| Статистика |
Онлайн всего: 1 Гостей: 1 Пользователей: 0 |
|
Наноматериалы в экстремальных условиях в космосе(защита от радиационного воздействия)
РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ
ИНЖЕНЕРНЫЙ ФАКУЛЬТЕТ
КАФЕДРА КИБЕРНЕТИКИ И МЕХАТРОНИКИ
Курсовая работа
на тему:
«Наноматериалы в экстремальных условия в космосе (защита от радиационного воздействия)»
Выполнила: Ануфриева Ю.А.
Группа: ИИБ-201
Научный руководитель:
Лапшинский В.А.
Москва
2015
Оглавление:
I. Введение --------------------------------------------------------------------------------3
II. История освоения космоса ----------------------------------------------------------5
III. Где начинается космос -------------------------------------------------------------- 8
IV. Радиация -------------------------------------------------------------------------------12
V. Классификация радиации ----------------------------------------------------------19
VI. «Временные нормы радиационной безопасности космических полетов — ВНРБ-75 ----------------------------------------------------------------------------25
VII. Наноматериалы при защите от радиации ---------------------------------------31
Введение
Первое стремление человека оторваться от Земли было, несомненно, связано с подражанием полету птиц. В те далекие времена человек не думал о путешествиях на другие планеты уже просто потому, что в его сознании отсутствовало само понятие «планета». Звезды на ночном небе он считал шляпками гвоздей, светящимися на хрустальном своде. Может ли прийти в голову посетить гвоздь пусть на «небесном», но потолке?
До нас дошло немало легенд о людях, которые могли летать. Такие легенды можно найти в устном и письменном фольклоре почти каждой культуры. Они есть в священных книгах брахманизма Брихадманах и Араньяках (Индия), в китайских «Книге песен» — «Шицзин» (XI— VII века до н. э.) и книге «Мэнцзы» (V—III века до н. э.), в гатах Заратуштры (Иран), в произведениях Аристотеля и Платона, а также в сказаниях эскимосов и индейцев.
Идея космических путешествий возникла после появления гелиоцентрической системы мира, когда стало ясно, что планеты— это объекты, подобные Земле, и таким образом, человек в принципе мог бы посетить их. Первым опубликованным описанием пребывания человека на Луне стала фантастическая повесть Кеплера «Somnium» (написана 1609, опубликована 1634). Фантастические путешествия на другие небесные тела описывали также Фрэнсис Годвин, Сирано дер Биржерак и другие.
Теоретические основы космонавтики были заложены в работе Исаака Ньютона «Математические начала натуральной философии», опубликованной в 1687 году.
Романы Жюля Верна «С Земли на Луну» (1865) и «Вокруг Луны» (1869) уже правильно описывают полёт Земля—Луна с точки зрения небесной механики, хотя техническая реализация там явно хромает.
Космонавтика является одной из наиболее перспективных областей применения нанотехнологий и материалов. Обшивка космических кораблей, ракет и спутников, детали двигателей, внутреннее устройство – все это далеко не полный список вариантов использования наноматериалов. Глобальная концепция космического лифта, проекты звездолетов и силовых полей для защиты кораблей от астероидов и космического мусора тоже основана на наноматериалах и их уникальных свойствах. Также они могут защитить космические аппараты и находящиеся в них живые организмы от вредного радиационного излучения.
Воздействие космической радиации может приводить как к постепенному ухудшению свойств материалов и характеристик бортовых систем и, как следствие, – к отказам в работе космических аппаратов по истечении некоторого периода эксплуатации, так и к возникновению внезапных отказов в работе бортовой аппаратуры, непосредственно сопровождающих воздействие. В качестве типичного примера, иллюстрирующего первый случай, можно указать постепенное снижение эффективности солнечных батарей космических аппаратов в результате накопления поглощенной дозы космической радиации, а для иллюстрации второго случая – сбои в микросхемах с высокой степенью интеграции под действием одиночных протонов или тяжелых ионов высокой энергии.
История освоения космоса.
Согласно преданию, китайский император Шунь еще в 22 веке до н. э. спасся от плена, «надев на себя крылья птицы». Живший почти тысячелетие спустя персидский император Кей Кавус владел троном, который переносили по воздуху четыре орла. «Упряжка» орлов летала, тщетно пытаясь догнать привязанного над ней ягненка. В IX веке до н. э. мифический король Блэйдуд, отец столь же мифического короля Лира, погиб при безуспешной попытке полететь, спрыгнув с башни.
Одним из первых литературных произведений фантастического жанра является, вероятно, сочинение Плутарха «О лице, видимом в диске Луны». В нем Плутарх пишет о размерах и форме Луны, а также о возможности ее обитания. Полвека спустя греческий сатирик Лукиан создает фантастические повести «Правдивые истории» и «Икароменипп». В первой из них смерч поднимает корабль с путешественниками в воздух и через несколько дней опускает его на неизвестную землю, оказавшуюся Луной. Во второй повести герой сам планирует путешествие на Луну — очень важная идея, если проследить историю зарождения и осуществления человеком идеи путешествия в космос.
23 марта 1881 года Н. И. Кибальчич, находясь в заключении, выдвинул идею ракетного летательного аппарата с качающейся камерой сгорания для управления вектором тяги. За несколько дней до казни Кибальчич разработал оригинальный проект летательного аппарата, способного совершать космические перелёты. Его просьба о передаче рукописи в Академию наук следственной комиссией удовлетворена не была, проект был впервые опубликован лишь в 1918 года в журнале «Былое», № 4—5.
Российский ученый Константин Циолковский был одним из первых, кто выдвинул идею об использовании ракет для космических полетов. Ракету для межпланетных сообщений он спроектировал в 1903 году. Формула Циолковского, определяющая скорость, которую развивает летательный аппарат под воздействием тяги ракетного двигателя, и сегодня составляет важную часть математического аппарата, используемого при проектировании ракет, в частности, при определении их основных массовых характеристик.
Немецкий ученый Герман Оберт в 1920-е годы также изложил принципы межпланетного полета
Американский ученый Роберт Годдард в 1923 году начал разрабатывать жидкостный ракетный двигатель и работающий прототип был создан к концу 1925 года. 16 марта 1926 года он осуществил запуск первой жидкостной ракеты, в качестве топлива для которой использовались бензин и жидкий кислород.
Работы Циолковского, Оберта и Годдарда были продолжены группами энтузиастов ракетной техники в США, СССР и Германии. В СССР исследовательские работы вели Группа изучения реактивного движения (Москва) и Газодинамическая лаборатория (Ленинград). В 1933 году на их базе был создан Реактивный институт (РНИИ).
Прежде чем человек сам сделал первый шаг в космос, там побывал целый ряд биологических объектов — от низших форм жизни (плесневые грибы, бактерии, дрожжи, морские водоросли, плодовые мушки) до млекопитающих (мыши, хомяки, кошки, собаки и обезьяны). Эти биологические эксперименты были необходимы, чтобы оценить соматическую и генетическую опасность космической радиации для человека.
