CN117104532A - 一种航天器用宇宙线粒子屏蔽装置及航天器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种航天器用宇宙线粒子屏蔽装置及航天器，包括至少一个沿航天器延伸方向依次排布的屏蔽板；所述屏蔽板中间具有一通孔，通孔处用于容纳所述航天器，所述屏蔽板自通孔处向外具有一延伸部；各个屏蔽板之间具有一定的间距；每个屏蔽板的侧面，分别设置有若干超导线圈，两侧的超导线圈分别施加方向彼此相反的横向超导磁场。本发明结合了传统屏蔽板结构和超导线圈产生强磁场的屏蔽，将同时解决传统无源屏蔽的重量过大而无法航天发射的问题，和超导磁铁的有源屏蔽的对超导线圈要求过高因而鲁棒性不足的问题。

Description

一种航天器用宇宙线粒子屏蔽装置及航天器

技术领域

本发明属于航天器屏蔽结构技术领域，涉及一种航天器用宇宙线粒子屏蔽装置及航天器。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

在远离地球的深空充斥着各种高能带电宇宙线粒子，它会对执行载人航天任务的航天员健康造成巨大的损害，例如诱发癌症等等。未来载人航天任务必须对航天员提供对于高能带电宇宙线粒子的辐射屏蔽。

现有的近地轨道(如空间站等)上的载人航天活动仍然受到地球本身和地球磁场的相当大的屏蔽保护作用，而且任务时间通常只有几个月，因此宇宙线辐射屏蔽不足尚不构成航天员健康的严重威胁。但未来载人火星任务将完全脱离地球的屏蔽保护，而且来回的周期至少为两年左右，因此辐射屏蔽实际上是未来的载人火星任务的主要技术难点和制约因素之一。

目前已经有实际应用的载人航天用的辐射屏蔽，是使用传统屏蔽材料，例如铝或聚乙烯等，做成(连续的)板放在粒子入射人体的轨迹上，起到屏蔽作用。通俗的说就是靠航天器的外壳来屏蔽。此屏蔽构型的好处是技术成熟，问题则是在航天发射能接受的外壳厚度上，它的屏蔽效果很差，实际上无法做到有效屏蔽。而若增加厚度使得其能够达到有效屏蔽的要求时，则外壳屏蔽材料的用量将是几百吨到几千吨的范围，实际上不具有航天发射的可行性。

自上世纪60年代以来，国际上开始出现了以超导(只有使用超导材料才能避免电流的损耗)线圈产生强磁场，利用此磁场对入射的带电宇宙线粒子产生的洛伦兹力使得粒子轨迹偏折而被“反弹”回去，不射向航天员的屏蔽思路。这类屏蔽构型称为有源(active)屏蔽，与上述的传统无源(passive)屏蔽相对。此类屏蔽构型还处于论文仿真研究的阶段。此屏蔽构型的好处是不再使用成百上千吨的屏蔽材料重量，超导线圈及其结构支撑等的重量在航天发射可以承受的范围以内，就有可能达到足够的屏蔽效果。问题则是产生所需要的能够有效反弹高能带电粒子的强磁场就需要很大的超导电流，而这对超导体线圈本身的要求非常苛刻。例如现有论文的模拟研究最后选定的超导体线圈的材料是YBCO(钇钡铜氧)，这是因为它与其他超导材料相比，能够携带最大的超导电流，从而产生最强的磁场。但YBCO材料受其本身的物理/化学性质的制约，很难实现大批量高质量的工业化生产，使得其微观上具有足够高的均匀性而能实际应用在航天领域。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种航天器用宇宙线粒子屏蔽装置及航天器，本发明结合了传统屏蔽板结构和超导线圈产生强磁场的屏蔽，将同时解决传统无源屏蔽的重量过大而无法航天发射的问题，和超导磁铁的有源屏蔽的对超导线圈要求过高因而鲁棒性不足的问题。

