Заседание НТС ГНЦ РФ – ИМБП РАН22 НОЯБРЯ 2012 Г.

ПЕРСПЕКТИВНАЯ ПИЛОТИРУЕМАЯ ТРАНСПОРТНАЯ СИСТЕМА

ПИЛОТИРУЕМЫЙ ТРАНСПОРТНЫЙ КОРАБЛЬПояснительная запискаЧасть двадцать восьмая

Радиационная безопасностьСЛИЮ.372221.001.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 500-1000 км с наклонением 51,7° для транспортно-технического обслуживания и полета в составе ОПС, а также выведения и автономное функционирование корабля на орбитах высотой 200-500 км с наклонениями 63,0°; 72,0°; 83,0° и 98,0°

Возможен полёт на орбитах высотой 500-100 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 500-1000 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 острое 0,1530 дней 0,25

Один год 0,50Хрусталик глаза, 30 дней 0,5

Один год 1,0За карьеру 2,0

Кожа, 0,01 cм 30 дней 1,5Один год 3,0

За карьеру 6,0

Все тело Профессиональный 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.

L=1.6

1.E-011.E+001.E+011.E+021.E+031.E+041.E+051.E+061.E+071.E+08

0.1 1.0 10.0 100.0 1000.0E, МэВ

dJ/d

E

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 1020 - 1021 эВ).

Интегральный поток ГКЛ в межпланетном пространстве изменяется под действием солнечной модуляции и вблизи орбиты Земли составляет /5/ J(GCR) = (1.84.5) 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 2.4.1.), 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.

Орбита ХГ КЖ КТС ЦНС ЖКТ

200 км3.68% 3.87% 3.74% 3.69% 3.63%

4.10% 4.28% 4.11% 3.90% 3.89%

361,5 км3.68% 3.51% 3.33% 3.32% 3.19%

3.82% 3.95% 3.79% 3.69% 3.57%

500 км3.36% 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 ядер Z Поток,м-2 с-1 ср-1

p 1 1300100 2 944

L 3-5 2.00.3

M 6-9 6.70.3

H 10 2.00.3

HI 10-14 1.40.4

HII 15-19 0.10.1

VH 20 0.50.2

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.

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

-250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250Y

X

Схема размещения кресел «Казбек» в ПТК

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200Y

Z

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.

1.E-06

1.E-05

1.E-04

1.E-03

1.E-02

1.E-01

1.0 10.0 100.0 1000.0

p(X

)

X, г/см21.E-06

1.E-05

1.E-04

1.E-03

1.E-02

1.E-01

1.0 10.0 100.0 1000.0p(

X)

X, г/см2

Функции экранированности фантома, размещенного в центральном ложементе (слева) и боковом ложементе (справа) ПТК, для оценки радиационного

воздействия от ФИС: источник направлен в сторону КО. X0 = 430,0 Y0 = -10,0 Z0 = -27,0. Для КЖ – оранжевая кривая, для ХГ – синяя кривая, для КТС – красная

кривая, для ЦНС – зеленая кривая, для ЖКТ – коричневая кривая.

1.E-05

1.E-04

1.E-03

1.E-02

1.E-01

1.E+00

0 20 40 60 80 100 120 140

p(X

)

X, г/см2

1.E-05

1.E-04

1.E-03

1.E-02

1.E-01

1.E+00

0 20 40 60 80 100 120 140

p(X

)

X, г/см2

Оценки дозовых нагрузок СПС в мкЗв/сутки на фантомы, размещенные в ПТК для орбит с наклонением 51,6°.

Фантом в центральном ложементе Фантом в боковом ложементе

Дата КЖ ХГ КТС ЦНС ЖКТ КЖ ХГ КТС ЦНС ЖКТ

Средняя высота орбиты 200 км.

