авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Радиационные нагрузки на космонавта при внекорабельной деятельности в скафандре орлан-м на низких околоземных орбитах

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

УДК 629.786.2:614.876

Карташов Дмитрий Александрович

Радиационные нагрузки на космонавта при внекорабельной деятельности в скафандре «Орлан-М» на низких околоземных орбитах

05.26.02 безопасность в чрезвычайных ситуациях

(Авиационная и ракетно-космическая техника, технические науки)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва, 2009

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Государственном научном центре Российской Федерации Институте медико-биологических проблем РАН (ГНЦ РФ ИМБП РАН)

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук Вячеслав Александрович Шуршаков

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук Виктор Георгиевич Митрикас

Кандидат технических наук Вячеслав Иванович Петров

Ведущая организация:

«Ракетно-космическая корпорация «Энергия» им. акад. С.П. Королева».

Защита диссертации состоится "____"_______________ 2009 г. в ________ часов на заседании диссертационного Совета Д 002.111.02 при ГНЦ РФ – ИМБП РАН по адресу: 123007, г.Москва, Хорошевское шоссе, 76-А.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ РФ – ИМБП РАН

Автореферат разослан "____"______________2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 002.111.02.

Доктор биологических наук Н.М. Назаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Анализ источников космического излучения (КИ) в околоземном пространстве и многочисленные результаты дозиметрических исследований, выполненных на космических летательных аппаратах, указывают, что пилотируемые космические полеты являются радиационно-опасным видом деятельности человека. В соответствии с рекомендациями Международной комиссии по радиологической защите (МКРЗ) такой вид деятельности требует соответствующих мер по снижению уровня радиационного риска для здоровья и жизни космонавтов.

Актуальность работы

В соответствии с требованиями Методических указаний (МУ 2.6.1.44-03-2004) [1] на всех этапах космического полета необходимо отслеживать дозу на критические органы космонавта, такие как глаз, кожа, кроветворная система, а также определять его эффективную дозу за период профессиональной деятельности. Отдельного рассмотрения требует этап космического полета, связанный с внекорабельной деятельностью (ВКД), при котором, в силу изменившихся условий защищенности, радиационная нагрузка на критические органы тела космонавта возрастает по сравнению с его пребыванием внутри космического аппарата.

Актуальность работы обусловлена активным использованием скафандров типа «Орлан-М» при продолжающейся эксплуатации МКС, а также планируемыми межпланетными и лунными экспедициями, в которых предполагается использование скафандров при монтажных работах на околоземных орбитах. В настоящее время в стадии реализации находится космический эксперимент «Матрешка-Р», в котором осуществлялось экспонирование тканеэквивалентного антропоморфного фантома снаружи станции в условиях, моделирующих работу космонавта в скафандре.



Цель работы состояла в следующем:

получение расчетных оценок радиационных нагрузок на космонавта при внекорабельной деятельности в скафандре «Орлан-М» на низких околоземных орбитах, основываясь на результатах наземных экспериментальных исследований по определению толщины защиты, создаваемой скафандром, а также с учетом данных космического эксперимента «Матрешка».

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

  • рассчитать возможное изменение доз, создаваемых различными источниками космического излучения, в представительных точках антропоморфного фантома в зависимости от степени негомогенности материала фантома;
  • оценить влияние упрощений геометрии антропоморфного фантома на дозы в представительных точках тела космонавта (фантомы в виде головы и торса, применяемые в космических исследованиях);
  • обработать и проанализировать данные наземного эксперимента по определению массовой толщины элементов скафандра «Орлан-М» методом гамма- и бета- просвечивания;
  • основываясь на анализе технической документации и результатах наземных экспериментальных исследований, модифицировать методику расчета функций экранированности представительных точек антропоморфного фантома, находящегося внутри скафандра «Орлан-М»;
  • рассчитать дозы и эффективность радиационной защиты для представительных точек антропоморфного фантома в скафандре «Орлан-М» для моделируемых ВКД на низких околоземных орбитах;
  • рассчитать функции экранированности и оценить дозы в местах размещения детекторов космического эксперимента «Матрешка» и сопоставить их с данными, полученными в эксперименте, а также с результатами расчета для антропоморфного фантома внутри скафандра «Орлан-М»;
  • оценить влияние эффекта западно-восточной асимметрии захваченных протонов высоких энергий на радиационные нагрузки космонавтов при внекорабельной деятельности.

Методы исследования:

  • математическое моделирование;
  • численные методы математического анализа и математической статистики;
  • сравнительный анализ результатов расчетов и экспериментальных данных.

Научная новизна. В диссертационной работе впервые:

  • проведена оценка влияния степени негомогенности фантома на дозы, создаваемые различными источниками космического излучения, в представительных точках антропоморфного фантома;
  • получены экспериментальные данные по определению толщины защиты скафандра «Орлан-М» методом гамма- и бета- просвечивания;
  • получены оценки эффективности защиты для представительных точек антропоморфного фантома в скафандре «Орлан-М» при моделируемых ВКД на низких околоземных орбитах;
  • проведено сопоставление доз в представительных точках антропоморфного фантома «Рэндо» космического эксперимента «Матрешка» с дозами в антропоморфном фантоме в скафандре «Орлан-М»;
  • при расчете доз в представительных точках антропоморфного фантома в скафандре при внекорабельной деятельности учтено влияние эффекта западно-восточной асимметрии захваченных протонов высоких энергий в области Южно-Атлантической аномалии.

