Презентация доклада в формате - Научно

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.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 5001000 км с наклонением 51,7° для транспортнотехнического 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.
Действующие нормативы ограничения облучения космонавтов при орбитальных полетах различной продолжительности [3].
НОРМАТИВЫ РАДИАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ЭКИПАЖА
Критический
орган, Продолжительность
глубина в ткани,
экспозиции
КТС,
Хрусталик глаза,
Кожа, 0,01 cм
Все тело
Однократное острое
Дозовый
лимит,
эквива-лентная доза,
Зв
0,15
30 дней
0,25
Один год
0,50
30 дней
0,5
Один год
1,0
За карьеру
2,0
30 дней
1,5
Один год
3,0
За карьеру
6,0
Профессиональный
предел
за карьеру
1,0
Эффективная доза
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.
L=1.6
dJ/dE
1.E+08
1.E+07
1.E+06
1.E+05
1.E+04
1.E+03
1.E+02
1.E+01
1.E+00
1.E-01
0.1
1.0
10.0
100.0 E, МэВ 1000.0
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 1020 - 1021 эВ).
Интегральный поток ГКЛ в межпланетном пространстве изменяется под
действием солнечной модуляции и вблизи орбиты Земли составляет /5/
J(GCR) = (1.84.5) 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
3.68%
3.87%
3.74%
3.69%
3.63%
4.10%
4.28%
4.11%
3.90%
3.89%
3.68%
3.51%
3.33%
3.32%
3.19%
3.82%
3.95%
3.79%
3.69%
3.57%
3.36%
3.53%
3.37%
3.26%
3.29%
3.78%
3.81%
3.73%
3.72%
3.81%
200 км
361,5 км
500 км
Интенсивность ГКЛ с Е> 2.5 ГэВ/нукл
Группа ядер
Z
Поток,
м-2 с-1 ср-1
p
1
1300100

2
944
L
3-5
2.00.3
M
6-9
6.70.3
H
10
2.00.3
HI
10-14
1.40.4
HII
15-19
0.10.1
VH
20
0.50.2
ЗАЩИТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПТК
1. Радиационно-защитные характеристики материалов
2. Геометрическая модель ПТК.
X
700
650
600
550
500
450
400
350
300
250
200
-250
Y
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
Общий вид командного отсека. Синим цветом обозначены сечения конструкции, коричневым цветом – на внешних поверхностях КО теплоизоляция и
теплозащита, внутри КО – сечения оборудования, красным и фиолетовым
цветом показаны ложементы, зеленым цветом – сферический фантом.
200
Z
150
100
50
Y
0
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
-50
-100
-150
-200
Схема размещения кресел «Казбек» в ПТК
Функции экранированности
1.E-01
1.E-02
1.E-02
1.E-03
1.E-03
p(X)
p(X)
1.E-01
1.E-04
1.E-04
1.E-05
1.E-05
1.E-06
1.E-06
1.0
10.0
100.0
2
X, г/см 1000.0
1.0
10.0
100.0
X, г/см2
1000.0
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. 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-01
1.E-01
p(X)
1.E+00
p(X)
1.E+00
1.E-02
1.E-02
1.E-03
1.E-03
1.E-04
1.E-04
1.E-05
1.E-05
0
20
40
60
80
100
120
140
X, г/см 2
0
20
40
60
80
100
120
1402
X, г/см
Оценки дозовых нагрузок СПС в мкЗв/сутки на фантомы,
размещенные в ПТК для орбит с наклонением 51,6°.
Фантом в центральном ложементе
Дата
КЖ
ХГ
КТС
ЦНС
Фантом в боковом ложементе
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
4919.3
4244.8
2025.2
1755.2
1606.1
3985.9
3491.4
1771.4
1562.3
1440.4
Сумма
Оценки дозовых нагрузок от квазистационарных источников в мкЗв/сутки на
фантомы, размещенные в ПТК, для орбит с наклонением 83,0°.
Фантом в центральном ложементе
Источник
КЖ
ХГ
РПЗ
0.7
ГКЛ
0.8
757
Сумма
758
751
РПЗ
ГКЛ
9.4
797
Сумма
РПЗ
Фантом в боковом ложементе
ЦНС
ЖКТ
КЖ
Средняя высота орбиты 200 км.
