Радиационные нагрузки на космонавта при внекорабельной деятельности в скафандре орлан-м на низких околоземных орбитах

-- [ Страница 3 ] --

Для оценки радиационных нагрузок на различные участки тела космонавта рассматривались два предельных случая ориентации тела космонавта при ВКД: лицом на запад и лицом на восток. Для расчетов использовались ФЭ, определенные для переднего и заднего полупространства скафандра, а также спектры захваченных протонов, приходящих с запада и с востока. При расчете эффект дополнительного экранирования телом станции не учитывался. Отношение доз для выбранных представительных точек тела космонавта при ориентации «лицом на запад» и «лицом на восток» – H(Запад)/H(Восток) – для минимума и максимума СА представлено на Рис. 10.

Рис. 10. Отношение доз для выбранных представительных точек тела космонавта при ориентации «лицом на запад» и «лицом на восток» H(Запад)/H(Восток) для минимума и максимума СА

Для большинства представительных точек при ориентации «лицом на запад» доза выше, чем в аналогичных условиях при ориентации «лицом на восток». Приведенные выше расчетные оценки H(Запад)/H(Восток) для набора представительных точек в фазе минимума и максимума СА позволяют оценивать эффективность рекомендаций по ориентации тела космонавта при ВКД в области ЮАА. Следует отметить, что отношение H(Запад)/H(Восток) в минимуме СА в ~1.5 раза больше, чем в максимуме СА, что существенно для предложенного метода снижения дозовых нагрузок при ВКД, поскольку доза от захваченных протонов высоких энергий в ЮАА в минимуме СА в ~2 раза больше, чем в максимуме СА. Учет западно-восточной асимметрии для «Гонад» важен для оценки эффективной дозы на тело космонавта, поскольку весовой фактор этого органа максимален (0.2).

В заключении сформулированы полученные результаты и выводы.

Основные результаты.

Рассчитаны изменения доз, создаваемых различными источниками космического излучения, в представительных точках антропоморфного фантома в зависимости от фактора негомогенности материала фантома.
Оценено влияние упрощений геометрии антропоморфного фантома (фантомы в виде головы и торса, применяемые в космических исследованиях) на дозы в представительных точках тела космонавта.
Получены данные по массовой толщине элементов скафандра «Орлан-М» по результатам эксперимента, проведенного на «НПП Звезда» методом гамма- просвечивания.
Модифицирована методика определения функции экранированности представительных точек антропоморфного фантома для случая его расположения в скафандре. Модифицированная методика реализована в виде программы, позволяющей получать функции экранированности и дозы для точек фантома и системы «фантом в скафандре», задаваемых в виде таблиц.
Рассчитаны дозы и эффективность радиационной защиты для представительных точек антропоморфного фантома в скафандре «Орлан-М» для моделируемых ВКД на низких околоземных орбитах. Расчет также проведен для ВКД первого (захватывающее всю область ЮАА) и второго (не проходящее через область ЮАА) типа.
Рассчитаны функции экранированности и оценены поглощенные дозы в местах расположения пассивных детекторов КЭ «Матрешка»; проведено сопоставление с данными, полученными в эксперименте, а также с результатами расчета для антропоморфного фантома внутри скафандра «Орлан-М».
Оценено влияние эффекта западно-восточной асимметрии захваченных протонов высоких энергий на радиационные нагрузки космонавтов при ВКД.

Выводы.

