КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2004, том 42, № 6, с. 663-667
УДК 523.745
КРУПНЫЕ ПРОТОННЫЕ ВОЗМУЩЕНИЯ НА ОРБИТЕ.
14 ЛЕТ СПУСТЯ
© 2004 г. В. А. Бондаренко, В. Г. Митрикас, В. В. Цетлин
ГНЦ РФ. Институт медико-биологических проблем РАН, г. Москва Поступила в редакцию 19.04.2004 г.
Проведено сравнение данных измерений радиационной обстановки во время солнечных протонных событий октября 2003 г. на МКС и октября 1989 г. на ОК Мир. Показано различие в условиях проникновения частиц на орбиту станции во время этих серий вспышек. Получены расчетные оценки поглощенных доз, хорошо согласующиеся с данными измерений штатными приборами дозиметрического контроля. Проведенные сравнения показали, что эквивалентная толщина защиты в месте расположения радиометра Р-16 на МКС в 2.8 раза превышает соответствующее значение на ОК Мир.
С 24.Х.2003 года неожиданно большое внимание в средствах массовой информации получили вопросы солнечной активности. По нескольким каналам телевидения было объявлено о начале гигантской солнечной вспышки и о скором возникновении на Земле крупнейшей магнитной бури. Действительно, в период с 23.Х по 4.Х1.2003 года, на Солнце возникли несколько солнечных вспышек, сопровождавшихся инжекцией протонов. В ночь с 29 на 30.Х произошла крупная магнитная буря, во время которой амплитуда кольцевого то-
ка, или Д.гвариация, достигла значения в 310 нТл, а в ночь с 30 на 31.Х новая буря, где значение Д.гвариации составило 347 нТл. В рамках семинара геофизиков в НИИЯФ МГУ 2.Х1.2003 говорилось о сравнении событий от 28-29.Х.2003 с событиями в октябре 1989 года, включая радиационное воздействие на космонавтов, выполняющих орбитальные полеты.
В табл. 1 представлены интегральные характеристики солнечных протонных событий (СПС) в эти два периода.
Таблица 1. Интегральные характеристики СПС в 1989 и 2003 гг.
Дата начала СПС Характеристики Дата начала СПС Характеристики
19.Х.1989 /(>30 МэВ) = 2.25 109 26.Х.2003 /(>30 МэВ) = 1.92 107
Я0 = 103.6 МВ Я0 = 47.6 МВ
у = 1.59 у = 3.42
= -127.4 нТл = 8.6 нТл
22.Х.1989 /(>30 МэВ) = 9.77 108 28.Х.2003 /(>30 МэВ) = 2.52 109
Я0 = 109.6 МВ Я0 = 64.9 МВ
у = 1.72 у = 2.79
= -74.7 нТл = -28.2 нТл
24.Х.1989 /(>30 МэВ) = 5.14 108 29.Х.2003 /(>30 МэВ) = 5.66 108
Я0 = 133.5 МВ Я0 = 78.7 МВ
у = 1.28 у = 2.10
= -40.0 нТл = -125.9 нТл
2.Х1.2003 /(>30 МэВ) = 2.28 108
Я0 = 60.6 МВ
у = 2.57
= 15.3 нТл
Здесь: /(>30 МэВ) - поток протонов с энергией выше 30 МэВ за все событие (30 МэВ используется как энергия протонов, поглощаемых толщиной защиты 1 г/см2); Я0 - характеристическая жесткость спектра протонов СПС при экспоненциальном представлении; у - показатель спектра протонов СПС при степенном представлении; - среднее значения амплитуды кольцевого тока за время СПС.
50 г 0
27.Х 89 г.
11111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111м
12 23 34 45 56 67 78 89 100 122
Часы
144
166
188
210
-1100000 10000 1000^ 100 § 10 л 1 0 0.1
Рис. 1
А мкГр 10000
1000 100 10 1
10000 1000 100 10 1
(б)
20.Х.89
21.
22.
23.
24.
Рис. 2
25.
26.
27.
28.Х.89 Дата
Из анализа табл. 1 видно, что по величинам потоков протонов СПС действительно сопоставимы. Но условия проникновения протонов на орбиту пилотируемого орбитального комплекса Мир (ОК Мир) в 1989 г. и Международной космической станции (МКС) в 2003 г. совершенно различные.