0.3
0.2
0.2
07
716
710
707
745
ХГ
КТС
ЦНС
ЖКТ
0.6
740
0.3
708
0.2
702
0.2
702
716
741
708
702
702
8.3
787
710
707
746
Средняя высота орбиты 300 км.
3.6
2.9
2.5
9.1
752
745
742
783
8.1
776
3.6
742
2.9
736
2.5
733
806
795
756
ГКЛ
45.1
834
Сумма
879
750
КТС
784
746
739
735
40.3
826
748
744
792
Средняя высота орбиты 400 км.
19.5
16.2
14.3
43.8
787
781
777
821
39.3
815
19.3
777
16.1
771
14.3
708
866
807
854
796
787
722
103,3
41,4
35.3
31,6
797
791
865
Средняя высота орбиты 500 км.
РПЗ
ГКЛ
Сумма
117,5
882,0
1000
105,6
870,7
977,0
52,9
44,8
815,2
868,3
805,7
850,7
39,9
800,6
840,6
114,2
863,0
977,9
852,9
801,7
792,8
788,0
956,9
843,3
828,3
819,7
464
273
242
224
Средняя высота орбиты 700 км.
РПЗ
ГКЛ
Сумма
514
928,3
1442
471
916,4
1387
274
243
857,6
1132
847,5
1091
224
842,1
1066
505
908,3
1413
897,5
843,2
1362
1116
1761
1067
833,8
1076
828,6
1053
Средняя высота орбиты 1000 км.
РПЗ
1943
992,3
1784
979,5
1054
916,2
939
905,3
867
899,4
1908
970,7
959,2
900,6
935
890,4
867
884,7
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.
80000
75000
70000
65000
60000
55000
R, км
50000
45000
40000
35000
30000
25000
20000
15000
10000
5000
0
1:00
2:00
3:00
Т, часы
4:00
Дозы облучения экипажа ПТК при различных вариантах
лунной экспедиции
ГКЛ
T,часы
1-й фантом
l=90°
Вариант 1
2-й фантом
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
2:33
мкЗв
225,9
220,1
188,4
182,7
179,8
206,0
200,5
171,7
166,6
163,7
мкЗв/час
97,8
95,4
81,6
78,6
77,4
98,4
95,4
81,6
79,2
78,0
мкЗв
35697
34821
29784
28689
28251
35916
34821
29784
29054
28470
До
80 000 км
После
80 000 км
335
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
Дата
1 сутки
2 сутки
3 сутки
4 сутки
5 сутки
6 сутки
7 сутки
КЖ
ХГ
КТС
ЦНС
Фантом в боковом ложементе
ЖКТ
КЖ
ХГ
КТС
ЦНС
ЖКТ
28445.2 26775.3 18953.5 17682.1 16947.9 28225.4 26628.8 19021.4 17712.5 17043.9
48132.0 41920.8 19432.0 16585.0 15024.5 46478.2 40791.4 19310.3 16421.8 15022.0
4357.6
1161.3
894.3
1143.0
874.6
750.0
20173.7 18246.2 10436.0
9325.3
8699.3 19728.6 17933.3 10420.2
9285.7
8720.4
20088.3 17213.4
7006.3
5746.8
5059.4 19285.4 16660.9
6933.4
5659.0
5043.0
1549.6
508.5
393.5
1488.3
500.7
385.0
331.1
20952.5 18447.2
8846.4
7561.6
6846.3 20294.2 17981.9
8789.0
7482.2
6838.7
1869.6
3602.1
754.1
332.9
4138.7
1777.0
3457.7
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
Суммаа
146895.6 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
51.60
630
720
830
980
орбиты,
км
ценг
бок
р
цент
бок
р
цент
бок
р
цент
бок
р
цент
бок
р
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 экипажа
Индивидуальные 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
Значение
Примечание
дозиметра
Поглощенная доза, Гр
от 1×10-5 до 10
Мощность дозы, Гр/с
от 3·10-10 до
уточняться в результате
3·10-5
дальнейших проработок
Погрешность измерений, %, не более
Технические характеристики
Диапазоны могут
15
Значение
Примечание
спектрометра
Диапазон интегральных спектров:
Диапазоны могут
- электронов, МэВ
0,05 – 5
уточняться в результате
- протонов, МэВ
30-500
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.