Общая характеристика работы (стр. 1 )

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность тематики. Проблема безопасности человека в космосе до недавнего времени ограничивалась вопросами безопасности при околоземных полетах.

Перспектива пилотируемых полетов в межпланетном пространстве (например, к Марсу и обратно с высадкой на него) и создания лунных баз выдвигает совершенно новые вопросы. К ним в первую очередь следует отнести:

- необходимость обеспечения во время длительных межпланетных полетов радиационной безопасности от потоков тяжелых ионов галактических космических лучей (ГКЛ) и солнечных космических лучей (СКЛ), значительно более интенсивных по сравнению с обстановкой около Земли;

- необходимость снизить или вообще исключить длительное пребывание экипажа (и, вообще говоря, биорегенеративных систем жизнеобеспечения) в гипомагнитных условиях, т. е. в магнитном поле межпланетной среды, величина которого на несколько порядков ниже привычного геомагнитного поля (ГМП).

Проблема защиты экипажа во время длительного межпланетного полета от СКЛ и, в особенности, от тяжелых ионов ГКЛ, обладающих повышенным радиобиологическим действием, является одной из важнейших.

Именно во время полета к Земле после первой высадки на Луну астронавт E. Aldrin (Э. Олдрин) впервые сообщил о феномене ощущения зрительных образов в затемненном интерьере корабля «Аполлон-11» (1969). В дальнейшем выяснилось, что это явление вызывается не только излучением Вавилова-Черенкова при прохождении космических лучей в средах глаза, но и их непосредственным воздействием на сетчатку, что было предсказано (Tobias, 1952). Не исключено, что сетчатка (и вообще нервная система) может оказаться одной из критических структур по отношению к ГКЛ при длительных межпланетных полетах (Труханов 2001, Труханов и др., 2001, 2004, Trukhanov 2003, 2006). Это исключительно важно, учитывая первостепенную роль зрительного анализатора в полете, особенно, межпланетном.

Одним из путей решения проблемы радиационной безопасности при дальних полетах может оказаться активная защита космических кораблей магнитными полями, отклоняющими ГКЛ от обитаемого объема. Тем самым одновременно будет решен вопрос защиты от СКЛ, что позволит осуществлять межпланетный полет независимо от состояния солнечной активности.

К проблеме гипомагнитных условий в межпланетном пространстве.

Как правило, пребывание в пониженном магнитном поле отрицательно сказывается на жизнедеятельности. В литературе (Копанев, Шакула, 1885, Бинги, 2002, 2006, Походзей, 2006) приведены результаты экспериментов на биологических объектах в гипомагнитных условиях и обследования людей, находившихся в экранированных от ГМП помещениях. Степень ослабления ГМП в большинстве случаев была невелика и несопоставима с условиями в межпланетном пространстве.

Экипажи кораблей «Аполлон» во время лунных экспедиций уже оказывались в гипомагнитных условиях. Однако продолжительность полетов (даже с высадкой на Луну) была небольшой (~9÷12,5 суток). При дальних межпланетных полетах экипажи будут находиться в подобных условиях сотни дней.

Одним из вариантов решения проблемы является создание на борту корабля в обитаемом объеме магнитного поля, имитирующего ГМП (Труханов, 2002, 2003, Trukhanov, 2003, 2006, Trukhanov, Lugansky, 2006). Более того, подобные системы можно использовать на околоземных пилотируемых объектах (станциях) для стабилизации уровня ГМП на борту. Как известно (Баевский, 1997, 1998), колебания этого уровня вследствие изменения геомагнитных координат объектов, а также процессов, разыгрывающихся в магнитосфере, нежелательно воздействуют на членов их экипажей.

Тесно с этими вопросами связаны вопросы воздействия электромагнитных полей (ЭМП), создаваемых системами и аппаратурой корабля, на человека и на биологические системы. ЭМП на борту уже рассматривали как фактор потенциально неблагоприятный (Майкельсон, 1975, Давыдов и др., 1997), однако продолжительное время его относили к второстепенным или даже третьестепенным по значимости. Не исключена модификация биологических эффектов переменных ЭМП в гипомагнитных условиях по постоянному полю. Наличие на борту будущих межпланетных кораблей и на лунной базе многочисленных систем и аппаратуры, которые будут создавать при своей работе широкополосное квазинепрерывное ЭМП, требует разработки подходов к их нормированию.

При подготовке межпланетного полета необходимо проведение широкого круга радиационно-физических и радиобиологических исследований с использованием ускорителей заряженных частиц. При этом потребуются методы, не разрушающие пучок ускорителя и не прерывающие облучение объекта. Требуется и большая точность диагностики пучка. Разработка таких методов является актуальной задачей. В работе предложены неразрушающие методы диагностики на основе излучения Вавилова-Черенкова, обладающие рядом достоинств по сравнению с существующими.

В более широком плане предложенные методы могут быть полезны при использовании ускорителей в медицине (онкология), в промышленности и в иных целях.

