Текст книги "Приоритет отечественной науки по влиянию солнечных вспышек в полетах на Луну и Марс"

Влияние вспышек всех классов

Таблица 12. Локальные и среднетканевая эквивалентные дозы от интенсивных СПС 19—22 солнечных циклов за различными толщинами защиты, сЗв [70]

Как следует из данных табл. 12, при малой толщине защиты космического аппарата (КА) величины доз для наиболее мощных солнечных протонных событий (СПС) могут достигать высоких значений и представляют большую опасность для космонавтов. Однако, СПС являются кратковременными и спектр СКЛ оказывается более мягким по сравнению с ГКЛ. Поэтому защита от протонов может быть успешно обеспечена с помощью использования специального радиационного убежища (РУ).

На основе анализа СПС 19 и 20-го солнечных циклов разработан нормативный документ ГОСТ 25645.134—86 «Лучи космические солнечные. Модель потоков протонов». На основе этого документа, а также с использованием ряда других ГОСТов и Методических указаний по проблеме «Безопасность радиационная экипажа космического аппарата в космическом полете» (БРЭКАКП) проводили расчеты эквивалентной дозы в теле космонавтов от СКЛ при осуществлении полета к Марсу, равноценной дозы и величин обобщенной дозы, используемой для расчетов радиационного риска.

Расчеты проводит автор, Александр Матанцев.

Случай 1 (к табл. 12). Толщина защиты из алюминия 0,5 г/см² – это усиленный скафандр, толще, чем «Кречет». Наибольшая эквивалентная доза от интенсивных СПС 19 – 22 циклов составляет 04.08.1972 года – 15500 сЗв или 155 Зв, что мгновенно смертельно.

Случай 2 (к табл. 12). Толщина защиты из алюминия 0,5 г/см² – это усиленный скафандр, толще, чем «Кречет». Наименьшая эквивалентная доза от интенсивных СПС 19 – 22 циклов составляет 31.08.1956 года – 25 сЗв или 0,25 Зв, что больше ПДД, но не смертельно.

Случай 3 (к табл. 12). Толщина защиты из алюминия 0,5 г/см² – это усиленный скафандр, толще, чем «Кречет». Средняя эквивалентная доза от интенсивных СПС 19 – 22 циклов составляет 07.08.1972 года – 1600 сЗв или 16 Зв, что опасно для жизни. Вспышки класса Х бывают очень редко, в среднем, раз в 11 лет, и длятся от 15 минут до нескольких часов, поэтому нельзя умножать полученную дозу на количество дней на орбите Луны, например, на 8 дней, а остается одна доза от этой вспышки. Совершенно другое дело для вспышек классов М и С, они действуют ежедневно, поэтому необходимо их учитывать.

Случай 4 (к табл. 12). Астронавт находится внутри космического аппарата КА с толщиной защиты из алюминия 10 г/см². Минимальная эквивалентная доза от интенсивных СПС 19 – 22 циклов составляет 31.08.1956 года – 1,3 сЗв или 0,013 Зв, что безопасно для жизни.

Случай 5 (к табл. 10). Астронавт находится внутри космического аппарата КА с толщиной защиты из алюминия 10 г/см². Максимальная эквивалентная доза от интенсивных СПС 19 – 22 циклов составляет 04.08.1972 года – 200 сЗв или 2 Зв, что приводит к лучевой болезни.

Случай 6 (к табл. 12). Астронавт находится внутри космического аппарата КА с усиленной толщина защиты из алюминия 20 г/см². Максимальная эквивалентная доза от интенсивных СПС 19 – 22 циклов составляет 04.08.1972 года – 51 сЗв или 0,51 Зв, что приводит к онкологическим заболеваниям.

Расчеты делает автор, Александр Матанцев.

