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

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.

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