朱國陽 王棲溪 楊文凱

太空輻射環(huán)境對航天員的影響與防護

朱國陽 王棲溪 楊文凱

南大西洋磁異常區(qū)10～300兆電子伏質(zhì)子通量分布示意圖

太空環(huán)境輻射來源

太空環(huán)境輻射主要由銀河宇宙線、太陽高能粒子、南大西洋異常區(qū)輻射帶粒子組成。

銀河宇宙線

銀河宇宙射線是來自太陽系之外的高能量帶電粒子流。粒子的能量為108～1 020電子伏，通量密度為2～4個／（平方厘米·秒）。由于它們具有很高的能量，厚度達10厘米的鋁板也無法完全阻擋，反而因粒子與金屬的相互作用會產(chǎn)生次級輻射粒子，從而增強了其后空間內(nèi)的輻射強度。高能粒子通過物質(zhì)時會產(chǎn)生強的電離作用，從而對生物大分子造成較大的損傷，其中重離子在銀河宇宙射線中危害最大，它不僅能穿透航天器的艙壁，而且擊中人體后能造成組織器官的嚴重損傷。

太陽質(zhì)子事件

太陽風暴爆發(fā)時會釋放大量高能量的帶電粒子，包括質(zhì)子、電子、重核粒子流，其中絕大部分粒子是質(zhì)子，因此將這類事件稱為太陽質(zhì)子事件。太陽質(zhì)子事件高能粒子流與地面放射性物質(zhì)發(fā)出的射線一樣具有致命的放射性，能夠穿透太空艙和宇航服，引起航天員身體器官的物理損傷。太陽質(zhì)子事件通?？煞譃閮深悾好}沖型質(zhì)子事件和漸進型的質(zhì)子事件。一般認為短時脈沖太陽質(zhì)子事件是由于耀斑引起；大而緩慢且持續(xù)時間長的太陽質(zhì)子事件是由于日冕物質(zhì)拋射事件引起。

南大西洋異常區(qū)輻射帶粒子

由于地磁場與地球自轉(zhuǎn)軸的偏離（約11.5°)，地磁場磁力線在南大西洋15°N～55°S，15°E～90°W區(qū)域幾乎垂直下降，該區(qū)域即為南大西洋磁異常區(qū)。在該磁異常區(qū)內(nèi)帶電粒子可以更深入到低海拔高度，因此輻射帶粒子密度高，導致了所謂的南大西洋異常。南大西洋異常區(qū)16千米～320千米的高度范圍內(nèi)，能量大于30兆電子伏的質(zhì)子通量甚至比其他區(qū)域相同海拔高度處高出4個數(shù)量級之多，可對在該區(qū)域低軌道飛行中進行艙外操作的宇航員構成威脅。

太空輻射環(huán)境對航天員的影響

目前航天員所處的近地空間存在著大量高能質(zhì)子、電子和重離子，可對在軌的航天員造成輻射傷害，尤其當航天員出艙時，輻射有可能在短時間內(nèi)造成航天員體內(nèi)的累積劑量超過其一年所允許的最大安全輻射劑量，引發(fā)人體的細胞、組織和器官等的損傷。

太空輻射環(huán)境對航天員的危害可分為早期和遠期兩類效應。太空輻射環(huán)境對人體的早期效應表現(xiàn)為電離作用導致的直接損傷，導致血液機能降低、皮膚紅斑、脫毛、生殖機能障礙等，通常消化系統(tǒng)、血液系統(tǒng)和皮膚等部位最先出現(xiàn)癥狀：血小板和白細胞減少、出血和感染、皮膚出現(xiàn)紅斑等，這些癥狀一般在遭受輻射后幾天到一周內(nèi)出現(xiàn)。血液系統(tǒng)的損傷很大程度上取決于輻射對骨髓和淋巴組織的傷害，主要原因是細胞正常分裂受到抑制或細胞死亡；皮膚受損程度主要取決于照射劑量，照射劑量越大，皮膚受損越嚴重，若照射劑量達到400～800拉德，照射后幾小時至一天之內(nèi)皮膚即可出現(xiàn)紅斑；人體性腺對輻射非常敏感，長時間小劑量的輻射即可引起卵泡破壞和卵巢生殖上皮增生，從而造成生殖機能障礙。