Пример. Июль 1969 год, когда по заявлению из США, была произведена высадка астронавтов на поверхность Луны. Из табл. 4 и табл. 5 находим, что общее число солнечных вспышек за июль 1969 года составило 489. Вводим коэффициент 0,5 для вспышек только классов М и С, тогда их было 244,5. Далее учитываем найденное автором среднее соотношение между вспышками классов М и С:

Процентное соотношение вспышек разных классов за приведенный период в месяц:

класс М – 14,41%,

класс С – 85,59%

Вспышек класса С в 5,939 раза больше, чем вспышек класса М.

Итак, вспышек класса М было: 244 х 0,1441=35,16

Вспышек класса С было: 244 х 0,8559 = 208,8.

Далее, с учетом значений на рис. 53, рис. 69 и с учетом 8 дней полета к Луне, находим общую эквивалентную дозу для вспышек класса М с защитой только скафандром:

0,4 Зв х 35,16 х 8/31 = 3,6 Зв

Аналогично находим для вспышек класса С:

0,04 Звх208,8х8/31=2,15 Зв

Суммарная доза от вспышек класса М и С составляет 5,75 Зв. Такая доза для выхода на поверхность Луны в скафандре приводит к смертельному исходу.

Н_{6 Марса}— доза облучения в области от поверхности Марса до окончания магнитосферы Земли

Учитывается свободная зона вокруг Марса, где защитное магнитное поле в 43 раза меньше, чем на Земле, и поэтому максимально воздействие солнечных вспышек, смертельное для астронавтов при отсутствии надлежащей защиты.

Рис. 39

Рис. 39. Толщина защиты на орбите Марса от разных ионизирующих излучений. Исполнители – из ИКИ и ВНИИЭМ [62]

Расчеты делает автор, Александр Матанцев.

Вариант 1. Без учета вспышек классов М и С.

Случай 1. От 0,1 г/см² до 0,25 г/см² – по рис. 39 (исполнители – из ИКИ и ВНИИЭМ) с учетом суммы ионизирующих излучений: протонов, ядер и нейтронов от 5,5 х10² до 2х10² рад/год, или от 550Р (рентген) до 200 Р в год, или уменьшается в 2,75 раза. Доза в Н_{6 Марса}=550Р – смертельна (см. рис. 42), доза в Н_{6 Марса} = 200 р – опасна для жизни.

Случай 2. От толщины американских скафандров 0,1 г/см² до 0,34 г/см² – толщины советских скафандров типа «Кречет» с дополнительной алюминиевой защитой» по рис. 39 с учетом суммы ионизирующих излучений: протонов, ядер и нейтронов от 5,5 х10² до 1,4х10² рад/год или, или от 550Р до 140 Р, уменьшается в 3,93 раза. Доза в Н_{6 Марса} = 550Р – смертельна, доза в Н_{6 Марса} = 140 р – «лучевое похмелье» (см. рис. 42).

Случай 3. От толщины американских скафандров 0,1 г/см² до 7,5 г/см²– толщины защиты корпуса американского космического аппарата типа «Аполлон» по рис. 39 с учетом суммы ионизирующих излучений: протонов, ядер и нейтронов – от 5,5 х10² рад/год до 2 рад/год, или от Н_{6 Марса} = 550Р до 2 Р в год, или уменьшается в 275 раз. Доза Н_{6 Марса} = 2 Р/год безопасна.

Случай 4. От толщины американских скафандров 0,1 г/см² до 10 г/см²– толщины защиты корпуса американского космического аппарата типа «Шатл» по рис. 39 с учетом суммы ионизирующих излучений: протонов, ядер и нейтронов – от 5,5 х10² рад/год до 1,3 рад/год, или от Н_{6 Марса} = 550 Р до 1,3 Р в год, или уменьшается в 423 раза. Доза в Н_{6 Марса} = 1,3 Р за год– безопасна.

