Защита астронавтов от радиации при полетах на Луну и Марс
- -
- 100%
- +
Рис. 10
Рис. 10. Зоны магнитных полей от Земли [15]
I – внутренний, протонный пояс Земли с максимальной плотностью высокоэнергетических протонов на высоте от 3 тыс. км до 4 тыс. км;
II – пояс протонов малой энергии;
III – внешний электронный радиационный пояс, около 22 тыс. км;
IV – зона квазизахвата частиц «солнечного ветра».
Магнитосфера Земли – это самая внешняя из магнитных защитных оболочек Земли. Она представляет собой деформированное солнечным ветром геомагнитное поле и является препятствием для плазмы солнечного ветра, увлекающей за собой солнечное магнитное поле. Хвост магнитосферы образован силовыми линиями магнитного поля Земли, вытянутыми на много земных радиусов в ночную сторону.
Рис. 11
Рис. 11. Радиационные зоны для электронов и протонов [17]
Рис. 12
Рис. 12. Радиационные зоны для электронов c энергией более 0,5 МэВ и протонов с энергией более 10 МэВ [17]
Рис. 13
Рис. 13. Пояса Ван Аллена, на верхнем рисунке показаны зоны высокоэнергетичных протонов, а на нижнем рисунке – зоны высокоэнергетичных электронов [51]
Пояса Ван Аллена состоят из заряженных частиц космических лучей и солнечного ветра, притягиваемых магнитным полем Земли. Каждый из поясов образует вокруг Земли тор. Соотношение и энергетический уровень заряженных частиц различаются во внутреннем и внешних поясах. Как показано на верхней диаграмме, пояса Ван Аллена насыщены высоко заряженными протонами. Нижняя диаграмма иллюстрирует содержание высоко заряженных электронов (области наиболее высокой концентрации выделены темным цветом).
Зоны Ван Аллена характерны расположены вокруг Земли. У Луны нет поясов Ван Аллена. У нее также нет защитной атмосферы и отсутствует защитное магнитное поле. Она открыта всем солнечным ветрам. Если бы во время лунной экспедиции произошла сильная солнечная вспышка, то колоссальный поток радиации испепелил бы и капсулы, и астронавтов на той части поверхности Луны, где они проводили свой день. Эта радиация не просто опасна – она смертельна [52].
Сведения по внутренней зоне Ван Аллена в разных источниках информации:
– внутренний радиационный пояс на высоте ≈ 4000 км, состоящий преимущественно из протонов с энергией в десятки МэВ [11];
– внутренний пояс Ван Аллена (внутренний ЕРПЗ), который находится на высоте 3000—12000 км и состоит, в основном, из протонов с энергией 10—500 МэВ, а также небольшого количества нейтронов [22, 49];
– внутренний пояс находится на высоте от 3 до 12 тыс. км над поверхностью Земли [67, 70];
– БСЭ [61]: внутренний радиационный пояс характеризуется наличием протонов высоких энергий (от 20 до 800 МэВ) с максимумом плотности потока протонов с энергией Ep> 20 МэВ до 104 протон/ (см2․сек․стер) на расстоянии L; во внутреннем поясе присутствуют также электроны с энергиями от 20—40 кэв до 1 МэВ; плотность потока электронов с Ee ≥ 40 кэв составляет в максимуме 106—107 электрон/ (см2․сек․стер);
– внутренний пояс Ван Аллена обычно простирается от высоты от 0,2 до 2 радиусов Земли (значения L от 1 до 3) или от 1000 км (620 миль) до 12000 км (7500 миль) над Землей; в некоторых случаях, когда солнечная активность сильнее или в географических областях, таких как Южно-Атлантическая аномалия, внутренняя граница может снизиться примерно до 200 километров над поверхностью Земли;
– внутренний пояс содержит высокие концентрации электронов в диапазоне сотен кэВ и энергичные протоны с энергией, превышающей 100 МэВ, захваченные сильными (относительно внешних поясов) магнитными полями в этом регионе [62];
– он расположен на высоте 1 000 – 24 000 километров от поверхности планеты; бывают исключения, когда во время высокой солнечной активности, а также в некоторых географических областях (например, Бразильская магнитная аномалия) нижняя граница может опускаться до 200 км от Земли. Состоит внутренний пояс из электронов и протонов, энергия которых превышает 100 МэВ; дополнительно, во время геомагнитных бурь образуются протоны более низких энергий [63].
