1. Zewnętrzna osłona przeciwpromienna zbudowana z wymienialnych paneli ze specjalistycznego plastiku. Aby panele pełniły dodatkowo funkcję osłony przed meteorytami i izolacji cieplnej, zakładam materiał zbliżony składem chemicznym do polietylenu, ale w formie piany utwardzonej zewnętrznie warstwą żywicy. Powinno to być dobrą osłoną przed promieniowaniem złożonym z cząstek naładowanych (protonów podczas burz słonecznych czy lżejszej frakcji promieniowania GCR). Dokładna grubość tej osłony jest do ustalenia.
2. Ściana zewnętrznego zbiornika ciśnieniowego. Aluminium grubości 7.35mm, grubość osłony 20.65kg/m2
3. Strefa wyposażenia i zapasów. W celu maksymalnego wykorzystania masy modułu załogowego wewnętrzną powierzchnię zbiornika ciśnieniowego wykorzystuje się do montażu systemów podtrzymywania życia, zapasów żywności, wody i gazów atmosferycznych. Stanowią one dodatkową, i jak zobaczymy później, znaczącą osłonę przed promieniowaniem. Nie pociąga to za sobą dodatkowych kosztów masy gdyż wszystko to jest niezbędne do utrzymania załogi przy życiu. Strefa wyposażenia jest grubości 220mm i ma średnią gęstość 504kg/m3. Sumaryczna grubość osłonowa tej warstwy wynosi zatem 504*0.22=111kg/m2. W celu w miarę dokładnej symulacji tej strefy w pakiecie OLTARIS powyższa grubość osłonowa została rozbita na kilka pośrednich warstw z różnych materiałów, proporcjonalnie do masy poszczególnych składników i zapasów. Sprzęt został przedstawiony jako warstwy stali (75%) i plastiku (25%). Zapasy żywności i składowanych odpadów organicznych (wciąż przydatnych w charakterze osłony) przedstawione zostały jako tkanka żywa z racji na podobny skład chemiczny. Dokładne zestawienie przedstawia się następująco:
• Stal 17.08kg/m2 + polietylen 5.69kg/m2
• Woda 20.2kg/m2 + powietrze 6.13 kg/m2
• Tkanka 12.75kg/m2
• Powietrze 6.13kg/m2 + woda 20.2 kg/m2
• Polietylen 5.69kg/m2 + Stal 17.08kg/m2
4. Wnętrze modułu załogowego. Przedstawia 1.82m wolnej przestrzeni mieszkalnej. Jest to pozycja w połowie drogi między strefą wyposażenia i centrum modułu. Średnia gęstość tego obszaru wynosi 20.43kg/m3. Tym samym grubość osłonowa wynosi 20.43kg/m3*1.82m=37.25kg/m2. Ponownie jak w strefie wyposażenia, grubość ta jest rozbita proporcjonalnie do masy wewnętrznego wyposażenia modułu i mieszanki atmosferycznej. Dokładne zestawienie przedstawia się następująco:
• Polietylen 8.76kg/m2 + Powietrze 1.10 kg/m2
• Aluminium 17.53kg/m2
• Powietrze 1.10kg/m2 + Polietylen 8.76kg/m2
5. Zewnętrzna osłona schronu burzowego. Schron burzowy umieszczony jest w centrum modułu załogowego i mieści prywatne (bardzo ciasne) kwatery astronautów, jak również wrażliwe na promieniowanie komputery sterujące, i mostek statku z kojami przeciwprzeciążeniowymi używanymi podczas odpaleń silnika. Podczas burz słonecznych lub działania napędu jądrowego załoga musi schronić się w tym miejscu. Poza tym 1/3 doby czyli okres snu również spędzana jest w schronie burzowym, więc dawka chroniczna stanowi 1/3 dawki w lepiej chronionym obszarze centralnym + 2/3 dawki w zewnętrznym obszarze habitatu. Materiał osłonowy – wysokiej gęstości polietylen. Dokładna grubość tej osłony jest do ustalenia.
6. Ściana zbiornika ciśnieniowego schronu burzowego. Zakładamy 30kg/m2 aluminium.
Zewnętrzny zbiornik ciśnieniowy modułu załogowego ma pokrój cylindra o średnicy 7.75m i długości 9.45m. Zbiornik ciśnieniowy schronu burzowego ma średnicę 3.9m i długość 5m.
