Заседание НТС ГНЦ РФ – ИМБП РАН 22 НОЯБРЯ 2012 Г. ПЕРСПЕКТИВНАЯ ПИЛОТИРУЕМАЯ ТРАНСПОРТНАЯ СИСТЕМА ПИЛОТИРУЕМЫЙ ТРАНСПОРТНЫЙ КОРАБЛЬ Пояснительная записка Часть двадцать восьмая Радиационная безопасность СЛИЮ ПЗ27 В.М. Петров, В.В. Бенгин, В.А. Бондаренко, С.Г. Дробышев, В.Г. Митрикас, В.А. Шафиркин, В.А. Шуршаков

Целью выполнения СЧ ОКР является разработка материалов технического проекта по обеспечению радиационной безопасности экипажа для всех этапов эксплуатации и времени функционирования пилотируемого транспортного корабля ПТК, предназначенного для доставки экипажа и полезного груза на окололунную и на весь спектр околоземных орбит, а также для последующего их возвращения на Землю. Для достижения указанной цели необходимо провести оценку показателей радиационной безопасности членов экипажа при воздействии ионизирующих излучений космического пространства и аппаратуры комплекса измерений параметров движения «Кактус» при выполнении полётов к Луне и околоземных полётов.

При выполнении полётов к Луне: - численность экипажа составляет до 4 человек; - масса доставляемого (возвращаемого) груза – не менее 100 кг; - длительность лунной экспедиции – до 30 суток; При выполнении околоземных полётов: - штатная численность экипажа – 4 человека; - масса доставляемого (возвращаемого) груза – не менее 500 кг; - длительность автономного полёта ПТК по околоземной орбите должна определяться программой полёта и минимизироваться по времени. Провести оценочные расчёты ослабления ионизирующих излучений космического пространства и гамма-источников аппаратуры «Кактус» корпусом корабля для определения радиационных воздействий (дозы) на экипаж; Разработать предложения по средствам индивидуального дозиметрического контроля экипажа и по составу средств бортового радиационного контроля; Разработать предложения по обеспечению радиационной безопасности экипажа для транспортного корабля в программу обеспечения безопасности (ПОБ).

ПТК осуществляет транспортно-техническое обслуживание ОПС на орбитах высотой до 500 км. При решении этой задачи продолжительность автономного полёта составляет до трёх суток. Возможен полёт ПТК на орбитах высотой км с наклонением 51,7° для транспортно- технического обслуживания и полета в составе ОПС, а также выведения и автономное функционирование корабля на орбитах высотой км с наклонениями 63,0°; 72,0°; 83,0° и 98,0° Возможен полёт на орбитах высотой км с наклонениями 63,0°; 72,0°; 83,0° и 98,0°

Исполнитель обязан провести анализ и выдать свои предложения по: - выполняемым мероприятиям на разных этапах проектирования и функционирования корабля, порядку обеспечения и средствам обеспечения радиационной безопасности экипажа для ПТК; - конструктивному исполнению радиационной защиты экипажа для ПТК при полёте на орбитах высотой км с наклонениями 63,0°; 72,0°; 83,0° и 98,0° (при необходимости); - конструктивному исполнению средств локальной радиационной защиты для корабля (при необходимости); - типам и конструктивному исполнению, порядку применения средств индивидуального дозиметрического контроля экипажа; - по средствам бортового дозиметрического контроля.

НОРМАТИВЫ РАДИАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ЭКИПАЖА Критический орган, глубина в ткани, Продолжительность экспозиции Дозовый лимит, эквива-лентная доза, Зв КТС,Однократное острое0,15 30 дней0,25 Один год0,50 Хрусталик глаза,30 дней0,5 Один год1,0 За карьеру2,0 Кожа, 0,01 cм30 дней1,5 Один год3,0 За карьеру6,0 Все телоПрофессиональный предел за карьеру 1,0 Эффективная доза Действующие нормативы ограничения облучения космонавтов при орбитальных полетах различной продолжительности [3].

