首次评估在Artemis I任务中飞行验证的用于人类深空探索的可穿戴辐射防护装备

《SCIENCE ADVANCES》：First evaluation of wearable radiation protection for human deep space exploration, as flown on Artemis I

　　

摘要翻译
随着延长时长的载人深空任务准备工作不断推进，太阳粒子事件（solar particle event, SPE）对航天员的健康风险日益凸显。为应对这一危害，研究人员在Artemis I任务期间测试了AstroRad背心——一种提供靶向器官防护的个人辐射屏蔽服。两个配备内部和外部被动及主动剂量计的人体女性模型被搭载于猎户座飞船飞行：一个不穿屏蔽服，另一个穿戴AstroRad背心。研究人员利用内范艾伦辐射带穿越期间的主动剂量计测量数据进行外推，以模拟SPE场景，预测对于类似1972年8月的SPE，有效剂量可降低约60%，对于类似1989年10月的SPE，有效剂量可降低近40%，具体数值随解剖模型略有变化。这种降低可使航天员分别免于相当于最多193天和131天的深空辐射暴露。这些发现表明，诸如AstroRad之类的可穿戴屏蔽装备可成为安全且可持续的人类深空探索的关键要素。

论文解读文章

**研究背景与问题**
在阿波罗任务结束50余年后，NASA的Artemis计划旨在使人类重返深空，包括在月球轨道建立长期驻留、实现月面定期着陆，并最终将人类送上火星。然而，离开低地球轨道（low Earth orbit, LEO）后，地球大气层和磁场所提供的天然屏蔽不再存在，航天员将暴露于成分复杂、时空变化剧烈的空间辐射环境中。其中，偶发且不可预测的太阳粒子事件（solar particle event, SPE）对航天员安全构成尤为严重的威胁。SPE由太阳爆发产生，主要包含质子，其能量谱单调递减；事件期间，能量超过10 MeV的质子通量可增加四至五个数量级，持续数小时至数天。与低通量但穿透性更强的银河宇宙射线（galactic cosmic radiation, GCR）不同，SPE辐射中较低能量的质子可被实际厚度的材料屏蔽所衰减。然而，由于SPE通量在大约1天文单位外接近各向同性，任何辐射屏蔽都需最大化立体角覆盖。受航天器质量约束，无法对整个船体施加有效厚度的屏蔽；而将等效屏蔽厚度集中于航天员最敏感的器官和组织周围，以背心形式穿戴，则质量代价显著降低。为此，StemRad与洛克希德·马丁公司联合研制了名为“AstroRad背心”的个人辐射屏蔽服，用于在深空SPE期间保护航天员，降低辐射诱发癌症风险以及本就较低的急性辐射综合征（acute radiation syndrome, ARS）概率。该背心采用靶向屏蔽架构，其厚度空间变化与身体各点下方组织提供的自屏蔽程度呈反比，这种优化同时改善了人体工效学。此前，该背心已在国际空间站（ISS）上的“舒适度与人为因素AstroRad辐射服评估”（Comfort and Human Factors AstroRad Radiation Garment Evaluation, CHARGE）任务中进行了微重力条件下的工效学评估（2019至2022年）。
**研究目的**
本研究的目的是在真实深空环境中首次测试AstroRad背心的辐射屏蔽效能。该测试在NASA无人月球任务Artemis I（2022年11月16日至12月11日）期间进行。两个相同的组织等效放疗级女性躯干剂量模型（“matroshkas”）被安装在猎户座飞船的3号和4号座椅上，作为Matroshka AstroRad辐射实验（Matroshka AstroRad Radiation Experiment, MARE）的一部分。MARE是由德国航空航天中心（DLR）、以色列航天局（ISA）和NASA共同领导的国际科学合作项目，并得到StemRad和洛克希德·马丁公司支持。该实验是首次在太空中测量可穿戴屏蔽对人类模型内部辐射剂量沉积的影响，也是首次在LEO之外绘制人体模型内剂量沉积图谱。选择女性模型是因为女性辐射诱发癌症风险更大。位于3号座椅的模型名为Zohar，由ISA提供，穿着AstroRad防护背心；位于4号座椅的模型名为Helga，由DLR提供，未穿背心，作为辐射暴露基线（Helga并非严格意义上的实验对照，因为4号座椅的中位铝屏蔽厚度为24.84 g/cm2，而3号座椅为24.40 g/cm2）。由于Artemis I期间未发生SPE，对AstroRad背心预期用途效能的评估依赖于基于该任务内范艾伦带穿越期间实测数据的模型外推，即将内带质子谱替换为两个历史重大SPE（1972年8月和1989年10月）的谱模型。此方法可行是因为地球内范艾伦带的质子谱与典型SPE质子谱具有相似的能量范围和分布，尽管前者偏向更高能量（更具穿透性）。
