Космические исследования, 2023, T. 61, № 2, стр. 157-162

ВВЕДЕНИЕ

Среди профессионалов космической отрасли обсуждаются перспективы создания Российской орбитальной служебной станции (РОСС). При этом рассматриваются два варианта наклонения орбиты: 51.6° и 97.0°. По поводу второго варианта в интервью журналу “Русский космос” Д.О. Рогозин заявил: “Конечно, такая орбита подразумевает более высокий уровень радиации, и это повлияет на длительность полета экспедиций” (https://www.roscosmos.ru/media/pdf/russianspace/ rk2022-01-single.pdf).

Проверим насколько справедливо это утверждение.

МЕТОДИКА

Самая большая среднесуточная мощность эффективной дозы для МКС зарегистрирована в августе–сентябре 2020 г. Средняя высота орбиты МКС в это время равнялась Н_ср = 424.0 ± 1.6 км, среднее значение А_р-индекса – 10.1 ± 6.7. Для этого периода были выполнены расчеты дозовых нагрузок на космонавтов при их нахождении в рабочем отсеке большого диаметра (РОБД) служебного модуля (СМ) МКС при полете станции по орбите с наклонением 51.6° и 97.0°.

Согласно действующим нормативам обеспечения радиационной безопасности (РБ) [1] для контроля уровней радиационного воздействия на космонавтов необходимо использовать величину эффективной дозы, которая согласно наземным нормам РБ [2] определяется как:

где Н_Т – эквивалентная доза в органе или ткани Т, N – количество точек в органе, для которого проводится расчет; W_T – взвешивающий коэффициент для органа или ткани Т (табл. 1).

Согласно [3] поглощенная доза в точке r_i органа Т вычисляется по формуле:

где D(ξ) – удельная доза на глубине ξ; ω_Т(ξ, r_i) – функция экранированности точки r_i в органе Т: где η(r_i, Ω) – единичная функция на отрезке от ξ до ξ + Δξ.

Под функцией экранированности выбранной точки внутри рассматриваемого объекта понимается функция плотности вероятности встретить в любом направлении из рассматриваемой точки толщину защиты в интервале от Х до Х + dX. Расчет функций экранированности проводится в соответствии с государственным стандартом [4]. В качестве модели тела человека (фантома) используются результаты работы [5, 6], а в качестве модели МКС результаты работы [7]. Входящая в равенстве (1) эквивалентная доза Н связана с поглощенной дозой D в выражении (2) простым соотношением:

где QF – фактор качества.

В настоящей работе использована следующая зависимость коэффициента качества от линейной передачи энергии заряженных частиц в веществе S(E) в МэВ см^–1:

Подставим выражения (3) и (5) в равенство (1) и, используя линейность выражения (1), поменяем порядок интегрирования и суммирования. В итоге выразим эффективную дозу как:

где ω_эф(ξ, r_i) – функция экранированности для расчета эффективной дозы.

При таком подходе теряется определенность конкретной точки, но исключается необходимость расчета радиационного воздействия на каждый орган. Проведены расчеты функций экранированности различных органов для четырех пространственных ориентаций фантома: вперед–назад–влево–вправо. Для каждой пространственной ориентации использовано различное количество точек в соответствии с табл. 1. При этом в расчетах функций экранированности красного костного мозга учитывалось его процентное содержание в различных точках.

Определялись парциальные вклады в эффективную дозу от электронов и протонов радиационных поясов Земли (РПЗе и РПЗр) [4, 8] и от галактических космических лучей (ГКЛ) [9]. Солнечных протонных событий (СПС) в рассматриваемый период времени не зафиксировано. В качестве моделей потоков частиц РПЗ использованы результаты работы [10], в которой проведена модификация стандартов [11, 12]. В качестве модельного описания спектральных распределений заряженных частиц ГКЛ используется представление для отдельных групп ГКЛ из работы [13]. При этом потоки протонов с энергиями выше 100 МэВ нормировались на экспериментальные значения, полученный на спутниках GOES (англ. Geostationary Operational Environmental Satellite, геостационарный эксплуатационный спутник наблюдения за окружающей средой) [http://www.swpc.noaa.gov/]. Учет геомагнитных возмущений проводился по данным [http:// wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/dst_realtime/].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты расчетов поглощенной и эффективной доз представлены в табл. 2.

Из анализа результатов табл. 2 следует, что мощность эффективной дозы в мегазиверт в сутки мало меняется при переходе от наклонения в 51.6° к наклонению орбиты в 97.0°, всего на 1–2%. При этом мощность поглощенной дозы в микрогрей в сутки меняется на 15–17%. Объяснение такому различию можно получить, рассматривая на рис. 1 трассы полета МКС для обоих вариантов наклонения орбиты.

Из рассмотрения рис. 1 следует, что при наклонении орбиты в 51.6° суммарное время нахождения СМ МКС в зоне Южно-Атлантической аномалии (ЮАА) составляет примерно 150 мин/сут, а при наклонении орбиты в 97.0° около 100 мин/сут. В зоне ЮАА формируется вклад от протонов РПЗ, который практически пропорционален времени нахождения в ней. Вклад в эффективную дозу от ГКЛ формируется, в основном, в области полярных шапок. Этот вклад для мощности поглощенной дозы в микрогрей в сутки возрастает на ~12%, но этого возрастания недостаточно для компенсации снижения вклада в поглощенную дозу от протонов РПЗ. Это же увеличение почти полностью компенсирует снижение вклада протонов РПЗ в мощность эффективной дозы в мегазиверт в сутки. Противоположная картина наблюдается для электронов. Для орбиты с наклонением в 97.0° становится более существенным вклад от электронов внешнего электронного РПЗ, но по абсолютной величине он остается очень малым.