Условия осуществления космического полета с точки зрения РБ: - энергетические, зарядовые и угловые спектры космических излучений в конкретное календарное время; - баллистические характеристики траектории полета; - функции экранированности рабочих мест членов экипажа внутри КА. Существует четыре основных источника космических излучений, способных давать заметный вклад в поглощенную дозу, воздействующую на космонавтов: - протоны и электроны радиационных поясов Земли (РПЗ); - протоны и более тяжелые частицы галактических космических лучей (ГКЛ); - протоны солнечных космических лучей (СКЛ); - нейтроны космического пространства и альбедо.

Дифференциальные энергетические спектры протонов РПЗ на оболочке L = 1,6. Черная кривая для В = 0,076 Гс (геомагнитный экватор), коричневая – В = 0,08, красная – В =0,10, коричнево-зеленая – В = 0,12, зеленая – В = 0,14, синяя – В = 0,16, фиолетовая – В = 0,18, коралловая – В =0,20, лиловая – В= 0,22, вишневая – В = 0,24.

ГКЛ являются постоянно действующим источником радиации в космосе, в котором присутствуют практически все элементы периодической системы /13/. Основной особенностью ГКЛ как источника облучения в космосе является их разнообразный зарядовый состав и широкий энергетический спектр, что обусловливает высокую проникающую способность частиц и затрудняет защиту от ГКЛ. (Спектр протонов ГКЛ изучен вплоть до энергии эВ). Интегральный поток ГКЛ в межпланетном пространстве изменяется под действием солнечной модуляции и вблизи орбиты Земли составляет /5/ J(GCR) = ( ) см -2 с -1, минимальное значение потока ГКЛ реализуется в период максимума СА, а максимальное - в период минимума. Современные методы расчета /36,37/ (см. также раздел ), основанные на транспортной барионной модели, позволяют надежно (с точностью 15 %) предсказывать среднесуточные дозы ГКЛ на околоземных орбитах при условии корректного задания функции экранированности рассматриваемой точки.

Погрешности оценок поглощенных доз в шаровом фантоме при учете внешнего геомагнитного поля Земли с 11-летней вариацией (1-я строка) и с учетом 11-летней, 2-х летней и 27 суточной вариаций относительно расчетов без учета внешнего геомагнитного поля Земли. ОрбитаХГКЖКТСЦНСЖКТ 200 км 3.68%3.87%3.74%3.69%3.63% 4.10%4.28%4.11%3.90%3.89% 361,5 км 3.68%3.51%3.33%3.32%3.19% 3.82%3.95%3.79%3.69%3.57% 500 км 3.36%3.53%3.37%3.26%3.29% 3.78%3.81%3.73%3.72%3.81%

Интенсивность ГКЛ с Е> 2.5 ГэВ/нукл Группа ядерZПоток, м -2 с -1 ср -1 p L M H HIHI H II VH

ЗАЩИТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПТК 1.Радиационно-защитные характеристики материалов 2. Геометрическая модель ПТК. Общий вид командного отсека. Синим цветом обозначены сечения конструк- ции, коричневым цветом – на внешних поверхностях КО теплоизоляция и теплозащита, внутри КО – сечения оборудования, красным и фиолетовым цветом показаны ложементы, зеленым цветом – сферический фантом.

Схема размещения кресел «Казбек» в ПТК

Функции экранированности Функции экранированности фантома, размещенного в центральном (слева) и боковом (справа) ложементах ПТК для оценки радиационного воздействия от излучения РПЗ. Для КЖ – оранжевая кривая, для ХГ – синяя кривая, для КТС – красная кривая, для ЦНС – зеленая кривая, для ЖКТ – коричневая кривая.

Функции экранированности фантома, размещенного в центральном ложементе (слева) и боковом ложементе (справа) ПТК, для оценки радиационного воздействия от ФИС: источник направлен в сторону КО. X 0 = 430,0 Y 0 = -10,0 Z 0 = - 27,0. Для КЖ – оранжевая кривая, для ХГ – синяя кривая, для КТС – красная кривая, для ЦНС – зеленая кривая, для ЖКТ – коричневая кривая.

