Защита астронавтов от радиации при полетах на Луну и Марс

Сведения по внешней зоне Ван Аллена из разных источников информации:

– внешний радиационный пояс на высоте ? 17 000 км, состоящий преимущественно из электронов с энергией в десятки кэВ [11];

– внешний пояс Ван Аллена (внешний естественный радиационный пояс Земли, сокращённо – ЕРПЗ), который находится на высоте 17000—57000 км и состоит, в основном, из электронов с энергией от 100 кэВ до 10 ГэВ, а также небольшое количество протонов и нейтронов с энергией от 1 до 100 МэВ и античастиц [22, 49];

– внешний – на высоте от 18 до 57 тысяч км [67, 70];

– внешний пояс радиации открыт советскими учеными, расположен на высотах от 9000 до 45000 км, он намного шире внутреннего (распространяется на 50° к северу и на 50° к югу от экватора) [59];

– БСЭ [61]: Внешний РПЗ заключён между магнитными оболочками c L, радиационные пояса Земли 3 и L; радиационные пояса Земли 6 с максимальной плотностью потока частиц на L; Радиационные пояса Земли 4,5; Для внешнего пояса характерны электроны с энергиями 40—100 кэв, поток которых в максимуме достигает 10

—10

 электрон/ (см

?сек?стер); среднее время «жизни» частиц внешнего РПЗ составляет 10

—10

 сек; в периоды повышенной солнечной активности во внешнем поясе присутствуют также электроны больших энергий (до 1 МэВ и выше);

– внешний пояс состоит из в основном из электронов высоких энергий (0,1—10 МэВ), захваченных магнитосферой Земли; он более изменчив, чем внутренний пояс, так как на него легче влияет солнечная активность; он имеет почти тороидальную форму, начинается на высоте трех и простирается до десяти земных радиусов (R E) на высоте от 13000 до 60000 километров (от 8100 до 37300 миль) над поверхностью Земли; его максимальная интенсивность обычно составляет около 4—5 R E; Внешний пояс излучения электронов в основном создается радиальной диффузией внутрь и локальным ускорением из-за передачи энергии от плазменных волн к электронам радиационного пояса; электроны радиационного пояса также постоянно удаляются из-за столкновений с атмосферой Земли, потерь на магнит паузу и их радиальной диффузии наружу; радиус энергичных протонов будет достаточно большим, чтобы привести их в контакт с атмосферой Земли; внутри этого пояса электроны имеют высокий поток и на внешнем крае (близко к магнитопаузе), где линии геомагнитного поля открываются в геомагнитный «хвост», поток энергичных электронов может упасть до низких межпланетных уровней в пределах примерно 100 км (62 мили), то есть в 1000 раз [62];

– внешний пояс располагается на высоте 13 000 – 60 000 километров и обладает почти тороидальной формой (похож на бублик); эта часть пояса состоит преимущественно из электронов, значение энергий которых колеблется в пределах от 0,1 до 10 МэВ; количество частиц в нём колеблется в зависимости от активности Солнца; в 2011 году было обнаружено, что в составе этой части пояса находятся также античастицы [63].

Чем выше весовой множитель, тем опаснее действие определенного вида радиации для тканей живого организма.

Таблица 1. Сравнение по значимости влияния на человека различных видов ионизирующих излучений [34]

Для электронов и рентгеновского излучения коэффициент качества равен единице, для протонов с энергией 10—400 МэВ принимается 2—14 (определен на тонких пленках биологической ткани). Такой коэффициент связан с тем, что протон передает разную часть энергии электронам вещества, чем меньше энергия протона, тем выше передача энергии и выше коэффициент качества. Обычно берут среднее значение w=5, так как человек полностью поглощает излучение, и основная передача энергии происходит в пике Брэгга, за исключением высокоэнергичной части протонов.

