载人深空探索中空间辐射防护技术的研究进展

空间辐射防护是载人深空探索任务中降低航天员的空间辐射损伤和致病风险,确保航天员健康与安全的重要保障措施.然而,由于空间辐射环境的独特性与复杂性,目前的辐射防护技术面临着一系列的问题与挑战.本文在分析载人深空探索任务中空间辐射环境特点的基础上,系统综述了空间辐射防护技术中物理防护和生物医学防护技术的研究进展,提出了深空探索任务中空间辐射防护研究涉及的关键技术问题以及后续开展深入研究的一些设想,可为载人深空探索任务的实施提供参考与借鉴.     

中国空间辐射生物研究面临的挑战和机遇

<正>中国神州系列飞船的成功发射和天宫系列建设任务的顺利实施,再次引发航天潮.美国提出了重返月球、登陆火星等计划(NASA Strategic Plan 2014, www.NASA.gov),俄罗斯、日本和印度等国也不甘落后,欧洲甚至提出移民火星.但是,外太空是个混合辐照场,空间辐射的能量高、富含高能带电(high atomic number and high energy,HZE)粒子,对航天员的健康威胁在任何情况下都必然存在,是任何空间探索任务都不可回避的问题.对于登陆火星和月球殖民等长周期深空探索任务而言,航天员面临的最大挑战是空间辐射诱导的肿瘤发生、心血管疾病等健康问题.     

航天员出舱活动

中国将于2008年10月发射神舟7号载人飞船,进行航天员首次空间出舱活动试验,这是我国载人航天工程"三步走"发展战略第二步的首次重要飞行,出舱活动试验技术难度高风险大,面临着前所未有的挑战.它对于我国突破和掌握出舱活动技术,进一步推动载人航天事业向更高水平发展具有重大意义.     

空间辐射物理及应用研究现状与挑战

空间辐射物理及应用主要研究航天器的辐射效应及提高其可靠运行能力的理论与关键技术,是涉及核科学与宇航电子学的交叉学科,主要包括空间辐射环境模拟、辐射测量、辐射效应与加固等.空间辐射损伤是影响航天器在轨长期可靠运行的重要因素之一,随着微电子和航天技术的发展,空间辐射物理研究面临许多新的挑战.本文围绕空间辐射环境研究与模拟、辐射测量技术、辐射效应机理、电子元器件与系统抗辐射加固技术等方面,深入分析国内外研究现状、热点及面临的挑战,梳理急需解决的关键基础问题,提出我国空间辐射物理及应用研究发展建议.     

宇宙辐射生物学

虽然空间生命科学的研究范围非常广泛,但从空间环境因素的影响来看,最核心的内容主要是两个:微重力和宇宙辐射。以往的载人航天,由于是在近地轨道上进行,而且在轨道上停留的时间也不很长,因此宇宙辐射对航天员的危害并不突出。但是随着载人航天技术的发展,特别是更先进的载人空间站的出现,使得航天员在轨道上停留的时间越来越长,并有可能在高轨     

基于大型航天器的微小卫星伴随飞行技术

2008年9月25日,我国成功发射神舟七号(SZ-7)载人飞船,此次神舟七号载人航天飞行的主要任务是实施我国航天员第一次空间出舱活动,突破和掌握出舱活动相关技术,同时开展卫星伴飞、卫星数据中继等空间科学和技术试验.     

深空探测之前沿科学问题探析

深空探测的驱动力源于人类探索未知的天性,是科学研究的前沿领域之一.自二十世纪六七十年代的月球探测高潮以来,人类的深空探测任务已经实现了对太阳系八大行星等主要天体的探测,获得了大量的科学发现,同时也发现了更多未解之谜.进入21世纪以后,人类深空探测迎来了又一次高潮,参与探测的国家和探测任务的数量都有了巨大提升,技术的发展也提高了探测的成功率.从太阳系形成到生命出现并演化到智慧生物,太阳系经历了复杂的演化过程,地球和其他行星环境经历了剧烈变化.要证实和重建这个过程还有大量科学问题有待回答,需要依赖更多精密计划的深空探测任务去寻找线索.太阳系的形成与演化、行星宜居性、地外生命探索等是当前深空探测的核心科学内容.前太阳系物质组成、太阳系的初始状态、行星系统的形成过程是太阳系形成与演化研究的关键科学问题,类地行星沿不同路径演化的原因是行星宜居性研究的重要方面.地外生命探测是深空探测的核心内容之一,生命的起源与演化、地外生命信号识别、地球极端环境类比等是主要的研究内容.针对已经计划和正在论证的深空探测任务,系统梳理其中的前沿科学问题及其研究现状和研究手段,能够为深空探测任务的科学规划提供参考,孕育...     

