Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук Труханова К.А.

На правах рукописи УДК 629.7.048

ТРУХАНОВ КИРИЛЛ АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАДИАЦИОННАЯ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ДЛИТЕЛЬНЫХ И ДАЛЬНИХ ПИЛОТИРУЕМЫХ КОСМИЧЕСКИХ ПОЛЕТОВ

Специальность 05.26.02 -безопасность в чрезвычайных ситуациях (авиационная и ракетно-космическая техника)

Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук

Москва - 2006

Работа выполнена в Государственном научном центре Российской Федерации - Институте медико-биологических проблем Российской Академии Наук.

Официальные оппоненты:
доктор технических наук Смиренный Лев Николаевич,
доктор технических наук Митрикас Виктор Георгиевич,
доктор физико-математических наук, профессор Новиков Лев Симонович.

Ведущая организация: Федеральное Государственное Унитарное Предприятие Центральный научно-исследовательский институт машиностроения (ЦНИИмаш) Роскосмоса, г. Королев Московской области.

Защита состоится 26 октября 2006 г. в 10 часов на заседании Диссертационного совета Д 002.111.02 при Государственном научном центре Российской Федерации - Институте медико-биологических проблем Российской Академии Наук по адресу 123007, Москва, Хорошевское шоссе, д. 76-А.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ РФ - Института медико-биологических проблем РАН.

Ученый секретарь Диссертационного совета Д002.111.02,
доктор биологических наук Н.М. Назаров

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.

Разработаны методы радиотермометрии на основе регистрации собственного теплового радиоизлучения соответствующих сред применительно к изучению влияния моделируемых факторов космического полета на организм человека. Проработаны теоретически возможности использования корреляционных измерений для определения распределения температуры и электрофизических характеристик сред (в том числе, биологических) по глубине.

Впервые радиотермометрия использована для определения температурных сдвигов при изучении влияния моделируемых факторов космического полета на организм человека.

Разработан метод определения характеристик пучков по зависимости интенсивности ИВЧ от фазовой скорости электромагнитных волн в радиаторе, отличающийся рядом достоинств. Предложено использовать дисперсию света в радиаторах ИВЧ для неразрушающего определения характеристик потоков частиц, одиночных импульсов (потоков) частиц и характеристик потока частиц внутри посылок. Проведена теоретическая разработка этого метода и показана реальность осуществления такой возможности, в особенности, для измерения мощных радиационных полей.

Проанализирована возможность использования разработанных методов для неразрушающего определения характеристик потоков электронов и тяжелых заряженных частиц ускорителей (медицинских, исследовательских и других). Теоретическая и практическая ценность работы.

Разработка методов расчета доз за магнитной защитой без учета взаимодействия с веществом и обратного траекторного метода нахождения распределения доз за магнитными полями разной конфигурации с учетом замедления и ослабления ГКЛ и СКЛ в веществе корабля и элементов магнитной защиты является вкладом в теоретические основы дисциплины "физика защиты". Обратный траекторный метод позволяет находить обобщенные параметры комбинированной защиты с существенно большей эффективностью по сравнению с прямым методом и найдет дальнейшее применение при расчете будущих конкретных вариантов магнитной защиты.

Практический интерес, как частность при разработке обратного траекторного метода, представляет предложенная методика нахождения энергии частицы по заданному ее пути в веществе итерациями интегралов от ионизационных потерь по методу Ньютона, что позволяет унифицировать вычисления и исключить использование приближенных неточных формул или интерполяции по таблицам пробегов частиц с разными атомными номерами Z.

Практическую ценность имеет проработка возможности создания системы для имитации геомагнитного поля на борту межпланетных кораблей и вывод, что она будет обладать приемлемой массой и энергопотреблением.

При орбитальном полете изменения уровня ГМП на борту приводят к нежелательному воздействию на сердечно-сосудистую систему членов экипажа. Практический интерес представляет предложение стабилизировать модуль геомагнитного поля на борту, что упрощает дело и позволяет ограничиться одной стабилизирующей магнитной системой, подобной системе для межпланетных кораблей.

Разработан теоретический подход к определению уровней воздействия сверхширокополосных ЭМП и поставлен вопрос о необходимости изучения наличия порога по амплитуде составляющих спектра (или его отсутствия) для таких случаев. Показана некорректность в случае воздействия сверхширокополосных ЭМП распространенного мнения, что если выполнены требования по электромагнитной совместимости аппаратуры (ЭМС), то заведомо выполнены требования безопасности для человека. Необходимо при испытаниях аппаратуры на ЭМС одновременно анализировать ее биоэлектромагнитную совместимость. Этот вывод также имеет практическое значение.
Имеют также практическую ценность:

принципы построения аппаратуры для нормирования сверхширокополосных электромагнитных полей;
требование учитывать наличие электромагнитного "эха" в интерьерах корабля;
требование при поставке на борт аппаратуры, являющейся источником ЭМП, учитывать суммарный уровень ЭМП от всех имеющихся бортовых источников по всему спектру.

