четвертая секция - Научно-технический совет ГНЦ РФ

Заседание НТС ГНЦ РФ – ИМБП РАН
20 июня 2013 Г.
НАУЧНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ
Пояснительная записка
Часть тридцать третья
Радиационная безопасность экипажа
372ПЗ21.0000-0ПЗ32
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 Научно –
энергетического модуля для всех этапов эксплуатации и
времени его функционирования в составе РС МКС
Для достижения указанной цели необходимо:
- провести оценочные расчёты ослабления корпусом НЭМ
ионизирующих излучений космического пространства для определения
уровней радиационных нагрузок на экипаж НЭМ в зависимости от
массовой толщины защиты, в том числе в каютах модуля с учётом их
дополнительной радиационной защиты;
- разработать предложения по средствам индивидуального
дозиметрического контроля экипажа и по составу средств бортового
дозиметрического контроля;
- разработать предложения по порядку проведения
мероприятий в обеспечение радиационной безопасности экипажа на
последующих этапах создания НЭМ, в том числе на этапе подготовки к
пуску и лётных испытаний НЭМ.
Параметры орбиты околоземного полета НЭМ в
составе МКС :
- наклонение плоскости орбиты 51,6º;
- высота орбиты от 350 до 460 км.
Максимальный срок эксплуатации модуля в составе
МКС – не менее 15 лет.
НЭМ должен обеспечивать нахождение в нём экипажа
из двух человек постоянно и временное увеличение
количества членов экипажа до трех человек.
В состав НЭМ входят два корпуса: герметичный и негерметичный[
Внутренняя компоновка герметичного корпуса предусматривает
создание унифицированных рабочих зон, предназначенных для
размещения оборудования различного функционального назначения.
Общий вид НЭМ на этапе автономного полета до стыковки с МКС
представлен на рисунке
ГЕРМЕТИЧНЫЙ
НЕГЕРМЕТИЧНЫЙ
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 при полёте на орбитах высотой 350-460 км с
наклонениями 51,6°;
- 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
Дозовый
лимит,
эквивалентная доза, Зв
Однократное острое
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 . 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
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, 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.
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
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%
3.51%
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%
361,5 км
500 км
ЗАЩИТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НЭМ
Радиационно-защитные характеристики материалов
1. Основным конструкционным материалом НЭМ является сплав АМг6 .
2. Экранно-вакуумная теплоизоляция (ЭВТИ): наружный слой – стеклоткань ТСОН-СОТ,
промежуточные слои из плоской или гофрированной металлизированной
полиэтилентерефталатной пленки.
3. В составе микрометеороидной защиты в качестве внутреннего экрана применяется
ткань базальтовая марки БТ-13Н-43(100) .
4. Ткань техническая 8353/11 представляет собой арамид полипарафенилентерефталамид, синтетическое волокно высокой механической и
термической прочности.
5. Кварцевое стекло применяется в иллюминаторах космических аппаратов (КА) для
пропускания ультрафиолетового излучения .
6. Пенопласт - это собой класс материалов, представляющий собой вспененные
пластические массы .
7. Пероксид водорода как топливо. Химический состав: Н2О2.
8. Полиэтилен — термопластичный полимер этилена.
9. Ткань «Арлит»- сложное гибкое композиционное изделие из термостойкой
аримидной ткани.
10. Парафин – воскоподобная смесь предельных углеводородов (алканов)
состава от С18Н38 до С35Н72.
РАДИАЦИОННО-ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ НЭМ
Начало системы координат, в которой разработана радиационногеометрическая модель НЭМ, на пересечении оси модуля с плоскостью
шпангоута 4. Ось ОХ направлена в сторону негерметичного отсека, ось OY
направлена в зенит, ось OZ дополняет выбранные оси до правой тройки осей
координат.
250
200
150
100
50
0
-1000
-50
-100
-150
-200
-250
-900
-800
-700
-600
-500
-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
500
600
700
Распределение средних толщин защиты вдоль оси НЭМ в направлении оси OY с шагом по оси ОХ в 1 см
140
120
d, г/см
2
100
80
60
40
20
0
-1000
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000
X, см
- Распределение средних толщин защиты вдоль оси НЭМ в направлении оси OZ с шагом по оси ОХ в 1 см
140
120
d, г/см
2
100
80
60
40
20
0
-1000
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000
Х, см
Дополнительная защита
вопрос о дополнительной защите кают необходимо рассматривать на примере
формирования доз от протонов наиболее неблагоприятного солнечного протонного
события (СПС)
В СМ МКС от этого СПС дозы: D(РОБД) = 20,5 мЗв, D(КПБ) = 31,1 мЗв, D(КЛБ) = 22,7 мЗв.
1) защита всех стенок кают, исключая дверь (при 3 см 246,6 кг. ):
удовлетворительный уровень радиационного воздействия достигается в КПБ и КЛБ.
