Как Apollo преодолели радиационные пояса Земли?

КРАТКИЙ ОТВЕТ: Экипажи находились в кораблях, которые обеспечивали значительное снижение радиации. Радиационные пояса пересекались на второй космической скорости поперек и зачастую мимо областей с самой высокой плотностью заряженных частиц.

Околоземные радиационные пояса, называемые поясами Ван Аллена, представляют определенную угрозу для спутников на низкой околоземной орбите и для экипажей космических станций. Наибольшую угрозу представляет нижний радиационный пояс, наполненный протонами высоких энергий, которые способны проникать даже сквозь толстую обшивку обитаемых отсеков и причинять вред как непосредственно, так и порождая вторичную радиацию. Во многом именно поэтому долговременные обитаемые станции не поднимаются на орбиты выше 500 км (второе ограничение – запас топлива кораблей снабжения).

Для межпланетных запусков негативное воздействие радиационных поясов заметно, но не опасно благодаря кратковременности воздействия. Корабли лунной программы Apollo старались облетать нижний протонный пояс по краю или проскакивали его поперек за несколько минут, если облететь было нельзя. Верхний радиационный пояс состоит в основном из потоков легких электронов, которые поглощаются внешней обшивкой космического корабля, поэтому он не оказывает практически никакого воздействия на экипаж.

В случае межпланетного полета на Луну или Марс радиационные пояса не представляют существенного препятствия, поскольку быстро пересекаются поперек на второй космической скорости и корабль обеспечивает достаточную защиту на это время. Так, при движении по траектории полета к Луне через радиационные пояса скорость космического корабля меняется от 11 км/с до 5 км/с, и нижний протонный пояс корабль пересекает менее чем за полчаса. Даже если пролетать по диагонали, время не превысит часа. Высоты́ верхнего края второго электронного пояса корабль достигает примерно через три часа после старта с опорной орбиты.

Траектория полета Apollo 11 к Луне в обход радиационного пояса. braeunig.us

Индийско-болгарский дозиметр RADOM в полете к Луне через нижний радиационный пояс насчитал 13 рад в час, а через верхний – 4 рад в час. Эти показания близки к усредненным результатам аппаратов Van Allen Probes, которые показали 7 рад в час для дозиметра, защищенного 1 мм алюминия. Запуски Lunar Orbiter показали, что дозиметр, закрытый 7,5 мм алюминия, насчитает примерно 1 рад за время преодоления радиационных поясов. Дозиметры командного модуля корабля NASA Orion, пролетевшего в 2014 году через нижний радиационный пояс, показали облучение 1,8 рад в час при экранировании 6,5 см алюминия.

NASA допускало высокие степени облучения для астронавтов Apollo – до 400 рад за всю экспедицию. При однократном воздействии такое облучение угрожает лучевой болезнью со смертельным исходом, но астронавты осознанно шли на такой риск; к счастью, эти опасения не оправдались.

Программа полета некоторых экспедиций Apollo включала уклонение от наиболее плотных участков радиационных поясов. Самая опасная часть протонного пояса – это довольно узкий «шнур» в районе магнитного экватора диаметром в 5000 км. Стартуя на Луну или Марс с мыса Канаверал (3000 км от экватора) или Байконура (4500 км от экватора), можно выбрать такую траекторию космического корабля, когда он просто не попадет в наиболее насыщенный частицами регион радиационного пояса. Именно такую траекторию выбрали во время старта Apollo 11.

Однако некоторые экипажи Apollo могут похвалиться пересечением внутреннего радиационного пояса при старте или возвращении.

Кроме того, у стартующей экспедиции есть возможность определять «космическую погоду» на несколько часов вперед с помощью наблюдений за солнечной активностью. В случае сильной солнечной вспышки можно перенести старт.

Возвращение с межпланетной орбиты также происходит на второй космической скорости, и по мере приближения к Земле она возрастает с 5 км/с до 11 км/с во время пролета обоих радиационных поясов. Радиационный пояс даже в период высокой солнечной активности не успеет нанести серьезного вреда экипажу за несколько минут пролета. Для примера можно сравнить результаты личных дозиметров экипажей лунных кораблей программы Apollo.

Для наглядности приведем те же данные в виде графика:

Изучая данные по Apollo, можно обратить внимание, что у части экипажей показания поглощенной дозы держатся в пределах 0,16–0,3 рад, а у части они практически в два раза выше: 0,48–0,58 рад. Выше всех этот показатель у Apollo 14. При этом длительность экспедиции никак не привязана к полученной дозе: у одинаковых по длительности экспедиций может быть двукратная разница, например у Apollo 10 и Apollo 11. С другой стороны, двукратная разница в длительности полета не вносит разницы в дозу, например у Apollo 13 и Apollo 15. Причина кроется в другом: пересекает ли траектория полета корабля нижний протонный пояса Ван Аллена или нет. Если нанести на карту точки старта и посадки кораблей, то окажется, что радиационный пояс в наиболее опасной его части пересекали именно те корабли, экипажи которых получили облучение 0,48 рад или выше.

Apollo 14 получил дозу облучения в несколько раз больше, чем остальные экипажи. Это произошло вследствие преодоления нижнего протонного пояса в самой плотной части во время старта и возвращения корабля, т. е. дважды. Даже такая высокая, в сравнении с другими лунными экипажами, степень воздействия радиации не превысила средних показателей экипажей МКС. Причина этого – высокие экранирующие свойства космических кораблей Apollo.

Какая защита от радиации была у экипажей Apollo?

КРАТКИЙ ОТВЕТ: Специальной антирадиационной защиты не применялось на Apollo, не применяется и сейчас в космонавтике (за исключением экспериментов). Достаточную защиту от радиации обеспечивает сам корпус корабля и его внутреннее оборудование.

От радиации можно защищаться. Если посмотрим те же инструкции по гражданской обороне, то узнаем, что альфа-лучи блокируются листом бумаги, бета-лучи – фанерой или тонким листом алюминия. У космических частиц энергия выше, поэтому бумаги будет маловато, но обшивки современных космических кораблей хватает, чтобы снизить воздействие солнечного излучения или радиационных поясов до приемлемого уровня. Противостоять галактической радиации значительно сложнее, но тут нам помогает само Солнце, которое формирует вокруг себя гелиосферу и тем самым ослабляет потоки заряженных частиц извне.

Специальной антирадиационной защиты в космосе не применялось во времена Apollo, не применяется и сейчас. У современных космических кораблей и так несколько слоев, защищающих от других негативных условий космоса:

● экранно-вакуумная теплоизоляция – многослойная обшивка из тонкой майларовой пленки с металлизированным напылением – «фольга», защищающая от солнечных лучей, перегрева и переохлаждения, иногда используется тканевая теплоизоляция;

● металлическая и/или кевларовая (или из других ударопрочных тканей) защита от потоков мелких метеорных частиц;

● композитная теплозащита спускаемого отсека для безопасного торможения в атмосфере при возвращении на Землю;

● герметичный внутренний корпус из алюминия