На рис. 1 представлена динамика часовых потоков протонов с энергией выше 100 МэВ (/(>100)),
измеренных на спутнике ООЕ8-61 и часовых значений амплитуды кольцевого тока (Ц в нТл) .
На рис. 2 представлена динамика расчетных значений витковой поглощенной дозы для канала Б2 радиометра Р-16 на станции Мир (рис. 2а) с использованием функций экранированности из [1] и аналогичных расчетов для МКС (рис. 26) с использованием функций экранированности из [2].
1 Иир://8р1ёг/^ёс.поаа^оу/
2 http://swdcbd.kugi.kyoto-u.ac.jp/
Из анализа рис. 1 видно, что максимум потока протонов /(>100) (пунктирная кривая на рис. 1) за 20.Х.1989 по времени совпал с минимумом Ц^-вариации (сплошная кривая на рис. 1). Именно в это время орбитальный комплекс Мир проходил через области полярных шапок, через которые протоны солнечных вспышек могут проникать в область орбиты станции. Дозовый вклад от протонов СПС представлен на рис. 2 закрашенными областями. Дозовый вклад от постоянных источников определялся аналогично [3] - незакрашенная область на рис. 2. Для определения динамики поглощенной дозы на МКС использованы баллистические характеристики орбиты ОК Мир из [4].
Одной из особенностей расчетов в [1] было отсутствие данных по Д^-вариации и при проведении расчетов подбирались такие значения амплитуды кольцевого тока, чтобы обеспечить приемлемое согласие расчетных результатов с измеренными данными радиометра Р-16. Такой подход позволял оценить поглощенные дозы в различных от-
1
Таблица 2. Суточные поглощенные дозы в октябре 1989 года
Дата ОК Мир МКС
Б1, мкГр Б2, мкГр Б2, мкГр изм. Б1, мкГр Б2, мкГр
19.Х.1989 970.3 1112.3 1000 ±50 663.5 741.8
20.Х.1989 9775.4 23428.4 25350±50 3153.7 6843.4
21.Х.1989 484.5 1051.8 1200 ± 50 201.6 368.1
22.Х.1989 528.5 670.6 450 ± 50 359.1 421.7
23.Х.1989 1183.0 2319.8 2650 ± 50 454.6 796.0
24.Х.1989 241.3 384.9 750 ± 50 129.4 186.5
25.Х.1989 817.7 1359.0 1350±50 369.0 552.0
26.Х.1989 255.5 370.5 450 ± 50 142.6 194.5
27.Х.1989 189.1 268.3 300 ± 50 114.1 153.7
секах ОК Мир на основе имевшейся модели защищенности таких отсеков. В данной работе использованы измеренные часовые значения 0й-вариации и никаких "подгонок" не проводилось.
Сравнение результатов расчетов для ОК Мир и МКС приводит к выводу о существенно лучшей защищенности радиометра Р-16 на МКС по сравнению с ОК Мир. Расчетные оценки поглощенных доз, накопленные за период 19-28.Х.1989, и экспериментальные данные представлены в таблице 2.
Из анализа табл. 2 следует, что, в среднем, степень защищенности радиометра Р-16 на МКС в 2.8 раза выше, чем на ОК Мир.
В 1989 году результаты измерений радиометра Р-16 передавались в Службу радиационной безопасности (СРБ) один раз в сутки и только 20.Х были переданы по каналам телеметрии данные с промежуточных витков. На рис. 3 представлено сравнение динамики накопления измеренной и расчетной поглощенной дозы по каналу Б2 радиометра Р-16 на ОК Мир за 20.Х.1989 г. Треугольники - экспериментальные значения, кривая -расчетные значения.
Из рассмотрения рис. 3 видно вполне удовлетворительное согласие результатов расчета с экспериментальными данными. Данный факт скорее можно считать исключением, чем правилом, поскольку методическая погрешность использованных алгоритмов расчетов [2, 4] составляет ~30%.
В 2003 году картина прохождения протонов СПС на орбиту МКС существенно отличалась от 1989 года. На рис. 4 представлена динамика часовых потоков протонов с энергией выше 100 МэВ (/(>100)), измеренных на спутнике ООЕБ-П1 и
часовых значений амплитуды кольцевого тока (0Л в нТл)2. Обозначения аналогичны рис. 1.
