Исследование возможностей реализации Российской лунной программы. Часть 3

Страницы: 1 2 3

Глава 3. ОСОБЕННОСТИ РАДИАЦИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ПРИ ЛУННЫХ МИССИЯХ И ОСНОВНЫЕ ПОДХОДЫ К ОБЕСПЕЧЕНИЮ РАДИАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ЭКИПАЖА

3.1 Радиационные условия при орбитальных и лунных миссиях

Космическое излучение является неизбежным фактором космических полетов, воздействие радиации на экипаж во время лунных миссий вызвано воздействием:
— галактических космических лучей (ГКЛ) на всех этапах полета;
— электронов и протонов естественных радиационных поясов Земли (РПЗ) во время короткого пересечения РПЗ ( рис. 3.1.) во время полета на Луну и обратно;
— солнечных протонных событий (СПС) с выделением космических солнечных лучей (СКЛ) в основном во время полета за пределами магнитосферы Земли, на орбитах, близких к Луне, и на ее поверхности;
— вторичное излучение, возникающее в результате взаимодействия высокоэнергетических частиц ГКЛ, РПЗ и СКЛ с конструктивными элементами и материалами КА, лунного грунта, а также непосредственно в теле космонавта.
Галактические космические лучи являются постоянно действующим источником радиации в космосе, в котором присутствуют практически все элементы периодической системы. Основной особенностью ГКЛ как источника облучения в космосе является разнообразный зарядовый состав и широкий энергетический спектр, что обуславливает высокую проникающую способность частиц и затрудняет защиту от ГКЛ.
Солнечные космические лучи – энергичные заряженные частицы, ускоренные во вспышках на Солнце. Такие вспышки происходят достаточно часто, в годы высокой солнечной активности – один раз в неделю. Основной особенностью потоков СКЛ является случайный характер их появления и широкий диапазон возможных значений потока, достигающего орбиты Земли.
Существование радиационных поясов Земли обусловлено равновесием между постоянно протекающими процессами накопления заряженных частиц в области захвата и их выбывания за счет различных механизмов потерь. Для РПЗ, являющихся по самой своей природе весьма динамичным образованием, характерны многообразные пространственные и временные вариации, амплитуда которых может достигать нескольких порядков величины, а временные масштабные меняются от нескольких минут до нескольких лет. РПЗ образованы заряженными частицами с энергиями от 100 кэВ до 1000 МэВ, захваченными геомагнитным полем. 98 % частиц РПЗ составляют электроны и протоны.
Характеристики источников космической радиации систематизированы в таблице 3.1.

На сегодняшний день в Российской Федерации действуют нормы радиационной безопасности, рассчитанные на длительные полеты вблизи Земли. Сегодня как в Российской Федерации, так и в других странах, осуществляющих пилотируемые космические полеты, отсутствуют стандарты радиационной безопасности, характерные для лунных и межпланетных экспедиций. При всем разнообразии подходов к нормированию во время космического полета можно выделить две важные особенности:

— невозможность в полной мере применить подходы и стандарты радиационной безопасности, используемые в наземной практике, для нормализации радиационного фона в космосе в течение определенного периода полета (месяц, год и т. д.). Это связано со значительно более высокой радиационной нагрузкой при орбитальных космических полетах, чем дозовая нагрузка на специалистов атомной отрасли, даже в условиях отсутствия радиационных воздействий;

— соответствие дозовой нагрузки для космонавтов и работников атомной отрасли на протяжении всей профессиональной деятельности: предполагается, что доза за карьеру составляет 1000 мЗв.