Цель исследования: разработка подходов к обеспечению радиационной безопасности межпланетных пилотируемых космических полетов в условиях воздействия космического излучения, гипомагнитной внешней среды и собственных электромагнитных полей корабля.

Эта цель достигается решением следующих задач.

Задача 1

- анализ видов активной защиты и выбор перспективной (магнитной) защиты от ГКЛ и СКЛ;

- обзор разработанных нами методов расчета ослабления потоков космического излучения магнитным полем защиты и нахождения доз за ней без учета взаимодействия с веществом.

- разработка траекторного обратного метода расчета ослабления потоков ГКЛ и СКЛ магнитной защитой и определения доз в фантоме за ней с учетом взаимодействия заряженных частиц с веществом корабля и элементами магнитной защиты (комбинированная защита полем и веществом);

-определение величины ослабления и доз за магнитной защитой выбранной конфигурации для характерных спектров ГКЛ и СКЛ при заданной величины магнитной индукции поля и распределения масс корабля и магнитной защиты;

Задача 2:

- проработка возможности создания аналога ГМП на межпланетных кораблях и особенностей использования такого аналога на околоземных пилотируемых объектах (станциях) с целью избежать нежелательного воздействия на их экипажи колебаний уровня ГМП на борту;

- разработка подходов к нормированию сверхширокополосных ЭМП и принципов построения аппаратуры для мониторирования сверхширокополосных ЭМП на борту космических объектов; корректировка подходов к испытанию аппаратуры, предназначенной для установки на борт, с акцентом на необходимость суммирования уровней от всех источников ЭМП по всему излучаемому спектру и учета электромагнитного «эха» в корабле.

Задача 3:

-анализ возможности использования собственного теплового радиоизлучения тканей и органов для изучения влияния моделируемых факторов космического полета на организм человека;

- анализ теоретических основ метода радиотермометрии и возможностей его совершенствования;

- эксперименты и их результаты;

- оценка целесообразности применения радиотермометрии и акустотермометрии в межпланетном полете и на лунной базе.

Задача 4:

-анализ методов определения характеристик пучков заряженных частиц при проведении радиобиологических и радиационно-физических экспериментов на ускорителях;

-разработка метода определения характеристик пучков по зависимости интенсивности излучения Вавилова-Черенкова (ИВЧ) от фазовой скорости света; исходные уравнения, математические проблемы и их решение, физико-технические вопросы измерений;

-проработка возможности использования дисперсии света в радиаторах ИВЧ для определения характеристик пучков и одиночных импульсов (сгустков) частиц, а также характеристик сгустков частиц внутри этих импульсов;

-анализ возможности использования разработанных методов для определения характеристик потоков тяжелых заряженных частиц.

Научная новизна. Разработаны в качестве первого приближения методы расчета доз за магнитной защитой без учета взаимодействия с веществом.

Разработан обратный траекторный метод расчета ослабления потоков ГКЛ и СКЛ магнитной защитой и определения доз в фантоме за ней с учетом взаимодействия заряженных частиц с веществом корабля и элементами магнитной защиты (комбинированная защита полем и веществом). Метод основан на расчете траекторий частиц, стартующих из интересующего микрообъема фантома во внешнее пространство и набирающих энергию в веществе до момента их выхода из защиты с последующим «сшиванием со спектром частиц в космосе. Он позволяет определять величины поля магнитной защиты заданной конфигурации для характерных спектров ГКЛ и СКЛ при параметрическом задании величин предельно допустимых доз за полет, распределения масс корабля и элементов магнитной защиты.

Наряду с уже известным вариантом магнитной защиты («коаксиал» с полем B ~ 1/r, где r – вектор-радиус) предложен вариант защиты с полем B = const, отличающийся рядом достоинств.

Проработана возможность создания аналога ГМП на борту межпланетных кораблей и возникающие при этом вопросы и требования. Показано, что такая система не будет обладать ни значительной массой, ни заметным потреблением энергии. Подобные системы можно использовать также на околоземных пилотируемых объектах (станциях) для поддержания постоянства модуля магнитного поля на борту, что позволит избежать нежелательного воздействия на экипажи колебаний уровня ГМП в обитаемом объеме вследствие изменения геомагнитных координат объектов и процессов в магнитосфере.

Разработана методика определения уровней воздействия сверхширокополосных ЭМП. Показана некорректность в случае воздействия сверхширокополосных ЭМП мнения, что если выполнены требования по электромагнитной совместимости (ЭМС), то заведомо выполнены требования безопасности для человека.

На этой основе разработаны принципы построения аппаратуры для нормирования сверхширокополосных ЭМП, причем не только в космосе. Предложено при испытаниях аппаратуры на ЭМС (во всяком случае, той, которая предназначается для использования на борту пилотируемых объектов) оценивать также ее «совместимость с человеком» и учитывать при этом наличие электромагнитного «эха» в интерьерах корабля. Необходимо при поставке на борт учитывать суммарный уровень от всех бортовых источников по всему спектру.