从神一到神十 中国载人航天的突破

按照中国航天事业发展规划,中国载人航天工程计划分三步来实施。第一步是发射无人和载人飞船,将航天员安全地送入近地轨道,进行对地观测和科学实验,并使航天员安全返回地面。神舟五号飞船首次载人太空飞行的成功,实现了第一步的发展战略。第二步是继续突破载人航天的基本技术:多人多天飞行、航天员出舱在太空行走、完成飞船与空间舱的交会对接。在突破这些技术的基础上,发射短期有人照料的空间实验室,建成完整配套的空间工程系统。神舟十号任务完成后,意味着中国圆满完成载人航天工程第二步第一阶段目     

航天员医学监督与医学保障

航天员医学监督与医学保障（简称医监医保）,是研究如何应用预防医学、临床医学、心理医学和航空航天医学的基本原理、技术方法和研究成果,预防和消除不良因素对航天员健康影响,全面实施不间断医学保障,以维护航天员身心健康,使之适应于航天特殊环境因素的训练和航天飞行,顺利完成载人航天任务.     

我国首次应用性太空飞行

正[本刊讯]2013年6月11日17时38分,搭载着3名航天员的神舟十号飞船在酒泉卫星发射中心成功发射,中国天地往返运输系统首次开启应用性太空飞行。神舟飞船和长征二号F火箭组成的天地往返运输系统已成为除俄罗斯"联盟号"飞船外,世界上第二个可供人员和物资天地往返的实用性系统。本次任务的主要目的有四项:一是为天宫一号目标飞行器在轨运营提供人员和物资的天地往返运输服务,进一步考核交会对接技术和载人天地往返运输系统的功能和性能;二是考核组合体对航天员生活、工作和健康的保障能力,以及航天员执行飞行任务的能力;三是进行航天员空间环境适应性和空间操作工效研究,开展空     

宇航器件空间辐射效应研究面临的新问题

正空间辐射物理及应用是研究空间辐射环境生成与模拟、辐射测量、辐射效应与抗辐射加固等的科学,属于核科学、宇航电子学、材料等科学的交叉学科,是电子器件和系统抗辐射加固的基础,是航天器在轨长期可靠运行的关键技术,是核大国和航天大国研究的重点和热点.航天器工作在与地面完全不同的环境中,空间辐射对航天器的影响是必需考虑的问题.空间辐射损伤已经成为航天器故障的主要原因,约占在轨故障的45%.     

空间机器人的研究与仿壁虎机器人关键技术

简要回顾了国内外空间机器人的应用需求、结构性能和未来发展,提出空间机器人面临的科学问题和关键技术.空间机器人可分为机械臂系统、带陪护功能的机器人和检测服务机器人,特别关注基于范德华力机制,有望实现微重力下在空间站表面实现仿生壁虎机器人及干黏附的进展和关键技术.机械臂系统应特别关注满足高刚度结构轻量化需求的新材料、新设计和新制造技术、机械臂-作业对象-空间站多体系统动力学、真空-微重力-高低温-宇宙辐射特殊环境下机械臂运动系统的润滑技术等问题.带陪护功能的机器人需要研究在密闭、狭小、失重环境下,航天员生理、心理和行为的变化规律及其机器人构型、陪护效果和辅助作业的要求和解决方案,研究陪护需要的高级人工智能技术,从语音识别、表情识别到自然语义理解等交叉学科的问题.检测维护机器人的关键是发展高低温、空间辐射、真空及微重力下实现固体间的稳定接触技术、干黏附微纳米有序刚毛阵列的制造技术和基于干黏附的机器人设计和运动规划技术.     

空间对接机构综述

空间对接技术和对接机构已经成为航天技术的一个重要方向 ,是载人飞行的关键技术 ,也是今后扩展卫星应用能力的一个重要手段。图为“神舟” 4号箭船对接前　　言对接机构最早是用来进行载人飞行技术的重要部分 ,实现飞行器之间 (如飞船、航天飞机、空间站等 )在宇宙空间的连接 ,航天员可以从一个飞行器转移到另一个飞行器。例如前苏联 /俄罗斯空间站飞行中 ,航天员利用飞船与空间站对接进入空间站 ;还有美国登月飞行中 ,航天员利用登月舱与“阿波罗”飞船对接进入飞船等。对接技术和对接机构是载入飞行技术发展的关键技术。由于运载能力的限…     

载人火星之旅"单程票"

过去几十年来,载人火星之旅一直是人们的一个梦想。但是,随着人们越来越意识到所面临的巨大挑战,这个梦想似乎变得越来越遥远——前往火星的长途旅行中,宇航员的健康将受到零重力和高辐射的严重威胁.     