Случай 5. От толщины американских скафандров 0,1 г/см² до 15 г/см²– толщины защиты корпуса космической станции типа «МКС» по рис. 39 с учетом суммы ионизирующих излучений: протонов, ядер и нейтронов – от 5,5 х10² рад/год до 0,06 рад/год, или от Н_{6 Марса} = 550 Р до 0,06 Р в год, или уменьшается в 9167 раз. Доза в Н_{6 Марса} = 0,06 Р за год – совершенно безопасна.

Вариант 2. С учетом вспышек классов М и С.

Рис. 69

Рис. 69. Составил автор, Александр Матанцев, мощность и доза от солнечных вспышек разного класса.

Рис. 70

Рис. 70. Эквивалентные дозы облучения в случае наличия мощной солнечной вспышки класса Х [91]

Графики на рис. 69 составлены автором, Александром Матанцевым на основе результатов, показанных на рис. 70 из источника информации [91], а также с учетом общего правила уменьшения амплитуды вспышек классов на порядок. Амплитуда вспышек класса М в 10 раз меньше амплитуды вспышек класса Х; амплитуда вспышек класса С в 10 раз меньше амплитуды вспышек класса М и в 100 раз меньше амплитуды вспышек класса Х. Амплитуда солнечных вспышек класса В в 10 раз меньше амплитуды вспышек класса С и в 1000 раз меньше амплитуды класса Х.

Итак, что же видно из табл. 4 и табл. 5. Количество вспышек за месяц составляет от 210 до 600. Это примерно, в 2 раза больше, чем по расчетам автора, Александра Матанцева по самым разным источникам информации, и примерно, в 2 раза больше, чем по данным ФИАН (рис. 37). Разница получается потому, что автор считал вспышки классов Х, М и С, а в указанных других работах считается общее число вспышек, из которых следует взять вспышки классов Х, М, С, В, причем вспышки класса В очень малые по амплитуде. Таким образом, общее число вспышек классов М и С можно взять из таблиц, где указаны все классы, в том числе М, С и В с введением коэффициента 0,5. Остальные 50% вспышек – очень малой амплитуды класса В.

Необходимо ввести поправку на цикл солнечной активности.

В литературе [40,64] дается ежемесячное число солнечных вспышек за большой период – с 1967 года по 1991 год – табл. 5.

Таблица 5. Ежемесячный подсчет солнечных вспышек [40,64]

Таблица 4. Количество солнечных вспышек в периоды прогнозируемых полетов «Аполлонов» [17]

Предполагались полеты первых американских «Аполлонов» в период с 1968 по 1972 годы. Смотрим внимательно на график циклов – на рис. 28. Этот период укладывается в 20-й цикл солнечной активности с 1965 по 1972 годы. В этот период солнечная активность была меньше, чем в соседние циклы и максимально составила 210 вспышек за сутки, а в среднем, 125 вспышек в пересчете на месяц.

Этот график на рис. 28, построенный автором по разным источникам информации, близок к графикам активности Солнца, полученный в ФИАН – рис. 37.

Сравниваем данные по табл. 4 из американских источников с полученным автором графиком на рис. 28. В 20 цикл солнечной активности, охватывающий период предполагаемых запусков американских «Аполлонов» в 1969 – 1972 годах, средняя активность солнца за месяц – 125 вспышек, а в табл. 5 американского источника -для периода предполагаемого запуска Аполлона-11, составляет 489 вспышек в перерасчете за месяц. Разница в 489 – 125 = 364 вспышки, предположительно, для солнечных вспышек низшего класса В, так как автор в своих расчетах брал вспышки только трех классов: Х, М, и С. Смысл такого подхода понятен: вспышки класса В по амплитуде в 1000 раз меньше амплитуды вспышек класса Х, в 100 раз меньше вспышек класса М и в 10 раз меньше вспышек класса С. Именно поэтому очень малые по амплитуде вспышки класса В можно не учитывать.

Расчет делает автор, Александр Матанцев.

Примечание автора: 11-летний цикл – для солнечных вспышек класса Х.

