Вариации радиационной обстановки на международной космической станции на фазе спада 23-го цикла солнечной активности тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

Лишневский Андрей Эрикович

ВАРИАЦИИ РАДИАЦИОННОЙ ОБСТАНОВКИ НА МЕЖДУНАРОДНОЙ КОСМИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ НА ФАЗЕ СПАДА 23-го ЦИКЛА СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ

01.04.08 - Физика плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

24 АЛР2014

Москва - 2014

005547442

005547442

Работа выполнена в отделе космофизических исследований Научно-исследовательского института ядерной физики имени Д.В. Скобельцына МГУ имени М.В. Ломоносова.

Научные руководители:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор физико-математических наук, профессор,

Панасюк Михаил Игоревич

кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, Бенгин Виктор Владимирович

доктор физико-математических наук,

старший научный сотрудник федерального государственного бюджетного учреждения «Институт прикладной геофизики имени академика Е.К. Федорова», Нусинов Анатолий Абрамович

кандидат физико-математических наук,

старший научный сотрудник федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», Михайлов Владимир Владимирович

Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова Российской Академии Наук

¡я_ 2014 года в 15 часов 00 минут на заседании

Защита состоится « 14 » ма диссертационного совета Д501.001.45 на базе Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова по адресу: Россия, 119991, Москва, Ленинские горы, дом 1, строение 5 (19-й корпус НИИ ядерной физики имени Д.В. Скобельцына МГУ имени М.В. Ломоносова), в аудитории 2-15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИ ядерной физики имени Д.В. Скобельцына МГУ имени М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан « » апреля 2014 г.

Учёный секретарь

диссертационного Совета Д501.001.45 кандидат физико-математических наук

(^СШГ^охник

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Ионизирующие излучения космического пространства являются важным фактором, ограничивающим возможности работы космической техники и людей в космическом пространстве. Необходимость совершенствования модельного описания радиационной обстановки в околоземном космическом пространстве общеизвестна и отражается в предпринимаемых в последнее время усилиях международной коллаборации специалистов по разработке моделей АЕ-9, АР-9. Одна из побудительных причин создания новых моделей - необходимость улучшения точности прогнозирования уровней радиационного воздействия на аппаратуру и людей, находящихся на космических аппаратах.

За время эксплуатации орбитального комплекса «Международная Космическая Станция» (МКС) был накоплен длительный мониторный ряд данных по радиационной обстановке, покрывающий более половины 23-го солнечного цикла от максимума до минимума. В этот период наблюдались значительные вариации радиационной обстановки на орбитальной станции. Одновременно, на фазу спада 23-го цикла выпал уникально спокойный период солнечной активности. Удачно совпало, что в течение этого времени на МКС функционировала штатная система радиационного контроля (СРК). Четыре дозиметрических блока ДБ-8, входящих в состав СРК, имели различные условия защищенности детекторов элементами конструкции и оборудованием МКС, что позволило оценивать перепад доз в Служебном модуле МКС при различных радиационных условиях. Детекторы ДБ-8 позволили получить длительный однородный ряд дозиметрических данных. Поэтому, в целях дальнейшего совершенствования методов оценки и прогнозирования радиационной обстановки на МКС, представляется целесообразным получить закономерности вариаций дозы на борту МКС в период спокойных гелиогеофизических условий.

Цель работы

В настоящей диссертации в качестве объекта исследования выбрана радиационная обстановка на орбитах пилотируемых орбитальных станций. Предметом исследования являются закономерности влияния вариаций ГКЛ и характеристик орбитального движения МКС на изменения доз ионизирующего излучения на МКС.

Целью диссертационной работы является определение вариаций вклада ГКЛ и протонов внутреннего радиационного пояса Земли (РПЗ) в поглощенную дозу на борту МКС и разработка, на базе полученных эмпирических закономерностей, инженерной методики краткосрочного прогнозирования радиационной обстановки на МКС по данным СРК.

Задачи исследования

Задачами диссертационной работы является:

1. Разработать методику обработки данных дозиметрических блоков ДБ-8 системы радиационного контроля МКС, обеспечивающую оценку вклада в дозу на МКС, обусловленного галактическими космическими лучами (ГКЛ) и внутренним радиационным поясом Земли (РПЗ), а также получить ряды данных о вкладе в суточную поглощенную дозу от ГКЛ и РПЗ для детекторов ДБ-8, имеющих наибольшую и наименьшую защищенность элементами конструкции и оборудованием МКС.

2. Исследовать влияние вариаций потока ГКЛ на среднесуточную мощность дозы на борту МКС и возможное влияние параметров орбиты МКС на вклад РПЗ в среднесуточную мощность дозы на борту МКС

3. Создать и верифицировать по данным СРК (Системы Радиационного Контроля) методику краткосрочного прогнозирования динамики накопления дозы на МКС

Научная новизна результатов, полученных в диссертации, состоит:

1. В охватывающем более половины цикла солнечной активности ряде данных, характеризующих вклад галактических космических лучей (ГКЛ) в среднесуточную дозу на борту МКС.

2. В экспериментальных зависимостях поглощенной дозы, получаемой МКС при прохождении зоны внутреннего радиационного пояса Земли (РПЗ), от параметров траектории станции, характеризующих это прохождение.

Получены следующие результаты: I. На основе анализа данных СРК за период 2005 - 2009 гг., характеризовавшийся низким уровнем солнечной активности, определен вклад в суточную дозу, вносимый ГКЛ и РПЗ.

И. Установлено, что доза от ГКЛ практически не зависит от условий защищенности детекторов СРК оборудованием МКС.

III. Показано, что изменения дозы от ГКЛ на борту станции хорошо коррелируют с изменениями интенсивности потоков космических лучей, прослеживаемых по данным нейтронных мониторов: коэффициенты корреляции Пирсона [1] между вкладом в среднесуточную мощность дозы от ГКЛ и скоростью счета нейтронного монитора по данным станции в г. Апатиты составляют, соответственно, 0,91 и 0,92 для наименее защищенного и наиболее защищенного окружающим оборудованием станции детекторных блоков СРК.

IV. Найдено, что доза от РПЗ на МКС существенно зависит от условий защищенности детекторов и высоты орбиты, соответствующие изменения могут превышать 2 раза и более.

V. Получены эмпирические формулы, позволяющие производить оценки дозы, получаемой МКС при прохождении через внутренний радиационный пояс Земли (область Южно - Атлантической Аномалии (ЮАА).

VI. Разработаны и апробированы методики обработки данных СРК (предварительно дешифрованных специализированными программными комплексами в Центре управления полетами ЦНИИмаш и в Институте медико-биологических проблем РАН), полученных в различных режимах функционирования комплекса СРК на МКС.

VII. На основе данных СРК разработана инженерная методика прогнозирования динамики накопления дозы на МКС. Показано, что при значении доверительной вероятности, равном 96%, погрешность методики не более 25% для наиболее защищенного окружающим оборудованием станции детекторного блока СРК (для наименее защищенного - погрешность не более 32%).