1 сутки 598.1 579.4 479.7 461.2 450.2 565.2 547.9 455.8 438.9 428.7

2 сутки 3257.2 2707.9 983.2 785.8 678.7 2512.1 2117.1 808.9 660.8 575.5

3 сутки 102.5 84.3 28.3 22.1 18.8 78.0 65.0 23.0 18.4 15.8

4 сутки 390.5 376.3 303.4 290.1 282.1 365.9 353.0 286.2 274.0 266.5

5 сутки 302.1 258.4 108.2 89.5 79.1 240.6 208.0 91.0 76.5 68.0

6 сутки 24.7 21.4 9.5 8.0 7.2 20.0 17.5 8.2 7.0 6.3

7 сутки 208.9 185.2 95.1 82.7 75.6 174.0 155.6 82.7 72.8 66.8

8 сутки 26.8 24.2 13.4 11.8 10.8 22.8 20.7 11.7 10.4 9.5

9 сутки 7.1 6.4 3.6 3.2 2.9 6.0 5.5 3.2 2.8 2.6

10 сутки 1.5 1.4 0.9 0.8 0.7 1.3 1.2 0.8 0.7 0.7

Сумма 4919.3 4244.8 2025.2 1755.2 1606.1 3985.9 3491.4 1771.4 1562.3 1440.4

Оценки дозовых нагрузок от квазистационарных источников в мкЗв/сутки на фантомы, размещенные в ПТК, для орбит с наклонением 83,0°.

Фантом в центральном ложементе Фантом в боковом ложементеИсточник КЖ ХГ КТС ЦНС ЖКТ КЖ ХГ КТС ЦНС ЖКТ

Средняя высота орбиты 200 км.РПЗ 0.8 0.7 0.3 0.2 0.2 07 0.6 0.3 0.2 0.2ГКЛ 757 750 716 710 707 745 740 708 702 702

Сумма 758 751 716 710 707 746 741 708 702 702Средняя высота орбиты 300 км.

РПЗ 9.4 8.3 3.6 2.9 2.5 9.1 8.1 3.6 2.9 2.5ГКЛ 797 787 752 745 742 783 776 742 736 733

Сумма 806 795 756 748 744 792 784 746 739 735Средняя высота орбиты 400 км.

РПЗ 45.1 40.3 19.5 16.2 14.3 43.8 39.3 19.3 16.1 14.3ГКЛ 834 826 787 781 777 821 815 777 771 708

Сумма 879 866 807 797 791 865 854 796 787 722

Средняя высота орбиты 500 км.

РПЗ 117,5 105,6 52,9 44,8 39,9 114,2 103,3 41,4 35.3 31,6

ГКЛ 882,0 870,7 815,2 805,7 800,6 863,0 852,9 801,7 792,8 788,0

Сумма 1000 977,0 868,3 850,7 840,6 977,9 956,9 843,3 828,3 819,7

Средняя высота орбиты 700 км.

РПЗ 514 471 274 243 224 505 464 273 242 224

ГКЛ 928,3 916,4 857,6 847,5 842,1 908,3 897,5 843,2 833,8 828,6

Сумма 1442 1387 1132 1091 1066 1413 1362 1116 1076 1053

Средняя высота орбиты 1000 км.

РПЗ 1943 1784 1054 939 867 1908 1761 1067 935 867

ГКЛ 992,3 979,5 916,2 905,3 899,4 970,7 959,2 900,6 890,4 884,7

Сумма 2937 2765 1971 1845 1767 2880 2722 1968 1826 1752

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.

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

45000

50000

55000

60000

65000

70000

75000

80000

1:00 2:00 3:00 4:00Т, часы

R, к

м

Дозы облучения экипажа ПТК при различных вариантах лунной экспедиции

ГКЛ T,часыl=90° 1-й фантом 2-й фантом

Вариант 1 КЖ ХГ КТС ЦНС ЖКТ КЖ ХГ КТС ЦНС ЖКТ

контр.