太空輻射環(huán)境對人體的遠期效應則包括：癌癥、遺傳效應、白內(nèi)障等。高能粒子輻射穿入人體細胞，使得組成細胞的分子電離，損壞了細胞的正常功能，出現(xiàn)細胞DNA的錯誤修復或者不完全修復，導致細胞變異，變異細胞的增殖失控，并對周圍組織的侵入或向遠離部位轉(zhuǎn)移，從而導致細胞癌變，輻射致癌的概率隨著接受劑量的增加而增大；人體中的水分子吸收大部分輻射而電離時，形成了具有高度活性的自由基，這些自由基直接損傷生殖細胞的遺傳物質(zhì)DNA而導致突變，這種生殖細胞的變異向受照者的后代傳遞，引起后代遺傳性異常或遺傳性疾??；輻射可使人眼晶體上皮細胞的有絲分裂抑制和死亡，受損細胞及其分解產(chǎn)物發(fā)生沉積并出現(xiàn)點狀渾濁，從而導致白內(nèi)障。研究證明，隨著輻照劑量的增加，白內(nèi)障的發(fā)生率增加，其潛伏期縮短。

太空輻射環(huán)境的防護措施

太空輻射環(huán)境的客觀存在及其對航天員健康的影響，使太空輻射環(huán)境防護成為載人航天任務中重要任務之一。經(jīng)過長期的空間輻射環(huán)境分析及地面輻照效應的研究，美國航天局已于20世紀80年代正式把宇航人員列為放射性工作人員，并于1990年提出了對這些人員的低軌飛行適用的輻照限值。為了保護宇航員的安全，制定防止太空輻射的對策尤為重要。

高能粒子造成人體DNA損傷

（一）開展太空環(huán)境災害性事件預報

對太空輻射環(huán)境進行監(jiān)測，并對可能發(fā)生的災害性事件做出預報，是選擇合適的航天器發(fā)射時間和宇航員出艙時間的重要參考依據(jù)。根據(jù)預報結果，判斷輻射風險、合理規(guī)劃航天活動時間安排，在災害性事件發(fā)生期間，宇航員應停止出艙活動，必要時采取進入防輻射艙等防護措施，降低太空輻射環(huán)境對航天員身體健康造成的影響。

（二）加強航天器的防護設計

減少太空輻射環(huán)境對航天員的傷害，最簡單有效的方法是使用物理屏蔽層進行防護。對太空輻射環(huán)境的物理屏蔽分為被動屏蔽和主動屏蔽兩種：被動屏蔽(通常也稱為質(zhì)量屏蔽)是指利用航天器的艙壁作為屏蔽材料，是目前常用的太空輻射防護方法。其原理是帶電粒子在貫穿屏蔽物質(zhì)的時候逐漸損失能量而沉積下來，當屏蔽材料的厚度大于粒子在其中的射程時，入射粒子將沉積在屏蔽材料中而實現(xiàn)對航天器和航天員的防護，例如國際空間站睡眠艙內(nèi)鋪設了塑料吸收層，較好地降低了艙內(nèi)的輻射劑量。主動屏蔽是在飛船座艙和居住艙周圍形成人工強磁場，使射向飛船和居住艙的輻射粒子偏離，不能進入艙內(nèi)，如美國國家航空航天局和歐洲空間局正在研究的超導磁場、靜電場和等離子場帶電粒子屏蔽。

（三）使用輻射防護藥物

研究表明，人體受到輻射前后服用一些藥物能減輕輻射造成的損傷和反應，因此可以通過讓航天員服用特定的輻射防護藥物來增強其抵抗空間輻射的能力。輻射防護藥物可以分為抗輻射藥物和生物防護藥物兩類：抗輻射藥包括氨硫基類化合物、色氨類化合物等，能抑制受輻射機體中某些初期的輻射化學和生物化學的過程發(fā)展，但存在一定的毒副作用，且只有在大劑量輻射后才能發(fā)揮最大效果；生物防護藥物則是通過增強機體對外界不良因素的抵抗力，從而達到減輕輻射損傷的目的，優(yōu)點是無毒副作用，如維生素類藥物、人參等中成藥物。此外，在選拔航天員時，也要充分考慮不同航天員對輻射危險的易感性，將抗輻射能力作為選拔航天員的參考依據(jù)。