КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2011, том 49, № 5, с. 411-418
УДК 523.4-854, 524.1-524.6
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ОРИЕНТАЦИИ МЕЖДУНАРОДНОЙ КОСМИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ НА МОЩНОСТЬ ДОЗЫ В СЛУЖЕБНОМ МОДУЛЕ СТАНЦИИ ПРИ ПРОХОЖДЕНИИ ОБЛАСТИ ЮЖНО-АТЛАНТИЧЕСКОЙ АНОМАЛИИ © 2011 г. С. Г. Дробышев, В. В. Бенгин
Институт медико-биологических проблем РАН, г. Москва ser8391@list.ru Поступила в редакцию 28.10.2010 г.
Рассмотрен эффект влияния пространственной ориентации Международной космической станции на мощность дозы при прохождении станции через зону Южно-атлантической аномалии. Проведено сопоставление мощности дозы, регистрируемой дозиметрами системы радиационного контроля МКС, с результатами расчетных оценок. Показано, что мощность дозы в области кают Служебного модуля МКС может различаться более чем в два раза при пересечении области ЮАА по близким траекториям, но с различной пространственной ориентацией станции.
Во время полетов на пилотируемых орбитальных станциях типа Мир и Международной космической станции (МКС) значительную часть дозы радиации экипаж получает при прохождении станции через область Южно-атлантической аномалии (ЮАА) [1, 2, 3]. Известно, что поле излучения в этой области имеет анизотропный характер [4, 5], причем поток высокоэнергичных протонов, идущих с запада, превышает их поток с востока. Сложная конфигурация МКС наряду с большим количеством оборудования на борту приводит также к неравномерной защищенности космонавтов от радиации с разных сторон. Следовательно, в точках станции с резко анизотропной защищенностью уровень радиации может зависеть от того, как станция ориентирована в пространстве. Этот эффект наблюдался экспериментально. В работах [6, 7] показано, что наблюдается более чем двукратное изменение показаний прибора "Люлин-5" при изменении ориентации МКС. Данные измерений системы радиационного контроля (СРК) [8], установленной внутри Служебного модуля (СМ) МКС, также позволяют наблюдать этот эффект при прохождении области ЮАА. В работе [9] были рассмотрены данные измерений мощности дозы с помощью приборов, установленных на противоположных бортах СМ, а также предложена методика, позволяющая вычислять мощность дозы на борту МКС с учетом анизотропии падающего излучения и анизотропного характера углового распределения вещества, экранирующего заданную точку внутри станции. В данной работе представлен следующий шаг развития расчетной методики, основанный на использовании недавно разработанной модели потоков протонов на нижней границе РПЗ [10], а также весьма подроб-
ной модели защищенности Служебного модуля МКС [11].
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ
В качестве экспериментальных данных в настоящей работе использовались результаты измерений четырех дозиметрических блоков ДБ-8, входящих в состав СРК. Блоки ДБ-8 установлены в разных точках на борту СМ МКС и имеют различную экранировку [8, 12]. Наименее защищенным является блок ДБ-8 № 1, расположенный у стенки правого борта отсека малого диаметра СМ. Характерная толщина защиты с наименее защищенных направлений (со стороны правого борта) составляет ~1.5 г/см2. Блоки ДБ-8 № 2 и ДБ-8 № 3 имеют примерно одинаковую экранировку с характерной толщиной с наименее защищенных направлений ~3.5—4.5 г/см2, но располагаются на противоположных бортах отсека большого диаметра СМ вблизи кают. В связи с этим, блок ДБ-8 № 2 слабо защищен со стороны левого борта СМ, а блок ДБ-8 № 3 — со стороны правого борта. Блок ДБ-8 № 4, расположенный около рабочего стола СМ, является наиболее защищенным и имеет относительно равномерное распределение защиты по направлениям, с характерной толщиной с наименее защищенных направлений ~20—25 г/см2. В работе исследовались измеренные при прохождении области ЮАА 10-секундные показания детекторов, расположенных внутри каждого из блоков ДБ-8.
При анализе показаний детекторов использовались данные подмосковного Центра управления полетом (ЦУП) об ориентации МКС. Согласно этим данным, в период с 2006 г. по 2009 г. МКС, в основ-
Таблица 1. Периоды времени (по Гринвичу), соответствующие отобранным прохождениям МКС. (Рамкой выделены периоды, выбранные для проведения расчетов мощности дозы)
Восходящий участок орбиты Нисходящий участок орбиты
1-й тип ориентации 2-й тип ориентации 1-й тип ориентации 2-й тип ориентации
22.Х.2006 15.41.20-15.57.20 16Л.2007 04.38.40-04.54.40 16.Х.2007 04.28.50-04.43.50 13.VIII.2007 06.37.50-06.52.50
30.IV.2007 09.52.30-10.08.30 18.Х.2007 03.40.00-03.55.00 14.III.2008 14.51.50-15.06.50
7."УШ.2007 17.09.20-17.25.20 19Л.2008 13.26.10-13.41.10
22.IX.2007 22.14.40-22.30.40 18.IV.2008 00.46.20-01.01.20
9.111.2008 01.23.50-01.39.50 27.IX.2008 06.32.40-06.47.40
29.VII.2009 10.33.00-10.49.00
ном, имела ориентацию 2-х типов. При первом типе ориентации Служебный модуль двигался отсеком малого диаметра вперед (по вектору скорости МКС); при втором (более редком) типе — отсеком большого диаметра вперед, т.е. продольная ось СМ разворачивается примерно на 180° по отношению к направлению движения по орбите. В соответствии с этим, на восходящих участках орбиты МКС (при движении с юга на северо-восток) левый борт СМ направлен в сторону северо-запада при первом типе ориентации. При этом слабо защищенная зона блока ДБ-8 № 2 "смотрит" в северо-западном направлении, а блоков ДБ-8 № 1 и № 3 — в сторону юго-востока. При втором типе ориентации МКС направления минимальной защищенности блоков меняются на противоположные.
