ПЕРСПЕКТИВНАЯ ПИЛОТИРУЕМАЯ ТРАНСПОРТНАЯ СИСТЕМАПИЛОТИРУЕМЫЙ ТРАНСПОРТНЫЙ КОРАБЛЬ ДЛЯТРАНСПОРТНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

ОРБИТАЛЬНОЙ СТАНЦИИ

Пояснительная запискаЧасть двадцать девятая

Радиационная безопасностьПТК-С и ПТК-З.

Обсуждение материалов по пояснительным запискам рассматриваемых транспортных систем

на НТС ГНЦ РФ – ИМБП РАН

23 мая 2012 г.

Диапазон высот орбиты целевого

использования (Н), км

Диапазон наклонений (i), град

Примечание

200-450 51,6 Для ТТО МКС

200-500 51,7 Для ТТО перспективных ОПС

200-400 72,0 Для ТТО специализированных АМЛ

Таблица 1.1. Область орбит, обеспечиваемая ПТК-С

Диапазон высот орбиты целевого использования

(Н), км

Наклонение (i), град

Максимальная продолжитель-ность полета,

сут

Полетный ресурс ВА с учетом

кратности использования,

сут

500-1000 51,7 3 30

200-450 63 30 300

200-400 72 30 300

200-400 83 30 300

200-400 98 30 300

Таблица 1.2. Область орбит, которые должен обеспечивать ПТК-З

Рисунок 1.1. Общий вид ПТК-З

Основные логические предпосылки компонентов СОРБ космических аппаратов ПТК.

Исходными данными для определения необходимых характеристик СОРБ и ее основных элементов являются:

-технические задания на проектируемые КА, основные подлежащие учету данные из которых приведены выше,

-нормы радиационной безопасности для полетов этого класса, -перечень и продолжительность элементов деятельности,

предусмотренных программой полетов этого класса в целом и частных программ, планируемых к реализации во время отдельной миссии или группы однотипных миссий.

Отметим, что наряду с перечисленными положениями необходимо: -детально учитывать и особенности радиационных условий в

космическом пространстве, - защитные характеристики космических аппаратов, - характеристики дополнительных средств и возможностей,

предусмотренных во время создания КА.

НОРМАТИВЫ РАДИАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ЭКИПАЖА

Критическийорган и глубина в ткани

Длительностьпериода и возрасткосмонавтов

РоссияРКА

СШАNASA

ЯпонияNASDA

Кроветворныеорганы ()

ОднократноеЗа 30 сутокЗа год

0,150,250,5

-0,250,5

--

0,5Хрусталик()

ОднократноеЗа 30 сутокЗа годЗа карьеру

-0,51,02,0

-1,02,04,0

0,5-

1,05,0

Кожа()

ОднократноеЗа 30 сутокЗа годЗа карьеру

-1,53,06,0

-1,53,06,0

2,0-

4,020,0

Среднетканевая За карьеру при начале работы в возрасте25 лет25-29 лет30-35 лет35 лет36-39

М Ж 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0

М Ж 0,7 0,4 - - - - 1,0 0,6 - - 1,5 0,9

М Ж 0,6 0,6 0,9 0,8 - - 1,0 0,9 1,2 1,1 1,2 1,1

Нормативные уровни облучения космонавтов (астронавтов) в разных странах, 3в

Предельное значение среднетканевой эквивалентной дозы за весь период профессиональной деятельности

для космонавтов России, начинающих карьеру в разных возрастах, одинаков и равен 1 Зв. Согласно

расчетам, при этой дозе значение суммарного радиационного риска в течение жизни не превысит 10

%, риск смертности от опухолей для космонавтов, начавших карьеру в возрасте 30; 40 и 50 лет, составит

4,6; 3,1 и 2,4 % соответственно, а возможное сокращение продолжительности жизни оценивается

равным 3,4; 3,1 и 2,7 года.

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.

командный отсек

ПТК-С

Схема размещения кресел «Казбек» в ПТК-С. Слева «вид сверху», справа «вид прямо».