Opcje osłon przeciwpromiennych
Wszystkie powyższe informacje pozwalają na próbę określenia grubości osłony całego modułu załogowego i wewnętrznego schronu burzowego. Określone również zostały powierzchnie zewnętrzne obydwu cylindrów, więc uzyskanie masy osłon jest prostą kwestią przemnożenia powierzchni [m2] i grubości osłony [kg/m2]. W pakiecie OLTARIS przebadałem (oprócz wielu innych) następujące opcje:
• Brak osłony. Punkt odniesienia będący sytuacją w której astronauta jest kompletnie nieosłonięty przed promieniowaniem
• Opcja 1. Grubość osłony zewnętrznej 75kg/m2 (masa 75kg/m2*323.2m2=24240kg). Osłona schronu burzowego 85kg/m2 (masa 85kg/m2*85.15m2=7238kg). Ta opcja jest próbą spełnienia wymagań NCRP-138. Masa całkowita osłon 24240+7238=31478kg.
• Opcja 2. Grubość osłony zewnętrznej 50kg/m2 (masa 50kg/m2*323.2kg/m2=16160kg). Osłona schronu burzowego 105kg/m2 (masa 105kg/m2*85.15m2=8940kg). Następna iteracja stara się utrzymać podobną sumę grubości osłonowych poprzez zmniejszenie grubości zewnętrznej osłony o dużej powierzchni i odpowiednie zwiększenie grubości osłony schronu, który ma 3.8 raza mniejszą powierzchnię zewnętrzną. Masa całkowita osłon 16160+8940=25100kg.
• Opcja 3. Grubość osłony zewnętrznej 25kg/m2 (masa 25kg/m2*323.2kg/m2=8080kg). Osłona schronu burzowego 130kg/m2 (masa 130kg/m2*85.15m2=11070kg). Iteracja posługująca się podobną logiką jak poprzednia. Przenosimy 25kg/m2 z osłony zewnętrznej na wewnętrzną. Masa całkowita osłon 8080+11070=19150kg.
• Opcja 4. Grubość osłony zewnętrznej 10kg/m2 (masa 10kg/m2*323.2kg/m2=3232kg). Osłona schronu burzowego 135kg/m2 (masa 135kg/m2*85.15m2=11495kg). Masa całkowita osłon 3232+11495=14727kg.
• Opcja 5. Grubość osłony zewnętrznej 10kg/m2 (masa 10kg/m2*323.2kg/m2=3232kg). Osłona schronu burzowego 70kg/m2 (masa 70kg/m2*85.15m2=5960kg). Ta opcja zachowuje minimalną osłonę zewnętrzną i obniża do połowy grubość osłony wewnętrznej żeby sprawdzić jak daleko da się odchudzić osłony. Masa całkowita osłon 3232+5960=9192kg.
• Opcja 6. Brak dodatkowych osłon zewnętrznych i wewnętrznych, zachowujemy jednak Warstwę 3 (wyposażenie i zapasy) i Warstwę 6 (zbiornik ciśnieniowy schronu burzowego). Ta opcja ma za zadanie pokazać, co stanie się z załogą w nieosłoniętym statku międzyplanetarnym.
• Opcja 7. Brak osłon zewnętrznych i wewnętrznych, usuwamy również Warstwę 3 (wyposażenie i zapasy) i Warstwę 6 (zbiornik ciśnieniowy schronu burzowego). Ta opcja ma za zadanie pokazać, jak bardzo lekkie pojazdy typu dzisiejszych kapsuł załogowych nie sprawdziłyby się poza magnetosferą Ziemi, zwłaszcza podczas dłuższych wypraw.
Wyniki analizy OLTARIS dla powyższych opcji zebrane są w poniższej tabeli.
Uwaga 1: Dawki cząstkowe uzyskane w OLTARIS używając maksimum słonecznego z roku 2001 i minimum słonecznego z roku 2010.
Uwaga 2: Dawki GCR dla sum kontrolnych są przemnożone przez 8/5 aby zasymulować bardziej niebezpieczne poziomy promieniowania z poprzednich cyklów słonecznych.
Uwaga 3: Z racji na umieszczenie pokładu sypialnego wewnątrz schronu burzowego sumy kontrolne GCR są obliczane przy założeniu 1/3 czasu w schronie (8 godzin snu na dobę) i 2/3 czasu w zewnętrznych objętościach habitatu.
Uwaga 4: Zakłada się że podczas trwania burzy słonecznej załoga przebywa w schronie – używa się wartości SPEs.