Практическая значимость

Практическая значимость результатов, полученных в диссертации, состоит в разработке инженерной методики расчетной оценки дозы на МКС. Эта методика может быть в дальнейшем использована для анализа дозиметрической информации при оперативном обеспечении радиационной безопасности экипажей МКС.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

I. Проведенный анализ данных СРК за период 2005 - 2009 гг., характеризовавшийся низким уровнем солнечной активности, позволил определить вклад в суточную дозу, вносимый как ГКЛ, так и РПЗ, в условиях спокойной радиационной обстановки. Впервые по результатам дозиметрических измерений за значительный временной период получены оценки вклада в суточную дозу от ГКЛ и от РПЗ. Было установлено, что вклад от ГКЛ в среднесуточную мощность дозы изменялся в период 2005 - 2009 гг. в интервале от 0,08 ± 0,01 до 0,11 ± 0,01 мГр/сут, независимо от места расположения дозиметрического блока (что составляет от 57% до 44% вклада в суточную дозу для наиболее защищенного детектора ДБ-8 №4 и от 35% до 27% вклада в суточную дозу для наименее защищенного детектора ДБ-8 №1).

II. Установлено, что доза от РПЗ на МКС существенно зависит от высоты орбиты станции. Вклад в среднесуточную мощность дозы от РПЗ в период 2005 - 2009 гг. изменялся от 0,06 до 0,14 мГр/сут (от 43% до 56% среднесуточной дозы) для наиболее защищенного детектора ДБ-8 №4 и от 0,15 до 0,30 мГр/сут (от 65% до 73% среднесуточной дозы) для наименее защищенного детектора ДБ-8 №1, при изменении высоты прохождения станцией области ЮАА от 320 до 380 км.

III. Предложенная на основе анализа данных СРК инженерная методика краткосрочного прогнозирования дозы на МКС позволяет, на основе дозиметрических данных СРК и баллистической информации о параметрах орбиты станции, осуществить краткосрочный прогноз (на 1-2 суток) динамики накопления дозы на МКС с погрешностью не более, чем 25% (для ДБ-8 №4) и 32% (для ДБ-8 №1), с доверительной вероятностью, равной 96%.

Достоверность полученных результатов подтверждается использованием в процессе компьютерной обработки информации данных, поставляемых штатной системой дозиметрического контроля МКС, использующейся для обеспечения безопасности жизнедеятельности действующих экипажей Международной Космической Станции, совпадением результатов краткосрочного прогнозирования дозы на МКС с эмпирическими данными о радиационной обстановке на станции с приемлемой точностью, а также согласием представленных в диссертационной работе численных оценок вклада в суточную дозу на станции, вносимого ГКЛ и РПЗ, с аналогичными результатами других исследовательских групп [2].

Личный вклад

Разработка специализированного программного обеспечения и обработка дозиметрических данных системы радиационного контроля МКС были проведены диссертантом самостоятельно. Обсуждение и интерпретация полученных результатов проводились совместно с научными руководителями, а также с другими соавторами публикаций.

Апробация результатов работы

Материалы, вошедшие в диссертацию, докладывались на следующих международных конференциях: международная конференция «Влияние космической погоды на человека: в космосе и на Земле» (Москва, 4-8 июня 2012 г.), международная конференция «VII международный аэрокосмический конгресс IAC'12» (Москва, 26 — 31 августа 2012 г.), научной конференции «Ломоносовские чтения» (Москва, 15-19 апреля 2013 г.), «XIV конференция по космической биологии и авиакосмической медицине с международным участием, посвященная 50-летию создания ИМБП РАН» (Москва, 28 - 30 октября 2013 г.)

Публикации

Основное содержание диссертации изложено в 4 печатных работах, приведённых в конце автореферата: 4 в рецензируемых статьях [AI, А2, A3, A4], 4 из которых - в научных журналах из списка ВАК, а также в тезисах и трудах международных конференций [А5, А6, А7].

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, выводов и списка цитируемой литературы из 57 наименований. Объём работы составляет 133 страницы текста, включая 75 рисунков и 19 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, определены цель, предмет и объект исследования, поставлены задачи исследования, сформулированы научная новизна и практическая ценность результатов диссертационной работы, кратко рассмотрено ее содержание, а также приведены положения, выносимые на защиту.

В петой главе представлена история экспериментальных исследований, посвященных изучению радиационной обстановки в околоземном космическом пространстве, представлены основные понятия и определения, дано описание основных источников космической радиации на орбитах пилотируемых орбитальных станций и закономерностей, которым подчиняются вариации радиационной обстановки на околоземных орбитах. Кроме этого, в первой главе представлен обзор моделей, описывающих радиационную обстановку в ближнем космосе, дано описание их практического применения для нужд краткосрочного, среднесрочного и долгосрочного прогнозирования радиационной обстановки, обоснована необходимость в дальнейшем совершенствовании методов оценки и прогнозирования радиационной обстановки на пилотируемых орбитальных комплексах и перспективных пилотируемых космических аппаратах.

Во второй главе дается описание системы радиационного контроля (СРК), развернутой в модуле «Звезда» Международной космической станции. Представлены основные задачи СРК, ее структурная схема и связь с другими бортовыми системами Служебного модуля МКС. Дается подробное описание детекторов радиации СРК (представлено описание одного из ключевых элементов системы СРК - дозиметрических блоков ДБ-8, данные которых использовались при выполнении диссертационного исследования). Представлено описание дозиметрической методики, использованной при разработке детекторов ДБ-8, а также (в графическом виде) функции экранированное™ блоков ДБ-8 (информация представлена согласно данным работ [3,4,5]). Дано описание различных режимов функционирования СРК и структуры передаваемой на Землю с детекторов СРК информации. Представлено подробное описание использовавшихся в диссертационной работе информационных массивов, полученных в результате передачи данных СРК по каналам телеметрии на Землю и их последующей предварительной дешифровки специализированными программными комплексами в Центре управления полетами ЦНИИмаш и в Институте медико-биологических проблем РАН. Для использовавшихся в диссертационной работе данных СРК даны подробные описания методик их обработки, служащие решению задачи разделения вклада в дозу на МКС, обусловленного ГКЛ и РПЗ - одной из задач, поставленных в диссертационном исследовании. В частности, первая методика, используемая для обработки дозиметрических данных с временным разрешением 10 минут, состояла в следующем.

Для определения вклада в среднесуточную мощность дозы от РПЗ, используя баллистическую информацию, определялись все интервалы времени в течение суток, во время которых МКС проходила зону ЮАА, и суммировались приращения поглощенной дозы, накопленные за эти интервалы времени. Соответствующая доза от ГКЛ вычислялась при этом как разность между среднесуточной мощностью дозы и мощностью дозы от РПЗ, накопленной за соответствующие сутки. Расчет же среднесуточной мощностью дозы происходил следующим образом: значение поглощенной дозы, зарегистрированное в 0 часов 00 минут рассматриваемых суток вычиталось из значения поглощенной дозы, зарегистрированного в 0 часов 00 минут следующих суток.

Необходимость во второй методике, использующей дозиметрических данные СРК с временным разрешением 10 секунд, была обусловлена выявленной в процессе программной реализации первой методики значительной ее чувствительностью к полноте и целостности данных, из-за чего удалось получить данные по суточным дозам внутри

ЮАА и вне её границ лишь за период со второй половины 2005 г. до конца 2009 г., в то время как эксплуатация комплекса СРК на Международной Космической Станции началась в августе 2001 года (согласно [6]), и продолжается вплоть до настоящего времени.

