Мероприятия по обеспечению безопасности пилотируемых полётов.
СССР!
Между ноябрём 1957-го и мартом 1961-го запустили 13 собак, не считая крыс мышей и прочей живности, на околоземную орбиту, в процессе подготовки, прежде чем осмелиться запустить туда человека.
Зонд 5 стартовал 15 сентября 1968 с черепахами, винными мухами, мучными червями, растениями, семенами, бактериями и прочей живностью. 18 сентября зонд облетел вокруг Луны. 21 сентября вернулся на Землю, перенеся перегрузку 20 жэ. Зонд 6 запустили 10 ноября 1968, с примерно таким же грузом. Облетел Луну 14 ноября 1968. Говорят, что аппарат разгерметизировался, и биологические экземпляры погибли... http://history.nasa.gov/animals.html
США:
Биоспутник-1 14 декабря 1966-го, который разбился при посадке, потом Биоспутник-2 7 сентября 1967-го на каких-то 45 часов на околоземную орбиту с насекомыми(!), лягушачьими яйцами, микроорганизмами и растениями....
Био-спутник 3, запустили 29 июня 1969 года (за три недели до первой высадки человека на Луну!). Самец Макаки по прозвищу Банни, которого отправили на орбиту на один месяц, был пассажиром Biosatellite 3. К сожалению Банни, который заболел из-за чрезмерных потерь влаги в организме (примечание: body fluids - пот, моча, слюна, рвота и пр.), пришлось вернуть на землю всего лишь после 8,8 дней. Он умер вскорости после посадки, 7 июля. Банни умер через 8 часов после его подборки из-за инфаркта миокарда. (За девять дней до отправки людей на Луну (16 июля, Аpollo 11) прилетает из космоса больная, по не очень понятным причинам, обезьяна и умирает, а герои-американцы, с криками ура отправляются в полёт!)
Положение дел в магнитосфере Земли и за её пределами.
Предельно допустимая доза облучения для человека не должна превышать 0,3 рентгена в неделю или 15 рентген в год. Предельной для человека дозой при кратковременном облучении считают 600 рентген.
Первый - внутренний пояс радиации - как бы охватывает земной шар вдоль геомагнитного экватора. Он состоит из частиц с высокой энергией - протонов. Относительно центра Земли этот пояс, как и порождающее его магнитное поле, расположен несимметрично: в западном полушарии нижний край его опускается до высоты 600 км, в восточном - поднимается до 1600 км. В некоторых местах (например, в южной части Атлантического океана) повышенная радиация начинается на еще меньших высотах - 350-400 км, что объясняется влиянием местных магнитных аномалий. По широте внутренний пояс распространяется примерно на 20° к северу и на 20° к югу от экватора. Интенсивность потока заряженных частиц в нем переменна по высоте: с подъемом на каждые 100 км она удваивается и достигает максимального значения на высоте 3000 км. Ионизирующее действие радиации внутреннего пояса вызывают главным образом протоны, которые могут создавать максимальную дозу, равную 50-100 рентгенов в час. Создать надежную защиту при такой дозе радиации можно, лишь применяя очень толстые экраны, вес каждого погонного сантиметра которых, по оценке американских специалистов, на современном уровне техники может составлять до 80 г.
Второй - внешний пояс радиации, - открытый 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) и также обладает переменной интенсивностью. Максимальная доза, создаваемая внешним поясом за один час, может составить громадную величину - до 10000 рентген. Однако проблема защиты от радиации внешнего пояса будет, по всей вероятности, менее сложной, чем проблема защиты от радиации внутреннего пояса. Дело в том, что внешний пояс состоит в основном из частиц сравнительно невысокой энергии - электронов, от которых могут неплохо защитить даже обычные материалы обшивки космического корабля. Если же применить довольно тонкие свинцовые экраны, то эту дозу можно снизить в тысячи и десятки тысяч раз.
Что касается третьего - самого внешнего пояса радиации, - расположенного на высотах 45000-80000 км, то, несмотря на его пока еще недостаточную изученность, полагают, что радиация в нем не будет представлять большой опасности из-за малой энергии его частиц.
Обеспечение надежной защиты экипажа космического аппарата от действия радиации солнечных вспышек - весьма сложная задача. Достаточно сказать, что для защиты от средней по интенсивности вспышки 12 мая 1959 г. потребовался бы толстый графитовый экран, вес которого при площади 10 м2 составил бы 5 т.
Итак, наибольшую опасность для экипажа ОКС представят интенсивные потоки протонов при вспышках на Солнце и при прохождении станцией внутреннего пояса радиации, где мощность дозы может достигать 1 рентгена в минуту и более. Как мы уже говорили, именно протоны являются теми частицами, от которых в первую очередь необходимо защищаться. Однако при разработке системы радиационной защиты ОКС нужно учитывать и то, что, попадая в материал обшивки и конструкции, протоны способны создавать вторичные продукты радиации, в частности гамма-лучи и рентгеновские лучи, обладающие еще большей проникающей способностью, чем протоны.
