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World File Search System宇宙辐射
扩大长期太空旅行宇航员的选拔标准
未来月球和火星深空任务的主要担忧之一是宇航员的放射风险增加。他们将暴露在来自天然源的增强电离辐射下，如银河宇宙辐射、来自太阳的辐射（包括太阳粒子事件（SPE）中的高能带电粒子）以及地球周围的辐射带（1、2）。据估计，长期火星任务的累积辐射剂量将达到 1 Sv 或更多，具体取决于持续时间、屏蔽和太阳周期时间（3）。虽然这是一种罕见事件，但 SPE 粒子可进一步将其剂量增加到高达 10 Gy 的严重水平（4），这远远超出了辐射工作人员的剂量限值（5），并可能诱发严重的急性确定性效应，如造血功能退化（6）、生殖能力下降（7）、白内障（8），甚至死于急性放射综合征。出于对这些问题的考虑，美国国家航空航天局 (NASA) 和日本宇宙航空研究开发机构 (JAXA) 等太空机构制定了剂量限制标准，以将宇航员的空间辐射暴露控制在可接受的水平以下。表 1 列出了 NASA 之前的职业剂量限值 ( 1 ) 和 JAXA ( 9 ) 参与低地球轨道任务的宇航员的现行剂量限值。NASA 的限制旨在将宇航员所患癌症的风险增加限制在 3% 以内；更准确地说，基于对风险预测的不确定性的统计评估，NASA 宇航员因暴露而导致致命癌症死亡的风险限值不得超过 3% ( 10 )，置信度为 95%。由于单位剂量癌症风险通常会随着年龄的增长而增加 ( 5 , 11 , 12 )，因此老年宇航员的剂量限值要高于年轻宇航员。此外，在同一年龄段，女性宇航员的限值高于男性，反映出乳房对放射线的敏感性明显增高（5，11，12）。从表1中的数值可以看出，这些剂量限制标准使得年龄较大的男性宇航员比年轻或女性宇航员有更多的太空旅行机会，这可视为一个不平等的问题。随后，美国国家科学院（NAS）近期建议，应用基于中位数估计的600 mSv的与年龄和性别无关的有效剂量职业限值，以使35岁女性的癌症死亡率达到3%（13），取消了对年龄和性别的特定限制。该建议有望为不同年龄段的男性/女性宇航员提供同等的飞行机会
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arXiv:2002.12686v1 [physics.pop-ph] 2020 年 2 月 28 日
尽管从未尝试过，但可以评估，同样的技术可以用于执行一些初步的火星载人任务[1, 2]。众所周知，要真正探索和殖民最近的天体，需要开发广泛的技术[3]——开发原地资源的技术、保护宇航员免受辐射的技术、在目的地星球上制造工厂的技术等——但需要直接与推进相关的新技术。特别是，必须使用核能而不是化学能来推动航天器。基于核裂变反应的核热推进和核电推进（NTP 和 NEP）两种替代方案都得到了详细研究，前者已经进行了台架测试，结果非常令人满意。 NTP 和 NEP 可以减少旅行时间（从而减少宇航员受到的宇宙辐射），同时降低低地球轨道初始质量 (IMLEO)，从而使星际任务更加经济实惠，从而提高人类执行火星及更远星球任务的机会。NASA 设计参考架构 5 (DRA5) [3, 4] 报告了 NTP 和载人火星任务化学方法之间的有趣比较。此外，NEP 还可以显著改善化学推进，而上述两种核方法之间的选择主要取决于政治决策，即哪种技术可以发展到足够的技术就绪水平。上述两种核方法均基于裂变核反应 [5]。轻质结构和薄膜太阳能电池方面的最新进展使得人们可以考虑将太阳能电力推进 (SEP) 用于载人行星任务，尤其是首次载人火星任务。