Вторая методика, используемая для обработки дозиметрических данных с временным разрешением 10 секунд, состояла в следующем. Функционирование системы радиационного контроля на МКС позволяет автоматически определять начало и окончание зоны повышенной радиации и величину дозы, накопленной за этот промежуток времени. Телеметрические данные, поступающие с СРК, позволяют определить как детальное распределение мощности дозы во время прохождения ЮАА, так и величину дозы, накопленную за одно пересечение зоны повышенной радиации. В качестве параметров, характеризующих траекторию, по которой МКС пересекает зону ЮАА, было решено выбрать точку пересечения широты -30°, задаваемую значениями долготы и высоты прохождения этой точки, а также направлением движения - с севера на юг или наоборот (участок траектории, характеризующийся движением с юга на север, было решено обозначить как «восходящий», а с севера на юг - как «нисходящий»). Эти участки траектории различаются своими баллистическими параметрами (в частности, высотой), что приводит к несколько различным значениям доз для «восходящих» и «нисходящих» витков.

Обработка телеметрической информации СРК совместно с данными баллистики позволяет поставить в соответствие численному значению поглощенной дозы для каждого из прохождений области ЮАА момент времени и значение географических координат, которые имела МКС при пересечении широты -30°, которую было решено обозначить термином «референтная широта». Экспериментальная зависимость между мощностью дозы, регистрируемой детекторами ДБ-8, и долготой прохождения МКС области ЮАА при фиксированной широте 30° ю.ш. позволяет получить математическое описание -аппроксимацию такой зависимости, что позволяет, в свою очередь, осуществить разделение вклада в полную суточную мощность дозы от ЮАА и от ГКЛ для всего временного диапазона массива анализируемых данных СРК. При обработке данных по этой методике координатам конкретной точки (высота, долгота при фиксированной широте) ставится в соответствие доза, накопленная за определенный промежуток времени, т.е. эта методика оперирует параметрами, промежуточными между дозой, накопленной за сутки, и мощностью дозы в точке.

В третьей главе рассматриваются результаты обработки данных СРК, полученных в двух различных режимах функционирования комплекса СРК на МКС (как уже упоминалось, эти режимы обеспечивают получение дозиметрической информации с временным разрешением 10 минут и 10 секунд соответственно).

В параграфе 3.1 представлены результаты обработки данных с десятиминутным временным разрешением (первая методика обработки дозиметрических данных). В графическом виде (рис. 1 и рис. 2) представлены получившиеся в результате обработки данных СРК временные зависимости вклада в суточную дозу от РПЗ и от ГКЛ для периода со второй половины 2005 г. до конца 2009 г. (границы временного периода обусловлены степенью полноты имеющихся данных СРК). Данные на графиках представлены для детекторов ДБ-8, имеющих наименьшую и наибольшую степень защищенности окружающим оборудованием станции. Также в параграфе 3.1 указывается на прослеживаемую с середины 2006 г. до окончания 2009 г. связь вклада в суточную дозу от РПЗ с высотой прохождения орбитальным комплексом МКС области Южно-Атлантической аномалии, а также на отсутствие таковой связи для вклада в суточную дозу от ГКЛ (более подробно этот результат рассматривается в параграфах 3.2 и 3.3).

0-1-----

01.01.2005 01.01.2006 01.01.2007 01.01.2008 01.01.2009 01.01.2010

Время

Рис. I. Вклад в суточную дозу от РПЗ

Время

Рис. 2. Вклад в суточную дозу от ГКЛ

В параграфе 3.2 подробно рассматривается полученная в результате анализа данных СРК временная зависимость вклада в суточную дозу от ГКЛ (рис. 2 и рис. 3). Для более удобного графического представления этой зависимости используется сглаживание данных методом скользящего среднего [7].

0,13

0,12 0,11

0

О.

1

I-

о

л

2 0,09

ЕГ

0,08

0,07

01.01.2005 01.01.2006 01.01.2007 01.01.2000 01.01.2009 01.01.2010

Время

Рис. 3. Вклад в суточную дозу от ГКЛ (сглаженные данные)

Показывается, что вклад от ГКЛ в среднесуточную мощность дозы в период 2005 -2009 гг. изменялся в интервале от 0,08 до 0,11 мГр/сут независимо от места расположения дозиметрического блока (что составляет от 57% до 44% вклада в среднесуточную мощность дозы для наиболее защищенного детектора ДБ-8 №4, а для наименее защищенного детектора ДБ-8 №1 - от 35% до 27% вклада в среднесуточную мощность дозы), что указывает на то, что условия экранировки детекторов не оказывают существенного влияния на вклад в суточную мощность дозы от ГКЛ.

В параграфе 3.2 также представлено сравнение вклада в суточную дозу от ГКЛ (сглаженные данные) со скоростью счета нейтронного монитора по данным станций в г.

Время

Рис. 4. Сравнение вклада в суточную дозу от ГКЛ (сглаженные данные) со скоростью счета нейтронных мониторов

Показано, что вклад в среднесуточную мощность дозы от ГКЛ изменяется в соответствии с трендом, прослеживаемым по данным мониторинга потоков ГКЛ за 2005 -2009 гг. Также в параграфе 3.2 приводится количественная оценка связи между вкладом в среднесуточную мощность дозы от ГКЛ и скоростью счета нейтронного монитора по данным станции в г. Апатиты: приводятся рассчитанные за 2005 - 2009 гг. коэффициенты корреляции Пирсона [1], составившие 0,91 и 0,92 для наименее защищенного и наиболее защищенного блоков ДБ-8 соответственно. Этот результат свидетельствует о наличии в 2005 - 2009 гг. тесной связи между вкладом в среднесуточную мощность дозы от ГКЛ на боргу МКС и скоростью счета нейтронных мониторов на наземных станциях.

В параграфе 3.3 подробно рассматривается полученная в результате анализа данных СРК временная зависимость вклада в суточную дозу от РПЗ (построенная также с использованием сглаженных согласно [7] дозиметрических данных). Производится ее сравнение с графиком временной зависимости высоты прохождения МКС области ЮАА на восходящих и нисходящих витках (рис. 5).

а. и 2

! в

а.

а

« Ишмснм защищенный детектор ДЬ 8 №1 + Наиболее защищенный детектор ДБ0 №4

• Высоте проведения МКС обнести ЮАА (нисходящие витки)

♦ Высота прохождения МКС области ЮАА (еоскодящив еитки)

\

01.01.2005 01.01.2006 01.01.2007 01.01.2008 01.01.2009 01.01.2010

Время

Рис. 5. Сравнение вклада в среднесуточную мощность дозы от РПЗ с зависимостью высоты прохождения МКС области ЮАА от времени

Приводится количественная оценка связи вклада в среднесуточную мощность дозы от РПЗ с высотой прохождения МКС области ЮАА в виде коэффициентов корреляции

Пирсона [1] между вкладом в среднесуточную мощность дозы от РПЗ (для наименее защищенного и наиболее защищенного блоков СРК) и высотой прохождения МКС зоны ЮАА за период с 01.07.2006 по 31.12.2009. Коэффициенты корреляции составили 0,85 и 0,77 для восходящих и нисходящих витков соответственно (наименее защищенный блок СРК); 0,82 и 0,73 - для наиболее защищенного блока СРК, восходящих и нисходящих витков соответственно.

