DESCSS

Dose Estimation by Simulation of China Space Station

中国空间站模拟剂量评估

空间辐射环境

轨道

1. 空间站轨道根数（TLE, 2022.05.11）¹

1 48274U 21035A   22131.00000000  .00018566  00000-0  21317-3 0  9998
2 48274  41.4696  84.9802 0011517 308.1456  44.4159 15.61130380 58963

偏心率	倾角 deg	升交点赤经 deg	近地点辐角 deg	平近点角 deg
0.001152	41.4696	84.9802	308.1456	44.4159

2. 轨道参数
   平近点角M与偏近点角E满足：

   $
   M = E - e\cdot\sin{E}
   

   真近点角$T$与偏近点角$E$满足：
   

   $
   \tan{\frac{T}{2}}=\sqrt{\frac{1+e}{1-e}}\tan{\frac{E}{2}}
   

   由此有：
   

   近地点 km	远地点 km	倾角 deg	升交点赤经 deg	近地点辐角 deg	偏近点角 deg	真近点角 deg
   379.2	393.8	41.4696	84.9802	308.1456	44.4167	44.4629

3. 生成轨道
   使用SPENVIS的Coordinate generators生成预计轨道，总计30天，保存为assets/orbit.csv文件。

辐射环境

银河宇宙射线²

银河宇宙射线 (GCR，Galactic cosmic rays) 是从系外进入太阳系的高能带电粒子，其通量与太阳活动负相关，由质子、电子和完全电离的原子核组成。

以高能重带电粒子为主（可达到10^{11}\ \mathrm{GeV}），贡献绝大部分有效剂量。一般在太阳活动极小时最大（还取决太阳磁性）。各向同性，通量约为1\sim10\ \mathrm{cm^{-2}s^{−1}}

宇宙射线中还包含有所谓异常部分（anomalous component），星际间的中性粒子进入太阳系后，太阳辐射使其失去电子，离子太阳风作用和碰撞加速，其穿透地磁场的能力比其他宇宙射线更大，又可分为部分电离（singly-ionized anomalous component）和完全电离（fully-ionized anomalous component）。

考虑异常部分，我们使用SPENVIS+CREME86模型进行模拟，分别获取银河宇宙射线通量的最佳近似值（M=1）以及90%最坏情况下的银河宇宙射线通量（即实际情况大约只有10%的可能通量大于这一估计值，M=3）。

太阳辐射³

太阳辐射的主要来源是日冕抛射和太阳耀斑，具有明显的周期性，主要的周期有11年、22年等。太阳辐射以质子为主（90~95%），通量可达10^9\ \mathrm{cm^{-2}s^{−1}}；其次为α粒子（5~8%）。太阳活动较强时，质子的比例会上升。

使用SPENVIS+SAPPHIRE模型太阳质子和太阳α粒子任务期间总通量，置信概率为95%（即实际情况大约只有5%的可能通量大于这一估计值）。

俘获辐射带³

近地俘获辐射带被称为Van Allen带，是部分宇宙射线、宇宙射线与地球磁场和大气层作用产生的带电粒子被地磁场俘获形成的辐射带，分为内外两个辐射带。

电子能量可达7\ \mathrm{MeV}，质子能量可达600\ \mathrm{MeV}，重带电粒子可达50\ \mathrm{MeV/u}，绝大部分是中低能量。

使用VDL的AE8/AP8模型，计算轨道上的太阳活动极大时的俘获质子通量和太阳活动极小时的俘获电子通量，结果如下图所示。

对整个任务期间求均值，获得俘获质子/电子通量的能谱，同时使用AE9/AP9模型进行计算，通量略高于AE8/AP8模型。保险起见，采用AE9/AP9模型的结果。

AE8/AP8模型结果

AE9/AP9模型结果

辐射环境拟合

银河宇宙射线

⁴

太阳辐射

⁵

俘获辐射带

1. 电子 在轨道较高（L>2.5）的内带中，电子能谱中有\sim64\%符合指数分布，\sim4\%符合幂律分布。⁶

   但在本例中，轨道较低（L\sim1.06），因此使用指数模型j = j_0e^{-\frac{E}{E_0}}和幂律模型j=j_0E^{-\alpha}进行拟合，随后使用Origin Lab对两者进行BIC test，最终选用指数模型j_0=1.333680\times10^6,\ E_0=0.0824。

   Model	R^2	BIC	BIC diff
   Ex	0.98107	402.50208	0
   Pow	0.94279	423.51296	21.01088

   
   

2. 质子 与电子保持一致，额外考虑幂律平移模型j=j_0(E-\beta)^{-\alpha}，同电子进行BIC test，最终选用幂律平移模型j_0=559.76377,\ \alpha=-2.40873,\ \beta=-1.53424。

   Model	R^2	BIC	BIC diff
   Ex	0.9957	67.24594	0
   Pow-T	0.99883	39.11969	28.12625

   
   

空间站结构

1. 尺寸与分区⁷

• 全长：16.6 m
• 总重：22.5 t
• 体积：143.6 \mathrm{m^3}
• 分区：
  • 大柱段
    • 外径：4.2 m
    • 长度：4.32 + 2.40 m (生活控制舱 + 资源舱)(直线过渡)
  • 过渡段：0.815 m
  • 小柱端
    • 外径：2.8 m
    • 长度：5.18 m
  • 过渡段：0.33 m
  • 节点舱：以直径 2.8 m 的球体近似

2. 材料

• 外壳： 3层 2mm 铝 + 10mm 芳纶 + 5mm 铝
  
  • 5系铝合金⁸
  • 泰普龙⁹
    
• 填充：金属为主，使得总重大致相当
• 内部：空气
• 玻璃：有机玻璃（G4_PLEXIGLASS）

3. 特别区域
   睡眠区无填充，仅考虑加厚外壳为 3层 5mm 铝 + 15mm 芳纶 + 10mm 铝

待改进

• 建模
  • 体模
  • 空间站模型
    • 材料
    • 大小
• 辐射环境
  • 太阳活动极大时
  • 太阳活动极小时
  • 更长的任务尺度
  • 各向异性的模拟（如俘获辐射带质子各向异性通量）

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1. 中国空间站轨道参数 ↩︎

2. 程彭超,闵锐.近地空间辐射环境与防护方法概述[J].辐射防护通讯,2017,37(01):14-21. ↩︎

3. Bourdarie S, Xapsos M. The near-earth space radiation environment[J]. IEEE transactions on nuclear science, 2008, 55(4): 1810-1832. ↩︎

4. ↩︎
5. ↩︎

6. Zhao H, Johnston W R, Baker D N, et al. Characterization and evolution of radiation belt electron energy spectra based on the Van Allen Probes measurements[J]. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 2019, 124(6): 4217-4232. ↩︎

7. 【知识点·航天】“天和”核心舱、“天宫”空间站和新一代载人飞船的最新知识点（干货版） ↩︎

8. 中铝造为“天和”号核心舱披“铠甲”壮“筋骨” ↩︎

9. 泰普龙产品相关知识 ↩︎