виток 1:35 мкЗв 37,2 36,2 31,1 30,3 29,8 35,5 34,5 29,8 29,0 28,6

До

80 000 км 2:33 мкЗв 225,9 220,1 188,4 182,7 179,8 206,0 200,5 171,7 166,6 163,7

После

80 000 км мкЗв/час 97,8 95,4 81,6 78,6 77,4 98,4 95,4 81,6 79,2 78,0

335 мкЗв 35697 34821 29784 28689 28251 35916 34821 29784 29054 28470

Оценки дозовых нагрузок в мкЗв/сутки на фантомы, размещенные в ПТК для полета в межпланетном пространстве. Среднетканевые дозы равны 93 877,8 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 ложементе Фантом в боковом ложементе

Дата КЖ ХГ КТС ЦНС ЖКТ КЖ ХГ КТС ЦНС ЖКТ

1 сутки28445.2 26775.3 18953.5 17682.1 16947.9 28225.4 26628.8 19021.4 17712.5 17043.9

2 сутки48132.0 41920.8 19432.0 16585.0 15024.5 46478.2 40791.4 19310.3 16421.8 15022.0

3 сутки 4357.6 3602.1 1161.3 894.3 754.1 4138.7 3457.7 1143.0 874.6 750.0

4 сутки20173.7 18246.2 10436.0 9325.3 8699.3 19728.6 17933.3 10420.2 9285.7 8720.4

5 сутки 20088.3 17213.4 7006.3 5746.8 5059.4 19285.4 16660.9 6933.4 5659.0 5043.0

6 сутки 1869.6 1549.6 508.5 393.5 332.9 1777.0 1488.3 500.7 385.0 331.1

7 сутки 20952.5 18447.2 8846.4 7561.6 6846.3 20294.2 17981.9 8789.0 7482.2 6838.7

8 сутки 2208.1 1923.0 863.7 726.4 650.6 2130.9 1869.0 856.7 717.4 649.3

9 сутки 451.5 393.2 176.1 147.9 132.3 435.7 382.1 174.7 146.0 132.1

10 сутки 152.6 134.3 64.1 54.7 49.5 147.8 130.9 63.7 54.1 49.4

11 сутки 64.5 59.2 36.7 33.3 31.4 63.4 58.4 36.7 33.3 31.6

Суммаа146895.6 130264.0 67484.7 59151.0 54528.1 142705.2 127382.6 67249.7 58771.8 54611.4

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

51.60 630 720 830 980

ценг

р

бок цент

р

бок цент

р

бок цент

р

бок цент

р

бок

200 9390 8850 6930 6840 7140 7050 7280 7200 7280 7200

300 9972 9397 7340 7250 7630 7540 7700 7590 7680 7590

400 10773 10162 7920 7820 8150 8030 8280 8050 8280 9170

500 11928 11356 19723 16320 27205 21704 30776 24176 29887 23583

700 17897 17256 35550 20341 30793 20251 31055 28440 30908 27961

1000 31916 30065 36776 32775 39831 37082 42064 38891 42059 37911

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

51.60 630 720 830 980

центр бок центр бок центр бок центр бок центр бок

200 19440 19200 20790 20520 21420 21150 21840 21600 21840 21600

300 20640 20370 22020 21750 22890 22620 23100 22770 23040 22770

400 22560 22260 23760 23460 24450 24090 24840 24150 24840 27510

500 25260 25170 26460 26010 26970 26490 27210 26550 26760 26280

700 37890 37530 37110 36570 36870 36300 36720 36120 36780 36210

1000 78540 74670 72330 71550 69660 68790 67710 66900 66960 66060

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 экипажаИндивидуальные пассивные дозиметры.

Бортовая система дозиметрического контроля, в соответствии с п. 3.2 ГОСТ 25645.202-83 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

Значение Примечание

Поглощенная доза, Гр от 1×10-5 до 10 Диапазоны могут

уточняться в результате

дальнейших проработокМощность дозы, Гр/с от 3·10-10 до 3·10-

5

Погрешность измерений, %, не более 15

Технические характеристики

спектрометра

Значение Примечание

Диапазон интегральных спектров:

- электронов, МэВ

- протонов, МэВ

0,05 – 5

30-500

Диапазоны могут

уточняться в результате

дальнейших проработок

Погрешность измерений потоков

частиц в каждом из энергетических

диапазонов, %, не более

25,0

ЗаключениеДля 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.