中国科大论证太阳活动极大年为载人火星任务最佳时机

在太阳风暴与耀斑爆发概率最高的时段开展深空旅行，听起来有违常理，但学院郭静楠教授领衔的国际研究团队最新研究表明：太阳活动最剧烈时执行火星任务反而更安全。此工作依托欧空局的火星微量气体轨道飞行器TGO搭载的Liulin-MO辐射剂量计，以及美国宇航局月球勘测轨道飞行器LRO上的CRaTER辐射剂量数据，得出在太阳极大年期间开展的任务，宇航员往返火星一次接受到的有害辐射剂量，可比太阳活动极小年降低一半。相关成果以“The constraint of crewed Mars missions based on current radiation dose measurements”为题，于2026年3月9日发表于国际同行评议期刊《空间天气》（Space Weather），且被欧空局ESA作为新闻同一天发布。

  火星是人类深空探测的核心目标之一，载人火星探测已成为全球航天领域的研究热点。然而，空间辐射是载人火星任务面临的关键风险因素；其来源主要包含受太阳活动调制的背景银河宇宙射线（GCR）和太阳爆发加速的高能粒子（SEP）。高能粒子击中宇航员会引发电离辐射，并对其健康构成严重威胁，包括增加癌症、心血管疾病及白内障等发病风险。GCR粒子相对SEP的能量一般会更高，它们以接近光速飞行，更容易穿透航天器屏蔽层，引发次级粒子簇射。在没有地球磁场保护的深空，面对持续轰击的银河宇宙射线，人类几乎无处藏身。因而，执行火星任务的宇航员所受辐射剂量，可能比地球表面高出数十上百倍。欧空局为宇航员设定的职业生涯辐射安全上限为1000毫西弗（毫西弗是衡量有效辐射剂量、评估人体组织损伤的单位），美国宇航局（NASA）的限值则为600毫西弗，而地面上的人均年辐射剂量为2-3毫西弗。

研究团队通过建立太阳活动参数与观测的银河宇宙射线剂量之间的模型，模拟了不同太阳活动水平下的火星任务，计算得到了火星任务的总辐射剂量，同时考虑了三类火星任务飞行轨迹：最节能但耗时最长的轨道、最耗能但航程最短的轨道、介于两者之间的折中轨道。结果显示：考虑不同轨迹，太阳活动极大年附近的宇宙射线累积辐射剂量均显著下降。团队进一步分析了过去60年的所有可能的三类地火转移轨道，并采用分层水球模型模拟了人体器官吸收的辐射量。在太阳极大年，快速转移轨道可使总辐射相较太阳极小年降低至55%，节能轨道任务也可实现45%的降幅。研究进一步将计算的火星任务辐射剂量与各宇航局制定的宇航员生涯辐射限值做了比较，针对载人火星任务的执行窗口和轨道选择给出了综合性建议。

该研究量化评估了特定发射窗口与快速转移轨道能带来的安全增益，为未来载人火星任务的辐射安全保障提供了科学依据。

图1，三种地球和火星之间的往返轨道：T1 表示最小能量转移轨道，在火星表面的停留时间为450天；T2 表示快速转移轨道，将火星表面的停留时间限制在30天左右；T3 表示在T2的基础上进一步加快的转移轨道，将整个任务持续时间限制在440天。在全部面板中，灰色虚线表示转移轨道，蓝色和棕色轨道分别表示地火公转轨道，星号（*）表示中途修正脉冲。

图2，基于Liulin-MO数据计算的第23个太阳周期中三种发射窗口的任务辐射剂量累计情况，三种不同的地火转移轨道所对应的辐射累积情况分别绘制在不同的面板中。在每个面板中，红色、蓝色和绿色折线分别表示在太阳活动极大期、过渡阶段和太阳活动极小期发射的任务情景下的累计辐射剂量。在这三个面板中，红色虚线水平线表示欧空局标定的宇航员职业生涯辐射限值1000毫西弗，而橙色曲线表示美国宇航局标定的600毫西弗辐射限值。

此工作获得国家自然科学基金资助（42521007, 42188101, 42474221, W2433101）。中国科学技术大学郭静楠教授为本研究的通讯作者，我校本科生张晁和密歇根大学博士研究生刘炜昊（我校2022年本科毕业生）为共同第一作者，合作者还包括我校的米善研究员和来自德国基尔大学的Robert Wimmer-Schweingruber教授。

论文链接：https://doi.org/10.1029/2025SW004724