根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：

一种航天器用宇宙线粒子屏蔽装置，包括至少一屏蔽层，每层屏蔽层包括至少一个屏蔽板；

所述屏蔽板中间具有一通孔，通孔处用于容纳所述航天器，所述屏蔽板自通孔处向外具有一延伸部；

各个屏蔽板之间具有一定的间距；

每个屏蔽板的侧面，分别设置有若干超导线圈，两侧的超导线圈分别施加方向彼此相反的横向超导磁场。

通过上述技术方案，屏蔽板为薄板形式，不再需要大量的屏蔽材料，大大减少了外壳屏蔽材料的用量，方便航天器的搭载，不会导致航天发射的困难。屏蔽板的侧面分别设置超导线圈，并施加方向彼此相反的横向超导磁场，磁场平行于此板并垂直于粒子入射方向，使得入射带正电粒子不论在板的哪一侧入射均偏折向板，粒子若在另一侧射出，则还可以被对侧磁场偏折后再次射向板，如此往复，不再需要超导磁场反弹带电粒子，对于线圈产生的磁场、以及相应的超导载流的要求也相应降低。

作为可选择的实施方式，所述屏蔽板的材料为屏蔽材料。包括但不限于铝、聚乙烯等以及屏蔽板作为容器壁内乘的液氢、水等。

作为可选择的实施方式，所述屏蔽板自通孔孔壁向外延伸距离大于等于1米。

作为可选择的实施方式，所述屏蔽板为多个，沿航天器延伸方向依次排布；

所述屏蔽板的厚度相对于与相邻板的间隔至少低一个量级左右。

作为可选择的实施方式，各个屏蔽层依次从内向外套设。

作为可选择的实施方式，相邻屏蔽板之间的距离在米的量级。

作为可选择的实施方式，所述屏蔽板沿着指向舱内航天员预设位置的方向。

作为可选择的实施方式，所述超导线圈至少一部分缠绕成螺线管形式，所述螺线管的中心线和屏蔽板之间平行。

作为进一步的，超导线圈单匝径向的尺寸等于或小于等于对应屏蔽板自通孔孔壁向外延伸的长度。

作为可选择的实施方式，所述屏蔽结构也为圆周分布形状，入射粒子的方向位于圆周平面内，航天器位于屏蔽结构的圆周内侧，超导磁场的磁感线在屏蔽结构的外侧面环绕一周。

作为可选择的实施方式，上述屏蔽结构作为单个屏蔽层，而航天器外部可以布置多个屏蔽层。

一种航天器，外部设置有上述装置。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明与传统屏蔽材料的连续板屏蔽相比，屏蔽效果在一定程度上接近于厚度等于板在粒子入射方向上的沿伸尺寸的连续板，这个尺寸厚度可以很大，因而屏蔽效果好。而在此等效板的空间内部，传统屏蔽材料并不是连续填充，而是仅分布在厚度远小于板间距的板上，因而其用量和重量很小，航天发射可承受。

本发明与超导线圈的有源屏蔽相比，并不需要超导磁场“反弹”带电粒子，使得其偏折角接近180度，而只需要使得带电粒子被偏折而入射传统屏蔽板，这个角度仅有几十度。因而对于线圈产生的磁场、以及相应的超导载流的要求也相应降低。这使得其可以采用超导载流小且临界强磁场小，但是微观均匀性好、机械性能好、加工容易且已经大规模生产的具有高的鲁棒性的超导材料(例如MgB₂)制作线圈。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本实施例的屏蔽板设置结构示意图；

图2是本实施例的屏蔽板上超导线圈的结构示意图；

图3是本实施例的单个屏蔽板屏蔽作用仿真示意图；

图4是另一种实施例的屏蔽板设置结构示意图；

其中：1、航天器乘员舱，2、屏蔽板，3、超导线圈；

箭头为超导磁场方向。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

一种航天器用屏蔽装置，包括至少一个套设在航天器乘员舱1外的屏蔽板2，所述屏蔽板2为薄板状，如图1所示，以一侧正对所考虑的带电粒子入射方向，使得此方向位于板平面内。如图2所示，屏蔽板2的两侧分别施加方向彼此相反的横向超导磁场，磁场平行于屏蔽板2，并垂直于粒子入射方向，使得入射带正电粒子不论在屏蔽板2的哪一侧入射均偏折向屏蔽板2。而粒子若在另一侧射出，则还可以被对侧磁场偏折后再次射向屏蔽板2，如此往复。

需要说明的是，为保证附图清晰，图2中仅示出一侧的超导线圈3，另一侧的超导线圈3未画出。

超导线圈3可以延磁场方向任意伸展。超导磁场需要满足磁感线闭合的条件。

优选的，航天器乘员舱1及外围的屏蔽结构整体采取轴对称结构，如柱状、球状等。而超导导线局部缠绕成的螺线管作为近似匀强磁场横截面的外缘，在柱坐标系的θ方向延伸一周而首位相接闭合。

