Зная интенсивность рентгеновского излучения и
длину волны, мы можем провести расчет дозы радиации, которые получает
экипаж, в зависимости от защитных экранов, корпуса лунного модуля или
скафандра.
В таблице 1 приведены используемые параметры и результаты расчетов для поглощенной и эквивалентной дозы радиации от защиты.
Данную
таблицу используют для оценки дозы радиации за сутки для других
значений интенсивности рентгеновского излучения, умножая на коэффициент
отношения между табличным значением потока и искомым усредненным за
сутки. Результаты расчетов приведена на рис. 3 и 4 в виде шкалы
поглощенной дозы радиации.
Расчет показывает, что лунный модуль с защитой 1,5 г/см
2 (или 5,6 мм Al) полностью поглощает мягкое и жесткое рентгеновское излучение Солнца. Для самой мощной
вспышке от 4 ноября 2003 года (по состоянию на 2013 год и регистрируемых с 1976 года) интенсивность ее рентгеновского излучения в пике составляла 28·10
−4 Вт/м
2 для мягкого излучения и 4·10
−4 Вт/м
2 для жесткого излучения. За сутки усредненная интенсивность составит, соответственно, 10
Вт/м
2сут и 1,3 Вт/м
2. Доза радиации для экипажа за сутки равна 8 рад или 0,08 Гр, что безопасно для человека.
Вероятность подобных событий, как 4 ноября 2003 года, определяется как 30 минут за 37 лет. Или равна ~1/650000 час
−1.
Это очень низкая вероятность. Для сравнения - среднестатистический
человек проводит вне дома за всю свою жизнь ~300000 часов, что
соответствует возможности быть очевидцем ренгеновского события от 4
ноября 2003 года с вероятностью 1/2.
Для определения
радиационных требований к скафандру мы рассматриваем рентгеновские
вспышки на Солнце, когда их интенсивность увеличивается в 50 раз для
мягкого излучения и 1000 раз для жесткого излучения по отношению к
среднему суточному фону максимальной активности Солнца. Согласно рис. 4,
вероятность таких событий - 3 вспышки за 30 лет. Интенсивность для
мягкого рентгеновского излучения будет равна 4,3 Ватт/м
2сутки и для жесткого - 0,26 Вт/м
2.
Радиационные требования и параметры лунного скафандраВ скафандре на поверхности Луны эквивалентные дозы радиации от рентгеновского излучения увеличиваются.
При
использовании скафандра "Кречет" для табличных значений интенсивности излучения доза радиации составит 5 мрад/сут. Защиту от
рентгеновского излучения обеспечивает 1,2-1,3 мм листового алюминия [5], уменьшая интенсивность излучения в ~e
9=7600 раз.
При использовании меньшей толщины листового алюминия дозы радиации
увеличиваются: для 0,9 мм Al - 15 мрад/сути, для 0,6 мм Al - 120
мрад/сути.
Согласно МАГАТЭ, такой радиационный фон признан нормальным
условием для человека.
При увеличении мощности излучения от Солнца до значения 0,86 Ватт/м
2сутки
доза радиации для защиты 0,6 мм Al равна 1,2 рад/сути, что находится на
границе нормальных и опасных условий для здоровья человека.
Лунный скафандр "Кречет". Вид на открытый ранцевый люк, через который космонавт входит в скафандр.
В
рамках советской лунной программы понадобилось создать скафандр,
позволяющий достаточно длительное время работать непосредственно на
Луне. Он имел название «Кречет» и стал прообразом скафандров «Орлан»,
которые используются сегодня на МКС для работы в открытом космосе [7]. Вес 106 кг. Доза
радиации увеличивается на порядок при использовании защиты
тканеэквивалентного вещества (полимеры, как майлар, капрон, фетр,
стекловолокно). Так для скафандра "Орлан-М" при защите 0,21 г/см
2 тканеэквивалентного вещества [5] интенсивность излучения уменьшается в ~e
3=19 раз и доза радиации от рентгеновского излучения для костной ткани организма составит 1,29 рад/сути. Для защиты 0,25 г/см
2 и 0,17 г/см
2,
соответственно, 1,01 и 1,53 рад/сути.