Принимая во внимание результаты многолетних наблюдений, можно установить, что доза облучения на космической станции на типичной высоте орбиты 400 км и наклонением 51,6° примерно в 200 раз превышает средний фон естественного излучения на Земле и, следовательно, при облучении человека в нормальных земных условиях. Так, космонавт со средней суточной дозой 0,6 мЗв/сут в течение года полета на МКС получает дозу 220 мЗв/год, что более чем в десять раз превышает дозу, допустимую для работника атомной отрасли в год (в среднем 20 мЗв/год). Однако, указанная годовая доза для космонавтов во время орбитальных полетов (~220 мЗв/год) приемлема по критерию радиационной безопасности, поскольку современные российские стандарты ограничивают дозу 500 мЗв/год для кроветворных органов космонавтов. Характерная форма энергетического спектра частиц, и радиационная нагрузка, зависят от различных факторов космического полета. Эти факторы включают в себя продолжительность, траекторию, Солнечную активность (СА), материал и толщину защитных экранов. Каждый источник космического излучения имеет свой уникальный энергетический спектр частиц.

Для учета радиационного воздействия на космонавтов и технические системы, а также для количественной оценки этих параметров, были созданы компьютерные модели потоков частиц полей космических лучей и моделей взаимодействия этих частиц с материалами защитных экранов. Разница между лунными и орбитальными полетами заключается в удалении от Земли и полете за пределы магнитосферы Земли. Это влияет на радиационное облучение космонавтов и технических систем следующим образом: увеличивается вклад в полную дозу ГКЛ, вероятность значительного увеличения дозы СКЛ повышается, вклад РПЗ в полную дозу зависит от выбора конкретной траектории космического корабля и времени пересечения наиболее опасных зон, а также на внутреннюю протонную и внешнюю электронную дозы.

Давайте последовательно проанализируем, как эти факторы влияют на радиационную обстановку в околоземном пространстве.

На низкой околоземной орбите на высоте 400 км в отсеке космической станции в невозмущенных условиях (за исключением СКЛ) вклад ГКЛ составляет около 50 процентов от общей дозы от всех источников космического излучения, то есть 0,3 мЗв /сут. Вне магнитосферы Земли мощность дозы ГКЛ увеличивается в несколько раз по сравнению с орбитой МКС. Это увеличение связано с отсутствием эффекта «затенения» Земли в половине полного телесного угла и отсутствием защитного эффекта магнитосферы.

Мощность дозы непосредственно в окололунном пространстве, с учетом 30% экранирования ГКЛ Луной (при полетах на Луну на низких орбитах экранирующий эффект может приближаться к 50%), считается равной
1,2 мЗв/сут.

Международный стандарт Международной организации по стандартизации (ISO) является наиболее широко используемой моделью радиационного облучения ГКЛ в настоящее время. Он был разработан на основе консенсуса между профессионалами, работающими в этой области. Эта модель позволяет прогнозировать потоки частиц ГКЛ (от протонов до урана) в зависимости от CA, который измеряется сглаженными (± 6 месяцев) среднемесячными числами Вольфа. Отмечается, что многие авторы традиционно используют модель, учитывающую изменение CA, но с использованием менее очевидного параметра солнечной модуляции, который определяется данными нейтронного мониторинга.

Недавно была опубликована новая модель ГКЛ, учитывающая современные экспериментальные данные о потоках ГКЛ в межпланетной среде.

Потоки частиц ГКЛ, включая протоны и ядра химических элементов, меняются в течение 11-летнего цикла CA, от максимума в годы минимального CA до минимума в годы максимального CA. Количество частиц ГКЛ на низких орбитах существенно уменьшается из-за отклонения их магнитным полем Земли. На ГСО и во всей внешней зоне РПЗ поток частиц ГКЛ практически идентичен потоку частиц в межпланетном пространстве. Энергетические спектры ГКЛ имеют характерную особенность — наличие пика модуляции при энергиях в сотни МэВ, который вызван влиянием потоков плазмы и магнитных полей Солнца, а его амплитуда зависит от фазы CA.

При планировании длительных космических полетов для определения дозовых нагрузок необходимо знать значение CA, определяемое числами Вольфа (W), которые, согласно моделям потока ГКЛ, определяют амплитуду. Это может быть сделано на основе прогностических моделей солнечной активности. Однако следует отметить, что на сегодняшний день не существует точных прогностических моделей для CA. Следовательно, необходимо использовать модели, относящиеся к «экстремальным», то есть описывающие модуляцию ГКЛ при самых низких прогнозируемых значениях CA в будущем. Особенно при низких значениях CA следует ожидать увеличения потоков ГКЛ. Одна из этих моделей изменения потоков ГКЛ, основанная на прогнозе CA, показывает монотонный рост потоков ГКЛ в будущем. Это, несомненно, должно привести к увеличению доз облучения ГКЛ для будущих запланированных лунных экспедиций, которые могут достигать 20% в зависимости от определенного временного интервала экспедиции.