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200Y

Z

350

400

450

500

550

600

650

-200 -100 0 100 200Y

X

Функции экранированности

Под функцией экранированности выбранной точки внутри рассматриваемого объектапонимается функция плотности вероятности встретить в любом направлении из рассматриваемой точки толщину защиты в интервале от Х до Х+dX. Расчет функций экранированности проводился в соответствии с рекомендациямиГОСТ 25645.204 с использованием численного интегрирования в сферической системекоординат с шагом по азимутальному углу = 2,0 и по косинусу полярного угла Cos = 0,01, т.е. всего 18 000 точек.В качестве фантома использован тканеэквивалентный шар диаметром 340 мм с внутренней сферической полостью диаметром 100 мм. Отдельные органы и системы организма человека соответствуют представительным точкам, расположенным на различных расстояниях от центра фантома:

Хрусталик глаза (ХГ) – на расстоянии 16,993 см,Кожа (КЖ) – на расстоянии 16,7 см,Кроветворная система (КТС) – на расстоянии 12,0 см,Центральная нервная система (ЦНС) – на расстоянии 10,0 см,Желудочно-кишечный тракт (ЖКТ) – на расстоянии 8,0 см,

Радиационная защита КА ПТК-С в основном достаточна для соблюдения норм радиационной безопасности при орбитальных космических полетах.

Вместе с тем поскольку в этих нормах сформулировано требования оптимизации соотношения польза – затраты при профессиональном облучении (фактически по-другому сформулированный принцип АЛАРА) необходимо принимать все разумные меры по максимально приемлемому уровню облучения. Для этого в рамках планируемых программ использования КА необходимо :- определить перечень наиболее радиационно-опасных полетных операций и, в случае возможности снижения при их выполнении доз облучения средствами и методами локальной защиты, - разработать соответствующие средства локальной защиты для использования в процессе полета.

В плане продолжения этой активности необходимо :-обратить внимание на приведенные в отчете рекомендации по конструкции источника мягкой посадки и - проведении измерений дозного поля в КА после создания технологического образца.

Общая схема ПТК-З на орбите

-250

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

-100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200X

Y

Синим цветом выделены контуры КО и фермы на ДО, коричневым – граница ТЗП, красным цветом – ДГО и ДО-ДГО,

голубым – ферма ДГО.

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200Y

Z

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200Y

Z

Схема размещения кресел «Казбек» в ПТК-З. Слева вариант ПТК-З для экипажа из 2-х человек, справа – из 4-х человек.

Поскольку никаких сведений о распределении оборудования в ДГО и в ДО-ДГО нет, при построении настоящей модели было принято предположение о равномерном распределении всего оборудования в пространстве за панелями.

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

600 700 800 900 1000X

Z

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200Y

Z

. Схема внутреннего каркаса ДГО

По сравнению с ПТК-С масса системы обеспечения жизнедеятельности (СЖО) для ПТК-З с экипажем в 2 человека уменьшена на 266 кг, и масса системы питания (СП) уменьшена на 88 кг (всего 354 кг). Уменьшение общей массы учитывалось изменением удельной плотности в зоне размещения СЖО от 0,294 г/см3 до 0,150 г/см3, что привело к уменьшению общей массы КО на 351 кг. По сравнению с ПТК-С для ПТК-З с экипажем в 4 человека масса СЖО уменьшается на 86 кг, и масса СП уменьшается на 44 кг, всего 130 кг. Соответствующее значение удельной плотности изменено до 0,240 г/см3, что привело к уменьшению общей массы КО на 130 кг. При этом объемы, занимаемые СЖО, оставлены без изменений.

Эквивалентные дозы в случае 2-х и 4-х членов экспедиции отличаются незначительно.

