段，针对更加频繁的航天员出舱、交会对接、空间科学实验等任务，中科院国家空间科学中心将继续基于我国自主探测积累的更加精密的空间环境要素数据，提供及时的空间环境预报信息，保障载人空间站运行和航天员飞行的空间环境安全。
图6 中科院空间环境预报保障团队
作者：李志涛 钟秋珍 韦飞
来源：中国科学院国家空间科学中心
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