Экипаж
Аполлон-16 Джон Янг (командир), Томас Маттингли (пилот командного
модуля) и Чарльз Дьюк (пилот лунного модуля) в скафандре A7LB. Самостоятельно одеть такой скафандр сложно. Жми, чтобы увеличить.
Юджин Сернан в скафандре A7LB, миссия Аполлона-17.
A7L — основной тип скафандра использовавшийся астронавтами НАСА в программе Аполлон до 1975 года.Вид с разрезом верхней одежды [8].
Верхняя
одежда включала: 1) огнеупорная ткань из стекловолокна весом 2 кг, 2)
экранно-вакуумная тепловая изоляция (ЭВТИ) для
защиты человека от перегрева при нахождении на Солнце и от чрезмерной
потери тепла на неосвещенной поверхности Луны, представляет
собой пакет из 7 слоев тонкой пленки майлара и капрона с блестящей
алюминированной поверхностью, между слоями проложена тончайшая вуаль
волокон дакрона, вес составлял 0,5 кг; 3) противометеорный слой из нейлона с неопреновым
покрытием (толщиной 3–5
мм) и весом 2–3 кг [9].
Внутренняя оболочка скафандра изготавливалась из прочной ткани, пластика, прорезиненной ткани и резины. Масса внутренней оболочки ~20 кг. В комплект входили шлем, рукавицы, боты и СОЖ.
Масса комплекта скафандра A7L для внекорабельной деятельности 34,5 кг [10].
При увеличении интенсивности излучения от Солнца до значения 0,86 Ватт/м
2сутки
доза радиации для защиты 0,25 г/см
2, 0,21 г/см2 и 0,17 г/см
2 тканеэквивалентного вещества,
соответственно, равна 10,9, 12,9 и 15,3 рад/сути. Такая доза равноценна 500-700 процедурам рентгенографии грудной клетки
человека.
Однократная доза 10-15 рад влияет на нервную систему и
психику, на 5% повышается риск заболевания лейкозом крови, наблюдают
умственную отсталость у потомков родителей. По МАГАТЭ такой радиационный
фон
представляет очень серьезную опасность для человека.
При интенсивности рентгеновского излучения 4,3 Ватт/м
2сутки дозы радиации за сутки имеет значение 50-75 рад и вызывает радиационные заболевания.
Космонавт
Михаил Тюрин в скафандре Орлан-М [11]. Скафандр использовался на
станции МИР и МКС с 1997 по 2009. Вес 112 кг. В настоящее время на МКС
используется Орлан-МК (модернизированный, компьютеризированный). Вес 120
кг.
Самый простой выход - это снижение времени
пребывания космонавта под прямыми лучами Солнца до 1 часа. Поглощенная
доза радиации в скафандре Орлан-М уменьшится до 0,5 рад. Другой подход -
работа в тени космической станции, в этом случае длительность
внекорабельной деятельности можно значительно увеличить, несмотря на
высокое внешнее рентгеновское излучение.
В случае пребывания на
поверхности Луны далеко за пределами лунной базы быстрое возвращение и
укрытие не всегда возможно. Можно воспользоваться тенью лунного
ландшафта или зонтиком от ренгеновских лучей...
Простым
эффективным способом защиты от рентгеновского излучения Солнца является
использование листового алюминия в скафандре. При 0,9 мм Al (толщина
0,25 г/см
2 в алюминиевом эквиваленте) скафандр имеет
67-кратный запас от среднего рентгеновского фона. При 10 кратном
увеличении фона до 0,86 Ватт/м
2сутки
доза радиации равна 0,15 рад/сути. Даже при внезапном 50-кратном
увеличении рентгеновского потока от среднего фона до значения 4,3 Ватт/м
2сутки поглощенная доза радиации за сутки не превысит 0,75 рад.