На рис. 5 представлена динамика расчетных значений витковой поглощенной дозы для канала Б2 радиометра Р-16 на станции Мир (рис. 5 а) с использованием функций экранированности из [1] и аналогичных расчетов для МКС (рис. 56) с использованием функций экранированности из [2].
Из анализа рис. 4 следует, что в период максимума вспышки от 28.Х.2003 амплитуда кольцевого тока была положительной и в это время орбитальная станция совершала полет по наиболее защищенным магнитным полем Земли виткам. В связи с этим вклад в поглощенную дозу был существенно меньше, чем 20.Х.1989.
Расчетные оценки поглощенных доз за период 27.Х-3.Х1.2003 для ОК Мир и МКС и экспериментальные данные представлены в табл. 3. Для этой серии вспышек защищенность радиометра на МКС в 2.8 раза выше, чем на ОК Мир. Из анализа табл. 3 следует, что в периоды мощных СПС (29-30.Х.2003) расчетные оценки поглощенных доз заметно превышают экспериментальные значения. С точки зрения обеспечения радиационной безопасности космонавтов, такая переоценка
Ь, мкГр 25000 20000 15000 10000 5000
07.20 09.44 12.08 14.32 16.56 19.20 08.32 10.56 13.20 15.44 18.08 ИТ
Рис. 3
27.Х 28.Х 29.Х 30.Х 31.Х 1.Х1 2.Х1 3.Х1.2003
100000 10000 1000^ 100 § 10 1(> 1 ^ 0
1 12 23 34 45 56 67 78 89 100 122 144 166 188 210
Часы
О, мкГр 10000 г
1000 100 10 1
10000 1000 100 10 1
Рис. 4
(а)
(б)
26.Х.89
27.
28.
29.
30.
Рис. 5
31.
1.Х1
2.
3.Х1.2003 Дата
29.Х
30.Х
31.Х
1.Х1 Рис. 6
2.Х1
3.Х1 4.Х1.2003
опасности лучше, чем недооценка. Необходимо также отметить, что в расчетах поглощенных доз учитывается вклад от вторичных нейтронов, в то время как радиометр Р-16 практически не чувствителен к нейтронам.
Поскольку при полете МКС информация с радиометра Р-16 передается практически с каждого связного витка, это позволяет более тщательно отслеживать динамику накопления поглощенных
доз. На рис. 6 представлены сравнения расчетных и измеренных поглощенных доз на МКС. Сплошная кривая - расчет, кружки - эксперимент по каналу Б2; пунктирная кривая - расчет, треугольники - эксперимент по каналу Б1.
Из анализа рис. 6 следует вполне удовлетворительное согласие расчетных результатов с экспериментальными данными.
Таблица 3. Суточные поглощенные дозы в октябре 1989 года
Дата ОК Мир МКС
D1, мкГр D2, мкГр D1, мкГр D1, мкГр изм. D1, мкГр D2, мкГр изм.
27.X.2003 246.3 346.4 132.4 150 ± 50 179.9 150±50*
28.X.2003 224.2 313.8 122.2 100 ± 50 164.7 200 ± 50*
29.X.2003 729.2 2951.3 220.6 300 ± 50 769.3 750 ± 50*
30.X.2003 1333.7 3004.8 475.1 250 ± 50 942.8 900 ± 50
31.X.2003 213.1 308.7 116.2 300 ± 50 158.3 650 ± 50
1.XI.2003 221.9 314.7 119.1 100 ± 50 162.7 150 ± 50
2.XI.2003 242.6 343.5 130.1 150 ± 50 177.7 150 ± 50
3.XI.2003 220.4 312.9 118.3 150 ± 50 161.8 200 ± 50
* 27-29.X.2003 канал D2 не работал. В таблице представлены экспертные оценки.
Таблица 4. Эквивалентные толщины плоского слоя защиты в г/см2 А1
Дата СПС ОК Мир МКС Дата СПС ОК Мир МКС
19.X.1989 D1: 13.79 D1: 23.70 26.X.2003 D1: 12.59 D1: 18.81
D2
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.