Обеспечение радиационной безопасности космических полетов

При подготовке космического полета необходимо проводить количественное прогнозирование радиационной опасности, принимая во внимание радиационные условия предполагаемой траектории полета, степень защиты космонавтов и оборудования для обеспечения их работоспособности. Эта задача очень сложная, гак как необходимо учитывать разнообразный состав излучений в космосе, их широкий спектр, изменение радиационных условий в пространстве и во времени, а также сложную конструкцию самого КА.

Все особенности космического полета достаточно полно можно учесть на основе метода статистического моделирования (метода Монте-Карло), используя современные вычислительные средства и соответствующее программное обеспечение. В настоящее время существуют программы, в которых моделируется прохождение космических излучений с учетом реальной конструкции и компоновки КА и вычисляются радиационные эффекты в фантоме тела человека за защитой и в различном оборудовании КА. С помощью различных эмпирических моделей, основанных на экспериментальных данных, полученных с помощью спутников, моделируется сложный источник потоков различных частиц на заданной орбите КА с их спектральными, угловыми, пространственными и временными распределениями. Из-за сложного характера источника первичного излучения, точность существующих в настоящее время расчетных моделей потоков частиц не велика: ±50% - для протонов РПЗ, ±25% - для потоков частиц ГКЛ, ±100% - для потоков частиц СКЛ [11].

Расчеты с подробным учетом всех особенностей полета требуют очень больших временных затрат, поэтому на начальном этапе проектирования космического полета делают предварительные оценки радиационной опасности на заданной орбите с учетом защиты космонавтов и оборудования. Эти оценки проводят для защиты в простой конфигурации (сфера, плоскость) в зависимости от се толщины, что в дальнейшем позволяет использовать эти данные для уточняющих расчетов с учетом реальной конструкции и компоновки КА. Такие расчеты проводятся, как правило, для каждого радиационного поля в отдельности на основе различных методик, которые реализованы в виде большого числа специальных ГОСТов, руководящих документов (РД), методических указаний (МУ). Некоторые из них упоминались ранее. Расчеты позволяют оценивать верхний предел характеристик радиационного воздействия, которые не должны быть превышены с определенной вероятностью за время полета.

Для этих целей разработаны мощные информационные комплексы (ИК), которые существенно сокращают временные затраты на получение информации о требованиях, которые необходимо предъявлять к разрабатываемой космической технике с учетом радиационного воздействия на КА. К таким ИК, например, относится американский CREME96 (http://creme96.nrl.navy.mil/), европейский SPENVIS (http://www.spenvis.oma.be/spenvis/) и российский COSRAD (http://cosrad.sinp.msu.ru/cgi-bin/main.pl), разработан в НИИ ЯФ МГУ.

При подготовки длительных межпланетных экспедиций необходимо учитывать периодичность изменения радиационной обстановки в Солнечной системе, связанной с 11-летним солнечным циклом. Например, ГКЛ характеризуются относительно жестким спектром, простирающимся до сотен ГэВ. Их высокоэнергетическая часть мало ослабляется с увеличением толщины защиты КА (см. рис. 21.8), причем дозы за год полета для периода минимума солнечной активности (СА) оказываются достаточно высокими и в 2−2,5 раза превышают величины доз для периода максимума СА [9]. Поэтому, планировать длительный межпланетный полет (например, к Марсу) необходимо в период максимума СА.

Для обеспечения радиационной безопасности в процессе космического полета используют комплекс инженерно-технических и медицинских методов, средств и мероприятий, позволяющих с заданной надежностью обеспечить непревышение установленных нормативных уровней радиации. К ним относят: физическую защиту, которая позволяет снизить уровни облучения экипажа; применение фармакологических препаратов, повышающих радиорезистентность организма (устойчивость биологического организма к действию ионизирующих излучений); проведение мероприятий, связанных с прогнозированием и контролем уровней облучения во время полета и выдачей рекомендаций по действиям экипажа в случае ухудшения радиационной обстановки.

Пассивная защита строится па принципе ослабления потока излучения за счет его поглощения при прохождении через определенную толщину какоголибо вещества. Необходимая толщина защиты зависит от физических характеристик космических излучений, траектории и длительности полета, компоновки корабля, свойств экранирующих материалов и выбранных критериев радиационной безопасности. Как отмечалось выше, спектры всех частиц в космическом пространстве являются быстро спадающими с увеличением энергии, поэтому только часть спектра оказывает воздействие на организм человека, который защищен внутри КА его стенками, элементами конструкции, оборудованием, а во время выходов в открытый космос — скафандром. Протоны и ядра с энергиями ниже 20 МэВ/нуклон для скафандра и 30−40 МэВ/нуклон для пребывания внутри КА не представляют опасности, так как их пробеги меньше толщины защиты (для защиты толщиной 10 г/см² — протоны с энергией менее 100 МэВ). Подавляющая часть электронов не проникает через защиту, но при интегральных потоках электронов превышающих ~ 10'' электрон/см² заметный вклад в дозу дает вторичное тормозное излучение [11].

