Обитаемые космические станции - Бубнов Игорь

Способы защиты от космической радиации могут быть пассивными и активными. Пассивные способы аналогичны тем, которые применяются в настоящее время в практике реакторостроения, и основаны на свойствах материалов поглощать и частично отражать радиацию. Активные способы — это отражение протонов с использованием электростатических или электромагнитных полей. Используя положительный заряд протонов, можно воздействием поля изменить направление их потока и заставить обойти космическую станцию. Активная защита более эффективна, но связана с очень большим расходом энергии.

Пассивная защита может осуществляться экранированием наиболее ответственных, в первую очередь жилых и рабочих, отсеков ОКС щитами из материала, обеспечивающего уменьшение дозы ниже допустимого предела. Наилучшей поглощающей способностью обладают элементы с высоким атомным весом и прочными электронными связями, например свинец. Он является эффективным защитным материалом не только от протонов, но и от вторичных продуктов радиации. Водород, например, в качестве защиты от протонов по весу в пять раз эффективнее свинца, но водород беспомощен против гамма-излучения. Система же защиты свинцовыми экранами имеет очень большой вес.

На графике рис. 23 в логарифмическом масштабе показано изменение потребного веса защитных свинцовых экранов в зависимости от допускаемой скорости нарастания биологической дозы, создаваемой протонами внутреннего пояса радиации на высоте 3500 км и протонами от солнечной вспышки в мае 1959 г. [16].

На том же графике можно видеть, что если экипаж ОКС длительное время находится на орбите и существует опасность возникновения солнечной вспышки, то для снижения скорости нарастания дозы до более или менее приемлемого уровня (0,001 рентгена в минуту) свинцовая защита должна иметь толщину, соответствующую погонному весу более 500 кг на квадратный метр.

Приведенные зависимости носят, разумеется, общий оценочный характер и нуждаются в дальнейшем уточнении. Однако уже в таком виде они дают представление о потребной толщине свинцовых экранов и свидетельствуют о необходимости применения более эффективных в весовом отношении защитных материалов. Такими материалами могут оказаться исследуемые в настоящее время бор, углерод, полиэтилен и их комбинации.

Весьма перспективным средством повышения эффективности противорадиационной защиты считается комбинирование пассивного экрана с одним из активных способов.

Зная энергию приходящих протонов, нетрудно подсчитать потенциал электростатического поля для отражения всех протонов с заданным уровнем энергии. При создании электростатического поля вокруг космического аппарата его можно окружить двумя концентрическими сферами: внешней, заряженной отрицательно, и внутренней, заряженной положительно. Чем больше будет радиус внешней сферы, тем меньше величина заряда, которую надо сообщить сферам для отражения всех протонов с заданной энергией.

Разумеется, создание противорадиационной защиты подобного типа является пока лишь проблемой. При наличии внешней сферы с радиусом лишь в несколько метров (что само по себе связано с большими конструктивными трудностями) величина заряда, необходимая для защиты от высокоэнергичных протонов, должна быть огромной. Однако в условиях космического вакуума создать большие заряды, видимо, будет легче, чем в атмосфере, где велики токи утечки. Осуществимость такой противорадиационной защиты всецело зависит от создания сверхвысоковольтных электростатических генераторов приемлемого веса.

Электромагнитное поле также может изменять траекторию заряженных частиц, не изменяя их энергии. Для отражения высокоэнергичных протонов важна не только величина электромагнитного поля, но и его форма. Расчеты показывают, что для создания вокруг ОКС сферического защитного электромагнитного поля потребуется громадная электрическая мощность порядка 10-100 Мвт. Несколько эффективнее будут поля других, более сложных форм, например спиральное. Но нельзя забывать и о том, что наличие сильного электромагнитного поля вокруг ОКС затруднит выполнение многих научных экспериментов.

И все же надо полагать, что электромагнитный и электростатический способы противорадиационной защиты будут служить хорошим дополнением к пассивной защите экранированием. А в будущем, при полетах к другим планетам, быть может, они станут основным средством борьбы с радиационной опасностью.