Также в параграфе 3.3 приводятся численные оценки вклада от РПЗ в среднесуточную мощность дозы за период 2005 - 2009 гг.: от 0,06 до 0,14 мГр/сут (что составляет от 43% до 56% среднесуточной дозы) для наиболее защищенного детектора ДБ-8 №4 и от 0,15 до 0,30 мГр/сут (что составляет от 65% до 73% среднесуточной дозы) для наименее защищенного детектора ДБ-8 №1. Делается вывод о том, что для вклада от РПЗ в среднесуточную мощность дозы экранировка детекторов имеет существенное значение (в отличие от аналогичного вклада в среднесуточную мощность дозы от ГКЛ).

В конце параграфа 3.3 делается вывод о том, что методика обработки десятиминутных данных СРК, из-за недостаточной целостности исходных данных и особенностей самой методики, не позволила задействовать весь временной диапазон данных СРК, доступных для анализа. Поэтому, с целью расширения временного диапазона массива анализируемых данных, была разработана методика обработки данных СРК, имеющих временное разрешение десять секунд (вторая методика обработки дозиметрических данных).

Анализу результатов обработки данных с десятисекундным временным разрешением посвящен параграф 3.4 диссертационной работы. Обработка данных СРК МКС была проведена для временного интервала 01.07.2005 - 30.11.2011. результаты обработки представлены на рис. 6.

Долгот* про.оид.мы МКС реф.рвнжои шыро1Ы

Дотаю прохождишн МКС р|ф*р«н|но«широгы. 'Рад

Рис. 6. Зависимость дозы, получаемой МКС в области ЮАА за одно прохождение, от долготы пересечения МКС референтной широты (нисходящие витки, детектор ДБ-8 №1 (наименьшая защищенность) - рис. (а); нисходящие витки, детектор ДБ-8 №4

(наибольшая защищенность) - рис. (Ь); восходящие витки, детектор ДБ-8 №1 (наименьшая защищенность) - рис. (с); восходящие витки, детектор ДБ-8 №4 (наибольшая защищенность) - рис. (с!))

Как видно из рис. 6, зависимости дозы, регистрируемой блоками ДБ-8 за одно прохождение ЮАА, от долготы пересечения станцией референтной широты 30° ю.ш., представляют собой «колоколообразные» распределения показаний детекторов по долготе. Однако, на рис. 6 можно видеть весьма значительный разброс зарегистрированных показаний детекторов. Было предположено, что этот разброс обусловлен значительным диапазоном высот прохождения Международной космической станцией зоны ЮАА (рис. 7).

'1 420 | 410

| 400

390

0 | 380 в £ 370 | | 360 | 3 350 | 340 л 330

1 320 10 310

01.01.2005 01.01.2006 01.01.2007 01.01.2008 01.01.2009 01.01.2010 01.01.2011 01.01.2012

Время

Рис. 7. Зависимость высоты пересечения МКС референтной широты от времени

С целью проверить это предположение и минимизировать влияние этого эффекта, было решено разбить весь диапазон высот, на которых происходило пересечение МКС референтной широты, на отдельные поддиапазоны шириной 10 км. Это позволило получить распределения мощности дозы по долготе с значительно меньшим разбросом зарегистрированных данных, чем на рис. 6. Для этих распределений оказалось возможным ввести математическое описание, аппроксимирующее экспериментальные зависимости, в виде . 2

(Х-^ср)

/(я) = А*е ? (о

где А, сг - численные коэффициенты, X — долгота, А-ср — долгота, на которой данная аппроксимационная функция достигает максимального значения, численно равного А (рис. 8):

Далее было решено проанализировать, зависит ли численный коэффициент А, характеризующий максимум аппроксимационной функции АЯ), от высоты, на которой находилась МКС при пересечении референтной широты -30° ю.ш. Для этого были построены графики зависимости коэффициента А от высоты пересечения МКС референтной широты. В результате анализа получившихся графических зависимостей было установлено, что коэффициент А зависит от высоты пересечения МКС референтной широты, и эта зависимость может быть аппроксимирована функцией вида

А(Ь) = ь(11-11о) + ъ

где к, Ь - численные коэффициенты, И - высота пересечения МКС референтной широты, - минимальное значение высоты, равное 300 км.

Таким образом, возможность аппроксимации эмпирических зависимостей мощности дозы для каждого из прохождений МКС области ЮАА от долготы прохождения МКС референтной широты функцией вида (1), вместе с высотной зависимостью коэффициента А, которую также оказалось возможно аппроксимировать (линейной функцией), позволили построить математическое описание для экспериментальных зависимостей мощности дозы за каждое из прохождений МКС области ЮАА от долготы пересечения МКС референтной широты, в виде функции Ор11СЧ = ("(11, X) (функции от высоты и долготы пересечения МКС референтной широты 30° ю.ш.)

Было проведено сравнение экспериментальных зависимостей мощности дозы за каждое из прохождений МКС области ЮАА от долготы пересечения МКС референтной широты (0-жсм), с соответствующими расчётными значениями функции Ора(:ч - в виде графического представления временной зависимости отношения Ожс.„ / ОраСч. При этом было предложено ограничить используемый диапазон долгот X центральной частью ЮАА, областью от 50 градусов западной долготы до 30 градусов западной долготы (-50 < \ < -30), поскольку в этой области долгот ЮАА имеет в наименьшей степени подверженные изменениям границы [8]. На рис. 9 приведен пример такого графического представления отношения экспериментального значения дозы за прохождение (внутри ЮАА) к расчетному.

4 т

э Я

2 § 0.5

5

о -I-,-,-,-,-,-,-;

01.01.2005 01.01.2006 01.01.2007 01.01.2008 01.01.2009 01.01.2010 01.01.2011 01.01.2012

Время

Рис. 9. Отношение экспериментального значения дозы за прохождение (внутри ЮАА) к расчетному (ДБ-8 №1, наименьшая защищенность, нисходящие витки)

Четвёутая глава посвящена описанию методики оценки и краткосрочного прогнозирования радиационной обстановки на МКС на основе экспериментальных дозиметрических данных и обсуждению получаемых с ее помощью результатов.

В параграфе 4.1 представлено описание методики расчетной оценки радиационной обстановки на МКС. При ее реализации был использован эмпирический алгоритм прогноза, основанный на результатах бортовых дозиметрических измерений, на полученных в диссертационном исследовании и подробно рассмотренных в параграфе 3.4 математических описаниях для экспериментальных зависимостей мощности дозы за каждое из прохождений МКС области ЮАА от долготы пересечения МКС референтной широты, а также на данных баллистики. Прогноз динамики дозы на «последующий» период (1-2 суток) осуществлялся на основе анализа дозиметрических данных «предыдущего» периода (1 день - 2 недели). Прогноз на «последующий» период основывался на определении вклада в дозу от ГКЛ и характеристик доз, получаемых МКС при прохождении ЮАА, по дозиметрическим данным «предыдущего» периода, при этом принималось в качестве допущения, что высота полета МКС в течение «предыдущего» и «последующего» периодов времени изменяется незначительно.