Солнечные космические лучи, возникающие в результате протонных событий на Солнце — сильных солнечных событий — возникают спорадически и имеют высокую интенсивность, которая может на много порядков превышать фоновые значения ГКЛ, а также имеют достаточно высокие энергии, иногда до нескольких гигаэлектронвольт. Солнечные космические лучи (СКЛ) при вторжении в атмосферу и магнитосферу Земли увеличивают радиационный риск для пассажиров на борту высотных полярных авиалайнеров и космонавтов. Кроме того, СКЛ приводят к увеличению количества помех в работе спутниковой электроники, вызывают затруднения в работе радиосвязи, оптического и электронного оборудования на спутниках и способствуют истощению озонового слоя в полярных регионах. События, связанные с СКЛ, трудно предсказать. Более десятка мощных событий СКЛ мы можем ожидать в течение солнечного цикла продолжительностью 11 лет. Проникающие в магнитосферу Земли потоки СКЛ, вызванные большими солнечными вспышками, могут привести к сбоям в работе автоматики при запуске ракет-носителей. Это может повлиять на надежность запуска и привести к потере данных в системе управления ракеты-носителя. В сентябре 2001 года запуск спутника Kodiak Star был отложен на 24 часа из-за сильной солнечной вспышки, которая произвела поток протонов, превышающий допустимый уровень.

В высоких широтах нашей планеты, солнечные протоны, обладающие большой энергией, кроме радиационного риска для пассажиров высотных самолетов, также вызывают необычную ионизацию ионосферы. Это приводит к явлению, известному как ППШ (поглощение в полярной шапке), которое сильно влияет на радиоволны и может затруднить связь с пилотами и навигацию. Поглощение может продолжаться до 10 дней и дольше.

3.2 Характеристики дозового воздействия на экипаж для некоторых сценариев лунных миссий

Дозы космического излучения во время полета на Луну зависят от многих факторов:

— траектории (рассматриваются в краткосрочной перспективе — всего на несколько часов)

— пересечения протонного (внутреннего) и электронного (внешнего) РПЗ; в зависимости от траектории доза может варьироваться в несколько раз;

— фазы цикла СА (минимальная или максимальная СА или промежуточная фаза, доза может варьироваться на десять процентов; ниже рассматриваются полеты вблизи минимума СА, когда дозы ГКЛ максимальны и вкладом в СКЛ можно пренебречь);

— защиты (массы) лунного космического корабля (доза может значительно различаться для различных вариантов защиты отсеков; по оценкам, средняя алюминиевая защита составляет 10 г / см2);

— возникновение СПС, даже в течение минимального периода СА (однако дозы могут изменяться в десятки или сотни раз с небольшой вероятностью по сравнению с исходной информацией)

— длительность миссии, ее сценарий

Значения доз для различных сценариев лунных миссий, описанные в таблице 3.2., используются для консервативных оценок доз. Эти оценки являются средними, но усреднение было сделано скорее в направлении передозировки, чтобы предотвратить недооценку ожидаемых дозовых нагрузок в интересах радиационной безопасности экипажа.

 

Таблица 3.2. – Характерные величины дозовых нагрузок для современных пилотируемых космических полетов и нормативы по ограничению дозового воздействия в наземной и космической практике

Приведем пример расчета доз с использованием данных из табл.3.2 для некоторых типичных сценариев полета на Луну.

Краткий облет Луны:

Расчет доз для этого случая представлен в табл. 3.3.