Первым высокоорганизованным существом, облетевшим Землю на искусственном спутнике, была собака Лайка, запущенная в СССР 3 ноября 1957 года.
Для экспериментальных запусков с целью подтверждения безопасности космических полётов предлагались мыши, крысы и собаки. Рассматривался вариант запусков и с обезьянами, но выбор пал на собак, так как они лучше поддаются дрессировке и спокойнее, чем обезьяны.
Конструкторы установили предел массы собак в 6-7 кг, однако маленькие породистые собаки не годились для полёта: чаще всего они были изнежены, слишком требовательны к пище и недостаточно выносливы. Поэтому собак отбирали из питомника бездомных животных. По рекомендациям специалистов по кино-, фото- и телеаппаратуре решено было отбирать белых собак, потому что белые лучше выглядели в кадре. Из всех белых затем отсеивали по результатам тренировок в барокамерах, на центрифугах и вибростендах.
Из 10 собак 3 претендовали на первый космический полёт с живым существом на борту: Альбина, Лайка и Муха. Альбина уже совершила 2 суборбитальных полёта, но её пожалели, потому что она ждала потомство, и решили, что она будет дублёром. Муху не выбрали из-за небольшой кривизны лап, что выглядело бы некрасиво на фотографиях, и её сделали «технологической собакой». На ней тестировали работу аппаратуры и различных систем.
Перед полётом Лайке сделали операцию, в ходе которой установили датчики дыхания на рёбра и датчик пульса около сонной артерии.
Система жизнеобеспечения незамкнутого типа в небольшой кабине снабжала Лайку воздухом, пищей и водой. Система биотелеметрии передавала на Землю электрокардиограмму и данные о частоте дыхания, пульсе, кровяном давлении. Эти данные свидетельствовали о том, что Лайка адаптировалась к условиям невесомости.
Возвращение Лайки на Землю конструкцией космического аппарата не предусматривалось. Предполагалось, что после недельного пребывания на орбите, когда истощились бы запасы воздуха, Лайка была бы безболезненно умерщвлена. Но она была жива в течение 5-7 часов от начала полета (около 4 витков вокруг Земли), а затем, из-за ошибки расчёта площади спутника и отсутствия системы терморегулирования температура поднялась до 40 °С и собака умерла от перегрева. Сам же спутник совершил 2370 витков вокруг Земли, затем сгорел в атмосфере 14 апреля 1958 года.
Специальная комиссия из ЦК и Совета министров не поверила, что Лайка умерла из-за конструкторской ошибки, и приказала провести эксперименты с похожими условиями на Земле, в результате которых погибло ещё 2 собаки.
Типичными космическими полетами высших животных были полеты обезьян Альберта, Хэма и Эноса. Шимпанзе Энос совершил полет на космическом корабле «Меркурий» 29 ноября 1961 года. Биотелеметрическая система передавала на Землю данные о частоте дыхания и сердечных сокращений, температуре и кровяном давлении. Во время своих двух витков вокруг Земли Энос принимал пищу и выполнил несколько психомоторных тестов, которым был обучен. И хотя перед концом полета вышла из строя система жизнеобеспечения, а температура в кабине поднялась до 40°С, аппарат был возвращен на Землю и обезьяна осталась жива.
Таким образом, на ранних этапах космических исследований дорогу в космос человеку прокладывали животные. С их помощью было получено много ценной информации о влиянии необычных условий окружающей среды и о способности живых организмов приспосабливаться к ним. Вероятно, к помощи животных будут прибегать и в дальнейшем при исследованиях более удаленных планет.
Первым человеком-космонавтом, облетевшим вокруг земного шара, был Юрий Алексеевич Гагарин, 27-летний майор ВВС СССР. Его корабль стартовал из Байконура в 9 час. 07 мин. (по московскому времени) 12 апреля 1961 года. Совершив один виток вокруг Земли, он в 10 час. 55 мин. приземлился возле деревни Смеловка Саратовской области. Во время полета Ю. А. Гагарин делал наблюдения, фотографировал. Он отметил, что в иллюминаторе были видны большие квадраты колхозных полей на территории СССР, и можно было отличить распаханные земли от невозделанных. Космонавт принимал пищу, пил воду и вел бортовой журнал. Кроме того, он сделал много сообщений по радио, а биотелеметрическая система непрерывно передавала на Землю данные о частоте его дыхания и сердечных сокращений.
27 марта 1968 года Ю. А. Гагарин трагически погиб во время обычного тренировочного полета на самолете.
Имя Гагарина — первого человека, покинувшего свою планету и взлетевшего в космос, — стало бессмертным, а его полет, заняв особое место в истории, доказал, что человек в условиях космического полета может жить и работать более или менее нормально.
Где начинается космос
Для незащищенного человека космос, как это ни парадоксально, начинается всего в 5 км от земли. Уже на небольшой, казалось бы, высоте 3,5 км человек не может работать и чувствовать себя так же, как на Земле. Это препятствие на пути человека в космос является первым в ряду многих преград, называемых физиологическими барьерами космического пространства. Они определяются границами областей космического пространства, пребывание в которых вызывает резкое изменение (чаще всего торможение, а затем и прекращение) важных биологических процессов. Эти области, представляющие наибольший интерес для физиолога, показаны на помещенном ниже рисунке. Штругхольд насчитывает четыре зоны, в которых можно обнаружить такие функциональные барьеры:
0—3,6 км — физиологическая зона;
3,6—16 км — зона физиологической неполноценности;
19—224 км — зона, частично эквивалентная космосу;
224—9600 км — зона, полностью эквивалентная космосу.
Рис. 4. Функциональные барьеры на пути человека в космос и уменьшение плотности воздуха с высотой. Слева по вертикали указано число молекул кислорода в 1 см3, справа – высота над уровнем моря.
На высоте 3,6 км низкое парциальное давление кислорода вызывает затруднение дыхания. Таким образом, гипоксия, или кислородная недостаточность,— это первый барьер, который нужно преодолеть человеку на пути в космос. При быстром подъёме к высоте более 5 км наступает кессонная болезнь — декомпрессионные расстройства, которые обычно ассоциируются с работой водолазов. При быстром падении давления окружающей среды происходит внезапное выделение в виде пузырьков растворенного в крови и тканях азота — воздушная эмболия. На высоте 5 км атмосферное давление составляет всего лишь 300 мм рт. ст., в то время как на уровне моря оно равно 760 мм рт. ст.