В параграфе 4.2 представлено описание информационных массивов дозиметрических и баллистических данных, использовавшихся при разработке и тестировании методики расчетной оценки радиационной обстановки на МКС.

В параграфе 4.3 представлены результаты прогнозирования динамики накопленных доз на МКС, и проведен их подробный анализ. Так, на рис. 10, в качестве иллюстрации работы разработанного алгоритма прогноза радиационной обстановки на МКС, приведена прогнозная оценка динамики накопленных доз (обозначена красным) в сравнении с реальными экспериментальными данными (обозначена черным) для 15.07.2009, дата была выбрана произвольно. На левой панели рисунка представлены данные для наименее защищенного канала детекторов ДБ-8, на правой - для наиболее защищенного.

Нацмене« ШЩШЦСНИЫЙ ДСТСКТОр ДЬ-Я V 1

11»1||'ю:|СС СИИНШ-П ИМИ детектор ,'1.1.-Х ЛЫ

тчп ч/чнмя

V '1 .'Л> 1М1'0а>|

Вр«м»

Рис. 10. Сравнение расчетной оценки динамики накопленных доз с экспериментальными данными (для 15.07.2009, длительность «последующего» периода - 1 сутки, длительность «предыдущего» периода - 2 недели (с 01.07.2009 по 14.07.2009)).

Аналогичное приведенному на рис. 10 сравнение прогнозных оценок динамики накопленных доз с экспериментальными данными было проведено для всего временного интервала имеющихся данных (01.07.2005 - 30.1 1.2011) со скважностью в 14 суток.

Была также проведена количественная оценка точности прогнозирования (при длительности «последующего» периода равной 1 суткам, «предыдущего» периода - 14 дням) согласно формуле

|Оаксп ~ Орасч

м

и оо %

(3), где:

М - функция расстояния [9] экспериментальных данных и их расчетной оценки, 0,ксп -экспериментальное значение дозы, Ораеч - расчетное значение дозы согласно алгоритму прогноза, БС5т - доза за «последующий» период времени (в данном случае, за 1 сутки), р.,ксп - Орасч|макс_ супремум - норма [9], значение модуля разности экспериментального и расчетного значений дозы, максимальное из всех значений, вычисленных для «последующего» периода.

Кроме этого, в параграфе 4.3 представлено временное распределение функции расстояния экспериментальных и расчетных значений доз (рис. II), а также (рис. 12) функция распределения супремум - норм экспериментальных данных и их расчетных оценок для наименее и наиболее защищенных каналов детекторов ДБ-8.

100 90

г5 | 80 I

О 70 о

О

Я 60 о.

150 X

? 40

и 20

Р)

10

► Значение функции расстояния, наименее защищенный детектор ДБ-8

> Значение функции расстояния, наиболее защищенный детектор ДБ-8

/Чу. °.Уу о У У

* • #9* V

01.01.2005 01.01.2006 01.01.2007 01.01.2008 01.01.2009 01.01.2010 01.01.2011 02.01.2012

Время

Рис. 11. Временное распределение количественной оценки близости прогнозных оценок динамики накопленных доз к реальным экспериментальным данным для наименее и наиболее защищенных каналов детекторов ДБ-8.

>5

X

й) 7 те

О

ш

Б

ф т

С

О

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Значение функции расстояния, %

Значение функции расстояния, наименее защищенный детектор ДБ-8

Значение функции расстояния, наиболее защищенный детектор ДБ-8

Рис. 12. Функция распределения количественной оценки близости прогнозных оценок динамики накопленных доз к реальным экспериментальным данным для наименее и наиболее защищенных каналов детекторов ДБ-8.

Как можно видеть из рис. 11 и 12, для наиболее защищенного детектора ДБ-8 удается произвести прогноз динамики накопленных доз с погрешностью не более 25%, для наименее защищенного - с погрешностью не более 32% (при значении доверительной

вероятности, равном 96%). Количество значений, выходящих за обозначенные границы точности прогноза (75% и 68% соответственно), равно пяти, что составляет ~ 4% от общего их количества (общее количество значений равно 127). Это эквивалентно уровню значимости отклонений, равному 0,04.

Подобная погрешность краткосрочного прогноза радиационной обстановки (порядка 30%) для нужд практической космонавтики считается приемлемой.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационного исследования.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

По данным СРК МКС исследованы вариации мощности поглощенной дозы на орбитальном комплексе МКС за период 2005 - 2011 гг.

Получены следующие результаты:

I. Разработана методика обработки данных дозиметрических блоков ДБ-8 системы радиационного контроля МКС, обеспечивающая оценку вклада в дозу на МКС, обусловленного галактическими космическими лучами (ГКЛ) и внутренним радиационным поясом Земли (РПЗ).

II. Проведенный анализ данных СРК за период 2005 - 2009 гг., характеризовавшийся низким уровнем солнечной активности, позволил определить вклад в суточную дозу, вносимый ГКЛ и РПЗ.

III. Установлено, что доза от ГКЛ практически не зависит от условий защищенности детекторов СРК оборудованием МКС.

IV. Установлено, что изменения дозы от ГКЛ на борту станции хорошо коррелируют с изменениями интенсивности потоков космических лучей, прослеживаемых по данным нейтронных мониторов: коэффициенты корреляции Пирсона [1] между вкладом в среднесуточную мощность дозы от ГКЛ и скоростью счета нейтронного монитора по данным станции в г. Апатиты составляют, соответственно, 0,91 и 0,92 для наименее защищенного и наиболее защищенного блоков ДБ-8.

V. Показано, что доза от РПЗ на МКС существенно зависит от условий защищенности детекторов и высоты орбиты, соответствующие изменения могут превышать 2 раза и более.

VI. Получены эмпирические формулы, позволяющие производить оценки дозы, получаемой МКС при прохождении через зону ЮАА.

VII. На основе данных СРК разработана инженерная методика прогнозирования динамики накопления дозы на МКС. Показано, что при значении доверительной вероятности, равном 96%, погрешность методики не более 25% для наиболее защищенного детектора ДБ-8, для наименее защищенного - погрешность не более 32%.

В результате проведенной работы получены оценки вклада в суточную дозу на МКС от ГКЛ и от РПЗ; установлена взаимосвязь дозы от ГКЛ с интенсивностью потоков частиц ГКЛ, а дозы от РПЗ - с высотой орбиты станции.

Информации, содержащейся в данных СРК, достаточно для краткосрочного (на 1 - 2 суток) прогноза динамики накопления дозы на борту станции с приемлемой (порядка 30%) погрешностью.

Разработанная методика прогнозирования радиационной обстановки может быть использована для обработки и анализа текущей информации СРК при оперативном обеспечении радиационной безопасности экипажей МКС.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Al. Лиишевский А.Э., Панасюк М.И., Бенгин В.В., Петров В.М., Волков А.Н., Нечаев О.Ю. Вариации радиационной обстановки на МКС в 2008 году. // Космические исследования. М., Наука. 2010. Т. 48. №2. С. 212-217.

А2. Лиишевский А. Э„ Панасюк М. И., Бенгин В. В., Петров В. М., Волков А. Н„ Нечаев О. Ю. Вариации радиационной обстановки на Международной Космической Станции в 2005-2009 годах. // Космические исследования. М., Наука. 2012. Т. 50. № 4. С. 341-345.

