近日，国外自媒体发布推文称“阿尔忒弥斯-2”中的4名航天员在任务中受到了严重辐射剂量，使他们无法再次飞行，并以此解释4人全部辞职或将永久离开飞行状态。然而在目前可核对的公开材料里，看不到足以支撑严重照射导致医疗停飞的剂量数据，缺乏足够的证据。那么，在这次乌龙事件的背后，航天员在太空中都会遭遇哪些类型的辐射挑战？又有哪些妙招可以帮助航天员抵御辐射威胁？
危机四伏的太空辐射
太空并不是温和的，其中蕴含着大量的高能粒子，但对于在地球上生存的人来讲影响并不大，这得益于地球磁场和大气层的保护，而当人类迈入近地轨道，乃至飞向更远的深空时，高能粒子带来的辐射影响就变得不可忽视了。
太阳宇宙射线图解
目前的载人航天飞行中，主要的辐射来源为地球辐射带捕获粒子、太阳粒子事件和银河宇宙线。太阳粒子事件由太阳活动产生，主要是质子，具有一定随机性，银河宇宙线虽然总剂量很有限，但其单粒子能量极高，防护难度较大。
在近地轨道飞行中，得益于地球磁场的保护，在低倾角近地轨道任务中，辐射来源是银河宇宙线和南大西洋异常区，后者是地球辐射带的一个特殊分支，从距离地面数千公里的辐射带下探至200公里。随着轨道高度增加，辐射强度会迅速上升，因此绝大部分的载人应用飞行和空间站任务都会选择低倾角和不太高的轨道。
而当载人航天任务离开地球磁场的保护后，将面临更加复杂的环境。在地月空间飞行期间，将全程面对银河宇宙线和太阳粒子事件。在近月轨道空间还将面对银河宇宙线击中月面产生的次级中子辐射。
对抗辐射有妙招
防护粒子辐射也需要“分级”设计。其核心原理是使用各类材料尽可能消耗粒子的能量并使之停止，同时尽可能减少次级粒子的产生。对于高能粒子来说，尤其是银河宇宙线粒子，其能量可达吉电子伏特级别，对其进行彻底防护是不现实的。银河宇宙线粒子的极高能量撞击防护板时不会被挡住，而是会将组成防护板的原子打碎，并喷出来一大堆能量同样不低的质子和中子。
对于带电粒子的防护，最好采用具有较高电子密度的材料，氢元素的电子密度最高，因此成为良好的防护选项。还应该选择尽可能轻的元素组成，这样被高能粒子撞击时产生的次级粒子更少。在富含氢且由轻元素组成的物质中，高密度聚乙烯成为一种良好的选项，其氢元素质量比达14%，实测的屏蔽效率高于铝合金，目前已在载人航天任务中广泛使用。除了聚乙烯外，水或其他的轻金属氢化物也可以作为一种选择。
中子因为不带电，对其的防护比带电粒子的难度要大不少，主要的办法是使之减速并想办法吸收。由于氢元素核的质量接近中子，其减速效率最高，因此富含氢元素的聚乙烯和水再次成为慢化中子的优选材料，除此之外，聚四氟乙烯也有较好的慢化效果。中子被减速后再使用中子俘获截面更高的材料进行吸收，如硼或锂的同位素。目前研究中的复合粒子屏蔽材料通常会在聚乙烯复合材料层中加入一系列含硼材料，实现对带电粒子和中子的综合防护。
在地月空间和环月轨道上，航天器离开了地球辐射带的粒子辐射环境，在没有太阳质子事件发生时，航天器将只面临银河宇宙线和低能太阳风，其电离辐射剂量几乎可以忽略不计。但银河宇宙线击中月面可能产生的高能次级散射中子，会对航天员的健康造成影响。而航天器失去地球磁场的防护后，一旦遭遇特大太阳质子事件，则需要由航天器进行辐射屏蔽。对于载人深空航天器，通常采用多层屏蔽，不仅有硬件防护，还需要通过舱内物件环绕载人舱等以提供额外防护。
除了已有的被动防护外，目前也有一系列主动辐射防护技术，如美国宇航局提出使用高温超导技术生成磁场以防护高能太阳质子和银河宇宙线，并探索了大型轻质薄纱空间结构、铝涂层聚酯薄膜原型、静电膨胀膜等结构偏转带电粒子的能力。但目前主动防护技术仍然存在尺寸、功耗过高等问题，且无法防护中子，仍处于概念和地面验证阶段。
未来的载人火星任务将使用裂变火箭发动机或裂变电推进系统，而裂变推进系统通常为了减重会采用快中子堆，这就会产生通量远大于银河宇宙线次级中子的快中子流。因此还需要对裂变反应堆产生的快中子进行防护。
但裂变热推进的好处在于其采用的推进剂为液态氢，对快中子具有极其良好的缓冲能力，反而有助于航天员的防护。对于深空飞船还可以设置单独的“安全舱”，单独覆盖大量的防护材料，以在面对特大太阳质子事件时提供足够的防护。
对于月球基地和火星基地来说，由于这些天体没有全球磁场的保护，在面对特大太阳质子事件时完全依赖舱段进行安全屏蔽所付出的代价会很大.
因此目前研究的地外天体基地概念会优先考虑熔岩管道，通过将舱段埋设在熔岩管道中，使用天体表面防护太阳质子和银河宇宙线。即使没有熔岩管，也会有堆土覆盖舱段提供防护的方式。
来源/《中国航天报·飞天科普周刊》，原标题《探月航天员因辐射停飞系误读，它的危害却不能忽视》
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