Следующий функциональный барьер находится на высоте 15 км. На этой высоте наблюдается аноксия, то есть полное кислородное голодание. На первый взгляд это может показаться странным, так как атмосфера в этой зоне содержит достаточное количество кислорода, причем именно в виде необходимых для дыхания двухатомных молекул. Но углекислый газ и водяные пары, содержащиеся в альвеолах, создают в них давление 87 мм рт. ст. Когда атмосферное давление снижается до этого значения, что происходит как раз на высоте 15 км, кислород из-за отсутствия необходимого перепада давлений перестает проникать через стенки альвеол.
На высоте 16 км космонавт сталкивается с последним физиологическим барьером, связанным с атмосферным давлением; оно составляет здесь 47 мм рт. ст. и соответствует давлению паров жидкостей в тканях человека. Это вызывает «вскипание» содержащихся в тканях жидкостей, переход их в газообразное состояние. Пузырьки газа проникают в сосуды, закупоривают их и выделяются через слизистую оболочку носоглотки, глаз и т.д.
Такова первая группа «высотных» физиологических барьеров, препятствующих полету человека в космос. Однако эти барьеры можно преодолеть, используя соответствующие способы и средства защиты. Условия космического полета и факторы космического пространства могут оказывать вредное воздействие на многие физиологические системы человека. Влияние отдельных факторов снижается или нейтрализуется сравнительно просто и легко (например, действие света). Однако следует учитывать возможность проявления синергизма, выражающегося в том, что общее воздействие нескольких факторов оказывается значительно большим, чем совокупность воздействий каждого из них.
Рис. 5. Перегрузки, которые испытывает космонавт под действием ускорения, обозначаются направлением смещения при этом внутренних органов человека [показано стрелками]. Здесь же приведена широко используемая система обозначения направления действия ускорений по смещению глазных яблок.
1 – ускорение вперед, глазные яблоки вдавливаются; 2 – ускорение вниз [к ногам], глазные яблоки смещаются вверх; 3 – ускорение вправо, глазные яблоки смещаются влево; 4 – ускорение назад, глазные яблоки выходят из орбит; 5 – ускорение вверх [к голове], глазные яблоки смещаются вниз; 6 – ускорение влево, глазные яблоки смещаются вправо.
Радиация
Открытие космической радиации относится к началу нашего века и явилось побочным результатом исследований ионизации воздуха, обусловленной радиоактивными излучениями пород Земли. Изучая зависимость ионизации воздуха от высоты над поверхностью Земли, исследователи обнаружили, что лишь на небольших высотах ионизация падает с увеличением высоты. В экспериментах на шарах-зондах (1911—1912 гг.) было показано, что, начиная с некоторой высоты, ионизация вновь возрастает и на высоте 1500 м достигает наземного уровня. В связи с этим было высказано предположение, что ионизация обусловлена действием радиации, проникающей в атмосферу Земли из космического пространства.
Для человека в космосе радиация представляет значительную опасность представляет. Защита от нее требуется сразу же, как только останутся позади окружающие Землю атмосфера и магнитные поля. Радиационное излучение в космосе — это поток заряженных и незаряженных частиц и электромагнитного излучения. Такие же условия существуют на Луне, лишенной атмосферы и магнитного поля. В космическом полете наиболее опасна ионизирующая радиация, к которой относятся рентгеновские лучи и гамма-излучение Солнца, частицы, образующиеся во время солнечных (хромосферных) вспышек, солнечный ветер, солнечные, галактические и внегалактические космические лучи, электроны и протоны радиационных поясов, нейтроны и альфа-частицы. К неионизирующей радиации относится инфракрасное и ультрафиолетовое излучения Солнца, видимый свет и электромагнитное излучение радиочастотного диапазона. Эти виды излучения не представляют большой опасности для космонавта, так как сквозь обшивку космического корабля или оболочку скафандра они не проникают.
Рис. 1. При космическом излучении частицы с высокой энергией, проникающей в ткани тела и теряя свою энергию, ионизируют атомы вдоль пути пробега и таким образом разрушают клетки ткани. На микрофотографии показан след частицы с атомным номером Z=24±2 [титан, ванадий, хром, марганец или железо]
Ионизирующая радиация оказывает вредное воздействие на протекающие в клетках человеческого организма жизненные процессы. При прохождении частиц высокой энергии, или фотонов, через вещество на их пути в результате взаимодействия с атомами вещества образуются пары заряженных частиц — ионы. Отсюда и название — ионизирующая радиация. Типичный путь (трек) прохождения через вещество тяжелой ионизирующей частицы (атомный номер Z = 24±2) первичного космического излучения представлен на помещенной выше микрофотографии. На биологическом объекте действие ионизирующей радиации сказывается в значительно большей степени, чем на неживом веществе. Живая ткань представляет собой организацию высокоспециализированных клеток, которые постоянно обновляются. Их обновление — процесс динамический. Неживые объекты, например камни, являются малоизменяющимися конструкциями из кирпичиков-молекул, как правило, нечувствительных даже к весьма большим дозам ионизирующей радиации. В противоположность этому у живых организмов чувствительность к воздействию ионизирующей радиации тем больше, чем выше уровень их эволюционного развития . Особенно чувствительны к радиации клетки кроветворных тканей и костного мозга.
Рис. 2. Устойчивость организмов к действию радиации тем меньше, чем выше уровень их эволюционного развития
Механизм радиационных поражений весьма разнообразен и до конца не ясен. Очевидно, часть радиационных поражений связана с механическим повреждением (разрывом) важных в биологическом отношении молекулярных структур, таких, например, как хромосомы, а часть — со сложными химическими процессами. Первоначально незаряженные осколки молекул превращаются в высокоактивные радикалы, такие, как ОН, НО2 и Н. Они могут рекомбинироваться в H2O2 или вступать в реакцию с органическими веществами клетки, нарушая клеточный метаболизм.
Рис. 3. Значительные дозы радиации могут наносить ущерб клеткам, вызывая разрывы генов в хромосомах [1], замедляя синтез АДФ [аденозинтрифосфата], необходимого для осуществления энергетических процессов [2], либо разрушая клеточные мембраны или увеличивая их проницаемость, вследствие чего нарушается внутриклеточное биохимическое равновесие [3]
Таким образом, вероятно, можно сказать, что радиационное поражение клеток происходит как в результате непосредственного повреждения молекул биологически важных веществ (например, дезоксирибонуклеиновой кислоты), так и вследствие вторичных химических реакций внутри ядра и протоплазмы. Схема радиационного поражения клетки представлена на рисунке, приведенном на рис. 3.
Радиация оказывает влияние и на воспроизводительные функции организма, нередко вызывая изменение в генетическом аппарате. О том, в каких формах это может проявляться, выдвинуто немало предположений. По-видимому, существует реальная опасность мутаций в результате изменений в хромосомном аппарате. В зависимости от поглощенной дозы излучения может наступить и бесплодие.