Оценки дозовых нагрузок СПС в мкЗв/сутки на фантомы, размещенные в ПТК для орбит с наклонением 51,6°. Фантом в центральном ложементеФантом в боковом ложементе Дата КЖХГКТСЦНСЖКТКЖХГКТСЦНСЖКТ Средняя высота орбиты 200 км. 1 сутки сутки сутки сутки сутки сутки сутки сутки сутки сутки Сумма

Оценки дозовых нагрузок от квазистационарных источников в мкЗв/сутки на фантомы, размещенные в ПТК, для орбит с наклонением 83,0°. Фантом в центральном ложементеФантом в боковом ложементе Источник КЖХГКТСЦНСЖКТКЖХГКТСЦНСЖКТ Средняя высота орбиты 200 км. РПЗ ГКЛ Сумма Средняя высота орбиты 300 км. РПЗ ГКЛ Сумма Средняя высота орбиты 400 км. РПЗ ГКЛ Сумма Средняя высота орбиты 500 км. РПЗ 117,5105,652,944,839,9 114,2103,341, ,6 ГКЛ 882,0870,7815,2805,7800,6863,0852,9801,7792,8788,0 Сумма ,0868,3850,7840,6977,9956,9843,3828,3819,7 Средняя высота орбиты 700 км. РПЗ ГКЛ 928,3916,4857,6847,5842,1908,3897,5843,2833,8828,6 Сумма Средняя высота орбиты 1000 км. РПЗ ГКЛ 992,3979,5916,2905,3899,4970,7959,2900,6890,4884,7 Сумма

Полет ПТК к Луне

В ходе выполнения работ по настоящему договору Заказчик предложил рассмотреть три варианта полета к Луне: быстрый выход на траекторию полета к Луне (вариант1) - красный, замедленный выход на траекторию полета к Луне (вариант 2) - синий, выход на траекторию полета к Луне через дополнительный высокоапогейный виток (вариант 3) - зеленый.

Дозы облучения экипажа ПТК при различных вариантах лунной экспедиции ГКЛ T,часы l=90°1-й фантом2-й фантом Вариант 1КЖХГКТСЦНСЖКТКЖХГКТСЦНСЖКТ контр. виток1:35мкЗв37,236,231,130,329,835,534,529,829,028,6 До км2:33мкЗв225,9220,1188,4182,7179,8206,0200,5171,7166,6163,7 После кммкЗв/час97,895,481,678,677,498,495,481,679,278,0 335мкЗв

Оценки дозовых нагрузок в мкЗв/сутки на фантомы, размещенные в ПТК для полета в межпланетном пространстве. Среднетканевые дозы равны ,8 мкЗв и могут оказаться выше на 40 – 200 мкЗв в зависимости от варианта старта с опорной орбиты. Отметим, что ввиду высокой проникающей способности ГКЛ среднетканевые дозы в обоих ложементах различаются не более, чем на 1,5 %. Поэтому радиационную опасность можно характеризовать одним значение дозы, полученной внутри ПТК-Л. Суммарная доза облучения в этом случае составит 9,4 сЗв (бэр). Фантом в центральном ложементеФантом в боковом ложементе Дата КЖХГКТСЦНСЖКТКЖХГКТСЦНСЖКТ 1 сутки сутки сутки сутки сутки сутки сутки сутки сутки сутки сутки Суммаа

Схема конструкции передатчика ФИС КИПД ПТК

Дозы в ложементах ПТК от гамма - источника в системе мягкой посадки Согласно оценкам, максимальная мощность дозы от источника системы мягкой посадки составляет от 18 до 21 мрад/сутки. Так что суммарный вклад в дозу облучения членов экипажа от 252 мрад до 295 мрад за полет к Луне. Оценка мощности дозы от гамма – источника с применением функции экранированности дает уменьшение этих величин в 2 – 2.5 раза для источника в положении «хранение» и увеличение в несколько десятков раз в положении «открыто». Отметим, что при получении этих оценок не учитывалась возможная дополнительная экранировка источника оборудованием и материалами, расположенными под ложементами. Для получения более точных данных необходимо оценить этот фактор, что может быть сделано при получении достаточно точных сведений о заполнении веществом закресельного пространства. Учитывая разброс полученных расчетных оценок, подчеркнем необходимость снятия картограммы доз от реального источника в условиях, максимально близких к реальной заполненности космического аппарата веществом.