Практическая значимость работы:

  • реализована в виде программы модифицированная методика определения функций экранированности точек фантома и системы «фантом в скафандре», задаваемых в виде таблиц;
  • обоснована возможность использования гомогенного фантома при расчетных оценках радиационных нагрузок на космонавта;
  • получено описание массовых толщин элементов скафандра «Орлан-М», основанное на данных эксперимента по его гамма-просвечиванию;
  • определена эффективность защиты скафандра «Орлан-М» для представительных точек антропоморфного фантома в условиях внекорабельной деятельности на орбите МКС в зависимости от таких факторов, как параметры орбиты и фазы цикла солнечной активности.

Положения, выносимые на защиту.

  1. Результаты расчетов изменения доз космического излучения в представительных точках антропоморфного фантома в зависимости от степени его негомогенности.
  2. Модифицированная методика определения функции экранированности представительных точек антропоморфного фантома для случая его расположения в скафандре, основанная на результатах экспериментальных исследований по гамма-просвечиванию скафандра «Орлан-М».
  3. Расчетные оценки радиационных нагрузок на космонавта в скафандре «Орлан-М» и эффективности радиационной защиты скафандра при моделируемых ВКД на низких околоземных орбитах и для космического эксперимента «Матрешка» на внешней поверхности МКС.
  4. Результаты анализа влияния пространственной ориентации космонавта на радиационные нагрузки при ВКД в скафандре «Орлан-М» в зоне Южно-атлантической аномалии.

Личный вклад автора заключается в:

  • выполнении основного объема теоретических и расчетных исследований, изложенных в диссертационной работе, включая разработку расчетных методик и соответствующего программного обеспечения;
  • участии в эксперименте по гамма-просвечиванию скафандра «Орлан-М» в части обработки и анализа экспериментальных данных;
  • участии в анализе данных штатного дозиметра космонавта «Пилле-МКС», используемого при внекорабельной деятельности;
  • участии в эксперименте «Матрешка-Р» в части анализа доз облучения, полученных в представительных точках антропоморфного фантома, экспонировавшегося на наружной поверхности станции;
  • анализе, обработке и оформлении результатов в виде публикаций и научных докладов в период с 2000 по 2009 гг.

Апробация работы

Результаты и положения диссертационной работы опубликованы в 11 печатных работах.

Результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

  • Конференция молодых ученых ГНЦ РФ – ИМБП РАН (2002);
  • The 2nd International Workshop on Space Radiation Research (IWSSRR-2). March 11-15, 2002, Nara, Japan;
  • Четвертый международный аэрокосмический конгресс. 18 – 23 августа 2003 г. Москва;
  • Научная сессия МИФИ-2006, Секция Ф-1. АСТРОФИЗИКА И КОСМОФИЗИКА;
  • 4-th International Workshop on Space Radiation Research and 17-th Annual NASA Space Radiation Health Investigators’ Workshop. Moscow – St. Petersburg, June 5 - 9, 2006;
  • 17th IAA Human in Space Symposium. Book of abstracts. June 7-11, 2009. Moscow.

Объем и структура

Диссертация изложена на 159 страницах машинописного текста, включая 37 таблиц и 48 рисунков, состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 90 наименований и четырех приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы оценки радиационных нагрузок на космонавтов при ВКД в скафандре «Орлан-М» на низких околоземных орбитах, сформулирована цель и задачи исследования, обоснованы новизна и практическая значимость результатов исследований. Излагаются основные положения, выносимые автором на защиту.

В первой главе по литературным данным проведен анализ условий облучения космонавтов в орбитальном полете при ВКД. Рассмотрено применение при космических полетах скафандров «Орлан-М» и НАСА EMU, используемых в настоящее время в условиях орбитального полета на МКС при ВКД, проведено сравнение их основных характеристик. Рассмотрена радиационная обстановка в околоземном космическом пространстве на низких околоземных орбитах, применительно к условиям ВКД. Дан обзор основных характеристик источников космического излучения таких, как галактические космические лучи (ГКЛ), солнечные космические лучи (СКЛ) и радиационные пояса Земли (РПЗ). Для этих источников рассмотрены кривые ослабления доз космического излучения на низких околоземных орбитах, которые позволяют рассчитать дозу в точке внутри фантома: , где H(x) – кривая ослабления дозы радиации, – функция экранированности (ФЭ) точки внутри фантома.

Рассмотрены используемые в дальнейших расчетах кривые ослабления доз от упомянутых выше источников КИ на высотах орбит МКС 350, 400 и 450 км для эпох минимума и максимума солнечной активности (СА), полученные компиляцией данных из работ отечественных и зарубежных авторов. При промежуточных высотах орбит и для моментов времени между минимумом и максимумом СА используется линейная интерполяция доз.