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 106—107 электрон/ (см2․сек․стер); среднее время «жизни» частиц внешнего РПЗ составляет 105—107 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 (а0 – а1), 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 (а0 – а1), 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%
Следует отметить, что КА «Аполлон», чтобы долететь до Луны, должен был обязательно лететь по трассе Кондратюка, которая является оптимальной для полёта к Луне и обратно. Сущность данной трассы заключается в том, что при отклонении от неё гравитационное поле Земли не позволит вывести КА на параболическую траекторию, в связи с чем необходимо будет снижать массу полезной нагрузки. Некоторые пользователи различных чатов, не имея понятия о карте земной гравитации, говорят о том, что РН «Сатурн-5» с грузом 44 тонны якобы летел через полюса Земли, чтобы не пролетать через пояса Ван Аллена. Таким пользователям следует понимать, что для выведения 44 тонн через северный или южный полюс Земли необходимо было увеличить массу РН от официальной в 3 раза и во столько же раз увеличить тягу двигателей 1 и 2 ступеней данной РН! Дело в том, что Земля имеет максимум гравитации в районе полюсов и минимум – в плоскости экватора. Соответственно, чем ближе ракета космического назначения летит к плоскости экватора, тем большую полезную нагрузку РН может вывести на околоземную орбиту и тем меньше объем необходимого для этого КРТ [44].
Рис. 16
Рис. 16. Траектории движения Аполлон 11, Аполлон 14, Аполлон 15 и Аполлон 17 относительно геомагнитного экватора, так же указана внутренняя зона Ван Аллена [58].
Рис. 16 показывает, что на заявленной транслунной траектории Аполлон 14 и Аполлон 17 (также миссии Аполлон 10 и Аполлон 16 из-за близких параметров TLI к А-14) проходят через опасный для человека радиационный протонный пояс.
Аполлон 8, Аполлон 12, Аполлон 15 и Аполлон 17 проходят через сердцевину электронного радиационного пояса.
Случай 3. Прохождение через зоны Ван Аллена под углом в 30 градусов.
Автор, Александр Матанцев, показал в своих моделях (рис. 14 и рис. 15, что при движении КА под углом в 30 градусов относительно входной поверхности тора зон Ван Аллена время пролета в этих зонах уменьшается до 62,7 – 80% относительно длины пролета в направлении, перпендикулярном этим поверхностям.
Казалось бы, какое замечательное решение, увеличил угол влета КА в зоны Ван Аллены, и получай меньшее время полета в сильно радиационных зонах, и меньшую дозу облучения. На самом деле, необходимо учитывать два фактора:
– время пролета через зоны Ван Аллена;
– расстояние и общее время полета, например, до Луны или Марса.
Сущность этого положения состоит в увеличении количества топлива при удлинении всей траектории движения при большем угле.
Часть 3. Единицы доз облучения
Дальше мы подходим к самому важному этапу расчетов – определению дозы облучения в зонах Ван Аллена. Исследователи утверждают, что пролететь сквозь них и не получить серьезных доз радиации – невозможно. По этой причине полет к Луне без надежной радиационной защиты астронавтов и электронного оборудования – невозможен [13]. Однако следует эти умозаключения подтвердить реальными цифрами. Для этого проведем ряд расчетов. Но начинать следует с определения единиц ионизирующих излучений, которых немало в зонах Ван Аллена.