Лучший способ ослабить ионизирующую радиацию — это поглотить ее энергию при прохождении через толщу какого-либо вещества. Поэтому проблема защиты космонавта от радиации сводится к изысканию наиболее эффективного экранирующего материала, при этом не следует забывать о требованиях минимального веса. Идеальная защита от радиации должна иметь эффективную плотность земной атмосферы, то есть 1000 г/см2, и такое же магнитное поле, как вокруг земного шара в районе экватора. Для создания эквивалентной защиты от радиации в космосе потребовался бы слой воды толщиной около 10 м или свинцовый экран толщиной около 1 м. Насколько сложна проблема защиты от радиации, видно из графика. На нем показано, какие дозы (в относительных единицах) получат космонавты внутри космического корабля при облучении ионизирующими частицами нескольких видов (первичные протоны, вторичные протоны и нейтроны) в случае использования защитного алюминиевого экрана различной толщины.
Увеличение веса экранов не поможет решить проблему, так как при прохождении электронов высоких энергий через металлы генерируется рентгеновское излучение (явление, известное как «тормозное излучение»). Когда корабль проходит через магнитные пояса, в нем возникают мощные потоки вторичной радиации. Другого рода вторичная радиация (потоки мезонов, каскадных и испарительных нейтронов, а также протонов отдачи) возникает в результате ядерных взаимодействий в экранирующем материале. Все эти виды вторичной радиации представляют потенциальную опасность для космонавтов. Если эта опасность велика, для защиты от вторичной радиации в будущих космических кораблях придется делать внутренние экраны. Может быть, вокруг космического корабля будут создаваться искусственные магнитные поля, которые защитят корабль подобно тому, как Землю защищают окружающие ее магнитные пояса.
Рис. 22. Захваченные протоны из состава космических лучей и солнечные протоны поясов Ван Аллена вызывают в космическом корабле вторичную радиацию, дозы которой зависят от толщины алюминиевой обшивки в гипотетическом космическом корабле
Корпус корабля «Аполлон», сделанный в основном из алюминия, нержавеющей стали и фенольно-эпоксидных смол, создает экран плотностью 7,5 г/см2. Такого экрана достаточно для защиты трех космонавтов от обычной солнечной радиации. Самая мощная из зарегистрированных до сих пор солнечных вспышек создала бы для космонавтов внутри этого корабля дозу облучения всего лишь в 70 mrаd. Лунный же модуль корабля «Аполлон» имеет экран плотностью всего лишь 1,5 г/см2, который для защиты космонавтов от таких солнечных вспышек недостаточен. В настоящее время ведутся большие работы по изысканию фармакологических средств защиты человека от облучения. Среди множества исследуемых препаратов можно назвать цистамин, цистеин, глутатион и аминоэтилизотиуроний. Однако применение этих препаратов в силу ряда причин не дает особенно эффективных результатов. Дело в том, что, во-первых, большинство экспериментов проводилось на животных и в наземных условиях, а во-вторых, такие препараты необходимо вводить в организм человека до начала облучения. Кроме того, существует проблема токсичности этих препаратов. К тому же с помощью фармакологических средств можно обеспечить человеку защиту от рентгеновских лучей и гамма-излучения, но не от сильного ионизирующего излучения альфа-частиц, протонов и быстрых нейтронов.
Следует отметить, что дозы облучения на Луне, вероятно, невелики, но, чтобы не подвергать космонавтов риску облучения во время экспедиций на Луну, необходимы тщательные расчеты по предсказанию солнечных вспышек.
В процессе длительного полета космонавтов Ю.В. Романенко и Г.М. Гречко на станции «Салют-6» был выполнен широкий круг важных научно-технических исследований и экспериментов. Ряд из них позволяет принципиально по-новому решить сложные проблемы обеспечения безопасности и жизнедеятельности космонавтов в космическом пространстве. И важнейшей из них с этой точки зрения была успешная стыковка со станцией одновременно двух пилотируемых кораблей, проведенная дважды.
С вводом в эксплуатацию космического транспортного грузового корабля «Прогресс» практически была решена проблема транспортно-грузовых операций на трассе Земля—орбита, необходимых для обеспечения возрастающей длительности полетов человека на орбитальных станциях.
Все это говорит о том, что современный этап развития космонавтики характеризуется значительным расширением и усложнением деятельности человека в космосе, увеличением количества одновременно работающих космонавтов и т. п. В связи с этим необходимо своевременно разрешить все вопросы, связанные с безопасностью космических полетов человека.
Классификация радиации.
По современным представлениям различают три вида космической радиации: галактические космические лучи, солнечные космические лучи и радиационный пояс Земли. Галактические космические лучи (ГКЛ) — наиболее высокоэнергетичная составляющая корпускулярного потока в межпланетном пространстве — представляет собой ускоренные до высокой энергии ядра химических элементов, среди которых преобладают ядра водорода, гелия и других легких элементов. ГКЛ по своей проникающей способности превосходят все другие виды радиации, кроме нейтрино. Для полного поглощения ГКЛ потребовался бы свинцовый экран толщиной около 15 м.
Энергия частиц ГКЛ составляет в среднем около 10 млрд. эВ, энергия отдельных частиц может достигать 1020 эВ и выше. Химический состав ГКЛ несколько отличается от состава элементов земной коры, метеоритов, а также состава атмосферы Солнца и некоторых звезд. По мере увеличения расстояния от Солнца поток ГКЛ возрастает. Это обусловлено тем, что магнитные поля в Солнечной системе препятствуют проникновению заряженных частиц ГКЛ во внутренние области Солнечной системы, в частности в окрестности Земли.
Значительная часть ГКЛ, приходящих в окрестности Земли, отклоняется ее магнитным полем и поглощается в атмосфере, толщина которой эквивалентна 10 м воды. Взаимодействуя с ядрами атомов атмосферы, ГКЛ образуют так называемые вторичные космические лучи (КЛ)? в состав которых входят протоны, мезоны, электроны, нейтроны и т. д. Общий поток ГКЛ и образованных ими КЛ на уровне моря в средних широтах сравнительно невелик, так что эквивалентная доза облучения ГКЛ составляет около 30—40 мбэр в год и не представляет какой-либо опасности для здоровья людей. Однако в межпланетном пространстве за пределами защитных слоев атмосферы Земли и вне зоны геомагнитного поля доза облучения ГКЛ значительно возрастает и достигает 150—300 мбэр в сутки, или около 50—100 бэр в год, что создает определенную опасность для космонавтов, особенно при длительных космических полетах к другим планетам Солнечной системы. В связи с этим конструкторы будущих космических кораблей должны предусматривать специальную защиту для экипажей этих кораблей.