Среднетканевые дозы близки к дозам для КТС и практически совпадают для КО и поперечного

коридора ДГО-2. В прямом коридоре они на 12 - 22 % ниже. Среднетканевые дозы от квазистационарных источников для полетов длительностью 3-е суток не

превысят 1,35 сЗв, а обобщенные дозы с учетом снижения эффективности воздействия протонов РПЗ в 4 раза за счет быстрых восстановительных процессов на клеточном уровне будут в 2,0 - 2,6 раза ниже при

полетах на высотах 700-1000 км и не превысят 0,7 сЗв.Среднетканевые дозы за сутки от квазистационарных источников даже при полетах на расстояниях 450 км с

высокими углами наклона плоскости орбиты не превысят 0,1 cЗв, а за 3 суток будут менее 0,3 сЗв.

Дозовые нагрузки на космонавтов от СКЛ, сЗв (бэр) в различных отсеках ПТК-З для различных по высоте орбит с наклонением

51,7о (высоты 500-1000 км за 3-е суток; высоты 200-450 за 11 суток ) показывают, что локальные дозы от СКЛ не превышают 3 cЗв, а

среднетканевые дозы космонавтов в различных отсеках ПТК-З при полетах по орбитам с наклонением 51,7о не превышают 1,3 сЗв, а обобщенные дозы в соответствии с данными, представленными в

работах [ 18, 23 ] будут ниже 0,32 cЗв. Сравнивая эти данные с возможными уровнями доз на орбитальных станциях, можно

отметить, что диапазон локальных доз от серии СПС 1989 г. на ОПС МИР для высоты 361,5 и наклонения орбиты i = 51,6о в

точках соответствующих размещению рабочего стола и в каютах был бы заключен в пределах 3,7 – 8,4 cЗв. Для аналогичных

условий в СМ МКС локальные дозы изменялись бы по станции в пределах 0,80 – 4,40 сЗв

Исключить повышенное облучение ряда критических органов во время мощных солнечных протонных

событий можно с помощью рекомендованных дополнительных элементов локальной защиты, в

частности, защитного шлема или специально сконструированных очков. Разработка исходных

данных на элементы локальной защиты не входит в состав работ по данному КА.

Данные доз от серии СПС 1989 г для полетов на ПКС – З являются несколько большими, чем на СМ МКС, но вполне соответствуют

уровням воздействия на космонавтов при полетах на станции МИР. Они почти в 4 раза ниже нормативных значений для серии

нормативных документов, рассмотренных в разделе 3. Следует также отметить, что столь мощные СПС с суммарным флюенсом (5÷8)109 протонов реализуются с частотой одно событие за 11-летний цикл

(см. раздел 7 отчета по ПТК-С) и вероятность такого события за реальное время перелета менее 10-4.

Минимальность же уровней радиационного воздействия от СПС может быть обеспечена с учетом реализации на борту системы радиационного контроля, наличия возможности перемещения в

более защищенный отсек и оперативной работы службы радиационной безопасности СРБ.

Для полётов с наклонением более 70 градусов, а также с высотой более 500 км и длительностью более 7 суток, наряду со сборками

пассивных индивидуальных дозиметров, рекомендованных для ПТК-С, в составе объекта должна быть бортовая система

дозиметрического контроля. Требования к дозиметрическому контролю на пилотируемых космических аппаратах в настоящее

время определяются ГОСТ 25645.202-83 “Безопасность радиационная экипажа космического аппарата в космическом

полёте. Требования к индивидуальному и бортовому дозиметрическому контролю” и ОСТ 134-1002-94 “Отраслевой

стандарт Аппараты космические пилотируемые. Общие требования по обеспечению безопасности”. Пункты 6.11 и 6.12.

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».

Индивидуальный показывающий дозиметр, предусмотренный п. 2.2 ГОСТ 25645.202-83, должен обеспечивать выполнение

следующих задач, регламентированных п. 6.12 ОСТ 134-1002-94:- Непрерывное измерение интегральных доз радиации;

- Оценку временного режима облучения;Возможность визуального отображения результатов по

усмотрению экипажа.

Предлагается следующая схема построения системы:3 дозиметрических блока (с параметрами, аналогичными

параметрам блоков ДБ-8, применяющимся на МКС);интерфейсный блок, который должен обеспечивать прием данных

от дозиметрических блоков, накопление, обработку и передачу информации на систему бортовых измерений (СБИ) КА;

2 индивидуальных показывающих дозиметра.