进一步的，当航天器乘员舱1为柱状时，各个屏蔽板2的通孔的大小一致，各屏蔽板2之间平行设置。

进一步的，当航天器乘员舱1为球状时，各个屏蔽板2的通孔的大小并不相同，与航天器乘员舱1形状相吻合，能够套设在航天器乘员舱1对应位置外侧，且各屏蔽板2的设置方向为沿着航天器乘员舱1的径向方向。

在本实施例中，可以在平行于此薄板的不同位置处重复屏蔽板2和超导线圈3，则可以用此屏蔽结构覆盖整个垂直于带电粒子束流的平面。

在部分其他实施例中，可以以航天器乘员舱1为中心，从内到外套设多层屏蔽层，每层屏蔽层都包括了上述结构的屏蔽板2。

当然，各层的屏蔽板的大小、设置位置可以相同，也可以不同，如有一定的交错，或各层屏蔽板的尺寸不同等，在此不进行穷举。

如图3所示，以高能物理的Monte Carlo模拟软件Geant4所画出的包括物理过程在内的一个局部的屏蔽模块示意图。上部近似侧向的板为传统屏蔽材料板，其两侧施加了由超导线圈产生的方向相反的强磁场(超导线圈未画出)，内部的圆柱代表了测试航天员人体。外部入射带电粒子由顶部入射的线所示，在相当大的截面积上它都被磁场导向此传统屏蔽材料板，而从对侧射出后还可以再次被偏折而导向板，如此往复。随机射向四方的线为屏蔽的物理过程中产生的次级粒子。

屏蔽板也可以是多个，各个屏蔽板之间平行、套设。

需要说明的，屏蔽板也可以不是板状结构，如图4所示，可以是柱或锥或其他几何形状，其轴向位于入射粒子的方向上，航天器位于屏蔽结构的中心(图中未示出)，超导磁场的磁感线在其侧面环绕一周。这样入射的带电粒子是在柱或锥等的径向上反复穿越传统屏蔽材料。

在部分实施例中，屏蔽结构可以是多个，依次由内向外套设。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种航天器用宇宙线粒子屏蔽装置，其特征是，包括至少一屏蔽层，每层屏蔽层包括至少一个屏蔽板；

所述屏蔽板中间具有一通孔，通孔处用于容纳所述航天器，所述屏蔽板自通孔处向外具有一延伸部；

各个屏蔽板之间具有一定的间距；

每个屏蔽板的侧面，分别设置有若干超导线圈，两侧的超导线圈分别施加方向彼此相反的横向超导磁场。

2.如权利要求1所述的一种航天器用宇宙线粒子屏蔽装置，其特征是，所述屏蔽板的材料为屏蔽材料；

或，所述屏蔽板自通孔孔壁向外延伸距离大于等于1米。

3.如权利要求1所述的一种航天器用宇宙线粒子屏蔽装置，其特征是，所述屏蔽层为多层，各屏蔽层依次从内向外套设。

4.如权利要求1所述的一种航天器用宇宙线粒子屏蔽装置，其特征是，所述屏蔽板为多个，沿航天器延伸方向依次排布；

所述屏蔽板的厚度相对于与相邻屏蔽板的间隔至少低一个量级。

5.如权利要求4所述的一种航天器用宇宙线粒子屏蔽装置，其特征是，相邻屏蔽板之间的距离在米的量级。

6.如权利要求1-5中任一项所述的一种航天器用宇宙线粒子屏蔽装置，其特征是，所述屏蔽板沿着指向舱内航天员预设位置的方向。

7.如权利要求1所述的一种航天器用宇宙线粒子屏蔽装置，其特征是，所述超导线圈至少一部分缠绕成螺线管形式，所述螺线管的中心线和屏蔽板之间平行。

8.如权利要求7所述的一种航天器用宇宙线粒子屏蔽装置，其特征是，超导线圈单匝径向的尺寸等于或小于等于对应屏蔽板自通孔孔壁向外延伸的长度。

9.一种航天器用宇宙线粒子屏蔽装置，其特征是，包括至少一个屏蔽结构；

所述屏蔽结构为圆周分布形状，其轴向位于入射粒子的方向上，屏蔽结构设置于航天器的外侧，屏蔽结构的外侧面设置有多圈超导线圈，超导磁场的磁感线在屏蔽结构的外侧面环绕一周。

10.一种航天器，其特征是，外部设置有权利要求1-9中任一项所述的一种航天器用宇宙线粒子屏蔽装置。