Uwaga 5: Dawka dla burzy słonecznej jest określona w OLTARIS jako czterokrotna dawka burzy słonecznej z października 1972 roku. Dawki doraźne wyrażone w Greyach są efektywną dawką chroniczną pomnożoną przez stosunek dawki doraźnej do chronicznej dla uproszczonego modelu
punktowego.
Uwaga 6: Sumy kontrolne zdefiniowane są następująco:
R1 roczna dawka chroniczna podczas minimum słonecznego. Nie zakłada się burz słonecznych:
R1=(8/5)[(1/3)GCRmins+(2/3)GCRminh] < 0.55Sv
R2 roczna dawka chroniczna podczas maksimum słonecznego i jedna dawka chroniczna pochodząca ze zdefiniowanej wyżej burzy słonecznej: R2=(8/5)[(1/3)GCRmaxs+(2/3)GCRmaxh]+SPEs < 0.55Sv
M1 Dawka miesięczna będąca sumą miesięcznej dawki chronicznej i dawki chronicznej z burzy słonecznej.
M1=SPEs+(R2-SPEs)/12 < 0.275Sv
Sumy kontrolne zaznaczone na pomarańczowo nie przekraczają dopuszczalnej dawki według NCRP-138 o więcej niż 10%. Sumy kontrolne zaznaczone na czerwono przekraczają tą granicę i dyskwalifikują opcję.
Dla porównania wyników opcji 1-7 załóżmy że zbiornik ciśnieniowy schronu burzowego również wlicza się do masy osłon przeciwpromiennych. Jest to uzasadnione gdyż dla Opcji 6 jest to jedyna osłona a dla Opcji 7 schron burzowy jest pominięty całkowicie. Dla zgodności do wszystkich opcji oprócz Opcji 7 dodajmy masę zbiornika ciśnieniowego schronu burzowego (wynosi ona 85.15m2*30kg/m2=2555kg). Otrzymamy taką oto zależność dawek od masy osłon przeciwpromiennych.
Jak widać, przeciwko promieniowaniu GCR osłona jest bardzo trudna i dokładanie kolejnych dziesiątek ton do modułu załogowego robi niewielką różnicę (suma kontrolna R1, minimum słoneczne). Kiedy jednak rozważamy sumy kontrolne R2 i M1 (maksimum słoneczne i burza słoneczna) brak jakichkolwiek osłon staje się bardzo niebezpieczny. Osłona przed SPE jednak nie wymaga tak wielkich nakładów masy, jak osłona przed GCR.
Mając to wszystko na względzie widzimy że Opcja 4 (14727kg w Warstwach 1 i 5) spełnia wymagania NCRP-138 dla sum kontrolnych R2 i M1 a dla sumy kontrolnej R1 spełnia nasze luźniejsze wymaganie R1 < 0.55Sv. Lżejsze opcje 5-7 nie są akceptowalne ponieważ dawki przekraczają nawet nasze bardziej tolerancyjne standardy. Opcja 4 jest 31478-14727=16751kg lżejsza od Opcji 1 która i tak nie była w stanie spełnić surowych wymagań NCRP-138.
W związku z tym Opcja 4 jest konfiguracją osłon przeciwpromiennych, której użyjemy w dalszym projektowaniu modułu załogowego. Poniższe grafiki pokazują izometryczne przekroje modułu z podziałem na obszary i grubości osłon dla Opcji 4.
Źródła
Jak wspomniałem wcześniej, literatura dotycząca promieniowania kosmicznego jest bogata ale niekiedy sprzeczna ze sobą. Podczas pisania tego artykułu korzystałem głównie z dwóch źródeł:
1. ‘Radiation Effects and Shielding Requirements in Human Missions to the Moon and Mars ‘ Donalda Rappa
http://www.marsjournal.org/contents/200 ... ndex.shtml2. ‘Radiation Exposure Analyses Supporting the Development of Solar Particle Event Shielding Technologies ‘
https://ntrs.nasa.gov/search.jsp?R=20140000593Pierwszy dokument jest szerokim przeglądem literatury i podejść do określania dawek chronicznych i ostrych w kontekście podróży na Marsa i Księżyc. Drugi dokument jest publikacją NASA z serwera
https://ntrs.nasa.gov/ Jest to bogate, otwarte źródło dokumentów technicznych dotyczących technologii kosmicznych i naprawdę warte polecenia.
Dziękujemy bardzo Panu Wojciechowi Kasprzakowi za nadesłanie powyższego opracowania
https://kosmonauta.net/2019/02/statki-m ... y-czesc-1/http://www.astrokrak.pl