这是一种“过渡”解决方案，用于提高行星际航天器的性能，使其性能高于化学推进，同时等待 NTP 或 NEP 技术可用。通过将 SEP 的性能与化学推进和 NTP 的性能进行比较，IMLEO 方面的优势显而易见，而就 NEP 而言，它们仅取决于发电机的比重 α，短期内这对太阳能电池阵列比对核发电机更有利。从长远来看，后者会好得多，但开发 SEP 意味着为载人飞行任务开发高功率电推进器，以便在轻型核发电机可用时它们已准备就绪。无论如何，毫无疑问，要成为真正的太空文明，我们必须开发基于核聚变的火箭发动机 [6, 7]。使用聚变能进行航天器推进的想法由来已久 [8]。对于聚变推进，有两种替代方案：类似于 NTP 和聚变 NEP。在过去的 20 年里，许多研究都致力于核聚变发电的总体发展，尤其是核聚变火箭的发展。核聚变 NEP 需要开发轻型核聚变反应堆，而这在今天看来似乎是一项艰巨的任务。此外，这里的重点仍然只是发电机的比重 α，而核聚变发电机的 α 值要比裂变发电机更好还需要很多年 [9]，更不用说今天还没有出现过即使 α 值很高的核聚变发电机。在核聚变 NEP 中，α 值越低，比冲的最佳值就越高，因此即使有了轻型发电机，也需要做大量工作来改进电推进器。革命性的直接聚变驱动器 (DFD) 是一种核聚变发动机，其概念基于普林斯顿场反转配置反应堆，该反应堆无需经过中间的发电步骤即可从聚变中产生推力 [10]。该发动机的开发与普林斯顿等离子体物理实验室正在进行的聚变研究有关。DFD 使用一种新型磁约束和加热系统，以氦和氢核同位素混合物为燃料，产生高比功率、可变推力和比冲量以及低辐射航天器推进系统。最简单的聚变驱动器类型是使用小型不受控制的热核爆炸来推动航天器前进，就像猎户座计划 [5] 中计划的那样，但即使使用连续的受控反应，DFD 似乎也更容易实现，而 D-3He 直接聚变推进器似乎是可以在中期内实现太阳系殖民的推进器。虽然与 DFD 相关的大多数研究都涉及外太阳系或近星际空间的任务，但本文的目的是详细研究人类快速前往火星和小行星带的任务。结果表明，核聚变推进是开启太阳系殖民和建立太阳系经济的有利技术。本文的结构如下：在第二部分中，我们描述了推进器及其主要特性。第三部分专门考虑了地球 - 火星任务的三种情况：i. 理想的可变弹射速度 (VEV) 操作；ii. 有限的 VEV 操作；iii. 慢速货运航天器任务。第四部分讨论了前往 16 Phyche 小行星的任务，最后是结论要使聚变发电机的 α 值优于裂变发电机还需要很多年 [9]，更何况目前还没有可用的聚变发电机，哪怕它的 α 值非常高。在聚变 NEP 中，α 值越低，比冲的最优值就越高，所以即使有了轻型发电机，也需要做大量工作来改进电力推进器。革命性的直接聚变驱动器 (DFD) 是一种核聚变发动机，其概念基于普林斯顿场反转配置反应堆，该反应堆无需经过中间的发电步骤即可从聚变中产生推力 [10]。该发动机的研发与普林斯顿等离子体物理实验室正在进行的聚变研究有关。 DFD 使用一种新型磁约束和加热系统，以氦和氢核同位素混合物为燃料，产生高比功率、可变推力和比冲量，以及低辐射航天器推进系统。最简单的核聚变驱动类型是使用小型不受控制的热核爆炸推动航天器前进，就像猎户座计划 [5] 中计划的那样，但即使使用连续的受控反应，DFD 似乎也更容易实现，D-3He 直接聚变推进器似乎是可以在中期内殖民太阳系的推进器。虽然大多数与 DFD 相关的研究都涉及外太阳系或近星际空间的任务，但本文的目的是详细研究人类快速登陆火星和小行星带的任务。结果是，核聚变推进是启动太阳系殖民和建立太阳系经济的使能技术。