При 0,7 мм Al (толщина 0,20 г/см
2 в алюминиевом эквиваленте) защита сохраняет 35-кратный радиационный запас. При 0,86 Ватт/м
2сутки
доза радиации составит не более 0,38 рад/сути. При 4,3 Ватт/м
2сутки поглощенная доза радиации не превысит 1,89 рад.
Как показывают расчеты, для обеспечения радиационной защиты, как 0,25 г/см
2 в алюминиевом эквиваленте, требуется тканеэквивалент в 1,4 г/см
2. При таком значении массовой защиты скафандра возрастет его толщина в несколько раз и понижает его юзабилити.
ИТОГИ И ВЫВОДЫВ случае
протонного излучения тканеэквивалентная защита имеет преимущество перед алюминием на 20-30%.
При
рентгеновском излучении предпочтение имеет защита скафандра в
алюминиевом эквиваленте, чем из полимеров. Данный вывод совпадает с
результатами исследований
Дэвида Смита (David Smith) и
Джона Скало.Лунные скафандры должны иметь два параметра защиты:
1)
параметр защиты скафандра тканеэквивалентного вещества от протонного
излучения, не ниже 0,21 г/см
2;
2) параметр защиты скафандра в алюминиевом эквиваленте от
рентгеновского излучения, не ниже 0,20 г/см
2.
При использовании во внешней оболочке скафандра с площадью 2,5-3 м
2 защиты Al масса скафандра на базе Орлан-МК увеличится на 5-6 кг.
Для
лунного скафандра суммарная поглощенная доза радиации от солнечного
ветра и рентгеновских лучей Солнца в год максимума солнечной активности
составит 0,19 рад/сут (эквивалентная доза радиации - 8,22 мЗв/сут).
Такой скафандр имеет 4-кратный запас радиационной прочности для
солнечного ветра и 35-кратный запас радиационной прочности для
рентгеновского излучения. Никакие дополнительные меры защиты, как
радиационные алюминиевые зонтики, не нужны.
Для скафандра
Орлан-М, соответственно, 1,45 рад/сут (эквивалентная доза радиации -
20,77 мЗв/сут). Скафандр имеет 4-кратный запас радиационной прочности
для
солнечного ветра.
Для скафандра A7L (A7LB) миссии Аполлон, соответственно, 1,70 рад/сут (эквивалентная доза радиации - 23,82 мЗв/сут).
Скафандр имеет 3-кратный запас радиационной прочности для
солнечного ветра.
При непрерывном пребывание в течении 4 суток
на поверхности Луны в современных скафандрах Орлан или типа A7L человек
набирает дозу радиации 0,06-0,07 Гр, что представляет опасность для его
здоровья. Это соответствует выводам
Дэвида Смита (David Smith) и
Джона Скало,
что в окололунном космическом пространстве в современном скафандре за
100 часов с вероятностью
10% человек получит опасную для здоровья и жизни дозу радиации выше 0,1
Грэй. Для скафандров Орлан или типа A7L необходимы дополнительные меры
защиты от рентгеновского излучения, как радиационные алюминиевые
зонтики.
Предлагаемый лунный скафандр на базе Орлан за 4 суток
набирает дозу радиации 0,76 рад или 0,0076 Гр. (Один час пребывания на
поверхности луны в скафандре под
солнечным ветром соответствует двум процедурам рентгенографии грудной
клетки). Согласно МАГАТЭ радиационный риск признан нормальным
условием для человека.
NASA проводит испытания нового скафандра для готовящегося в 2020 году полета человека на Луну. Фото NASA
Кроме
радиационного риска от солнечного ветра и рентгеновского излучения
Солнца идет поток галактических космических лучей. Об этом далее.