На нисходящих участках орбиты (при движении с севера на юго-восток) левый борт СМ смотрит на северо-восток при первом типе ориентации. При этом слабо защищенная зона блока ДБ-8 № 2 "смотрит" в северо-восточном направлении, а блоков ДБ-8 № 1 и № 3 — в сторону юго-запада. При втором типе ориентации МКС направления минимальной защищенности блоков также меняются на противоположные.
Чтобы оценить влияние ориентации МКС на мощность дозы в отсеках СМ, для сопоставления было выбрано несколько прохождений области ЮАА по близким траекториям. В качестве зоны ЮАА принималась область пространства, заключенная в промежутке от 70° до 10° западной долготы и от 50° до 10° южной широты. Моментом начала участка траектории в ЮАА считалось время входа в указанную область, моментом окончания — время выхода из области. "Близкие" траектории отклонялись одна от другой за период прохождения области ЮАА на расстояние не более 25 км. Отдельно рас-
сматривались восходящий и нисходящий участки орбиты. Перечень отобранных прохождений представлен в табл. 1.
На рис. 1 представлены кривые возрастания мощности дозы, зарегистрированные детекторами СРК при прохождениях МКС через зону ЮАА по "нисходящим" участкам траектории, указанным в табл. 1. Время (в минутах) отсчитывается от момента входа в зону ЮАА. Из представленных на рис. 1 данных можно видеть, что для всех дозиметрических блоков, кроме 4-го, отличие в показаниях детекторов для различных типов ориентации МКС существенно превышает разброс в показаниях для траекторий с одним и тем же типом ориентации. При этом для детекторов ДБ-8 № 1 и ДБ-8 № 3, расположенных по правому борту СМ, мощность дозы убывает при переходе от 1-го типа ориентации ко 2-му типу, а для детектора ДБ-8 № 2, расположенного у левого борта, возрастает. (Для удобства сопоставления графики мощности дозы для блоков ДБ-8 №2 и ДБ-8 № 3, имеющих примерно одинаковую защищенность оборудованием СМ [11], расположены рядом.)
Представленные графики иллюстрируют влияние ориентации станции на мощность дозы в обитаемых отсеках. В рассмотренных точках СМ МКС экспериментально наблюдаемое различие величины мощности дозы превышает 2 раза. Это свидетельствует о том, что эффект влияния ориентации КА на радиационную обстановку внутри него может оказаться заметным, и его следует учитывать как при оценках мощности дозы в его обитаемых отсеках, так и при интерпретации показаний аппаратуры радиационного контроля. Для оценки значимости эффекта необходима методика, которая позволила бы при расчете дозы адекватно учиты-
300
200
100
ДБ-8 № 1
ДБ-8 № 4
250
150
50
• 13.VIII.2007 □ 16.X.2007 о 18.X.2007 Д 19.I.2008 a14.III.2008 x18.IV.2008 + 27.VIII.2008
ДБ-8 № 2
ДБ-8 № 3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
мин
мин
Рис. 1. Пустые маркеры соответствуют прохождениям с 1-м типом ориентации МКС, закрашенные маркеры — прохождениям со 2-м типом ориентации.
вать ориентацию космического аппарата в анизотропном поле излучения.
МЕТОДИКА РАСЧЕТА
Такая методика была предложена нами ранее в работе [9]. Основное соотношение, на котором базируется эта методика, представляет собой формулу для расчета мощности дозы Р(/), взятую из работы [13]:
P (t) = jj Ф € (E, П r (t), t )Q (E, h (a))dEd П
(1)
QE
где Ф € (Е, П, г ), /) ^ — плотность потока частиц сорта энергии Е, падающего на внешнюю поверхность КА с направления П, в точке околоземного пространства с координатами г (в дальнейшем будем называть эту величину спектрально-угловым распределением); Н(П) — толщина вещества, экранирующего рассматриваемую точку внутри КА с направления П; 0(Е, Н(П)) — функция перехода от потока частиц сорта /, энергии Е, к дозе за слоем вещества толщиной Н; г(/) — траектория КА; t — время.
В данной работе рассматриваются только протоны радиационного пояса Земли, поэтому суммирование по сортам частиц не проводилось. Таким образом, основа методики расчета мощности дозы на МКС не изменилась по сравнению с работой [9]. Функция С€ (Е, И (П)) вычислялась для протонов на
основе соотношения пробег-энергия в соответствии с методикой, рекомендованной в Методических указаниях [14]. Однако алгоритмы расчета функций Ф€ (E, П, r (t), t) и h(O), входящих в формулу (1), были существенно модернизированы.
Расчет параметров геомагнитного поля в области ЮАА проводился с использованием международной системы информации о космической среде SPENVIS (http://www.spenvis.oma.be), включающей программы расчета на базе модели IGRF (http:// modelweb.gsfc.nasa.gov.). При расчетах использовались модель для эпохи 2006 г. Для ускорения вычислений была рассчитана интерполяционная таблица, поз
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.