Радиационные нагрузки на космонавта при ВКД в скафандре «Орлан-М» на низких околоземных орбитах таковы, что в отсутствие радиационных возмущений (магнитные бури и/или солнечные протонные события) не нарушаются требования по радиационной безопасности космонавта в космическом полете (МУ 2.6.1. 44-03-2004).
Для получения расчетных оценок эквивалентной дозы от различных источников космической радиации можно использовать гомогенный антропоморфный фантом. Учет негомогенности фантома приводит к несущественному (5 – 10%) завышению доз в теле человека.
Переход от использования в качестве модели тела человека антропоморфного фантома из ГОСТ 25645.203-83 к упрощенному фантому в виде головы и торса для большинства представительных точек, исключая «Гонады», является приемлемым, поскольку изменение расчетной эквивалентной дозы от всех видов космического излучения при таком переходе не превышает 2%.
При моделируемых ВКД на низких околоземных орбитах в радиационно-невозмущенные периоды вклад электронов РПЗ в суммарную дозу существен только для облучения хрусталика глаза (35 – 75 %) и кожи (50 – 85%) и возрастает при переходе от минимума солнечной активности к максимуму. Во всех остальных случаях преобладает вклад протонов РПЗ и частиц ГКЛ.
Как следует из проведенных расчетов радиационно-защитных свойств скафандра, в любой период цикла солнечной активности эффективность защиты скафандра составляет: для электронов РПЗ >0.99 для кожи, 0.69 – 0.89 для хрусталика глаза, 0.32 – 0.49 для гонад, <0.07 для кроветворной системы; для протонов РПЗ 0.69 – 0.95 для кожи, 0.19 – 0.41 для хрусталика глаза и кроветворной системы, 0.12 – 0.17 для гонад; для частиц ГКЛ 0.06 – 0.29 для кожи, ~0.1 для хрусталика глаза и гонад, 0.20 – 0.31 для кроветворной системы.
В случае солнечного протонного события эффективность защиты скафандра зависит от характеристической жесткости R0 энергетического спектра протонов СКЛ и уменьшается от 0.84 при R0 = 50 МВ до 0.37 при R0 = 200 для точки «КЖ-2» и от 0.59при R0 = 50 МВ до 0.19 при R0 = 200 для точки «КТС-1».
Наблюдается удовлетворительное согласие (в пределах 10 – 30 %) расчетных оценок доз с данными КЭ «Матрешка», что свидетельствует об оправданности применения модифицированной методики к определению функций экранированности в представительных точках антропоморфного фантома КЭ «Матрешка» и используемых кривых ослабления доз источников КИ.
В соответствии с полученными расчетными оценками отношение дозы в антропоморфном фантоме в скафандре «Орлан-М» к соответствующим дозам в условиях КЭ «Матрешка» меняется от 0.1 до 1.8 в зависимости от выбранной представительной точки и фазы цикла СА. Полученные соотношения необходимо учитывать при интерпретации данных КЭ «Матрешка» применительно к условиям ВКД, осуществляемых в скафандре «Орлан-М».
При пересечении ЮАА за счет выбора оптимальной ориентации космонавта по отношению к сторонам света в ряде случаев может быть достигнуто снижение дозы на большинство критических органов ~ 1.5 в максимуме СА и ~ 2 – 2.5 в минимуме СА.

Полученные оценки радиационных нагрузок на космонавтов в скафандре «Орлан-М» могут быть использованы при выработке оптимального с точки зрения радиационной безопасности варианта проведения ВКД, в том числе при возмущенной радиационной обстановке, связанной с солнечными протонными событиями. Для уменьшения радиационных нагрузок на космонавта при ВКД необходимо учитывать следующие возможности:

Выбор времени начала ВКД так, чтобы траектория станции не пересекала область ЮАА. В этом случае в зависимости от защищенности органа может быть достигнуто снижение дозы на 10% – 40% в максимуме СА и на 35% – 50% в минимуме СА. Однако в этом случае траектория станции попадает в области возможного проникновения частиц СПС (над северной Канадой и южной Австралией).
В случае ожидаемого появления СПС при необходимости проведения ВКД время его начала выбирается так, чтобы исключить прохождение траектории ОПС через области возможного проникновения частиц СПС. В этом случае траектория станции с неизбежностью пересекает область ЮАА, что приводит к увеличению дозы, отмеченному в п. 1, однако предотвращается более существенное (десятки – сотни раз) увеличение дозы от мощного СПС.
В большинстве случаев время ВКД специально выбирается так, что траектория станции пересекает область ЮАА, поскольку при этом обеспечивается прохождение станции над европейской частью России, что предоставляет возможность осуществлять связь с экипажем при ВКД. При прохождении ЮАА уменьшение дозы может быть достигнуто путем ориентации тела космонавта по отношению к сторонам света, т. е. когда космонавт ориентирован лицом на восток или закрыт телом станции с наиболее опасного западного направления.