Рис. 17
Рис. 17. Дозы облучения: экспозиционная, поглощенная, эквивалентная [4]
Рис. 18
Рис. 18. Единицы ионизирующего излучения и перевод одних единиц в другие [6]
Рис. 19
Рис. 19. Предельно допустимые дозы облучения для людей [7]
Рис. 20
Рис. 20. Величины экспозиционной дозы в Рентгенах (Р) [9]
Рис. 21
Рис. 21. Дозы радиации и последствия для человека [8]
Рис. 22
Рис. 22. Дозы облучения в Зивертах (Зв) и Греях (Гр)
Рис. 23
Рис. 23. Действующие нормы по дозам облучения НРБУ-2000 [10]
Перевод и пересчет одних единиц в другие показан на рис. 18. Теперь рассмотрим допустимые дозы облучения для человека. На рис. 19 показаны предельно допустимые дозы облучения для людей. При этом рассмотрены три основные категории: население в целом, персонал, к которому относятся и космонавты, и астронавты, и лица, привлекаемые к ликвидации последствий аварий.
Для персонала, для космонавтов и астронавтов ПДД (предельно-допустимая доза) в системе СИ составляет, в среднем, 20мЗв (2 бэр) в год или же по максимуму не более 50 мЗв (5 бэр) в течение года.
В литературе часто встречается экспозиционная доза, измеряемая в рентгенах (Р). Диапазон излучения в 80 – 100Р или 0,8 – 1 Зв – это начало развития лучевой болезни.
На рис. 20 указано воздействие различных экспозиционных доз в Рентгенах (Р). Доза облучения в 350 Р приводит в 50% случаев к смерти, а 600 Р – 90% смертности.
Из данных на рис. 23, допустимая доза облучения (ПДД) по нормам НРБУ-2000, для персонала, для космонавтов и астронавтов, составляет 5 бэр за год, по рис. 18 переводим в систему СИ, и получаем 50 мЗв в год.
В литературе указывается допустимая доза облучения и за час:
– безопасная для человека доза – 0,0003 – 0,0005 Зв в час;
– предельно допустимая доза за час – 0,01 Зв
Летальные дозы указаны на рис. 20, рис. 21 и рис. 22:
– (5,5 – 7) Зв – летальный исход;
– 350 – 700 Р- летальный исхо;
– от 700 Р и выше – смерть в 100%;
– — 350 Р – смерть 50% за 30 суток;
– (3—5) Зв – 50% умрет за 1 – 2 месяца;
– (10—50) Зв – смерть через 1 – 2 недели;
– 100 Зв – моментальная смерть.
Часть 4. Вычисление автором, Александром Матанцевым, длины эффективной магнитосферы, включающей и зоны Ван Аллена
На рис. 10 и рис. 11 показано, что эффективная зона хвоста магнитосферы тянется до 15 земных радиусов.
Магнитосфера имеет сложную непостоянную по конфигурации форму и магнитный шлейф. Внешняя граница магнитосферы устанавливается на расстоянии около 100 – 200 тыс. км от Земли, где магнитное поле ослабевает и становится соизмеримым с космическим магнитным полем.
Рис. 24
Рис. 24. Внешняя магнитосфера [19]
Автор, Александр Матанцев, вычислил длину эффективной магнитосферы. На рис. 24 показаны траектории заряженных частиц в магнитном поле Земли. Для нас в данном случае интересна форма и размер магнитосферы. Форма магнитосферы эллипсообразная с утолщением слева и сужением справа. Эта внешняя сплошная линия эллипса является той самой границей, слева от которой магнитное поле еще можно считать эффективным, а справа магнитное поле так ослабевает, что становится соизмеримым с космическим магнитным полем. Такое мизерное магнитное поле справа эллипса не может оказать влияние на защиту человека на КА от ионизирующих излучений.