Значительные дозы излучений действуют не только на человека, но и на аппаратуру на КА и спутниках. Космический аппарат при полете на Луну пересекает два пояса Ван Аллена, где возможны большие дозы излучения в зависимости от обстановки на Солнце. Имеются данные, что в поясах Ван Аллена доза достигает 10 тысяч рентген/час [121]. Это выше смертельной дозы в 500 рентген. Однако время пролета космическим аппаратом этой зоны может быть небольшим в десятки секунд, при правильном выборе траектории полета, поэтому полученная доза может быть меньше смертельной. При этом должна быть обеспечена необходимая защита стенок КА.

Часть 2. Расчеты делает автор, Александр Матанцев. Время пролета зон Ван Аллена

По официальной версии НАСА трасса Кондратюка была использована КА «Аполлон» для полётов на Луну и обратно. Наклонение данной трассы – около 30 градусов. Это обусловлено тем, что именно угол наклона между плоскостями орбит Земли и Луны 5 градусов, и плюс наклон параболы. Однако данная трасса целиком и полностью проходит через внутренний и внешний пояса Ван Аллена, притом через их максимумы. Таким образом, КА «Аполлон» мог бы пролетать внутренний РПЗ за 803 сек, т.е. приблизительно за 13 минут и внешний РПЗ за 3571 сек, т.е. приблизительно за 1 час [38].

Случай 1. Трасса Кондратюка, наклонение трассы – 30 градусов, а прохождение через зоны Ван Аллена -перпендикулярно.

В предыдущем разделе были указаны размеры зон Ван Аллена. Автор, Александр Матанцев, учитывая указанное время пролета космическим аппаратом КА внутренней зоны Ван Аллена за 803 секунды и внешней за 3571 секунду, делает расчет длины траектории в этих зонах. Расчет очень простой, берем вторую космическую скорость в 11,2 км/сек и умножаем на указанное время. Тогда длина траектории во внутренней зоне составит 11,2 х 803 = 9000 км

Для внешней зоны: 11,2 х 3571 = 40000 км.

Итак, в литературе была выбрана толщина внутреннего слоя Ван Аллена в 9 тыс. км, а внешнего слоя Ван Аллена, в 40 тыс. км.

Из предыдущего раздела находим, что точно такая же толщина внутренней зоны – от 3 до 12 тыс. км (12 – 3 = 9 тыс. км), указана в литературе [22, 49].

Кроме того, находим, что при определении времени пролета взята траектория, перпендикулярная входной поверхности зон Ван Аллена.

Случай 2. Прохождение через зоны Ван Аллена под углом в 10 и 15 градусов.

Автор, Алекандр Матанцев, составил модели прохождения космического аппарата (КА) под углом в 10 и 15 градусов – рис. 14 и рис. 15.

В результате показано, что длина полета КА под углом в 10 градусов через пояса Ван Аллена приводит к уменьшению времени пролета этой зоны до 94 – 94,9%.

Рис. 14

Рис. 14. Составил автор, Александр Матанцев. Движение космического аппарата (КА) через внутренний пояс Ван Аллена по разным направлениям

На рис. 14 рассмотрены три направления движения КА через внутренний пояс Ван Аллена:

– по направлению 0 градусов;

– по направлению 10 и 15 градусов,

По направлению 30 градусов.

Если взять расстояние (а

– а

), пролетаемое КА через внутренний пояс Ван Аллена за 100%, то:

– расстояние по направлению 15 градусов составит, примерно, 94%,

– расстояние по направлению 30 градусов составит, примерно, 80%

Рис. 15

Рис. 15. Составил автор, Александр Матанцев. Движение космического аппарата (КА) через внешний пояс Ван Аллена по разным направлениям

На рис. 15 рассмотрены три направления движения КА через внешний пояс Ван Аллена:

– по направлению 0 градусов;

– по направлению 10 градусов,

По направлению 30 градусов.

Если взять расстояние (а

– а

), пролетаемое КА через внешний пояс Ван Аллена за 100%, то:

– расстояние по направлению 10 градусов составит, примерно, 94,9%,

– расстояние по направлению 30 градусов составит, примерно, 62,7%