A3. Лиишевский А. Э., Панасюк М. И., Нечаев О. Ю., Бенгин В. В., Петров В. М„ Волков А. Н., Лягушин В. И., Николаев И. В. Результаты мониторинга вариаций поглощенной дозы на Международной Космической Станции за период 2005-2011 гг. // Космические исследования. М., Наука. 2012. Т. 50. № 5. С. 419-424.

A4. Лиишевский А. Э., Бенгин В. В. Методика краткосрочного прогноза динамики накопления поглощенной дозы на Международной Космической Станции по данным системы радиационного контроля // Вестник ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина». Химки, ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина». 2013. № 5. С. 54 - 59

А5. Международная конференция «Влияние космической погоды на человека: в космосе и на Земле» г. Москва, ИКИ РАН, 4-8 июня 2012 г., тезисы докладов, С. 166. Постерный доклад SWH Р.45 Лигиневский А. Э., Панасюк М. И., Нечаев О. Ю., Бенгин В. В., Петров В. М., Волков А. //., Лягушин В. И., Николаев И. В. Вариации радиационной обстановки на Международной Космической Станции за период 2001 - 2011 гг. по данным системы радиационного контроля.

А6. Седьмой Международный Аэрокосмический Конгресс IAC'12 г. Москва, 26-31 августа 2012 г., тезисы докладов, С. 51. Доклад 2.6 Лишневский А. Э., Панасюк М. И., Нечаев О. Ю., Бенгин В. В., Петров В. М., Волков А. Н, Лягушин В. И., Николаев И. В. Вариации радиационной обстановки на Международной Космической Станции за период 2001 - 2011 гг. по данным системы радиационного контроля

А7. XIV конференция по космической биологии и авиакосмической медицине с международным участием, посвященная 50-летию создания ИМБП РАН г. Москва, 28-30 октября 2013 г., тезисы докладов, С. 15 Бенгин В. В., Петров В. М., Панасюк М. И., Нечаев О. JO., Волков А. Н., Лягушин В. И., Николаев И. В., Александрии А.П., Тельцов М.В., Братолюбова - Цулукидзе Л.С., Лишневский А.Э. Основные результаты, полученные в ходе эксплуатации системы радиационного контроля на Служебном модуле Международной космической станции

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Лялин B.C., Зверева Н.Г., Никифорова Н.Г. Статистика: теория и практика в Excel: учеб. пособие. М.: Финансы и статистика, ИНФРА-М. 2010. С. 243.

2. Badhwar G. D„ Atwell W., Cash В., Petrov V. M„ Akatov Yii. A., Tchemykh I. V., Shurshakov V. A. and. Arkhangelsky V. A. Radiation environment on the MIR orbital station during solar minimum // Adv. Space Res. 1998. V. 22. №. 4. PP. 501-510.

3. Техническое описание. Система радиационного контроля (СРК) Em 1.320.017 ТО. НИНЯФМГУ. 1999.

4. Петров В.М., Бенгин В.В., Щуршаков В.А., Панасюк М.И., Кутузов Ю.В., Морозов О.В., Мясников А.Г., Тельцов М.В., Марков A.B., Волков А.Н., Лягушин В.И., Николаев И.В., Александрии А.П. Поглощенные дозы в октябре - ноябре 2003 года на российском сегменте международной космической станции по данным системы радиационного контроля. //Космические исследования. М., Наука. 2006. Т. 44. №2. С. 112117.

5. Митрикас В.Г. Модель защищенности обитаемых отсеков служебного модуля Международной космической станции для оценки радиационной опасности // Авиакосмическая и экологическая медицина. 2004 Т. 38. № 3. С. 41-47.

6. Научно-технический сборник «Модель космоса». М., 2007. Т. 1. Гл. 3.9, 3.10. С.627-667.

7. Сато Ю. Без паники! Цифровая обработка сигналов. / Пер. с японского Т.Г.Селиной. М.: Додэка-ХХ1. 2010. С. 29.

8. Мирошниченко Л.И., Петров В.М. Динамика радиационных условий в космосе. М.: Энергоатомиздат, 1985.

9. Дюран Б., Одеял П. Кластерный анализ . М.: Статистика. 1977. С. 17.

Подписано в печать 27.02.2014 Формат А5 Бумага офсетная. Печать цифровая. Тираж 100 экз. Заказ № 2521 Отдел полиграфии Научной библиотеки МГУ имени М.В. Ломоносова 119192 Москва, Ломоносовский проспект, 27

Московский ордена Ленина, ордена Трудового Красного Знамени и ордена Октябрьской Революции государственный университет

имени М.В. Ломоносова

НИИ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ ИМ. Д.В. СКОБЕЛЬЦЫНА

На правах рукописи

04201457167

ЛИШНЕВСКИЙ АНДРЕЙ ЭРИКОВИЧ

ВАРИАЦИИ РАДИАЦИОННОЙ ОБСТАНОВКИ НА МЕЖДУНАРОДНОЙ КОСМИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ НА ФАЗЕ СПАДА 23-го ЦИКЛА СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ

Специальность 01.04.08 - физика плазмы

диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Научные руководители: доктор физ. - мат. наук, профессор Панасюк М.И. кандидат физ. - мат. наук, Бенгин В.В.

Москва, 2014 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................3

Глава 1. ОСНОВНАЯ ИНФОРМАЦИЯ О РАДИАЦИОННОЙ ОБСТАНОВКЕ НА ОКОЛОЗЕМНЫХ ОРБИТАХ (ПО ЛИТЕРАТУРНЫМ ДАННЫМ).........................................................................9

1.1. История экспериментальных исследований радиационной обстановки в ближнем космосе.............................................................................................9

1.2. Особенности радиационной обстановки на околоземных орбитах в различных фазах цикла солнечной активности. Вариации радиационной обстановки........................................................................................................35

1.3. Модели радиационной обстановки на околоземных орбитах.............37

1.4. Применение моделей радиационной обстановки. Перспективы и задачи дальнейших исследований..................................................................42

Глава 2. ОПИСАНИЕ АППАРАТУРЫ. МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ ДАННЫХ.............................................................................................................45

2.1. Описание аппаратуры...............................................................................45

2.2. Описание информационных массивов...................................................55

2.3. Методика обработки дозиметрических данных....................................59

Глава 3. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ..........................................................70

3.1. Результаты обработки данных с десятиминутным временным разрешением (первая методика обработки данных)....................................70

3.2. Вклад в суточную дозу от ГКЛ...............................................................72

3.3. Вклад в суточную дозу от РПЗ................................................................75

3.4. Результаты обработки данных с десятисекундным временным разрешением (вторая методика обработки данных)....................................78

Глава 4. МЕТОДИКА РАСЧЕТНОЙ ОЦЕНКИ ДИНАМИКИ НАКОПЛЕНИЯ ДОЗЫ НА МКС.................................................................103

4.1. Описание методики расчетной оценки радиационной обстановки на

МКС.................................................................................................................103

4.2. Описание информационных массивов.................................................108