Известно, что с увеличением толщины обшивки КА уровень излучения в его отсеках от РПЗ и солнечных вспышек уменьшается. Защита от ГКЛ по причине высоких энергий и большой проникающей способности нереальна, так как для снижения уровня дозы на 50% необходима толщина защиты в несколько десятков граммов на квадратный сантиметр.

Анализ радиационной обстановки и опыт космических полетов показали, что для околоземных орбитальных полетов с высотой орбит ~ 400 км и наклонением до 50° при эффективной толщине защиты не менее 3 г/см² специальной радиационной защиты нс требуется. Подавляющий вклад в дозу на таких орбитах дает РПЗ в основном в районе Бразильской аномалии.

Обитаемые КА, как правило, компонуются так, что защита, обеспечиваемая веществом, распределенным вокруг зон обитания экипажа, составляет от нескольких до десятков граммов на квадратный сантиметр. Эти зоны экранируются конструкцией КА, приборами, оборудованием, запасами топлива, продовольствия и т. п. Этого оказывается достаточно для снижения дозы радиации до установленной нормы.

При осуществлении космического полога необходим постоянный контроль радиационной обстановки как на трассе полета, так и вблизи Солнца. В настоящее время постоянные наблюдения за состоянием Солнца ведутся как со станций, расположенных па Земле, так и со спутников. Специальная служба радиационной безопасности космических полетов оперативно сообщает космонавтам информацию об ухудшении радиационной обстановки в результате солнечной вспышки, чтобы они могли перейти в радиационное убежище. Скорость распространения СКЛ зависит от мощности вспышки, но в среднем окрестности Земли СКЛ достигают примерно через один час. В качестве радиационного убежища в период ухудшения радиационной обстановки экипаж может использовать один из наиболее защищенных отсеков, например снабженный тепловой защитой спускаемый аппарат. Для межпланетных полетов длительностью до 1000 суток толщина защиты радиационного убежища должна быть нс менее 30 г/см². Иногда для защиты отдельных отсеков КА в его конструкцию вводят специальные экраны.

В системе радиационной защиты при космических полетах используют и различные медицинские методы и средства, в частности противолучевые лекарственные средства — радиопротекторы. Радиопротекторы — это индивидуальные средства фармакохимической противолучевой защиты, которые реализуют свой эффект на физико-химическом и биохимическом уровне клеток, существенно уменьшая поражающее действие облучения.

Радиозащитный эффект обнаружен у целого ряда веществ различной химической структуры и объясняется с помощью различных механизмов действия. Например, некоторые вещества вызывают снижение концентрации кислорода в тканях. Локальное снижение концентрации свободного кислорода в тканях (создание временной тканевой гипоксии) вызывает уменьшение возможности образования свободных радикалов в момент облучения. Защитный механизм других веществ сводится к снижению косвенного действия радиации путем перехвата и инактивации (снижение активности) свободных радикалов и других акгивных продуктов радиолиза воды. Как мы уже отмечали (см.

Введение

), косвенное действие ионизирующего излучения через свободные радикалы является общим явлением в живых организмах и может приводить к серьезным биологическим последствиям. Величину действия радиопротекторов выражают в виде фактора уменьшения дозы (ФУД), равного отношению доз излучений, вызывающих одинаковый эффекг в присутствии радиопротекторов и в их отсутствии.

Радиопротекторы принимают непосредственно перед предполагаемым кратковременным облучением при большой мощности дозы. Их прием приводит к снижению радиочувствительности организма, к уменьшению тяжести лучевой болезни и предотвращению гибели при облучении в летальных дозах. Радиопротекторы обладают наибольшей радиозащитной эффективностью с ФУД = 1,5−3 и действуют при применении до облучения в течение 1−3 ч.

В процессе космического полета проводится постоянный дозиметрический контроль. Основными задачами такого контроля являются оценка категории радиационной ситуации и определение дозы излучения, полученной каждым членом экипажа за время полета. Дозиметрический контроль состоит из индивидуального и бортового. В результате индивидуального дозиметрического контроля измеряется поглощенная или эквивалентная доза облучения на поверхности тела космонавтов. При ухудшении радиационной обстановки до нештатной или аварийной дополнительно измеряются часовые поглощенная или эквивалентная дозы. В результате бортового дозиметрического контроля определяется категория радиационной ситуации, т. е. измеряется часовая равноценная доза и оценивается радиационный риск с учетом пространственного распределения эквивалентной дозы и временного режима радиационного воздействия.

В заключение лекции отметим, что космический полет протекает при постоянном отрицательном воздействии на организм космонавтов многих неблагоприятных факторов. Ионизирующее излучение является лишь одним из них.