太空出舱的幕后故事

正2021年7月4日,在中国空间站天和核心舱外,神舟十二号航天员聂海胜、刘伯明和汤洪波携手打赢了一场约7个小时的太空出舱配合战。这是继2008年神舟七号载人飞行任务后,中国航天员再次实施的空间出舱活动,也是我国空间站阶段航天员首次出舱活动。     

SOI材料和器件抗辐射加固技术

绝缘体上硅(SOI)技术是一种在硅材料与硅集成电路巨大成功的基础上发展起来的,有独特优势的并且能够突破传统硅集成电路限制的新技术.绝缘埋层(BOX)的存在使得SOI技术从根本上消除了体硅CMOS中的闩锁效应.在同等工艺节点下其单粒子翻转截面较体硅CMOS技术小了1~2个数量级,抗瞬时剂量率的能力也提高了2个数量级以上.这些固有优势使得SOI技术在军事和空间应用中具有举足轻重的地位.然而,在空间和核爆等电离辐射环境下,辐射将会在BOX层中引入大量的陷阱电荷.这些辐射感生的陷阱电荷会导致SOI器件和电路性能的退化,从而严重阻碍和制约了SOI技术在抗辐射加固中的应用.另一方面,SOI器件的寄生三极管放大效应会削弱SOI技术在抗单粒子辐射和瞬态辐射方面的优势,这使得抗辐射SOI器件与电路的加固设计面临着严峻的挑战.本文介绍了SOI器件中3种主要的电离辐射效应并对比了体硅器件和SOI器件辐射效应的差异.针对寄生双极晶体管导致SOI器件单粒子效应和剂量率效应敏感性增强的问题,提出了相应地减弱寄生双极晶体管效应的加固方法.针对SOI器件抗总剂量效应差的问题,分别从材料工艺和器件结构两个层次介绍了SOI器件的总剂量加固技术.     

“飞天”航天服:微型载人航天器

众所周知,太空的高真空、高洁净、强辐射等自然条件对人体来说是一个致命的环境,人一旦暴露在太空中,就将面临失压、缺氧、低温和辐射损伤四大危险,所以,人要离开航天器进入开放的太空,必须使用复杂的出舱活动系统硬件和软件来克服空间环境的影响。出舱活动系统的硬件主要包括气闸舱、舱外航天服及其生命保障系统、固定航天员身体的设备以及安全带、载人机动装置、出舱活动用的特制工具等;     

航天员选拔与训练

2003年和2005年中国成功进行了神舟5号和神舟6号载人航天飞行,中国成为继美、俄之后世界上第三个用自己研制的载人航天器将自己选拔训练出的航天员送人太空的国家!2008年9月,中国又成功进行了航天员首次空间出舱活动试验.     

空间介质充放电研究现状及展望

空间环境与航天器介质材料相互作用引起的介质充放电现象是威胁航天器安全运行的重要因素之一.尤其是随着航天器工作电压的提高,该问题尤为突出,严重制约了高电压、大功率航天器的发展.本文综述了国内外空间介质充放电领域的研究现状、存在的问题及未来发展.首先,介绍了空间介质充放电现象及其危害,当前我国航天器发展对空间介质的工程需求;分析了空间介质充放电发展历程及新时期深空探测、国际空间站的发展对空间介质的新要求和挑战.其次,从介质充放电机理、放电抑制措施、数值计算和计算机仿真等方面,总结了介质表面充放电和介质深层充放电的研究现状和存在问题.再次,介绍了空间介质充放电试验与材料特性的研究热点问题.包括:电子辐射下表面电位衰减与材料特性;电子辐射下介质内部空间电荷原位测量与材料特性;电子辐射下介质真空沿面闪络特性.最后,结合当前研究中存在的问题,展望了空间介质带电领域亟需解决的科学问题.     

空间X/γ射线探测中的关键问题

空间作为科学探索与发现的处女地、基础与工程研究的极端环境综合实验室有其独特优势.在空间科学探测研究中,无论是自然物理现象研究,还是地外资源、灾害研究和国家安全应用研究,X/γ射线探测已经成为不可缺少的手段.自然界有很多未解的科学之谜,其探索和研究与X/γ射线辐射探测密切相关,基础研究关键科学问题有:暗物质与暗能量、超新星爆发、黑洞形成、月球与行星演化、宇宙起源等;地外空间的可用资源;国家安全与空间灾害研究等等.此外,空间X/γ射线辐射探测研究与应用和地面不同,因发射与空间环境要求,空间辐射探测仪器除了具有良好的性能外,还应具有高可靠的品质.因此,还有多个关键技术难题须攻克.空间辐射物理研究与应用前景广阔.与美国、俄罗斯、日本等及欧洲的空间科技强国相比,我国启动较晚,投入较少,工业基础底子薄,相对落后,尤其空间X/γ射线探测与应用相对基础更为薄弱,应引起高度重视,且当加大投入与支持,努力使中国成为科学强国.