Солнечные космические лучи (СКЛ) составляют высокоэнергетичную часть корпускулярного излучения Солнца и возникают при так называемых хромосферных вспышках на Солнце, представляющих собой гигантские взрывы на его поверхности, сопровождаемые выбросом части солнечного вещества, оптическими явлениями, магнитными бурями и т.д. В период интенсивных солнечных вспышек плотность потока СКЛ может в тысячи раз превысить обычный уровень плотности потока ГКЛ. Впервые событие такого рода было зарегистрировано в 1942 г. Наиболее мощный поток СКЛ был зарегистрирован во время вспышки 23 февраля 1956 г., когда плотность потока КЛ на поверхности Земли увеличилась в несколько раз, в районе Москвы, например, — в 4 раза.
СКЛ состоит из протонов, в меньшей степени из ядер гелия (альфа-частиц) и более тяжелых ядер. Относительное содержание различных компонент в составе СКЛ в общем характерно для атмосферы Солнца. Скорость выброшенных частиц такова, что в ряде случаев СКЛ достигают окрестностей Земли приблизительно через 1 ч после того, как на Солнце прошла основная стадия мощной хромосферной вспышки.
Наибольшую радиационную опасность для человека в условиях космического полета представляют протоны СКЛ, свободно проникающие через оболочку обычных отсеков современных космических кораблей. Предполагается, что энергия таких протонов равна примерно 100 МэВ. За последние два одиннадцатилетних цикла солнечной активности наблюдали более ста вспышек СКЛ, в которых присутствовали протоны с энергией около 100 МэВ или более.
Для некоторых солнечных вспышек эквивалентная доза облучения СКЛ составляет сотни, а для многих — десятки бэр за вспышку. Если при полете за пределами магнитосферы Земли космонавт будет находиться во время солнечной протонной вспышки вне космического корабля, то доза облучения, обусловленная этим источником радиации, может во многих случаях превысить смертельную. Конструкция же отсеков пилотируемого космического корабля несколько ослабляет поток СКЛ. Однако в обычных отсеках космического корабля (бытовых, рабочих и лабораторных) это ослабление невелико, и СКЛ могут представлять серьезную опасность для здоровья космонавтов.
По этой причине в одном из наиболее защищенных отсеков (обычно в спускаемом аппарате, имеющем значительную толщину тепловой защиты, предохраняющей экипаж от перегрева при возвращении на Землю) необходимо расположить оборудование так, чтобы данный отсек можно было использовать в качестве радиационного убежища. Например, при орбитальных полетах в зоне экранирующего действия магнитосферы Земли спускаемый аппарат космического корабля «Союз» оказывается достаточно надежным радиационным убежищем. Таким образом, необходимо применять специальные меры по обеспечению радиационной безопасности космонавтов при длительных космических полетах, включая создание радиационного убежища для укрытия космонавтов во время мощных солнечных вспышек, постоянное функционирование службы прогноза и контроля ухудшения радиационной обстановки и т.п.
Радиационный пояс Земли (РПЗ) — это потоки заряженных частиц (протонов и электронов), захваченных геомагнитным полем и образующих области повышенной радиации. РПЗ оказывается основным постоянным источником радиационной опасности при полетах в околоземном пространстве.
Рассматривают две области РПЗ: внутреннюю и внешнюю. Энергия протонов, составляющих внутреннюю область РПЗ, достигает нескольких сот мегаэлектронвольт. Эта область простирается на расстояние от нескольких сот до нескольких тысяч километров от поверхности Земли. В районе 35° ю.ш. и 325° в.д. РПЗ опускается до значительно меньшей высоты, образуя так называемую Южно-Атлантическую аномалию. Потоки протонов РПЗ в области аномалии составляют основной источник радиационной опасности при космических полетах по орбитам, расположенным ниже РПЗ.
В центральной зоне внутренней области РПЗ, находящейся на расстоянии 2000—3000 км от поверхности Земли, мощность эквивалентной дозы облучения протонами РПЗ достигает нескольких сот бэр в сутки, так что радиационная опасность в этой области пространства исключительно большая. Полет пилотируемых космических кораблей в центральной зоне внутренней области РПЗ невозможен без специальной защиты космонавтов. Вместе с тем кратковременное пересечение РПЗ вполне допустимо, особенно если трасса полета не проходит через его центральную зону или если экипаж в момент пересечения пояса находится в более защищенном отсеке.
При уменьшении высоты круговой орбиты над поверхностью Земли до 400—500 км радиационная опасность резко уменьшается и соответственно увеличивается допустимая продолжительность полетов пилотируемых космических кораблей без специальной защиты.
Пространственное распределение электронов РПЗ характеризуется двумя четко выраженными максимумами, первый из которых находится во внутренней области пояса на расстоянии около 3000 км, а второй — во внешней области пояса на расстоянии около 22 000 км от поверхности Земли. Вблизи первого максимума мощность эквивалентной дозы облучения достигает десятков и даже сотен тысяч бэр в сутки, так что радиационная опасность от электронов РПЗ в этой области околоземного пространства исключительно высока. Вблизи второго максимума мощность эквивалентной дозы облучения примерно на порядок ниже и составляет около 104 бэр в сутки.
Высокие значения мощности эквивалентной дозы облучения электронами РПЗ (без специальной защиты обитаемых отсеков космических кораблей) характерны для значительной части околоземного пространства. Это необходимо учитывать как при планировании выхода космонавтов в открытый космос в этой части околоземного пространства, так и при создании радиационной защиты обитаемых отсеков орбитальных станций.
Итак, степень радиационной опасности сильно зависит от траектории и продолжительности полета космического корабля. При полетах длительностью в один — три месяца в околоземном космическом пространстве ниже РПЗ Земли радиационное воздействие на экипаж за год сравнимо с уровнями облучения при профессиональней деятельности в земных условиях, связанной с ядерно-техническими установками. Так, при 84-суточном полете на орбитальной станции «Скайлэб» доза облучения экипажа достигала 10—15 бэр, а при 96-суточном полете на станции «Салют-6» эта доза составила около 3 бэр. Для сравнения укажем, что годовая допустимая доза облучения, регламентируемая нормами радиационной безопасности для профессиональной деятельности в земных условиях, составляет 5 бэр.
Меньшее значение дозы облучения для экипажа станции «Салют-6» при большей длительности его полета объясняется более низкой орбитой советской станции. На относительно низких орбитах полета станции радиационная обстановка в ее отсеках лучше, но при этом требуется больше топлива для коррекции высоты орбиты, поскольку на низких орбитах торможение в остаточной атмосфере более существенно. Длительному функционированию станции «Салют-6» на такой орбите способствовало осуществление доставки топлива для коррекции высоты орбиты с помощью грузового космического корабля «Прогресс-1». Можно сказать, что именно запуск этого грузового космического корабля помог в несколько раз снизить дозу облучения первого основного экипажа станции «Салют-6».