При этом, согласно вероятности, Мак Киннона, на 100 вспышек приходится 1 вспышка класса Х [18].

Подсчитаем общее число вспышек за указанный период в месяц:

класс Х – 2 вспышки,

класс М – 33 вспышки,

класс С – 196 вспышек.

Общая сумма – 231 вспышка за месяц, или 229 вспышек класса М и С.

В среднем, за сутки – 7,6 вспышек классов М и С.

Процентное соотношение вспышек разных классов за приведенный период в месяц:

класс М – 14,41%,

класс С – 85,59%

Вспышек класса С в 5,939 раза больше, чем вспышек класса М, для

Итоги.

Вспышки класса Х – особые. Самые сильные, они встречаются циклично, примерно в 11 – 12 лет.

Вспышки классов М и С – могут возникать произвольно от состояния Солнца. Их суммарное количество варьируется от 10 до 5.5 за сутки. Или от 300 до 165 в месяц.

Вспышки класса М имеют амплитуду в 10 раз меньшую, чем вспышки класса Х, а вспышки класса С – в 100 раз меньшую, чем класс Х.

Рис. 71

Рис. 71. Дозы облучения, безопасные и смертельные

Расчеты делает автор, Александр Матанцев.

Случай 1. Июль 1969 года, предполагаемый полет Аполлона-11 к Луне с тремя астронавтами. Из табл. 5 находим, что число всех вспышек равно 694. Тогда количество вспышек классов М и С равно половине, или 347 за месяц. Из табл. 4 находим предполагаемое время полета – 8 суток. Тогда за 8 суток будет 347х8/31 = 89,5 вспышек классов М и С. Процентное соотношение вспышек разных классов за приведенный период:

класс М – 14,41%, или 12,9. Из рис. 69, умножаем амплитуду в 0,4 Зв для вспышки класса М на число вспышек за время полета в 8 суток, получится 0,4 х 12,9 = 5,16 Зв; класс С – 85,59% или 76,6

для класса С – из рис 69 находим дозу от одной вспышки – 0,04 Зв на количество вспышек за врем полета в 8 суток, т.е. на 76,6 получится 3,06 Зв.

Суммарная доза от вспышек класса М и С за 8 суток составит 5,16 +3,06 = 8,22 Зв. Из рис. 69—1 видим, что такая доза смертельна.

Случай 2. Исходные данные аналогичны, но предположим, что космический аппарат летит не к Луне, а к Марсу. Время полета в одну сторону – 6 месяцев, в две стороны – 12 месяцев. Из табл. 3 находим, что число всех вспышек за месяц равно 694. Тогда за 6 месяцев полета в одну сторону число вспышек будет равно 694 х 6 = 4164. Тогда количество вспышек классов М и С равно половине, или 2082. Процентное соотношение вспышек разных классов за приведенный период: класс М – 14,41%, или 300, класс С – 85,59% или 1782 вспышки.

Из рис. 69, умножаем амплитуду в 0,4 Зв для вспышки класса М на число вспышек за время полета в 6 месяцев, получится 0,4 х 300 = 120 Зв; для класса С – из рис. 69 находим дозу от одной вспышки – 0,04 Зв, и умножаем её на количество вспышек за врем полета в 6 месяцев, т.е. на 1782 получится 71,28 Зв.

Суммарная доза от вспышек класса М и С за 6 месяцев полета к Марсу составит 120 +71,28 = 191,28 Зв. Из рис. 71 видим, что такая доза означает мгновенную смерть уже в полете в одну сторону на Марс.

Можно подсчитать, через какое время накопится смертельная доза при полете на Марс. По рис. 71 находим, что 50 Зв – обозначает смерть через несколько недель. Такая доза получится через время: 191,28 Зв: 50 Зв = 3,8 часть от общего времени в 6 месяцев, или через 6: 3,8 = 1,6 месяца. Таким образом, при наличии защиты в виде скафандра, человек может умереть уже через 1,6 месяца в полете на Марс от солнечных вспышек классов М и С.