**主要关键技术方法**
研究人员在GEANT4平台上开发了任务校准的蒙特卡罗辐射输运模拟，用于重现Artemis I内范艾伦带穿越期间的实验条件。首先利用射线追踪方法，基于制造级Orion CAD模型生成Orion飞船船体各向异性的面密度和材料分布；随后将仿真结果与主动剂量计实测数据进行对比验证。验证通过后，模拟设置被修改为：(i)消除穿背心与不穿背心情况下船体屏蔽的差异；(ii)通过将船体建模为厚度随机均匀分布的球壳，模拟航天员在飞船内的随机旋转；(iii)输入1972年8月和1989年10月两个历史SPE的质子谱。此外，研究人员还用全身女性XCAT数字模型替换躯干模型，进行了补充模拟，并运行了等质量均匀厚度全身HDPE服的对比模拟。所有剂量计算采用NASA空间癌症风险（NASA Space Cancer Risk, NSCR-2022）模型中的品质因数，并基于NASA推荐的组织权重计算有效剂量。
**研究结果**
*模拟验证*：在Artemis I内范艾伦带穿越期间，主动剂量计（DLR M-42和NASA CAD）实测数据与GEANT4模拟结果高度一致。Helga M-42的平均百分比偏差为?4.6 ± 9.2%（N=7），Zohar M-42为?11.4 ± 11.1%（N=9），Helga CAD为2.0 ± 4.7%（N=6），Zohar CAD为?3.0 ± 13.6%（N=12）。Pearson相关系数在0.974至0.993之间，表明仿真模型准确可靠，无需额外校准。由验证模拟生成的剂量等效能三维分布图显示，AstroRad背心结合飞船局部屏蔽变化，在相对穿透性的内带质子环境中使总有效剂量降低25.8 ± 0.4%（从1.61 ± 0.005 mSv降至1.19 ± 0.006 mSv）。
*AstroRad背心在历史SPE下的屏蔽有效性*：对于1972年8月SPE谱，AstroRad背心可使躯干模型的总有效剂量从222.3 mSv降至87.5 mSv，降低60.7%；对于1989年10月SPE谱，从233.5 mSv降至143.6 mSv，降低38.5%。使用全身模型时，1972年8月SPE下有效剂量从204.2 mSv降至85.3 mSv，降低58.2%；1989年10月SPE下从219.0 mSv降至138.2 mSv，降低36.9%。针对目标器官的剂量分析显示，穿背心后各目标器官的剂量均匀性显著提高，体现了靶向屏蔽设计的效果。此外，与等质量均匀厚度全身HDPE服相比，AstroRad背心通过靶向屏蔽使有效剂量降低额外提高约30%。
**讨论与结论**
该研究通过Artemis I实测数据验证的蒙特卡罗外推表明，在类似1972年8月和1989年10月的大型SPE中，AstroRad背心能在猎户座飞船舱内显著降低航天员辐射暴露。1972年8月SPE的有效剂量降低约60%，1989年10月SPE降低约35至40%，后者较低的效果归因于其更硬的质子能谱（即更强穿透力）。根据NASA 600 mSv职业生涯剂量限值，未穿背心时，一次1989年10月样SPE将消耗约36.5%的职业剂量限值，一次1972年8月样SPE将消耗约34.0%；而穿背心可分别将这一比例降至约23.0%和14.2%。考虑深空背景GCR暴露后，穿背心可使航天员在遭遇一次1972年8月样SPE后增加59至193天可飞行时间，遭遇1989年10月样SPE后增加40至131天。此外，对于可能远超历史记录的特大SPE，基于骨髓致死曲线，穿背心可将豁免的骨髓比例从2.1%提升至5.5%，超过生存阈值2.5%甚至临床目标5%，从而降低造血性ARS风险。本研究还比较了其他屏蔽策略：AstroRad背心允许机动并提供最大保护但增加26 kg质量；货舱风暴掩体提供最大保护且无附加质量但限制机动；全舱风暴掩体允许机动且无附加质量但保护减半。所有三种方法均能将1989年10月样SPE的暴露控制在NASA 250 mSv任务限值以下。研究结论指出，基于Artemis I实测数据的验证外推，即使像猎户座这样本身重屏蔽的飞船，可穿戴屏蔽如AstroRad背心也能在重大SPE中显著降低辐射暴露，有助于实现安全可持续的LEO以远人类存在。