Рис. 23. График изменения веса защиты в зависимости от скорости нарастания условной биологической дозы: 1 - от протонов во внутреннем поясе радиации; 2 - от протонов солнечной вспышки <май 1959 г.>
На том же графике можно видеть, что если экипаж ОКС длительное время находится на орбите и существует опасность возникновения солнечной вспышки, то для снижения скорости нарастания дозы до более или менее приемлемого уровня (0,001 рентгена в минуту) свинцовая защита должна иметь толщину, соответствующую погонному весу более 500 кг на квадратный метр.
Электромагнитное поле также может изменять траекторию заряженных частиц, не изменяя их энергии. Для отражения высокоэнергичных протонов важна не только величина электромагнитного поля, но и его форма. Расчеты показывают, что для создания вокруг ОКС сферического защитного электромагнитного поля потребуется громадная электрическая мощность порядка 10-100 Мвт. Несколько эффективнее будут поля других, более сложных форм, например спиральное.
Лучший способ ослабить ионизирующую радиацию — это поглотить ее энергию при прохождении через толщу какого-либо вещества. Поэтому проблема защиты космонавта от радиации сводится к изысканию наиболее эффективного экранирующего материала, при этом не следует забывать о требованиях минимального веса. Идеальная защита от радиации должна иметь эффективную плотность земной атмосферы, то есть 1000 г/см2, и такое же магнитное поле, как вокруг земного шара в районе экватора. Для создания эквивалентной защиты от радиации в космосе потребовался бы слой воды толщиной около 10 м или свинцовый экран толщиной около 1 м. Насколько сложна проблема защиты от радиации, видно из графика. На нем показано, какие дозы (в относительных единицах) получат космонавты внутри космического корабля при облучении ионизирующими частицами нескольких видов (первичные протоны, вторичные протоны и нейтроны) в случае использования защитного алюминиевого экрана различной толщины.
Увеличение веса экранов не поможет решить проблему, так как при прохождении электронов высоких энергий через металлы генерируется рентгеновское излучение (явление, известное как «тормозное излучение»). Когда корабль проходит через магнитные пояса, в нем возникают мощные потоки вторичной радиации. Другого рода вторичная радиация (потоки мезонов, каскадных и испарительных нейтронов, а также протонов отдачи) возникает в результате ядерных взаимодействий в экранирующем материале. Все эти виды вторичной радиации представляют потенциальную опасность для космонавтов. Если эта опасность велика, для защиты от вторичной радиации в будущих космических кораблях придется делать внутренние экраны. Может быть, вокруг космического корабля будут создаваться искусственные магнитные поля, которые защитят корабль подобно тому, как Землю защищают окружающие ее магнитные пояса.
Рис. 22. Захваченные протоны из состава космических лучей и солнечные протоны поясов Ван Аллена вызывают в космическом корабле вторичную радиацию, дозы которой зависят от толщины алюминиевой обшивки в гипотетическом космическом корабле
Корпус корабля «Аполлон», сделанный в основном из алюминия, нержавеющей стали и фенольно-эпоксидных смол, создает экран плотностью 7,5 г/см2.
Лунный же модуль корабля «Аполлон» имеет экран плотностью всего лишь 1,5 г/см2
Энциклопедия «Кирилла и Мефодия» КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ, поток стабильных частиц высоких энергий (приблизительно от 1 до 1012 ГэВ), приходящих на Землю из мирового пространства (первичное излучение), а также рожденное этими частицами при взаимодействиях с атомными ядрами атмосферы вторичное излучение, в состав которого входят все известные элементарные частицы. Первичное космическое излучение изотропно в пространстве и неизменно во времени; в его состав входят протоны (ок. 90%), альфа-частицы (ок. 7%) и другие атомные ядра вплоть до самых тяжелых, а также небольшое количество электронов, позитронов и гамма-квантов. Подавляющая часть первичных космических лучей приходит на Землю из Галактики (галактические космические лучи), и лишь небольшая их часть связана с активностью Солнца (солнечные космические лучи); космические лучи с энергией выше 108 ГэВ, возможно, приходят из Метагалактики.
Нечеловеческий прогресс
Мой собеседник поясняет: к примеру, от мощных галактических лучей не всегда спасет даже специальный защитный слой разумной толщины. "Разумной - это как?" - уточняю я. "Ну скажем, 100-сантиметровая оболочка из алюминия. Но энергия лучей может оказаться такой, что они свободно пройдут и через такую защиту". Пока космонавты летают на 400-километровой орбите, страшного ничего нет. Здесь радиационное воздействие еще не имеет столь гигантской силы. Но если соберемся на Марс, то на этой трассе полета как раз вовсю хозяйничают убийственные лучи.