Суммарные дозы за 10 – суточный полет по околоземным орбитам с учетом вклада СПС, мкЗв. Высота орбиты, км ценг р бок цент р бок цент р бок цент р бок цент р бок

Суммарные дозы за 30-суточный полет по околоземным орбитам в период спокойной радиационной обстановки (без СПС). В условиях 30 – суточного полета практически по любым орбитам, перечисленным в ТЗ, среднетканевая доза не превысит 8 сЗв, т.е. требование нормативов (25 сЗв за любой отрезок полета продолжительностью 30 суток) выполняется. Добавление возможной максимальной дозы от СПС – 2 сЗв не изменяет этой оценки. Т.о. можно заключить, что защита ПТК весьма эффективна и обеспечивает снижение доз при орбитальных полетах до приемлемых значений. Высота орбиты, км центрбокцентрбокцентрбокцентрбокцентрбок

Предложения по средствам дозиметрического контроля для ПТК. В состав средств измерений индивидуального дозиметрического контроля должны входить: Индивидуальные показывающие дозиметры, которые должны обеспечивать:; - непрерывное измерение интегральных доз радиации; - оценку временного режима облучения; -возможность визуального отображения результатов по усмотрению экипажа Индивидуальные пассивные дозиметры. Бортовая система дозиметрического контроля, в соответствии с п. 3.2 ГОСТ должна «…обеспечивать получение информации, необходимой для учёта качества ионизирующего излучения, пространственной и временной неравномерности распределения дозного поля, а также измерять поглощённую и часовую равноценную дозу излучения».

Технические характеристики дозиметра ЗначениеПримечание Поглощенная доза, Гр от 1×10 -5 до 10 Диапазоны могут уточняться в результате дальнейших проработок Мощность дозы, Гр/с от 3· до 3· Погрешность измерений, %, не более15 Технические характеристики спектрометра ЗначениеПримечание Диапазон интегральных спектров: - электронов, МэВ - протонов, МэВ 0,05 – Диапазоны могут уточняться в результате дальнейших проработок Погрешность измерений потоков частиц в каждом из энергетических диапазонов, %, не более 25,0

Заключение Для оценок радиационной безопасности экипажа пилотируемого корабля ПТК при околоземных полетах на высотах до 1000 км и наклонении орбит от стандартной орбиты МКС до полярных, и при выполнении на этом корабле полетов к Луне выполнены следующие работы. - На основе конструкторских данных была разработана модель защиты ПТК и определены функции экранированности основных точек КА и систем тела космонавтов, определяющих оценку радиационной опасности в полете. - С использованием этих данных и современных моделей радиационных условий в космическом пространстве были детально рассчитаны и проанализированы возможные уровни облучения при различных вариантах полета ПТК. - Анализ полученных данных на соответствие современным нормативам показал, что практически при всех вариантах полета, в том числе при возмущенной радиационной обстановке (критическое СПС в октябре 1989 г.. используемое в мировой практика для оценки опасности от СКЛ) требования норм радиационной безопасности оказываются выполненными.. -

- В процессе полета должны быть разработаны с учетом выполняемой программы рекомендации, позволяющие снизить дозу облучения экипажа без уменьшения эффективности выполнения программы, т.е. удовлетворить требованию соблюдения принципа АЛАРА. - Эти рекомендации должны быть в основном разработаны заранее с учетом информации о планируемом полете и должны оперативно применяться в процесс полета по указанием Службы радиационной безопасности - Серьезным требованием для выполнения такой схемы обеспечения радиационной безопасности полета является наличие на борту ПТК системы радиационного контроля, основные характеристики которой представлены в пояснительной записке. Подчеркнем, что надежное функционирование такой системы является обязательным условием успешного решения проблемы обеспечения безопасности экипажа при выполнении любого из планируемых вариантов полетов ПТК, - Для поддержки работ по оперативному обеспечению радиационной безопасности полета должно быть разработано и введено в рабочую эксплуатацию необходимое ПМО и регламентирующая нормативно – техническая документация.

Благодарю за внимание.