Чтобы этого не произошло, астронавт должен находиться внутри космического аппарата в специальном радиационном убежище РУ. Что же касается высадки на поверхность Луны или Марса, то здесь астронавт в скафандре должен находиться в защитном луноходе или в защищенном марсоходе со степенью защиты не хуже 7,5 – 10 г/см². Защищаться необходимо от высокоэнергетичных протонов, нейтронов, и гамма-излучения. Необходимую защиту может дать только убежище РУ слоистого типа.

Защита

Из рис. 39 можно найти необходимую толщину защиты при полете на Марс.

При толщине защиты в 0,1 г/см², для суммы ионизирующих излучений из протонов, нейтронов и заряженных частиц, доза составляет 600 Рад или 600Р (рентген) за год. Для защиты в 10 г/см², что соответствует 5 см по толщине, доза составляет 1 рад в год, или 1 Р в год. Таким образом, защита толщиной в 10 г/см² уменьшает дозу в 600 раз!

Для защиты в 20 г/см², что соответствует 10 см по толщине, доза составляет 3,5х10^—1 рад/год рад, или 0,35 Р в год. Таким образом, защита толщиной в 20 г/см² уменьшает дозу в 1714 раз!

Выше было найдено, что суммарная доза от вспышек класса М и С за 6 месяцев полета к Марсу составляет 120 +71,28 = 191,28 Зв. Тогда при защите в 10г/см² доза от вспышек классов М и С при полете в сторону Марса составит в 600 раз меньше, т.е. 0,3188 Зв, а при защите в 20 г/см² – в 1714 раз меньше, или 0,11 Зв, что вполне приемлемо.

Создать защиту такой толщины в 10 – 20 г/см², т.е. толщиной от 5 до 10 см возможно только в специальной радиационном убежище РУ на космическом аппарате (КА), так как весь КА со стенками такой толщины будет огромного неподъемного веса.

На низкой земной орбите, где располагается МКС, опасность представляет только солнечная радиация, так как магнитное поле Земли блокирует галактическое излучение. Если на МКС космонавт суммарно может провести около 4 лет, чтобы набрать норматив по радиации, который работники АЭС набирают за 50 лет, то на Луне – до 60 дней без учета влияния солнечных вспышек [51]. С текущим уровнем технологий космонавт за всю карьеру может один раз долететь до Марса и обратно, чтобы набрать норматив по радиации. До красной планеты можно добраться за 6—8 месяцев при скорости корабля 65 000 км/час. Ядерные ракетные двигатели (ЯРД) или электрические двигатели на ядерной энергии (ЯЭДУ) могли бы сократить путь до полутора-двух месяцев, но их разработка требует стабильного длительного финансирования, а к результатам предъявляют серьезные требования по экологической безопасности [51]

Есть два варианта защиты корабля от космической радиации: 1) использовать традиционные материалы, но увеличить толщину обшивки; 2) использовать более эффективные защитные материалы.

От космической нейтронной радиации хорошо защищают вода и пластики. Можно сделать обшивку из пластика толщиной 5 – 10 см, а сам корабль может быть из алюминия, который сам по себе плохо защищает от радиации. В НАСА считают, что пластик не вариант, так как он тяжелый и увеличит массу корабля, а соответственно и стоимость запуска. Пространство в обшивке, по которой будет циркулировать вода – это тоже вариант, но она нужна самому экипажу, и нужно как-то восполнять её запасы. Для защиты от суммы ионизирующих излучений необходима слоистая защита, с применением еще слоя свинца толщиной не мене сантиметра.