При дальнейшем увеличении длительности полета пропорционально возрастает доза облучения ГКЛ, почти неослабляемого конструкциями корабля, а также появляется опасность облучения в результате нескольких солнечных вспышек. В этом случае уже не представляется возможным обеспечить необходимую защиту экипажа только путем рациональной компоновки отсеков корабля и требуется дополнительная масса вещества для создания специальной защиты. При полете в межпланетном пространстве длительностью до года вес дополнительной защиты радиационного убежища составит несколько тонн. Причем такие затраты веса оправдываются только в том случае, если космонавты успевают вовремя укрыться в этом убежище. С этой точки зрения нерегулярный характер случаев ухудшения радиационной обстановки от солнечных вспышек представляет особую проблему.
Широкие исследования солнечной активности, и особенно солнечных вспышек, выполняемые разнообразными астрофизическими методами, в том числе наблюдения, проводимые непосредственно на борту орбитальных станций, создали основу для прогнозирования радиационной опасности, связанной с отдельными явлениями такого типа. Для постоянного контроля и прогноза радиационной опасности и разработки оперативных рекомендаций по защитным мероприятиям, выполняемым экипажем, в нашей стране создана Служба радиационной безопасности космических полетов, которая, в частности, обслуживала полет станции «Салют-6».
Таким образом, радиационная опасность при космических полетах может быть снижена. Основные способы достижения этой цели -— создание защиты и проведение оперативных мероприятий на основе контроля и прогноза радиационной обстановки на трассах полета космических кораблей и станций. Для их реализации необходима затрата значительных ресурсов (весовых, энергетических, финансовых), которые требуют рационального, оптимального распределения. Поэтому для того, чтобы обеспечить безопасность полета в целом, необходимо решить вопрос о мере безопасности. Другими словами, вопрос в том, что принимать за меру опасности и каким должно быть ее граничное значение, отделяющее безопасные условия от опасных. Решение этого вопроса достигается усилиями специалистов по обеспечению радиационной безопасности, радиобиологии, физике противорадиационной защиты.
«Временные нормы радиационной безопасности космических полетов» — ВНРБ-75
Проблема обеспечения безопасности космических полетов обусловлена, как уже указывалось выше, наличием источников опасности для здоровья космонавтов, с одной стороны, и существующими в настоящее время ограничениями массы космических объектов — с другой. Это вынуждает при планировании космических полетов искать компромисс между имеющимися возможностями ракетно-космической техники и способностью человека выполнить заданную программу полета в условиях повышенного (по сравнению с обычными земными условиями) уровня риска для его здоровья и жизни.
Технические возможности по осуществлению запусков в космос не позволяют в настоящее время снабдить космонавтов такой же защитой, какой защищен персонал ядерно-технических установок в земных условиях. Проблема радиационной защиты экипажей космических кораблей оказывается очень сложной также и вследствие того, что во время полета возможны значительные отклонения (вариабельность) радиационной обстановки от среднего уровня. Эти отклонения могут быть связаны как с вероятностным характером действия источников радиации, так и с возможностью возникновения потенциально опасных ситуаций на самом корабле. В целом это приводит к конечной вероятности превышения любого значения дозы радиационного облучения, установленного в качестве критерия радиационной безопасности для условий космического полета. Следует также учесть, что проявления радиобиологических эффектов вследствие естественной вариабельности также носят вероятностный характер. Поэтому становится ясным, что регламентированное значение дозы облучения не может быть однозначной мерой радиационной безопасности, и адекватной мерой радиационной безопасности следовало бы признать вероятность неблагоприятных последствий.
Именно исходя из необходимости ограничить социально значимые последствия при воздействиях космической радиации, как, например, снижение работоспособности и сокращение продолжительности жизни человека, разработаны «Временные нормы радиационной безопасности космических полетов» — ВНРБ-75. Эти нормативы утверждены Министерством здравоохранения СССР и определяют требования к обеспечению радиационной безопасности как при проектировании защиты, так и при осуществлении космических полетов длительностью до одного года.
Нельзя не отметить большого значения этого документа для развития отечественной космонавтики и космической медицины. Создатели космических кораблей и пилотируемых орбитальных станций получают практические ориентиры — нормативные уровни радиационного воздействия в зависимости от длительности пребывания человека в космическом пространстве. Для космической медицины появляется возможность интеграции отдельных систем жизнеобеспечения и безопасности полета в единый комплекс медицинского обеспечения.
Следует также подчеркнуть, что в утвержденных нормативах воплощен обобщенный опыт обеспечения радиационной безопасности космических полетов, накопленный как в нашей стране, так и в США. При разработке этих нормативов использовались клинические материалы по радиационным воздействиям в профессиональных условиях, при клиническом применении лучевой терапии, результаты комплексных экспериментов и исследований биологического действия протонов и многозарядных ионов на ускорителях заряженных частиц, данные радиобиологических космических исследований, а также рекомендации Международной комиссии по радиационной защите и нормативы радиационной безопасности, применяемые в СССР.
ВНРБ-75 распространяются на все радиационные факторы, которые в условиях космического полета могут воздействовать на экипаж пилотируемого летательного аппарата любого назначения. Среди наиболее важных положений этого документа можно отметить следующее. «Нормативный уровень радиации — величина суммарного эквивалента дозы радиации за время космического полета, которая в свете современных представлений не приводит к существенному для выполнения программы полета снижению работоспособности участников космического полета и к появлению неблагоприятных последствий после его завершения».
Общие принципы, положенные в основу ВНРБ-75, таковы:
• космические полеты человека относятся к виду деятельности с высоким общим уровнем риска;
• космические полеты осуществляются в условиях возможного неблагоприятного воздействия многих факторов, включая радиацию;
• успешное осуществление программы космического полета определяется условием сохранения работоспособности экипажа в заданных пределах;
• система обеспечения безопасности предназначена для сохранения здоровья и жизни участников космических полетов и ограничения риска неблагоприятных последствий;
• с учетом общего количества участников космических полетов в предстоящий период генетические эффекты действия радиации практически исключаются.
Исходные радиобиологические предпосылки, использованные при разработке ВНРБ-75, заключаются в следующем. Во-первых, при суммарной дозе стандартного облучения, составляющей 70—100 рад, и мощности дозы не более 20 рад в год не достигаются дозы, обусловливающие формирование клинически выраженных проявлений лучевого заболевания даже со стороны наиболее поражаемых органов и систем. Во-вторых, при суммарных дозах стандартного облучения порядка 100—150 рад и мощности дозы облучения 20—50 рад в. год могут возникать у некоторых людей (20—30%) «стертые» проявления заболевания. Сроки формирования подобного синдрома затягиваются до 2—5 лет от начала облучения (симптомы лучевого повреждения выражены слабо). В-третьих, при суммарных дозах стандартного облучения более 150—400 рад и мощности дозы облучения больше 100 рад в год у 80—90% людей развивается клинический синдром хронической лучевой болезни с вовлечением в реакцию большинства органов и систем. Формирование синдрома происходит в первые 1—2 года. Нарушения, требующие госпитализации по клиническим показаниям, очень ограничены и встречаются в единичных случаях.