Метеорные тела. Атмосфера надежно защищает поверхность Земли от еще одного «властелина» космоса — метеоров, метеорных дождей и потоков космической пыли. Подходя к поверхности Земли, большинство из этих посланцев космоса сгорает при входе в атмосферу на высоте 40-120 км.

До недавнего времени наши представления об истинных размерах метеорных потоков на больших высотах основывались лишь на оптических и радиолокационных наблюдениях. Только в последние годы благодаря многочисленным запускам исследовательских ракет, спутников и космических кораблей были получены обширные сведения, позволившие более строго подойти к оценке той опасности, которую представляют метеоры при продолжительных полетах людей в космосе.

Частицы космического вещества распределяются в пределах солнечной системы неравномерно и имеют самые различные физические свойства. Пока более или менее изучены метеорные потоки лишь в околоземной части межпланетного пространства, но они-то и представляют наибольший интерес с точки зрения создания ОКС. Обшивка орбитальных станций будет подвержена бомбардировке частицами различных размеров и массы.

Осколки больших метеорных тел, изредка достигающие земной поверхности, называются метеоритами. Они имеют относительно высокие плотности — от 2 г/см3 (плотность камня) до 8 г/см3 (плотность железа). Метеорные частицы кометного происхождения, составляющие 89 % в общем метеорном потоке, имеют, судя по косвенным оптическим и радиолокационным измерениям, гораздо меньшую плотность — ниже 0,05 г/см2 (плотность только что выпавшего снега). Около 10 % общего числа метеорных тел, встречающихся в околоземном пространстве, составляют осколки рассыпавшихся астероидов. Лишь 1 % всех метеорных частиц имеет галактическое происхождение.

Плотность метеора определяют обычно с Земли оптическими методами по яркости его свечения. Скорости метеорных потоков вблизи Земли достигают огромных величин — от 11 до 76 км/сек, причем, как полагают, наиболее интенсивно метеорные потоки действуют в плоскости эклиптики.

В чем же заключается метеорная опасность при полетах в космос? Продолжительные полеты искусственных спутников Земли показали, что вероятность столкновения в космосе с крупными метеорными телами весьма мала. Более реальную угрозу для экипажа и конструкции корабля представляют мелкие твердые частицы. При столкновении, их с обшивкой ОКС в ней могут образоваться сквозные пробоины, что может вызвать разгерметизацию кабины.

Метеорные частицы имеют самые различные размеры и вес. Наиболее крупные из них, весом от 510–3 до 2•10–5 г и диаметром от 1 до 0,2 см, составляют в общем потоке лишь около 0,3 %.

При проектировании обшивки ОКС нельзя забывать о том, что вероятность попадания микрометеора возрастает с увеличением размеров станции. Кроме того, толщина обшивки в значительной мере влияет на вес полезной нагрузки всей станции. Поэтому толщина обшивки должна быть выбрана оптимальной, причем ограничением является, с одной стороны, вес обшивки, с другой — возможность пробивания ее метеорными телами.

Учитывая, что вероятность попадания этих частиц в ОКС невелика, полет станции практически можно будет считать безопасным в течение длительного времени. Несмотря на это, конструкторам космических станций придется преодолеть немало трудностей при создании прочных и легких обшивок. Для этого им необходимо знать возможные глубины проникновения микрометеоров в различные материалы. Все эксперименты в этом направлении проведены пока что при скоростях метеорных частиц до 8 км/сек и плотностях материалов больших, чем это необходимо. Существует много различных оценок пробивных свойств микрометеоров. По опубликованным данным [21], глубина проникновения микрометеора в дюралевую обшивку в среднем равна 7,5 d, а в стальную — 4,4 d, где d- диаметр метеора. Тогда по средневероятностной оценке размеров метеоров для обшивки ОКС потребуется толщина 4,8 мм для дюраля (вес 1 м2 обшивки 12,6 кг) и 2,8 мм для стали (вес 1 м2 обшивки 21,4 кг).