- Владислав Михайлович, насколько я знаю, существуют специальные нормативы облучения для космонавтов. Можете назвать цифры?
- Конечно. Надо сказать, что наши нормативы хорошо согласуются с нормативами других стран, однако какие-то разногласия все-таки есть. Поэтому на очереди стоит разработка международных нормативов для космоса. Так вот, установлен годовой предел облучения, превысить который никто не имеет права: это 500 миллиЗиверт. Есть и так называемый профессиональный лимит, или, как еще говорят, лимит за карьеру. Он не должен превышать 1 Зиверт.
Много это или мало? Как говорят специалисты, максимально допустимая доза, которую может накопить космонавт за все годы работы на Земле и в космосе, способна забрать у него 2-3 года жизни. Подобной еще не было ни у кого и никогда. Но существует общее правило: дозы должны быть настолько низкими, насколько они разумно достижимы.
На поверхности земли земная атмосфера почти полностью защищает нас от космической радиации, приходящей из глубин мирового пространства. На высоте 12 км интенсивность космической радиации увеличивается в 200 раз. За пять часов пребывания в полете на такой высоте авиапассажир получает радиационную дозу, соответствующую одному рентгеновскому просвечиванию грудной клетки. Но для беременных женщин, для людей часто летающих по делам, для летчиков, стюардесс — космическая радиация может быть серьезной проблемой. http://www.seagullmag.com/article.php?id=152
Уровень нейтронной радиации на Луне намного превосходит уровень этой радиации на околоземной орбите. Попросту в солнечном ветре присутствуют радионуклиды, которые мало проникают сквозь радиационные пояса Земли (РПЗ). Здесь популярно описано: http://www.kosmofizika.ru/galper/galper.htm
Нейтроны, образуются в результате бета-распада радионуклидов на поверхности Луны, в значительно в больших количествах, чем на околоземной орбите, поскольку, Луна находится в зоне действия РПЗ, то есть там, где ловушка магнитного поля Земли работает эффективно, и потоки радионуклидов имеют значение на много большее, чем скажем, на орбите МКС. Конечно, пребывание Луны в зоне РПЗ зависит от её астрономического положения на данный момент, но в описании лунной афёры этот факт не упоминается вообще, хотя проблема РПЗ для фальсификации лунной афёры, должна была бы иметь огромное значение.
За год pаботы на оpбите станции "МИР" космонавт может получить дозу pадиации 15-30 pад, которая, конечно, далека от кpитической, но значительно пpевышает дозу pядового землянина.
Отметим, что относительно небольшая доза радиации на околоземных орбитах объясняется защитой внутренних областей магнитосферы сильным магнитным полем Земли, действующей всюду кроме полярных областей, куда заряженные частицы имеют свободный доступ. Полеты космонавтов вне магнитосферы гораздо более критичны с точки зрения радиационной опасности. На спутниках "Прогноз-1,-2" были установлены ионизационные камеры с целью измерения доз радиации, обусловленной как галактическими космическими лучами, так и частицами от возможных солнечных вспышек. Во время вспышек 4 и 7 августа 1972 года, которые входили в десятку мощнейших из зарегистрированных к настоящему времени, доза радиации внутри космического аппарата превысила 100 рад, так что полеты вне магнитосферы Земли даже в течение короткого времени должны проводиться очень осмотрительно, чтобы не пострадать от мощной солнечной вспышки. Американские полеты на Луну в 1969-72 гг., продолжавшиеся 8-12 суток, приходились на максимум солнечной активности и их благополучное завершение с точки зрения радиационного облучения явилось не только счастливой случайностью, но и выбором времени старта, учитывающего ближайшие перспективы вспышек на Солнце.
…космические лучи, идущие из центра Галактики (галактическое космическое излучение, ГКИ). За орбитой Луны, где уже не ощущается защитная роль магнитного поля Земли, дозы радиации возрастают, по сравнению с околоземной орбитой, примерно вдесятеро. ГКИ содержит протоны и даже ядра металлов высокой энергии, прошивающие насквозь любое препятствие.
Вот ещё источник, БСЭ:
СОЛНЕЧНАЯ РАДИАЦИЯ, излучение Солнца электромагнитной и корпускулярной природы. С. р.- осн. источник энергии для большинства процессов, происходящих на Земле. Корпускулярная С. р. состоит в основном из протонов, обладающих около Земли скоростями 300-1500 км/сек. Концентрация их около Земли составляет 5-80 ионов/см3, но возрастает при повышении солнечной активности и после больших вспышек доходит до 10 Е+3 ионов/см3. При солнечных вспышках образуются частицы (гл. обр. протоны) больших энергий: от 5 •10 Е+7 до 2 •10 Е+10эв.
А теперь оценим дозы радиации, полученные экипажами "Аполлонов" за время их полетов.