Публикации по теме диссертации

Petrov V., Kartashov D., Kireeva S., Shurshakov V., Semkova J. and Todorova G. Effective dose estimation in space flight using a spherical phantom. The 2nd International Workshop on Space Radiation Research (IWSSRR-2). March 11-15, 2002, Nara, Japan. p. 55 – 56.
T. Berger, M. Hajek, W. Schner, M. Fugger, N. Vana, Y. Akatov, Arkhangelsky, V.A. Shurshakov and D. Kartashov. Application of the High-temperature Ratio Method for Evaluation of the Depth Distribution of Dose Equivalent in a Water-filled Phantom On Board Space Station Mir. Radiat. Prot. Dosim. 100(1-4), pp 503-506 (2002).
Карташов Д.А., Коломенский А.В., Петров В.М., Шафиркин А.В., Шуршаков В.А. Оценка дозовых нагрузок на критические органы космонавта при внекорабельной деятельности в спокойных и радиационно-возмущенных радиационных условиях. Четвертый международный аэрокосмический конгресс. Москва. 18 – 23 августа 2003 г. С.414 – 415;
Карташов Д.А., Коломенский А.В., Шуршаков В.А. «Методика расчета самоэкранированности критических органов тела человека в антропоморфном фантоме». Авиакосмическая и экологическая медицина. 2004 № 2, стр. 52-56.
Шуршаков В.А., Карташов Д.А., Коломенский А.В., Петров В.М., Редько В.И., Абрамов И.П., Леткова Л.И., Тихомиров Е.П. Радиационно-защитные свойства скафандра «Орлан-М» применительно к условиям внекорабельной деятельности на орбите МКС. Авиакосмическая и экологическая медицина, 2006, Т. 41. № 4, с. 56 – 61.
Карташов Д.А., Шуршаков В.А. Методика определения эффективной дозы облучения космонавтов в орбитальном полете при внекорабельной деятельности. Научная сессия МИФИ-2006, Секция Ф-1. АСТРОФИЗИКА И КОСМОФИЗИКА. Сборник научных трудов, стр. 78-79. М.: МИФИ 2006.
Kartashov D.A., Kolomensky A.V., Shurshakov V.A., Apathy I., Deme S.. Radiation Doses in Critical Organs during Extra Vehicular Activity in an Orbital Space Flight. 4-th International Workshop on Space Radiation Research and 17-th Annual NASA Space Radiation Health Investigators’ Workshop. Moscow – St. Petersburg, June 5 - 9, 2006, p. 57.
Карташов Д.А., Коломенский А.В., Шуршаков В.А. Эффективность радиационной защиты космонавта скафандром «Орлан-М» при внекорабельной деятельности. Системы жизнеобеспечения как средство освоения человеком дальнего космоса. Международная конференция 24 – 27 сентября 2008 г. Москва. С.44.
Petrov V.M., Kartashov D.A., Kolomensky A.V., Shurshakov V.A. Comparison of space radiation doses inside the Matroshka-torso phantom installed outside the ISS with doses in a human body in Orlan-M spacesuit during EVA. 17th IAA Human in Space Symposium. Book of abstracts. June 7-11, 2009. Moscow. P. 119.
В.А.Шуршаков, Д.А. Карташов, А.В.Коломенский. Оптимизация радиационных нагрузок при внекорабельной деятельности за счет эффекта западно-восточной асимметрии потоков захваченных протонов. Космические исследования, 2009 (в печати).
Д.А. Карташов, В.М. Петров, А.В. Коломенский, Ю.А. Акатов, В.А. Шуршаков. Сопоставление доз космической радиации в антропоморфном фантоме, установленном снаружи МКС, с дозами космонавтов при ВКД в скафандре «Орлан-М». Авиакосмическая и экологическая медицина, 2009 (в печати).

Список цитированных литературных источников

1. Санитарные правила и нормы. СанПиН 2.6.1. 44-03-2004. Методические указания МУ 2.6.1. 44-03-2004. Ограничение облучения космонавтов при околоземных космических полетах (ООКОКП-2004). Москва. Федеральное управление «Медбиоэкстрем». 2004.

2. ГОСТ 25645.203-83. Безопасность радиационная экипажа космического аппарата в космическом полете. Модель тела человека для расчета тканевой дозы. Госстандарт, Москва, 1984.

3. Красильников Г.В., Перова Л.А., Сахаров В.М. Эквивалентная доза космических лучей в представительных точках моделей тела человека. Авиакосмическая и экологическая медицина, 1992, №. 2, стр. 35-41.

4. Бондаренко В.А., Митрикас В.Г. Модель геометрического фантома человека для расчета тканевых доз в СМ МКС. Авиакосмическая и экологическая медицина. 2007. Т. 41. № 1. С. 34-39.

5. Billings, M.P. and W.R.Yucker, The Computerized Anatomical Man (CAM) Model, NASA CR-134043 (1973).

6. Сахаров В. М. Модель экранированности космического аппарата. Космич. исслед. 1990. Т. 28. No. 4. С. 635-638.

7. Коломенский А.В., Кузнецов В.Г., Лайко Ю.А., Бенгин В.В., Шуршаков В.А. Модель радиационной защищенности служебного модуля международной космической станции. Авиакосмическая и экологическая медицина. 2001. Т. 35. № 6, с. 39-43.

8. ГОСТ 25645.204-83. Методика расчета экранированности точек внутри фантома. М. Госстандарт СССР. 1984 г.

9. Коломенский А.В., Лайко Ю.А., Редько В.И., Шуршаков В.А. Определение толщины мягких оболочек скафандра методом бета-тестирования. Ракетно-космическая техника. Серия X11, вып. 1-2. Из-дво РКК Энергия, 2003г с 134 – 138.

10. И.П. Абрамов, М.Н. Дудник, В.И. Сверщек, Г.И. Северин, А.И. Скуг, А.Ю. Стоклицкий Космические скафандры России. Москва, 2005, 347 с.

11. Reitz G., Berger T., Bilski T. et al. Astronaut's organ doses as inferred from measurements in a human phantom outside the ISS. Radiat. Res., 2009, vol. 171, pp. 225-235.

Принятые сокращения.

ГКЛ – галактические космические лучи

ГН –гонады

ЖКТ – желудочно-кишечный тракт

КА – космический аппарат

КЖ – кожа

КИ – космическое излучение

КТС – кроветворная система

КЭ – космический эксперимент

РПЗ – радиационные пояса Земли

СА – солнечная активность

СКЛ – солнечные космические лучи