Схема деления бортовой системы контроля радиационной обстановки (СКРО)  для

пилотируемого транспортного корабля (ПТК)

Бортовая СКРО

Средства индивидуального дозиметрического

контроля

Средства бортового

дозиметрического контроля

Дозиметр индивидуальный

(ДИ)

Дозиметр показывающий

(ДП)

Дозиметр бортовой

(ДБ)

Блок обработки информации (БОИ)

Требования к диапазонам измерения, как дозиметрических блоков, так и индивидуальных показывающих дозиметров:

поглощенная доза - 10-5 Грей 10+1 Грей; мощность поглощенной дозы - 10-6 Грей/час 10-1 Грей/час;

плотность потока частиц 1 1000 частиц /(см2 с);Для оперативного контроля радиационной обстановки на КА

целесообразно иметь канал связи, обеспечивающий передачу результатов радиационного контроля (накопленных доз радиации

по всем детекторам и экспресс-информации о возрастаниях мощности дозы) объемом 0,5 Кбайт каждые 5 минут. В сеансах

связи с КА должна передаваться более детальная информация о радиационной обстановке (включая данные о динамике мощности дозы во время возрастаний с временным разрешением 10 секунд).

Объем информации, передаваемой в сеансе связи, предварительно оценивается в 50 Кбайт.

Радиационная защита КА ПТК-З в основном достаточна для соблюдения норм радиационной безопасности при орбитальных

космических полетах. Вместе с тем поскольку в этих нормах сформулировано требования оптимизации соотношения польза –

затраты при профессиональном облучении (фактически по-другому сформулированный принцип АЛАРА) необходимо

принимать все разумные меры по максимально приемлемому уровню облучения. Для этого в рамках планируемых программ использования КА необходимо определить перечень наиболее

радиационно-опасных полетных операций и, в случае возможности снижения при их выполнении доз облучения средствами и методами локальной защиты, разработать

соответствующие средства для использования в процессе полета. В плане продолжения этой активности необходимо обратить

внимание на приведенные в отчете рекомендации по конструкции источника мягкой посадки и проведении измерений дозового поля

в КА после создания технологического образца.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Рекомендуем провести снятие картограммы полей от Гамма источника внутри КО на рабочих местах и снаружи под АО ПТК для оценки опасности гамма облучения персона ПСС . Отсутствие надежных данных по конструкции прибора «Кактус» не позволят выполнить оценку РО для персонала ПСС на месте приземления ПТК.2. При компоновке ПТК-З разместить хотя бы часть полезного груза в КО между ложементами, для уменьшения дозы от излучения гаммам источника. 3. Для орбит с большой высотой 1000 км или с большим углом наклонения 72° и 83° необходима бортовая система дозконтроля, необходимо иметь канал связи, обеспечивающий передачу результатов радиационного контроля (накопленных доз радиации по всем детекторам и экспресс - информации о возрастаниях мощности дозы) объемом 0,5 Кбайт каждые 5 минут.4. Ни при каких вариантах полета не будут превышены существующие нормативы РБ.5. В случае возникновения мощных СПС управление радиационной безопасность экипажа осуществляет силами и средствами СРБ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

6. Проектируемая оболочка КО кораблей ПТК-С и ПТК-З обеспечивает соблюдение космонавтами установленных уровней радиационного воздействия при всех вариантах полета. 7. Рекомендуется выполнить снятие картограммы полей от гамма источника внутри КО на рабочих местах и снаружи под КО для оценки опасности гамма облучения персона ПСС . Отсутствие надежных данных по конструкции прибора «Кактус» не позволят выполнить оценку РО для экипажа и для персонала ПСС на месте приземления ПТК.8. Рекомендуется при компоновке ПТК-З разместить хотя бы часть полезного груза в КО между ложементами, для уменьшения дозы от излучения гамма источника. 9. В случае возникновения мощных СПС управление радиационной безопасностью экипажа осуществляется силами и средствами СРБ.