научная статья по теме КРУПНЫЕ ПРОТОННЫЕ ВОЗМУЩЕНИЯ НА ОРБИТЕ. 14 ЛЕТ СПУСТЯ Космические исследования

Текст научной статьи на тему «КРУПНЫЕ ПРОТОННЫЕ ВОЗМУЩЕНИЯ НА ОРБИТЕ. 14 ЛЕТ СПУСТЯ»

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.

Показать целиком