2) защита всех стенок кают, включая дверь (при 3 см 355,8 кг):
радиационное воздействие в КПБ и КЛБ уменьшилось на 7,5%., В КВБ без изменения.
3) дополнительная защита по оболочке первой секции (масса парафина 170,4 кг.):
удовлетворительный уровень достигается при защиты кают в 1,55 см полиэтилена.
4) защита пола во второй и третьей секциях (40 кг парафина):
Снижает мощность дозы от РПЗ на 16,7% при нахождении космонавтов во второй
секции и на 19,4% при нахождении космонавта в третьей секции.
Дозы в НЭМ от квазистационарных источников (360 км), мкЗв/сут
КЖ
ХГ
КТС
ЦНС
ЖКТ
КПБ
РПЗе
0.6
0.5
0.2
0.1
0.1
РПЗр
100.1
86.1
36.8
30.8
27.4
ГКЛ
717.4
726.8
688.7
680.3
668.8
818.1±46.0
813.5±44.2
725.7±35.2
711.2±34.0
696.3±33.1
Сумма
четвертая секция
РПЗе
2.3
0.7
0.1
0.1
0.1
РПЗр
90.0
74.8
29.8
24.9
22.0
ГКЛ
769.7
763.5
724.9
717.6
713.6
862.0±45.3
838.9±43.2
754.8±35.7
742.6±34.7
735.7±34.2
Сумма
На оси НЭМ (локальные дозы)
первая
секция
вторая
секция
третья
секция
четвертая
секция
пятая
секция
РПЗе
1.8
1.8
1.9
4.8
7.9
РПЗр
185.4
151.0
133.8
149.4
185.4
ГКЛ
900.7
861.8
838.1
838.2
843.9
973.8±55.7
992.3±57.7
1037.2±63.3
Сумма
1087.9±67.4 1014.6±59.9
Дозы в НЭМ от квазистационарных источников (460 км), мкЗв/сут
КЖ
ХГ
КТС
ЦНС
ЖКТ
КПБ
РПЗе
0.9
0.7
0.2
0.2
0.1
РПЗр
403.2
361.4
200.3
178.2
165.8
ГКЛ
750.7
760.6
720.7
712.0
699.9
1154.8±152
1122.8±143
921.2±101
890.3±94
865.8±90
Сумма
четвертая секция
РПЗе
3.0
0.9
0.2
0.1
0.1
РПЗр
355.0
312.4
168.2
150.2
139.4
ГКЛ
805.1
798.6
758.0
750.4
746.1
1163.2±136
1111.9±127
926.4±90
900.7±85
885.6±82
Сумма
На оси НЭМ (локальные дозы)
первая
секция
вторая
секция
третья
секция
четвертая
секция
пятая
секция
РПЗе
2.4
2.4
2.5
6.2
10.2
РПЗр
673.5
566.7
509.3
548.1
647.4
ГКЛ
942.7
902.0
877.2
877.2
883.2
1618.6±225
1471.1±198
1389±182
1431±189
1541±210
Сумма
Дозы в НЭМ от наиболее неблагоприятного СПС , Н =400 км, мкЗв
КЖ
ХГ
КТС
ЦНС
ЖКТ
5833.7
5062.9
КПБ
сумма 20912.1
18513.2
6948.5
четвертая секция
сумма
13705.1 11306.8 4430.7
3796.9
3450.3
На оси НЭМ
1 секция 2 секция 3 секция 4 секция 5 секция
сумма
48747.4 30005.5 21222.7 23255.6 26201.6
Дозы в НЭМ от наиболее неблагоприятного СПС , Н =460 км, мкЗв
КЖ
ХГ
КТС
ЦНС
ЖКТ
6007.8
5214.8
3933.7
3579.5
КПБ
Сумма
21472.2
19024.6
7151.3
четвертая секция
Сумма
14061.7
11620.6
4581.7
На оси НЭМ
Сумма
1 секция
2 секция
3 секция 4 секция
5 секция
49847.3
30721.1
21748.2
26832.5
23819.2
АНАЛИЗ СООТВЕТСТВИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЁТА ДОЗ НА ЭКИПАЖ
НЭМ НОРМАТИВАМ РАДИАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
Среднетканевые дозы от с ГКЛ и РПЗ
мкЗв/сут
КПБ
и
от
Четвертая
СПС,
мкЗв
КПБ
Четвертая
секция
секция
Средняя высота орбиты 337 км
D ср.тк., мкЗв
738.2
771.4
Средняя высота орбиты
D ср.тк., мкЗв
Глубина
Глубина
залегания, см
3.1
3.0
залегания, см
761.3
790.4
3.0
3.0
Глубина
залегания, см
Средняя высота орбиты 460 км
D ср.тк., мкЗв
1004.8
1005.1
2.9
2.9
Глубина
залегания, см
7457.9
2.4
2.4
Средняя высота орбиты
Средняя высота орбиты 361 км
D ср.тк., мкЗв
11970.3
D ср.тк., мкЗв
12306.8
7680.5
2.4
2.4
Глубина
залегания, см
АНАЛИЗ СООТВЕТСТВИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЁТА ДОЗ НА ЭКИПАЖ
НЭМ НОРМАТИВАМ РАДИАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
Следует сопоставить оценки радиационных нагрузок на космонавтов по
отношению к длительностям полета, указанным в нормативах : за 30 суток
и за 365 суток. Из предыдущего слайда следует, что при полете в 30 суток
доза для разных высот орбиты изменяется в диапазоне 22,1 мЗв – 30,1 мЗв.