 

Таблица 3.3. – Кратковременный облет Луны

 

Доза 13,2 м3, полученная в этом сценарии, намного меньше указанной выше нормы в течение 1 месяца (250 м3). Соблюдение условий радиационной безопасности в полете возможно. Доза, полученная за 11 дней во время полета на Луну, равна 13,2 м3/0,6  ≈ 22 дня полета на орбите МКС по критерию общей дозы ионизирующего космического излучения.

Если пребывание на лунной орбите продлить до 1,5 месяцев по выбранному сценарию, то с учетом перелета с Земли и обратно полная доза для такой миссии составит уже 58,8 м3, то есть намного меньше 250 м3, что соответствует критерию полной дозы ионизирующего космического излучения на орбите МКС, равному ≈ 98 дням.

Краткое пребывание на поверхности Луны (в соответствии со сценарием полета миссий НАСА «Аполлон»):

Расчет доз для этого случая представлен в табл.3.4.

Таблица 3.4. – Кратковременное пребывание на лунной поверхности

Как известно из опубликованных источников, во время полетов «Аполлон» на Луну в 1969-1972 годах измерения доз проводились индивидуальными дозиметрами. Однако, такой подход не позволял определить эквивалентную дозу и учитывать вклад всего энергетического спектра в дозу ионизирующего излучения.

Поскольку продолжительность миссий Аполлона составляла от 6 до 12,5 дней, общее количество доз, измеренных за всю миссию, составляло от 1,6 до 11,4 мГр, в то время как среднесуточные дозы варьировались от 0,22 до 1,27 мГр /сут. Использование среднего показателя качества ГКЛ (QF = 3,5) дает эквивалентные дозы в диапазоне от 6 до 40 м3, которые сопоставимы со значением дозы в 10 м3, полученным для аналогичной миссии (табл. 3.3).

Необходимо обратить внимание, что оценки дозовой нагрузки приведенные в таблице.3.2 и 3.3. будут выполнены в течение рассматриваемого периода миссии без учета вклада в дозу СКЛ. Исключительно благоприятная космическая погода во время полетов на Луну миссий «Аполлон» обусловила относительно низкий уровень радиации, наблюдаемый астронавтами.

Однако известно, что, например, во время мощной СПС в августе 1972 года общая доза на пути к Луне в обычном, плохо защищенном отсеке корабля была бы в десять раз выше для каждого члена экипажа, что согласно оценкам превышает 500 м3. Другими словами, если бы полет не был отложен (по техническим причинам), то через несколько дней члены экипажа получили бы дозу, превышающую текущий годовой лимит для МКС.

Однако, миссия «Аполлон» привела к негативным последствиям для астронавтов, хотя дозы облучения были относительно низкими. Эти последствия были вызваны воздействием различных факторов космического пространства, таких как космические лучи, невесомость и пониженное магнитное поле более чем в тысячу раз по сравнению с земными условиями (гипомагнитная среда).

• Перспективные методы защиты КА и космонавтов при лунных миссиях

Для конструкторов космических аппаратов космическая радиация является значительной проблемой, поскольку они стремятся защитить космонавтов, которые проводят долгое время в космосе и подвергают свою жизнь опасности. Традиционные материалы, такие как алюминий, используемые сейчас для изготовления космических аппаратов, задерживают некоторые космические частицы, но для продолжительных полетов в космосе требуется более надежная защита. Для защиты космического корабля можно использовать определенные материалы, например, полипропилен или воду, которые обладают хорошими защитными свойствами. Однако, для достижения необходимой степени защиты, потребуется большое количество этих материалов, что приведет к неприемлемо большому весу корабля.
Поэтому для защиты предлагается рассмотреть композиционные материалы на основе полимеров. Полимерный композит включает в себя фторопластовую матрицу, наполненную модифицированными висмутсодержащими и вольфрамсодержащими радиационно-защитными наполнителями. В таблице 3.5. представлены данные физико-механических свойств полимерного защитного композита для защиты от космической радиации, также для сравнения в таблице 3.5. приведены значения и для металлического Al. Известно, что в полимерах при прохождении электронов гораздо менее интенсивно генерируется вторичное рентгеновское излучение по сравнению с металлическими веществами. В работе [9] представлены космические испытания на способность полимеров – кевлара и полиэтилена – защищать от радиации, включая прямые измерения базовой линии фона (без защиты). Измерения выполнялись на борту МКС (Модуль «Коламбус») в рамках программ ESA, спонсируемой ALTEA-shield. Установлено, что кевлар обладает характеристиками радиационной защиты, сравнимыми с полиэтиленом, достигая мощности дозы на 32±2% и снижения мощности эквивалентной дозы на 55±4% (для экрана 10г/см²).