Приведены нормативные уровни космической радиации на органы кроветворной системы (КТС), хрусталик глаза (ХГ) и кожу (КЖ) в соответствии с [1]. Рассмотрено и обосновано применение тканеэквивалентных материалов в космических исследованиях с использованием фантомов тела человека. Проведен обзор экспериментальных исследований облучения космонавтов в орбитальном полете при ВКД: дозиметр «Пилле» на станции «Мир», штатный дозиметр «Пилле-МКС» на МКС и космический эксперимент (КЭ) «Матрешка-Р» по экспонированию торса антропоморфного фантома в специальном контейнере снаружи МКС.

Как следует из проведенного анализа, до начала работы над диссертацией в литературе отсутствовали данные о ФЭ представительных точек тела человека в скафандре. Также отсутствовали данные о дозах и защищенности этих точек при ВКД на околоземных орбитах. Измерения доз, проведенные в условиях ВКД, носили фрагментарный характер, что не позволяло практически перейти к оценке доз в различных представительных точках тела человека при ВКД.

Во второй главе описана реализованная автором в виде программы методика расчета, позволяющая определять функцию самоэкранированности в любой точке тела человека. В качестве исходных данных используется представление тела человека в виде антропоморфного фантома, принятое в ГОСТ 25645.203-83 [2]. Кроме того, имеется возможность задавать другие исходные данные (фантом с измененными антропометрическими параметрами, фантом с элементами локальной защиты, фантом внутри скафандра). Для математического задания фантома и точек внутри него используется цилиндрическая система координат {z, r, } (см. Рис. 1). В представлении [2] антропоморфный фантом, стоящий в вертикальном положении, представлен в виде плоских горизонтальных срезов для набора высот z. Для каждого среза, находящегося на высоте z, в его плоскости задается расстояние r от оси OZ до границы тела в диапазоне азимутальных углов от 0 до 360° с шагом =10°. Согласно описанию, приведенному в [2], интерполяция координат точек поверхности фантома между значениями, указанными для соседних срезов, а также при промежуточных значениях углов , осуществляется по линейному закону. На Рис. 2 показаны в качестве примера горизонтальные сечения фантома на различной высоте z, отсчитываемой от ступней, для области головы, груди, ног и ступней.

 Антропоморфный фантом в-4
Рис. 1. Антропоморфный фантом в цилиндрической системе координат {z, r, }, используемой для расчета функции самоэкранированности Рис. 2. Сечения фантома на различной высоте Z. А – голова (Z = 1570 мм), Б – грудь (Z = 1300 мм), В – область ног (Z = 500 мм), Г – ступни (Z = 20 мм)




Описан алгоритм расчета ФЭ с использованием метода статистических испытаний и приведены примеры расчета ФЭ и доз в представительных точках антропоморфного фантома для различных источников КИ. Проведено сопоставление результатов расчетов ФЭ с соответствующими результатами работ других отечественных авторов [3, 4], а также с данными американской модели CAM [5]. Получено хорошее согласие с данными из указанных работ. Статистическая погрешность проводимых расчетов функций экранированности не превышает 2%. Точность расчета доз в используемой методике определяется в основном погрешностью задания кривых ослабления доз КИ.

Проведен анализ влияния на самоэкранированность негомогенности фантома в рамках модели случайно-неоднородной среды [6, 7], учитывающей различия в плотности внутренних органов человеческого тела. Толщина защиты x0 случайным образом заменяется на x: x = x0 + , где = N(0,) – случайная величина, распределенная по нормальному закону с математическим ожиданием 0 и стандартным отклонением , что описывается следующими соотношениями [7]:

,,

= K x0, где K – параметр негомогенности, т.е. коэффициент, характеризующий степень неоднородности негомогенной среды.

Для демонстрации результатов расчетов доз выбраны следующие представительные точки антропоморфного фантома, заданные в ГОСТ 25645.203-83: КЖ; ХГ; КТС-1 (на груди); КТС-2 (на спине). В дополнение к выбранным рассматривается точка, представляющая критический орган «Гонады» (ГН), а также при исследовании защитных свойств скафандра «Орлан-М» вводятся точки КЖ-2 (расположенная на ноге за защитой мягкими тканями скафандра «Орлан-М»), ХГ-2 (с теми же координатами, что ХГ, но без дополнительной защиты светофильтром). На Рис. 3 приведены результаты расчета ФЭ точек ХГ и ГН. Введение негомогенности в описание фантома приводит к определенному «сглаживанию» ФЭ.

Оценены дозы в выбранных представительных точках антропоморфного фантома для различных и видов КИ в минимуме и максимуме СА. Показано, что при изменении от 0 до 20 % суммарная доза ГКЛ и РПЗ меняется не более, чем на 12%. Для протонов СКЛ доза меняется не более, чем на 14%.

Рис. 3. Функции самоэкранированности некоторых представительных точек антропоморфного фантома при различных значениях параметра негомогенности


Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.