На этом рис. 24 дан масштаб в 32 тыс. км на одно деление. Поэтому легко вычислить, что длина магнитосферы от центра Земли составляет 4,5 деления или 134,6 тыс. км. Найденное значение длины магнитосферы находится в пределах, указанных выше: от 100 до 200 тыс. км. Расстояние от Земли до Луны меняется от 367 до 404 тыс. км – рис. 25. Поэтому произведенное вычисление очень важно, так как показывает, что на пути от Земли до Луны могут быть участки, где, по существу, нет магнитосферы, нет эффективного магнитного поля, и нет защиты человека магнитным полем от ионизирующего излучения.
На рис. 25 показан перигей и апогей Луны, и максимальное и минимальное расстояние между Землей и Луной.
Рис. 25
Рис. 25. Перигей и апогей Луны [20]
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. Мы берем среднее w=5, так как человек полностью поглощает излучение, и основная передача энергии происходит в пике Брэгга, за исключением высокоэнергичной части протонов.
Часть 5. Приоритет отечественных ученых в вопросе изучения радиационных зон
Автор, Александр Матанцев, в свое книге [2] показал, что приоритет по влиянию солнечных вспышек при полетах на Луну и Марс, принадлежит советским ученым. Аналогичное заявление можно сделать и по изучению радиационным зонам вокруг Земли – приоритет также советский и российский.
Фактически пояса Ван Аллена были открыты советским учёным Н. Д. Булатовым ещё в 1930-е годы, а их существование было подтверждено учёными ИЗМИРАН по результатам полёта Первого спутника. Однако он не завил об этом всему миру и поэтому официально внутренний радиационный пояс Земли был открыт американским учёным Джеймсом Ван Алленом после полета Эксплорер-1, который заявил об этом сразу в нескольких мировых журналах. Поэтому Ван Аллен, в сущности, присвоил себе то, что было открыто задолго и независимо от него. Но, в настоящее время общепринятым считается название по его имени, поэтому не будем пока от этого отступать [22].
Внешний радиационный пояс Земли был открыт советскими учёными С. Н. Верновым и А. Е. Чудаковым после полёта Спутник-3 в 1958 году. Радиационный пояс в первом приближении представляет собой тор, в котором выделяются две основные области – рис. 56а, рис. 56б [27]:
– внутренний радиационный пояс на высоте ≈ 4000 км, состоящий преимущественно из протонов с энергией в десятки МэВ;
– внешний радиационный пояс на высоте ≈ 17 000 км, состоящий преимущественно из электронов с энергией в десятки кэВ.
Про первый спутник написано немало, но гораздо менее известны следующие пять, результаты которых принесли важное открытие: были обнаружены радиационные пояса Земли. Неожиданно оказалось, что за пределами своей атмосферы Земля, находящаяся, как ожидалось, в совершенно пустом космическом пространстве, окружена интенсивными потоками заряженных частиц, которые захвачены магнитным полем планеты. Эти пояса радиации имеют сложную пространственную структуру и испытывают сильные вариации, связанные с активностью Солнца. К настоящему времени радиационные пояса хорошо изучены, понята физика явления, найдены источники частиц (это космические лучи; частицы, ускоренные во время вспышек на Солнце; частицы из ионосферы и атмосферы Земли), определена их важность и связанные с ними опасности для человечества.
На борту следующего, «Спутника-2», вышедшего на орбиту через месяц после «Спутника-1» (3 ноября 1957 г.), кроме научной аппаратуры находилась собака по имени Лайка. Она была гвоздем проекта, весь полет задумывался для ответа на вопрос: смогут ли летать в космос люди? Но была и научная программа, которая включала изучение ультрафиолетового излучения Солнца (под руководством С. Л. Мандельштама) и космических лучей (экспериментом руководил С. Н. Вернов). Хотя запуск «Спутника-2» был приурочен к 40-летию Великой Октябрьской революции, его работа освещалась менее шумно, а результаты были опубликованы только в научных журналах, причем значительно позднее.