А вообще и в космосе, и в авиации важна не абсолютная, а относительная прочность. Т. е. отношение прочности к удельному весу. Да, оболочка толще при той же прочности получается, зато ее вес меньше будет, что крайне важно для КА [52]. По удельной прочности композиты (углерод-углерод, углепластики, бор-алюминий, стеклопластики и т. п.) всех превосходят, потом идут титановые сплавы, потом магний-литиевые, потом алюминиевые. К сожалению, рекордсмен по абсолютной прочности – сталь в гонке удельных прочностей в хвосте плетется. Потому и не используется для несущих конструкций в ракетостроении, где химии противостоять не надо. Характерная оболочка это не просто лист со стрингерами и лонжеронами – это вафельная. Она обладает наилучшими показателями по прочности при наименьшем весе.

Делают такую «вафлю» из листа толщиной 20—30 мм. В конечном итоге стенка между ребрами остается толщиной в единицы миллиметров. Все эти справедливо для космических станций типа МКС, но для КА, который летят к Луне или к Марсу, слоистая защита должна быть на порядок толще!

Хотя в фантастических фильмах и книгах принято говорить о «толстой броне» космолётов, в реальности это не так. Для защиты от космического холода, обшивка станции или корабля должна быть не столько толстой, сколько многослойной. Это минимизирует потери тепла [52].

Чтобы защититься от радиации по пути на Луну и Марс, нужна броня [53]. Такая, как у некоторых танков или БМП – детали или листы алюминиевой брони толщиной до 10 см. Как раз такая толщина подойдёт. Такое заключение сделано специалистами корпорации ВНИИЭМ. ВНИИЭМ: научно-производственная корпорация «Космические системы мониторинга, информационно-управляющие и электромеханические комплексы» – российское приборостроительное предприятие, входящее в структуру Роскосмоса.

Тезисы доклада, выдержка: «Исходя из оценок поглощенных доз радиации мы считаем, что оптимальной защитой для электронной аппаратуры КА от всех видов, ионизирующих излучения можно считать экран толщиной около 2,5 г/см² из алюминия. Если электроника не выдерживает уровень радиации за данным экраном, то её следует заменить на более радиационно стойкую. С учетом данных по спектрам частиц СКЛ и ГКЛ для пилотируемых космических аппаратов при полете к Луне оптимальный защитный экран 20 г/см², при полете к Марсу 40 г/см² Al, так утверждается в работе [53].

Следует заметить, что защитный экран 20 г/см² алюминия – это около 10 см толщины [53], а защитный экран в 40 г/см² – это 20 см толщины. Что как раз соответствует толщине некоторых конструктивных элементов брони некоторых бронемашин, изготавливаемой из алюминиевых сплавов, в то время как у командного модуля Аполлон совокупные защитные свойства корпуса составляли эквивалент всего 7,5 г/см² алюминия по версии НАСА. В два с половиной раза меньше необходимой! [53].

Эта броня может защищать человека не во всем объеме космического корабля, так как иначе корабль становится неподъемным, а на небольшой территории корабля, называемой радиационным убежищем РУ. Именно область РУ должна иметь такую мощную защиту в 20 – 40 г/см2.

Особо следует отметить время передвижения по поверхности Луны или Марса. Все предыдущие расчеты показывают, что скафандры американские с толщиной защиты в 0,1 г/см² или 0,2 г/см² совершенно не годятся для этих целей. Советский скафандр типа «Кречет» с защитой около 0,34 г/см² годится лишь для мимолетного, не более 5 минут, перемещения на поверхности других планет. Для свободного перемещения по поверхности Луны и Марса астронавты обязательно должны находиться в скафандре и еще в луноходе или марсоходе с элементами радиационного убежища РУ, где толщина стенок не менее 10 г/см².

Возможна защита космического аппарата КА типа магнитного кокона, но это технология будущего.

Рис. 72

Рис. 72 автора, Александра Матанцева. Воздействие ионизирующих излучений на астронавтов: от солнечных (СКЛ) и галактических (ГКЛ) лучей; воздействие протонов, заряженных частиц и нейтронов, а также электронов, астронавты внутри корпуса космического аппарата, и астронавт снаружи в скафандре.