4.3. Результаты прогнозирования динамики накопленных доз на МКС .114

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................123

ВЫВОДЫ...........................................................................................................125

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..............................................................................127

ВВЕДЕНИЕ

То, что околоземное космическое пространство таит в себе радиационную угрозу, стало известно исследователям с самого начала космической эры. В октябре и ноябре 1957 г. в Советском Союзе на околоземную орбиту были выведены аппараты «Спутник-1» и «Спутник-2». Научная нагрузка для «Спутника-2» была разработана исследовательской группой под руководством С.Н. Вернова в НИИЯФ МГУ. Основную часть научной нагрузки для «Спутника-2» составлял счетчик Гейгера-Мюллера, предназначавшийся для регистрации потоков заряженных частиц. В январе 1958 г. 4-х ступенчатая ракета «Юпитер-С», разработанная Вернером фон Брауном (США), вывела на околоземную орбиту первый американский искусственный спутник, «Explorer-1». Установленное на «Explorer-1» научное оборудование было практически идентично аппаратуре, установленной на советском «Спутнике-2»; это был счетчик Гейгера -Мюллера, сконструированный под руководством Джеймса Ван Аллена (Айовский Университет).

И советский, и американский аппараты зарегистрировали мощнейшие потоки космической радиации, которые не были предсказаны теоретическими моделями, существовавшими на тот момент (впоследствии зарегистрированные на «Спутнике-2» и «Explorer-1» потоки радиации будут отождествлены с потоками частиц радиационных поясов Земли (РПЗ) [1]). С этого самого момента и до настоящего времени тема космической радиации и радиационной безопасности во время космических полетов находится в зоне интереса различных групп исследователей. Ионизирующие излучения космического пространства являются важным фактором, ограничивающим возможности работы космической техники и людей в космическом пространстве. Необходимость совершенствования модельного описания радиационной обстановки в околоземном космическом пространстве общеизвестна и отражается в предпринимаемых в последнее время усилиях

международной коллаборации специалистов по разработке моделей АЕ-9, АР-9. Одна из побудительных причин создания новых моделей -необходимость улучшения точности прогнозирования уровней радиационного воздействия на аппаратуру и людей, находящихся на космических аппаратах.

Актуальность темы. За время эксплуатации орбитального комплекса «Международная Космическая Станция» (МКС) был накоплен длительный мониторный ряд данных по радиационной обстановке, покрывающий более половины 23-го солнечного цикла от максимума до минимума. В этот период наблюдались значительные вариации радиационной обстановки на орбитальной станции. Одновременно, на фазу спада 23-го цикла выпал уникально спокойный период солнечной активности. Удачно совпало, что в течение этого времени на МКС функционировала штатная система радиационного контроля (СРК). Четыре блока ДБ-8, входящих в состав СРК, имели различные условия защищенности детекторов элементами конструкции и оборудованием МКС, что позволило оценивать перепад доз в Служебном модуле МКС при различных радиационных условиях. Детекторы ДБ-8 позволили получить длительный однородный ряд дозиметрических данных. Поэтому, в целях дальнейшего совершенствования методов оценки и прогнозирования радиационной обстановки на МКС, представляется целесообразным получить закономерности вариаций дозы на борту МКС в период спокойных гелиогеофизических условий.

Цель исследования. Целью диссертационной работы является определение вариаций вклада ГКЛ и протонов РПЗ в поглощенную дозу на борту МКС и разработка, на базе полученных эмпирических закономерностей, инженерной методики краткосрочного прогнозирования радиационной обстановки на МКС по данным СРК.

Задачи исследования. Задачами диссертационной работы являются:

1. Разработать методику обработки данных дозиметрических блоков ДБ-8 системы радиационного контроля МКС, обеспечивающую оценку вклада в дозу на МКС, обусловленного галактическими космическими лучами (ГКЛ) и внутренним радиационным поясом Земли (РПЗ), а также получить ряды данных о вкладе в суточную поглощенную дозу от ГКЛ и РПЗ для детекторов ДБ-8, имеющих наибольшую и наименьшую защищенность элементами конструкции и оборудованием МКС

2. Исследовать влияние вариаций потока ГКЛ на среднесуточную мощность дозы на борту МКС и возможное влияние параметров орбиты МКС на вклад РПЗ в среднесуточную мощность дозы на борту МКС

3. Создать и верифицировать по данным СРК методику краткосрочного прогнозирования динамики накопления дозы на МКС

Объектом исследования является радиационная обстановка на орбитах пилотируемых орбитальных станций.

Предметом исследования являются закономерности влияния вариаций ГКЛ и характеристик орбитального движения МКС на изменения доз ионизирующего излучения на МКС.

Научная новизна состоит:

1. В охватывающем более половины цикла СА ряде данных, характеризующих вклад ГКЛ в среднесуточную дозу на борту МКС.

2. В экспериментальных зависимостях дозы, получаемой МКС при прохождении зоны РПЗ, от параметров траектории станции, характеризующих это прохождение.

Практическая ценность состоит в разработке инженерной методики расчетной оценки дозы на МКС. Эта методика может быть в дальнейшем использована для анализа дозиметрической информации при оперативном обеспечении радиационной безопасности экипажей МКС.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, выводов и списка цитируемой литературы.

В литературном обзоре (глава 1) представлена история экспериментальных исследований, посвященных изучению радиационной обстановки в околоземном космическом пространстве, представлены основные понятия и определения, а также представлен обзор моделей, описывающих радиационную угрозу в ближнем космосе.

Вторая глава диссертации посвящена описанию штатной системы радиационного контроля (СРК) Международной Космической Станции. В этой главе представлены описание СРК, структура получаемой с нее телеметрической информации, а также методика обработки данных измерений доз на МКС.

В третьей главе анализируются результаты обработки дозиметрических данных СРК. Подробно рассматриваются вклады от ГКЛ и от РПЗ в суточную дозу, получаемую МКС, связь этих вкладов с потоками частиц в околоземном космическом пространстве, а также с условиями защищенности детекторов и высотой орбиты станции.

В четвёртой главе обсуждается разработанная на основе анализа данных СРК инженерная методика расчетной оценки дозы на МКС, результаты ее апробирования, а также точность прогнозирования при помощи этой методики динамики накопленных доз на МКС.

В заключении подведены основные итоги диссертационной работы. В частности, на защиту выносятся следующие положения и результаты:

1. Проведенный анализ данных СРК за период 2005 - 2009 гг., характеризовавшийся низким уровнем солнечной активности, позволил определить вклад в суточную дозу, вносимый как ГКЛ, так и РПЗ, в условиях спокойной радиационной обстановки. Впервые по результатам дозиметрических измерений за значительный временной период получены оценки вклада в суточную дозу от ГКЛ и от РПЗ.

Было установлено, что вклад от ГКЛ в среднесуточную мощность дозы изменялся в период 2005 - 2009 гг. в интервале от 0,08 ±0,01 до 0,11 ± 0,01 мГр/сут, независимо от места расположения дозиметрического блока (что составляет от 57% до 44% вклада в суточную дозу для наиболее защищенного детектора ДБ-8 №4 и от 35% до 27% вклада в суточную дозу для наименее защищенного детектора ДБ-8 №1).