Главную часть ВНРБ-75 составляют нормативные уровни радиации при космических полетах. Для проектных расчетов защиты экипажей космических кораблей и пилотируемых орбитальных станций установлены следующие нормативные уровни радиации (НУР) в зависимости от длительности космического полета (Т):
Т, месяцы 1 2 3 4 5 6 8 10 12
НУР, бэр за полет 50 65 80 90 100 110 125 140 150
Эти значения относятся к равномерному общему облучению всего тела и к воздействию на костный мозг. В расчетах защиты эффективную глубину залегания костного мозга принимают равной 5 см ткани. В случае неравномерного облучения тела используются следующие множители: кожа—3, хрусталик глаза — 1,5 и гонады(продуцирующие половые клетки) — 0,5. Для того чтобы получить нормативные уровни радиации при расчетах защиты в общем случае неравномерного облучения тела, нужно значения НУР, приведенные в таблице, умножить на эти множители.
Расчет защиты проводится так, чтобы радиационное воздействие на любой из указанных органов не превышало соответствующего значения НУР. Например, защита экипажа от радиации при длительности его пребывания в космосе 3 месяца должна быть такой, чтобы радиационное воздействие на все тело (равномерное облучение) не превышало 80, на костный мозг — 80, на кожу — 240, хрусталик глаза — 120 и гонады — 40 бэр. Таким образом, доза облучения первого основного экипажа станции «Салют-6» не превышает примерно 1/27 НУР для полетов такой длительности.
Наряду с ограничением уровня радиационного воздействия на экипаж за время полета в ВНРБ-75 содержатся и требования к надежности защиты от радиации при космических полетах. При этом надежность защиты пилотируемого летательного аппарата определена как «вероятность непревышения нормативного уровня радиации в условиях данного полета». Хотя требования к надежности защиты от радиации при космических полетах устанавливаются в зависимости от назначения пилотируемого летательного аппарата, однако во всех случаях надежность защиты должна быть не «иже 0,99 при доверительной вероятности 0,90. Это означает, что, например, при длительности полета в один год риск превышения нормативного уровня радиации, составляющего не более 150 бэр за такой полет, не должен превышать 1% при «риске заказчика» 10%.
Неопределенность в исходных данных при расчетах защиты, а также неопределенности, связанные с условиями эксплуатации данного летательного аппарата и т.п., выражаются величиной «риска заказчика» — вероятностью реализации (во время данного космического полета) таких ситуаций, при которых надежность защиты от радиации оказывается ниже требуемого уровня, или соответствующим значением доверительной вероятности.
Использование в качестве критерия не только значения дозы облучения, но и вероятности ее превышения позволяет создателям космического корабля правильнее распределять ограниченные весовые ресурсы на отдельные системы корабля и учитывать не только средние характеристики радиационной обстановки на трассе, но и вероятные отклонения от этих средних величин. Такой подход позволяет оптимизировать распределение ресурсов корабля и определять целесообразность весовых затрат на повышение надежности радиационной защиты.
При таком подходе создание защиты экипажей космических кораблей от ионизирующей радиации становится в один ряд с другими техническими проблемами обеспечения жизнедеятельности человека в космосе, успешное решение которых зависит в конечном итоге от выделенного весового ресурса. В целом же в пределах указанной длительности полета современный уровень ракетной техники, космонавтики, космической медицины и технической физики обеспечивает успешное решение проблемы радиационной безопасности экипажей космических кораблей.
Наноматериалы при защите от радиации.
В связи с увеличением сроков активного существования современных космических аппаратов(КА), созданием негерметичных конструкций и малых КА разных классов, подготовкой к реализации проектов строительства лунных баз и полета на Марс, а также ряда других космических проектов, все большее внимание уделяется разработке новых материалов для использования в системах радиационной защиты КА. Весьма перспективными в этом отношении являются различные композиционные материалы, включая нанокомпозиты. Решение задачи повышения эффективности систем радиационной защиты КА, предназначенных для межпланетных полетов, при одновременном снижении их габаритно-весовых характеристик принципиально возможно путем использования активных и комбинированных систем защиты. Действия первых основано на создании в окрестности КА мощных магнитных полей, способных отклонять заряженные частицы высокой энергии. Основные принципы создания и наиболее важные конструкционные параметры такой защиты применительно к проектированию марсианского пилотируемого космического корабля уже разработаны. Для обеспечения требуемых параметров магнитной защиты необходимо применение сверхпроводящих электромагнитов, в обмотках которых могут быть использованы специальные провода, изготовленные с помощью нанотехнологий. Однако создание подобных систем является достаточно сложной технической задачей. Поэтому при окончательном выборе оптимальной схемы и конструкции защиты необходимо руководствоваться критериями допустимых рисков, которые устанавливаются для разрабатываемых проектов. Развитием концепции активной защиты является ее сочетание с традиционной пассивной защитой, создаваемой с помощью экранов. В случае использования такой защиты, называемой комбинированной, заряженные частицы, отклоняемые сверхпроводящим магнитом, проходят достаточно большой путь в слоях пассивной защиты, что приводит к повышению эффективности защиты при заданных габаритно-весовых характеристиках. В такой защите в качестве материалов, поглощающих энергию частиц, предпочтение отдается новым материалам на основе полимерных композитов. Для снижения массы защитных радиационных экранов и уменьшения эффективности процесса рождения в них вторичных частиц необходимо использовать экраны, состоящие из элементов с малыми значениями ядерного заряда Z. Поэтому активно исследуется возможность применения водородсодержащих материалов, к которым относится значительная часть полимеров, а также материалов, содержащих B и нитрид бора BN. При взаимодействии тяжелых ядер ГКЛ с легкими элементами эффективно идет процесс распада первичных ядер на фрагменты с малой длиной пробега в материале экрана, вследствие чего радиационные потоки за экраном в значительной степени ослабляются, а их энергетические спектры становятся более «мягкими». Таким образом, введение легких элементов в состав материала защитного экрана повышает его эффективность. В качестве примера на рис. 5.11 приведены микрофотографии образцов полимерного композита при различном процентном содержании микрочастиц BN, являющихся наполнителем.
Рис. 5.11. Композит на основе полиэтилена с различным объемным содержанием микрочастиц BN: а – 1%; б – 5%; в – 15%
В связи с тем, что при разработке современных и перспективных КА стремятся максимально использовать многофункциональные материалы, к материалам радиационной защиты предъявляются требования высокой механической прочности, термостойкости и наличия необходимых в каждом конкретном случае электрофизических характеристик. Поэтому разрабатываемые новые композиционные материалы радиационной защиты проходят экспертные оценки и испытания с учетом указанных требований.