本文的结构如下：第二部分描述了推进器及其主要特性。第三部分考虑了地球-火星任务的三种情况：i. 理想的可变弹射速度 (VEV) 操作；ii. 有限的 VEV 操作；iii. 慢速货运航天器任务。第四部分考虑了前往 16 Phyche 小行星的任务，最后是结论要使聚变发电机的 α 值优于裂变发电机还需要很多年 [9]，更何况目前还没有可用的聚变发电机，哪怕它的 α 值非常高。在聚变 NEP 中，α 值越低，比冲的最优值就越高，所以即使有了轻型发电机，也需要做大量工作来改进电力推进器。革命性的直接聚变驱动器 (DFD) 是一种核聚变发动机，其概念基于普林斯顿场反转配置反应堆，该反应堆无需经过中间的发电步骤即可从聚变中产生推力 [10]。该发动机的研发与普林斯顿等离子体物理实验室正在进行的聚变研究有关。 DFD 使用一种新型磁约束和加热系统，以氦和氢核同位素混合物为燃料，产生高比功率、可变推力和比冲量，以及低辐射航天器推进系统。最简单的核聚变驱动类型是使用小型不受控制的热核爆炸推动航天器前进，就像猎户座计划 [5] 中计划的那样，但即使使用连续的受控反应，DFD 似乎也更容易实现，D-3He 直接聚变推进器似乎是可以在中期内殖民太阳系的推进器。虽然大多数与 DFD 相关的研究都涉及外太阳系或近星际空间的任务，但本文的目的是详细研究人类快速登陆火星和小行星带的任务。结果是，核聚变推进是启动太阳系殖民和建立太阳系经济的使能技术。本文的结构如下：第二部分描述了推进器及其主要特性。第三部分考虑了地球-火星任务的三种情况：i. 理想的可变弹射速度 (VEV) 操作；ii. 有限的 VEV 操作；iii. 慢速货运航天器任务。第四部分考虑了前往 16 Phyche 小行星的任务，最后是结论DFD 使用一种新型磁约束和加热系统，以氦和氢核同位素混合物为燃料，产生高比功率、可变推力和比冲量，以及低辐射航天器推进系统。最简单的核聚变驱动类型是使用小型不受控制的热核爆炸推动航天器前进，就像猎户座计划 [5] 中计划的那样，但即使使用连续的受控反应，DFD 似乎也更容易实现，D-3He 直接聚变推进器似乎是可以在中期内殖民太阳系的推进器。虽然大多数与 DFD 相关的研究都涉及外太阳系或近星际空间的任务，但本文的目的是详细研究人类快速登陆火星和小行星带的任务。结果是，核聚变推进是启动太阳系殖民和建立太阳系经济的使能技术。本文的结构如下：第二部分描述了推进器及其主要特性。第三部分考虑了地球-火星任务的三种情况：i. 理想的可变弹射速度 (VEV) 操作；ii. 有限的 VEV 操作；iii. 慢速货运航天器任务。第四部分考虑了前往 16 Phyche 小行星的任务，最后是结论DFD 使用一种新型磁约束和加热系统，以氦和氢核同位素混合物为燃料，产生高比功率、可变推力和比冲量，以及低辐射航天器推进系统。最简单的核聚变驱动类型是使用小型不受控制的热核爆炸推动航天器前进，就像猎户座计划 [5] 中计划的那样，但即使使用连续的受控反应，DFD 似乎也更容易实现，D-3He 直接聚变推进器似乎是可以在中期内殖民太阳系的推进器。虽然大多数与 DFD 相关的研究都涉及外太阳系或近星际空间的任务，但本文的目的是详细研究人类快速登陆火星和小行星带的任务。结果是，核聚变推进是启动太阳系殖民和建立太阳系经济的使能技术。本文的结构如下：第二部分描述了推进器及其主要特性。第三部分考虑了地球-火星任务的三种情况：i. 理想的可变弹射速度 (VEV) 操作；ii. 有限的 VEV 操作；iii. 慢速货运航天器任务。第四部分考虑了前往 16 Phyche 小行星的任务，最后是结论