2. Установлено, что доза от РПЗ на МКС существенно зависит от высоты орбиты станции. Вклад в среднесуточную мощность дозы от РПЗ в период 2005 - 2009 гг. изменялся от 0,06 до 0,14 мГр/сут (от 43% до 56% среднесуточной дозы) для наиболее защищенного детектора ДБ-8 №4 и от 0,15 до 0,30 мГр/сут (от 65% до 73% среднесуточной дозы) для наименее защищенного детектора ДБ-8 №1, при изменении высоты прохождения станцией области ЮАА от 320 до 380 км.

3. Предложенная на основе анализа данных СРК инженерная методика краткосрочного прогнозирования дозы на МКС позволяет, на основе дозиметрических данных СРК и баллистической информации о параметрах орбиты станции, осуществить краткосрочный прогноз (на 1-2 суток) динамики накопления дозы на МКС с погрешностью не более, чем 25% (для ДБ-8 №4) и 32% (для ДБ-8 №1), с доверительной вероятностью, равной 96%.

Результаты диссертации были представлены на международных конференциях: международная конференция «Влияние космической погоды на человека: в космосе и на Земле» (Москва, 4-8 июня 2012 г.), международная конференция «VII международный аэрокосмический конгресс 1АС12» (Москва, 26-31 августа 2012 г.), научной конференции «Ломоносовские чтения» (Москва, 15 - 19 апреля 2013 г.), «XIV конференция по космической биологии и авиакосмической медицине с международным участием, посвященная 50-летию создания ИМБП РАН» (Москва, 28 - 30 октября 2013 г.) и опубликованы в работах [2], [3], [4], [5].

Автор хотел бы посвятить эту диссертационную работу своему отцу, кандидату геолого - минералогических наук, Лишневскому Эрику Николаевичу, к сожалению, не дожившему до даты её защиты.

Глава 1. ОСНОВНАЯ ИНФОРМАЦИЯ О РАДИАЦИОННОЙ ОБСТАНОВКЕ НА ОКОЛОЗЕМНЫХ ОРБИТАХ (ПО ЛИТЕРАТУРНЫМ ДАННЫМ) 1Л. История экспериментальных исследований радиационной

обстановки в ближнем космосе

Как уже упоминалось, первая аппаратура, предназначавшаяся для радиационных измерений в космическом пространстве, была установлена на 2-м советском ИСЗ, запущенном 3 ноября 1957 г. Эти приборы были разработаны и изготовлены в НИИЯФ МГУ под руководством академика С.Н. Вернова. При помощи этого оборудования впервые удалось зарегистрировать заряженные частицы внешнего радиационного пояса Земли. К сожалению, проблемы с получением телеметрической информации с этого ИСЗ не дали возможности изучить радиационные условия на всех участках орбиты спутника, и это значительно осложнило интерпретацию полученных результатов. Тем не менее, это был самый первый опыт экспериментального изучения радиационных условий в околоземном космическом пространстве, и опыт успешный. В дальнейшем для исследования околоземной радиационной обстановки использовались не только ИСЗ, но и пилотируемые космические аппараты.

В Новом Свете исследования радиационной обстановки вблизи Земли при помощи ИСЗ были впервые осуществлены американской исследовательской группой под руководством Дж. Ван Аллена (Айовский Университет). Группе Ван Аллена удалось получить более полную информацию о радиационных условиях в околоземном космическом пространстве. Оборудование этой научной группы было установлено на американских ИСЗ «Эксплорер-1» и «Эксплорер-3», отправившихся в полет в феврале-марте 1958 г. Но орбиты этих ИСЗ проходили только через внутренний радиационный пояс Земли.

Оборудование, установленное на 3-м советском ИСЗ, запущенном 15 мая 1958 г., позволило, благодаря орбитам этих спутников, изучить потоки заряженных частиц как во внутреннем, так и во внешнем РПЗ.

Согласно [6], приборы для изучения космической радиации, установленные на борту 2-го и 3-го ИСЗ, дали уникальную информацию о потоках радиации почти над всей поверхностью Земли. На рис. 1 приведено распределение потоков частиц на высоте 320 км, по данным 2-го ИСЗ (согласно [6]). Из рис. 1 видно, что в Южном полушарии существуют области, где на высоте 320 км зарегистрированы потоки радиации, в 5 раз и более превышающие средние по Земле. До полетов 2-го и 3-го ИСЗ предполагалось, что на этих высотах никакой радиации, кроме космических лучей, не существует, и обнаружение в Южной Атлантике зон повышенных потоков энергичных частиц явилось большой неожиданностью [6]. Оказалось, что это частицы РПЗ, опускающиеся на малые высоты (200-300 км) в районах отрицательных магнитных аномалий - тех областей, где напряженность магнитного поля Земли ниже средней для данной широты [6]. Таких аномалий значительных размеров оказалось две - в Южном полушарии (Бразильская и Южно-Атлантическая) и одна - в Северном (Северо-Атлантическая) [6].

Рис. 1. Распределение потоков частиц по данным 2-го ИСЗ над поверхностью земного шара на высоте 320 км. Цифры у линий - потоки

9 1

частиц в см" с' (согласно [6]).

В дальнейшем многие и отечественные, и зарубежные искусственные спутники и пилотируемые аппараты имели одной из своих научных задач изучение частиц РПЗ, частиц СКЛ и ГКЛ, а также иных источников радиации, составляющих в комплексе радиационную обстановку в околоземном космическом пространстве [7].

В таблице 1 приведены сведения о начальных этапах исследования космической радиации на советских КА (согласно [7]).

Таблица 1.

Название ИСЗ Дата запуска Высота перигея, км Высота апогея, км Наклонение, град Основные результаты

2 ИСЗ 3 ИСЗ 3.11.1957 15.05.1958 225 225 1670 1880 65 65 Открытие РПЗ

"Космос 4, 7, 9, 15, 17,41" 1962-1964 180-300 370-780 49-65 Изучение РПЗ и кл

"Электрон-1" "Электрон-2" 30.01.1964 30.01.1964 406 460 7100 68200 61 61 Радиационное повреждение солнечных батарей

"Электрон-3" "Электрон-4" 11.07.1964 11.07.1964 405 460 7040 66230 61 61 Изучение РПЗ, защита солнечных батарей

Корабли-спутники "Космос", орбитальные станции с 1960 180-300 250-400 52-65 Дозиметрические измерения

Необходимо отметить исследования на КА серии «Электрон» (1964 г.). Эти космические аппараты, запускавшиеся попарно («Электрон-1, 2», «Электрон-3, 4») с помощью одной ракеты-носителя, имели различные параметры орбит. Это дало возможность детально исследовать всю область РПЗ. Но исследования, проведенные на КА этой серии, дали не только значительную информацию о потоках частиц РПЗ, но показали также и то, что космической радиация имеет поражающее воздействие на бортовые системы КА (в частности, на солнечные батареи). На этих ИСЗ впервые были получены убедительные доказательства такого поражающего воздействия, и на этой же серии космических аппаратов были впервые опробованы

некоторые меры защиты оборудования от воздействия космической радиации. В частности, на ИСЗ «Электрон-3» и «Электрон-4», запущенных через полгода после первой пары ИСЗ этой серии, солнечные батареи были защищены специальными тонкими прозрачными покрытиями. Это