Разработаны теоретические подходы к принципиальной модификации корреляционного метода радиотермометрии, что позволит определять распределение электрофизических характеристик тканей по глубине и на этой основе повысить точность определения распределения глубинной температуры. Кроме того, знание электрофизических свойств сред важно для оценки их состояния. Показана целесообразность применения радиотермометрии для изучения влияния моделируемых факторов космического полета на организм человека, а также в межпланетном полете и при работе на лунной базе.

Разработаны теоретические основы метода определения спектров пучков, создаваемых мощными источниками частиц (ускорителями и др.), по зависимости интенсивности излучения Вавилова-Черенкова от фазовой скорости электромагнитных волн в радиаторе. Проведены эксперименты, показавшие эффективность метода.

В одном из вариантов метода предложено для диагностики пучков использовать явление дисперсии света, которое, принято считать мешающим в черенковских методах. В предложенном варианте оно впервые оказывается "дружественным" и позволит неразрушающим способом определять спектр энергий не только пучков частиц, но спектр энергий одиночного импульса (потока) и спектр внутри этого импульса.

Предложенный метод важен для решения многих практических задач, возникающих при использовании ускорителей в радиационно-физических и радиобиологических исследованиях, в промышленных и инспекторских целях (радиационная обработка, просвечивание, контроль грузов) и в медицине (онкология).

Научная апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на многих конференциях и семинарах, среди которых следует упомянуть:

Всего по тематике опубликовано 38 работ, в том числе первая в мире монография "Активная защита космических кораблей", Атомиздат, 1970 и глава 7 "Избранные вопросы теории биологического действия электромагнитных полей" в монографии "Электромагнитные поля и здоровье человека" / Под общей ред. Ю.Г. Григорьева. Изд-во РУДН. 2002.
Из них 9 в рецензируемых журналах и 14 - в Трудах Международных, Всесоюзных и- Российских конференций.

ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

Теоретические основы и методики для определения защитных характеристик магнитных полей различных конфигураций от галактических космических лучей (ГКЛ) и солнечных космических лучей (СКЛ) без учета их взаимодействия с веществом.
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). Частицы стартуют из интересующего микрообъема фантома, оставляя в этом микрообъеме энергию и набирая ее при движении в веществе, взаимодействуют с магнитным полем и выходят из защиты, после чего имеет место "сшивание" со спектром частиц в космосе.
Оценки энергии частиц ГКЛ, которых необходимо полностью отклонять магнитным полем от защищаемого объема (энергия отсечки) для снижения доз до предполагаемых в межпланетном полете значений.
Создание искусственного ГМП на борту межпланетных кораблей с использованием специальных магнитных систем. Показано, что такие системы будут обладать сравнительно небольшой массой и энергопотреблением.
Предложение поддерживать постоянство модуля магнитного поля при околоземных пилотируемых полетах с помощью магнитных систем, управляемых магнитометром в обитаемом объеме, для устранения нежелательных эффектов воздействия на экипажи вариаций уровня ГМП на борту. Рассмотрена зависимость от времени токов в магнитной системе для орбит с разными углами наклона, оценено энергопотребление таких систем.
В связи с перспективами резкого возрастания, особенно, на межпланетном корабле и на лунной базе, количества систем и аппаратуры, создающих при своей работе широкополосный фон ЭМП, предложено нормировать этот фон как излучение множества виртуальных источников.
Использование радиотермометрии при исследованиях воздействия на организм моделируемых факторов космического полета. Полученные впервые данные говорят в пользу дальнейшей разработки методов и аппаратуры радио - и акустотермометрии и ее применения в исследованиях, в отборе, при тренировках и в качестве бортовой аппаратуры межпланетных кораблей и на лунной базе.
Методы определения распределения скоростей частиц в пучках ускорителей на основе излучения Вавилова-Черенкова применительно к радиобиологическим и радиационно-физическим экспериментам в целях обеспечения радиационной безопасности человека в космосе. Методы практически не разрушают пучок и позволяют определять и регулировать его параметры, не прекращая облучения объекта.

Полный текст автореферата (в формате MS Word, 5.36 Mb)

<<< Вернуться