Таблица 3.5. — Сравнительная характеристика физико-механических свойств материалов

Анализ таблицы 3.4. показал, что предлагаемый композит превосходит металлический Al по физико-механическим характеристикам. Плотность защитного композита в 1,5 раза выше, чем у алюминия, при этом предел прочности при сжатии в 2,7 раза больше, чем у алюминия.
В качестве защиты от космической радиации также рассматривается возможность использования топливных баков космических аппаратов, содержащих жидкий водород, которые можно разместить вокруг отсека с экипажем. Космическое излучение теряет энергию при столкновении с протонами атомов, что лежит в основе идеи защиты от радиации. Протоны в ядре атома водорода «тормозят» радиацию, благодаря чему он обеспечивает некоторую защиту. В элементах с более тяжелыми ядрами протоны загораживают друг друга, поэтому космические лучи не достигают их.
Еще один из способов для отражения летящих частиц – это мощные магниты (рис.3.2), тороидальный сверхпроводящий магнит с напряженностью поля не позволит большей части космических лучей проникнуть в кабину космонавтов, расположенную внутри магнита, и тем самым снизит суммарные дозы радиации от космического излучения в десятки и более раз.

Рисунок. 3.2. — Космический корабль или станция на поверхности Луны с магнитной защитой

Но магниты очень тяжелы и пока неизвестно, насколько опасным для космонавтов окажется магнитное поле, достаточно мощное, чтобы отражать космическую радиацию.

  

Заключение

В рамках выпускной квалификационной работы магистра было проведено исследование возможностей реализации Российской лунной программы.

Для достижения поставленной цели был проведен аналитический обзор современного состояния и способов реализации Российской лунной программы, проведен проектно-баллистический анализ лунных траекторий, проанализирована возможность использования «быстрой» схемы сближения и «быстрой» стыковки при синхронном старте для реализации схем полета к Луне и исследованы основные особенности радиационного воздействия на экипаж и перспективные методы защиты при выполнении лунной экспедиции.

Результаты проведенного исследования можно сформулировать в виде следующих выводов:

1. Осуществление пилотируемого перелета на Луну возможно с использованием нескольких вариантов сборки и полета лунного экспедиционного комплекса, главное их различие заключается в грузоподъемности носителя, который осуществляет выведение ЛЭК или его элементов на ОИСЗ, а также наличии/отсутствии операций стыковки/расстыковки элементов комплекса, которые влияют на надежность и массовые характеристики проводимых операций.
2. Проведенный проектно-баллистический анализ показал, что достигнуть Луны можно только по так называемым пространственным траекториям. Достижение Луны возможно в любую дату при использовании пространственных траекторий. Необходимое время старта определяется долготой восходящего узла пролетной орбиты. При  отлете от Луны к Земле, как показали расчеты, минимально возможный импульс составляет 0,8 км/с.
3. Использование «быстрой» схемы сближения позволит реализовать двухпусковую схему отлета к Луне. Двухпусковая схема полета к Луне, включает стыковку пилотируемого корабля и РБ на околоземной орбите, снижает потребную грузоподъемность ракеты-носителя в 2,5 раза по сравнению с однопусковой схемой, но снижает безопасность эксплуатации из-за возможного позднего запуска одного из стыкуемых космических объектов. Преодоление недостатка возможно при включении орбитальной станции в схему с двумя запусками.
4. Синхронный запуск позволит реализовать двухпусковую схему полета на Луну с оптимальными условиями для выхода на целевую орбиту со стыковкой объектов по «быстрой» схеме. Для защиты от столкновения при синхронном запуске рекомендуется ввести небольшой временной сдвиг между запусками обоих космических аппаратов. Благодаря введению небольшой разницы в наклонении орбиты стыкуемых объектов, межорбитальный угол, возникающий из-за временной задержки стартов, можно эффективно парировать.
5. На основании рассмотренного материала можно сделать вывод, пилотируемые полеты на Луну возможны, но для успешного выполнения длительных космических полетов необходимо создание высокоэффективной радиационной защиты. Для защиты от космической радиации целесообразно использовать композиционные материалы, в особенности полимерные. Такие материалы могут быть получены на основе фторопластовой матрицы и модифицированных висмутсодержащих и вольфрамсодержащих радиационно-защитных наполнителей. Материал обладает высокими защитными свойствами по отношению к электронному, протонному и гамма-излучению.
6. Поскольку наших знаний о радиобиологических эффектах ТЗЧ от ГКЛ при мощных событиях СКЛ недостаточно, представляется разумным ограничить продолжительность лунных миссий на первом этапе 1,5 месяцами. В будущем продолжительность лунных миссий может быть увеличена по мере накопления данных о медицинском обслуживании, методах и средствах радиационной защиты.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Егоров В. А. О траекториях возвращения от Луны к Земле / В. А. Егоров, Л. И. Гусев. – Москва : Наука, 1980. – 544 с.
2. Егоров В. А. Пространственная задача достижения Луны / В. А. Егоров. – Москва : Наука, 1965. – 216 с.
3. Левантовский В. И. Механика космического полёта в элементарном изложении / В. И. Левантовский. – Москва : Наука, 1980. – 512 с.
4. Легостаев В. П. Луна — шаг к технологиям освоения Солнечной системы / В. П. Легостаев, В. А. Лопота. – Москва : РКК «Энергия», 2011. – 584 с. – ISBN 978-5-91820-046-9.
5. Муртазин Р. Ф. Проведение «быстрого» сближения космического корабля и разгонного блока при двухпусковой схеме отлёта к Луне / Р. Ф. Муртазин, Н. А. Чудинов // Космонавтика и ракетостроение. – 2020. – № 5 (116). – С. 20-30.
6. Муртазин Р. Ф. Синхронный старт космических кораблей при двухпусковой схеме их полёта к Луне / Р. Ф. Муртазин // Космонавтика и ракетостроение. – 2015. – № 1 (80). – С. 56-62.
7. Орлов О. И. Радиационный фактор при лунных миссиях / О. И. Орлов, М. И. Панасюк, В. А. Шуршаков // Авиакосмическая и экологическая медицина. – 2019. – Т. 53, № 4. – С. 5-18.
8. Павленко В.И. Высокоэффективный конструкционный полимерный материал для защиты от космической радиации / В.И. Павленко, Н.И. Черкашина, А.А. Курицын, Е.В. Попова, Л.А. Умнова // Пилотируемые полеты в космос. – 2022. – № 2 (43)/ – С.106-109.
9. Narici L., Casolino M., Di Fino L. Perfomances of Kevlar and Polyethylene as Radiation Shielding on board the ISS in High Latitude Radiation Environment // Scientific Reports. – 2017. – Vol.7 – pp. 16-44.
10. Основные положения Основ государственной политики Российской Федерации в области космической деятельности на период до 2030 года и дальнейшую перспективу : утверждены Президентом Российской Федерации от 19 апреля 2013 г. N Пр-906 // Консультант Плюс : сайт. – URL: http://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_145908/ (дата обращения: 17.06.2023).
11. Стратегия развития пилотируемой космонавтики на период до 2035 года: утверждена 06.05.2015 руководителем Федерального космического агентства // Центральный научно-исследовательский институт машиностроения. Центр пилотируемых программ : официальный сайт. – URL: https://tsniimash.ru/science/scientific-and-technical-centers/center-for-manned-programs/about-the-center/ (дата обращения: 17.06.2023).

Страницы: 1 2 3