Особенности радиационной защиты в космосе

Трудности в обеспечения радиационной безопасности космических полетов заключаются как в наличии разнообразных и мощных источников радиации в космосе, так и существенными ограничениями массы КА. Большая стоимость запуска полезного фуза не позволяет в настоящее время снабдить экипаж космического аппарата такой же защитой, какой защищен персонал ядернотехнических установок в земных условиях.

Сложности с защитой космических экипажей обусловлены также значительными отклонениями радиационной обстановки от среднего значения в пространстве и во времени, так как потоки частиц в космическом пространстве подвержены сильным пространственно-временным изменениям. Например, плотности потоков заряженных частиц в радиационных поясах изменяются в десятки тысяч раз в зависимости от расстояния до Земли, геофафической широты и испытывают значительные изменения во времени. Очень большие временные флуктуации испытывает излучение солнечных вспышек.

В качестве еще одного важного специфического фактора солнечных вспышек, который необходимо учитывать при подготовке космического полета, следует отметить ионизующее электромагнитное излучение солнечных вспышек. В спокойное время это излучение практически полностью поглощается в атмосфере на больших высотах, вызывая ионизацию атомов воздуха. Во время солнечных вспышек потоки электромагнитного излучения от Солнца возрастают на несколько порядков, что приводит к разогреву и дополнительной ионизации верхних слоев атмосферы. В результате атмосфера «раздувается» и ее плотность на фиксированной высоте сильно увеличивается. Это представляет серьезную опасность для КА на низких высотах, в том числе и для орбитальных стаций (см. рис. 21.9), поскольку, попадая в плотные слои атмосферы, КА может быстро потерять высоту. Например, такая участь постигла американскую космическую станцию «Скайлэб». Повышение солнечной активности в 1978;1979 гг. вызвало расширение земной атмосферы, что в сочетании с трудностями ориентации станции в пространстве приблизило конец ее существования.

Рис. 21.9. Международная космическая станция в полете (http://spacefUght.nasa.gov/gallery/images/station/).

Уменьшение высоты круговой орбиты над поверхностью Земли до ~ 400 км заметно уменьшает радиационную опасность и увеличивает допустимую продолжительность полета без специальной защиты, но при этом требуется больше топлива для коррекции высоты орбиты, так как на низких орбитах более существенно торможение КА в остаточной атмосфере.

Основные особенности защиты в космосе заключаются в следующем:

• 1) защита окружает не источник излучения, а экипаж корабля. Исключена возможность защиты расстоянием и минимальная возможность защиты временем. Некоторая возможность защиты временем связана с нахождением экипажа в различных отсеках корабля, которые по-разному насыщены оборудованием. Это приводит к неравномерному пространственному распределению уровня облучения в этих отсеках;
• 2) необходимо учитывать вторичные излучения, например тормозное излучение электронов, нейтроны от ядерных взаимодействий протонов, которые сами могут полностью поглощаться в защите КА;
• 3) в результате сложного состава космических излучений (протоны, электроны, многозарядные ионы, электромагнитное излучение) и их широкого энергетического спектра мы имеем дело с большим разбросом величины взвешивающего коэффициента излучений, который используется при вычислении эквивалентной дозы. Обычно вводят эффективное значение коэффициента излучения (й^), проводя усреднение по

спектру или (и) по типу излучения. Отметим, что за пределами магнитосферы Земли (например, далекие гелиостационарные орбиты), где более разнообразны типы и энергии заряженных частиц, в несколько раз выше, чем й^ на низких орбитах;

• 4) при создании защиты КА приходится учитывать конечную вероятность превышения любой заранее заданной проектной величины дозы. Это обусловлено главным образом случайным характером распределения солнечных вспышек во времени. Потоки частиц ГКЛ и РПЗ в околоземном космическом пространстве присутствуют постоянно, и эти источники являются медленно меняющимися. Заметные на этом фоне потоки частиц СКЛ являются стохастическими — появляются случайно па короткое время (до 1−3 суток). Радиационная опасность от солнечных вспышек может быть значительной для космонавтов, находящихся вне КА. Например, одна из мощных вспышек произошла в августе 1972 г. Для космонавта вне станции суммарная доза составила бы ~ 4 Зв — летальная доза радиации в 50% случаев (в МКС с толщиной защиты около 10 г/см² всего ~ 0,01 Зв). Радиационное воздействие солнечных вспышек (солнечных протонных событий) нельзя точно предсказать заранее на большой срок и с высокой надежностью. Кроме этого для электронной составляющей РПЗ существуют сезонные вариации. Потоки электронов весной и осенью в 5−6 раз больше минимальных — зимой и летом;
• 5) при планировании космического полета необходимо учитывать модуляцию интенсивносги ГКЛ. В интенсивности и в спектре ГКЛ, попадающих в геомагнитное поле, происходят заметные изменения, которые определяются взаимодействием потока ГКЛ с солнечным ветром и с присутствующими в нем магнитными полями. СВ препятствует вхождению частиц низких энергий в магнитное поле Земли, уменьшая дозовую нагрузку на КА. Величина интенсивности ГКЛ находится в противофазе с 11 -летним солнечным циклом. В периоды максимума солнечной активности доза от ГКЛ меньше, чем в периоды минимальной активности Солнца. Для периода максимума и минимума СА выражения для мощности среднетканевой эквивалентной дозы (сЗв за сутки полета) в зависимости от толщины защиты d (г/см²) космического аппарата из алюминия имеют вид [9]:

• 6) среднесуточные дозы радиации при нахождении космонавта внутри космической станции превышают наземный уровень естественного радиационного фона в 100−200 раз, поэтому в проектных расчетах защиты пилотируемых кораблей не представляется возможным использовать дозовые пределы для профессионального облучения в наземных условиях. Масса радиационной защиты космического межпланетного корабля, которая удовлетворяет требованиям радиационной безопасности для персонала наземных ядернотсхнических установок, при продолжительности полета 2−3 года должна составлять тысячи тонн;
• 7) кроме биологической защиты экипажа КА необходимо решать задачи, связанные с радиационной защитой различных технических систем (в первую очередь, электронных) для всех космических аппаратов. Нарушение их работоспособности ограничивает срок активного существования КА на орбите. Большинство покрытий под действием космических излучений изменяют свои оптические характеристики, солнечные батареи теряют выходную мощность в процессе облучения протонами. Отказы электронных устройств обусловлены выделением энергии в полупроводниковых материалах за счет суммарной ионизации заряженными частицами, а также за счет эффектов смещений в полупроводниковых кристаллах, вызванных высокоэнергетическими протонами [1]. При нахождении КА менее года в области максимума интенсивности вну треннего РПЗ в поверхностном слое большинства материалов возникают существенные изменения их основных свойств.

Указанные особенности радиационной защиты КА, которые значительно отличаются от защиты в наземных условиях, ставят задачу разработки надежной защиты космонавтов при существенном ограничении сс массы. Это достигается путем создания специального комплекса инженерно-технических и медицинских методов как на этапах проектирования и сооружения КА, так и во время его полета.