Даже в случае развития СПС на неблагоприятной орбите высотой 460 км
суммарная среднетканевая доза составит 42, 4 мЗв, что существенно
ниже регламентированной величины – 250 мЗв.
В то же время при полете длительностью в один год суммарная
среднетканевая доза составит для средней высоты орбиты 290 мЗв, а для
высокой орбиты 460 км 379 мЗв.
Отметим, что эта величина соизмерима с нормативным значением – 500
мЗв и на 30% превышает дозу, полученную при полете на средней высоте
орбиты – 361 км.
В соответствии с принципом АЛАРА можно рекомендовать по возможности
проводить полет на средней высоте орбиты – 400 км.
СИСТЕМА РАДИАЦИОННОГО КОНТРОЛЯ
Система бортового дозиметрического контроля
Обработка информации СДК в ПУ БКУ
- Порядок обработки данных 10-секундной динамики мощности дозы,
- Критерий обнаружения начала возрастания мощности дозы,
-Критерий обнаружения окончания возрастания мощности дозы,
-Критерий обнаружения нештатной радиационной обстановки,
-Критерий обнаружения окончания нештатной радиационной обстановки,
-Порядок накопления информации для последующей передачи на Землю,
-Порядок отображения информации СДК экипажу
СИСТЕМА РАДИАЦИОННОГО КОНТРОЛЯ
Предложения по средствам индивидуального дозиметрического контроля
для НЭМ
Индивидуальный пассивный дозиметр
Сборки пассивных детекторов необходимо укомплектовать
термолюминесцентными и трековыми детекторами для оценок
поглощенных доз и средних значений коэффициента качества при
определении индивидуальной эквивалентной дозы.
Индивидуальный показывающий дозиметр
должен обеспечивать выполнение следующих задач:
- непрерывное измерение мощности дозы и интегральной дозы радиации;
- оценку временного режима облучения;
- визуальное отображение результатов по усмотрению экипажа.
Порядок задания требований на ОКР по НЭМ в части бортовой СРК и
средств индивидуального дозиметрического контроля экипажа
При составлении ТЗ на ОКР по созданию НЭМ должны быть предусмотрены
места для размещения аппаратуры СБДК, резервируемый объем
пространства и соответствующие веса.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Из материалов пояснительной записки следует:
1. Для оценок радиационной нагрузки на членов экипажа на основе
конструкторских данных разработана геометрическая модель пространственного
распределения массы вещества НЭМ и определены функции экранированности
основных точек КА и систем тела космонавтов.
С использованием моделей радиационных условий в космическом пространстве
рассчитаны возможные уровни облучения при различных вариантах полета НЭМ.
2. Анализ полученных данных на соответствие современным нормативам
показал, что практически при всех вариантах полета, включая возмущенную
радиационную обстановку (критическое СПС в октябре 1989 г.), требования норм
радиационной безопасности оказываются выполненными.
3. Для снижения дозы облучения экипажа без уменьшения
эффективности выполнения программы (требование принципа АЛАРА) в
процессе полета целесообразно сохранять высоту орбиты до 400 км, а при
возникновении СПС планировать работу экипажу в наиболее защищенной зоне
НЭМ (третья секция).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
4. Для снижения дозы облучения экипажа без уменьшения
эффективности выполнения программы (требование принципа АЛАРА) в
процессе полета целесообразно сохранять высоту орбиты до 400 км, а при
возникновении СПС планировать работу экипажу в наиболее защищенной
зоне НЭМ (третья секция).
5. Рекомендуется рассмотреть возможность создания дополнительной
защиты путем заливки оболочки модуля парафином, что при
незначительных дополнительных затратах масс позволит снизить дозы
облучения экипажа на 7-10 %.
6. Для повышения эффективности системы радиационного контроля
необходимо реализовать систему, аналогичную действующей на РС МКС, с
модификациями, изложенными в пояснительной записке и действующую
по предложенным алгоритмам.
7. Полученные характеристики экранированности детекторов и рабочих
мест экипажа на всех модулях должны быть уточнены по окончательным
вариантам конструкции и введены в программное обеспечение в качестве
базовых параметров для расчета радиационной нагрузки на членов
экипажа, в том числе и силами Службы радиационной безопасности в
рамках оперативного контроля в процессе полета.
Благодарю за внимание.