Как отмечено в работе [14] “в настоящее время не существует единой аналитической модели для описания поведения электронов внешнего радиационного пояса Земли, поэтому для конкретного события на основе предлагаемых механизмов ускорения и транспортировки невозможно предсказать ожидаемую динамику потоков электронов”. Возможно, что использование модели электронов согласно документу [12] не всегда корректно, особенно при возмущениях геомагнитной обстановки. Однако, как отмечено выше, в рассматриваемый период времени геомагнитная обстановка была достаточно спокойной, значение А_р-индекса равнялось 10.1 ± 6.7.

Иная картина складывается для СПС. Самое большое СПС за весь период эксплуатации МКС произошло 28.X.2003 в серии вспышек за период 26.X–6.XI.2003. Поток протонов с энергиями больше 30 МэВ за все событие от 28.X.2003 составил 3.1 · 10⁹ протон см^–2.

Эффективная доза для космонавта, находящегося в РОБД от всех протонных вспышек рассматриваемого периода при наклонении орбиты в 51.6° составила 407.5 мкЗв. Для наклонения орбиты в 97.0° эффективная доза выросла примерно в 14 раз и составила 5761.7 мкЗв. Необходимо отметить, что даже для СПС от 4.XI.2003 (поток протонов с энергиями больше 30 МэВ составил 3.1 · 10⁷ протон см^–2) для орбиты 51.6° эффективная доза составила всего 3 мкЗв, но для орбиты 97.0° такая доза возрастает до 27 мкЗв. Динамика эффективной дозы для обоих вариантов наклонения орбиты представлена на рис. 2.

Конкретные значения эффективной дозы представлены в табл. 2. Из рассмотрения результатов табл. 3 следует, что даже для крупных СПС установленные нормативы обеспечения радиационной безопасности [1] не будут превышены.

При этом необходимо отметить, что в малых модулях МКС толщина защиты близка к 1 г см^–2. Это означает, что эффективная доза для космонавтов, находящихся в малых модулях, будет существенно больше, чем для космонавтов, находящихся в РОБД. В работе [15] отмечается, что за толщиной защиты 1 г см^–2 алюминия дополнительный радиационный риск составляет 55% от демографического риска. При увеличении толщины защиты до 20 г см^–2 радиационный риск снижается до 14%. Из этого следует, что на РОСС необходимо предусматривать радиационное убежище с толщиной защиты ~20 г см^–2.

Отдельного рассмотрения требует оценка радиационной нагрузки на космонавтов при осуществлении выходов в открытый космос и выполнении внекорабельной деятельности (ВКД). В качестве примера был рассмотрен один из выходов за 2014 г. Во время этого выхода средняя высота орбиты составляла 424.7 км, значение А_р-индекса равнялось 5. При осуществлении ВКД основное внимание от эффективной дозы переходит в оценке эквивалентной дозы на кожу (КЖ) [1]. Эффективная доза практически совпадает с дозой на кроветворную систему, средняя глубина залегания которой составляет 5 см. Для такой глубины практически несущественен вклад в дозу от электронов. В табл. 4 представлены результаты расчетов парциальных вкладов в эквивалентную дозу на кожу от источников космических излучений при проведении ВКД из МКС на орбите с наклонением 51.6° и с наклонением 97.0°.

Из рассмотрения результатов табл. 4 следует, что доза от излучений ГКЛ при наклонении орбиты 97.0° возрастает на 27% доза от протонов РПЗ уменьшается на 17%, доза от электронов РПЗ возрастает почти в шесть раз. Особое внимание при проведении ВКД необходимо обращать на состояние магнитосферы. После магнитных бурь могут происходить высыпания электронов внешнего РПЗ, что может приводить к существенному возрастанию дозовой нагрузки на космонавтов. Так, в работе [16] Ц. Дачев (англ. Dachev T.P.) отмечает, что даже на орбите МКС при наклонении орбиты в 51.6° средняя мощность поглощенной дозы за защитой 0.3 г см^–2 от электронов при спокойной магнитосфере составляет 80–90 мкГр сут^–1. В периоды магнитных возмущений, как например 20–22 марта 2015 г. средняя мощность поглощенной дозы достигала значений 2700 мкГр сут^–1.

ВЫВОДЫ

В периоды минимума солнечной активности, когда на Солнце нет пятен и, соответственно, нет СПС, радиационная обстановка на РОСС будет практически такой же, как на МКС.

В периоды максимума солнечной активности необходимо предусматривать в составе РОСС хорошо защищенный отсек, который должен служить космонавтам радиационным убежищем.

При обеспечении радиационной безопасности космонавтов на РОСС существенно возрастает роль прогноза как вспышечной активности Солнца, так и магнитосферных возмущений.

Работа выполнена в рамках плана фундаментальных исследований ГНЦ РФ – ИМБП РАН по теме № 65.2.