Рис. 5.12. Зависимость эквивалентной дозы, обусловленной частицами ГКЛ, от толщины защитных экранов, изготовленных из разных материалов: 1 – алюминий; 2 – лунный реголит; 3 – вода;
4 – полиэтилен
На рис. 5.12 показана зависимость эквивалентной дозы, обусловленной частицами ГКЛ, от толщины защитных экранов из различных материалов. Здесь в числе прочих материалов представлен лунный реголит, рассматриваемый в качестве строительного материала в некоторых проектах обитаемых лунных баз. Как видно из рисунка, реголит обеспечивает более высокий уровень защиты по сравнению с алюминием, а наибольшее ослабление поглощенной дозы при одинаковых массовых толщинах экрана достигается в данном случае при использовании полиэтилена. Помимо непосредственного создания полимерных композитов с микро- и нановключениями рассматриваются различные варианты синтеза материалов с более сложной структурой. Так, предложен материал, в котором в полимерную матрицу вводятся стеклянные сферы микронных размеров, которые могут заполняться различными веществами. Путем варьирования материалов матрицы и наполнителя сфер, а также размеров последних, их количества в матрице и концентрации наполнителя в сферах можно направленно изменять радиационно-защитные свойства материала.
Рис. 5.13. Зависимость коэффициента ослабления потока протонов
η (а) и числа генерируемых нейтронов n (б) от толщины экрана:
1 – алюминий; 2 – новый материал
На рис. 5.13а показаны зависимости коэффициента ослабления потока протонов с энергетическим спектром, характерным для СКЛ, от толщины защитных экранов, изготовленных из алюминия и предложенного нового материала, а на рис. 5.13б – аналогичные зависимости количества нейтронов, генерируемых одним
протоном внутри экранов. Видно, что новый материал обладает предпочтительными характеристиками в обоих случаях. Обсуждавшая выше роль водорода в обеспечении эффективной радиационной защиты иллюстрируется рис. 5.14, на котором показаны зависимости тех же параметров от концентрации водорода внутри стеклянных микросфер, введенных в полимерную матрицу.
Математическое моделирование позволяет также исследовать влияние структуры композита на его радиационно-защитные характеристики. Выше отмечалось, что при создании нанокомпозитов необходимо учитывать степень растворимости» наночастиц наполнителя в матрице. В зависимости от соотношения энергетических параметров, характеризующих взаимодействие наночастиц между собой и с полимерной матрицей, частицы могут распределяться равномерно по объему материала либо объединяться в конгломераты с поперечными размерами ~1−50 мкм. На рис. 5.16 показана модель композиционного материала с неравномерным распределением наполнителя. Частицы наполнителя заключены в цилиндрические оболочки диаметром 50 мкм, ориентированные перпендикулярно оси Z, вдоль которой падал пучок протонов с энергией 20МэВ.
Рис. 5.16. Модель композиционного материала с цилиндрическими микровлючениями
На рис. 5.17 показано рассчитанное распределение поглощенной энергии в плоскости XZ внутри такого композита, матрицей которого являлся полиэтилен, а наполнителем – водород. Следующим шагом при проведении моделирования радиационных воздействий на структурированные материалы должен быть переход к материалам, содержащим наноразмерные элементы. Такой переход может быть осуществлен путем применения комплекса GEАNT4, в котором, как уже отмечалось, нижняя граница энергии отслеживаемых при расчете частиц уменьшена до 10 эВ.
Рис. 5.17. Распределение поглощенной энергии в плоскости XZ модели композита
Таким образом, новые композиционные материалы, создаваемые с применением микро- и наноразмерных наполнителей, могут с успехом применяться при создании систем радиационной защиты перспективных КА, предназначенных для длительной эксплуатации на околоземных орбитах и межпланетных полетов. Рассмотренные методы математического моделирования позволяют произвести оптимизацию состава и структуры композитов применительно к конкретным условиям эксплуатации КА.
Заключение
В ближайшие годы разнообразные конструкционные и
функциональные наноматериалы и изделия на их основе будут
все шире использоваться при создании новых образцов косми-
ческой техники, что значительно изменит подходы к конструи-
рованию КА и сыграет огромную роль в осуществлении круп-
номасштабных космических проектов первой половины
XXI столетия.
Однако для успешной реализации рассмотренных в настоящем
пособии программ развития космических нанотехнологий и внед-
рения наноматериалов в космическую технику еще предстоит
решить целый ряд сложных фундаментальных и прикладных за-
дач, в числе которых важное место занимают задачи, связанные с
изучением поведения наноматериалов в условиях космического
пространства. Для решения последних необходимо создать физи-
ко-математические модели, адекватно описывающие воздействие
факторов космического пространства различной природы на на-
ноструктуры, разработать лабораторные установки нового поко-
ления для исследования изменения свойств наноматериалов в
космической среде, подготовить и провести космические экспе-
рименты по тестированию наноматериалов и изготовленных из
них изделий.
Список литературы
Л.С.Новиков «Радиационные воздействия на материалы космических аппаратов: учебное пособие» /Университетская книга, 2010. – 192 с.
М.Р.Шарп «Человек в космосе», Москва, 1971.
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B0%D0%B3%D0%B0%D1%80%D0%B8%D0%BD,_%D0%AE%D1%80%D0%B8%D0%B9_%D0%90%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%81%D0%B5%D0%B5%D0%B2%D0%B8%D1%87
http://www.nanonewsnet.ru/articles/2011/kratko-ob-itogakh-vserossiiskoi-shkole-seminare-funktsionalnye-nanomaterialy-dlya-kosm
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B0%D0%B4%D0%B8%D0%B0%D1%86%D0%B8%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%BF%D0%BE%D1%8F%D1%81
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BE%D1%81%D0%BC%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B5_%D0%BB%D1%83%D1%87%D0%B8#.D0.A1.D0.BE.D0.BB.D0.BD.D0.B5.D1.87.D0.BD.D1.8B.D0.B5_.D0.BA.D0.BE.D1.81.D0.BC.D0.B8.D1.87.D0.B5.D1.81.D0.BA.D0.B8.D0.B5_.D0.BB.D1.83.D1.87.D0.B8
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BD%D0%BE%D1%81_(%D1%88%D0%B8%D0%BC%D0%BF%D0%B0%D0%BD%D0%B7%D0%B5)
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D0%B0%D0%B9%D0%BA%D0%B0_(%D1%81%D0%BE%D0%B1%D0%B0%D0%BA%D0%B0-%D0%BA%D0%BE%D1%81%D0%BC%D0%BE%D0%BD%D0%B0%D0%B2%D1%82)
http://elementy.ru/LHC/LHC/accelerator/magnets
http://rosnauka.ru/news/295 |
| Категория: Наноинженерия (рефераты) | Добавил: anufrievaulia (20.01.2016)
|
| Просмотров: 1334
| Рейтинг: 0.0/0 |
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи. [ Регистрация | Вход ] |
|