О преодолении радиационных поясов Apollo 11 (статья специалиста из Бангалора)

ru_universe — 12.07.2019

• Выбрал эту статью, в том числе, потому что её уважаемый автор наиболее равноудалён от СССР и США, но притом от СССР не так уж далёк. А ещё источник советского автора, упомянутого в статье. И .pdf американца, вроде. Статья переведена, подверглась моей цензуре, правкам и снабжена замечаниями автору.

• Маргарита Сафонова — приглашённый учёный Индийского института астрофизики, Бангалор. Её широкая область — гравитационное линзирование в астрофизике, космологии и УФ-астрономии из космоса.

В этом 2019 году отмечается 50-летие одного из самых невероятных достижений человечества: 20 июля 1969 года Apollo 11 приземлился на естественном спутнике и показал в прямом эфире вид на лунную поверхность, Землю, космос и астронавтов, работающих на поверхности.

Что окружает Землю? (все фото открываются отдельно мышью)

Радиационные пояса образованы магнитным полем Земли, которое работает как магнитная ловушка или ускоритель, направляя частицы солнечного (в основном) ветра, а иногда ускоряет их на своих орбитах внутри поясов почти до скорости света.

Пояса подобны двум вложенным пончикам. Размеры их меняются от солнечной активности, а иногда, из-за нашего воздействия. Внутренний пояс начинается на высоте 600−1600 км, в разных источниках, и до 9.6−13 тыс. км. Удаление внешнего пояса меняется от 13.5−19 до 40 тыс. км.

Между поясами есть зазор, где, как правило, нет энергичных частиц. Иногда там появляется третий переходный пояс. Спутники геосинхронной связи вращаются внутри внешнего края внешнего радиационного пояса, а низкая орбита, МКС и телескопа Hubble, чуть ниже внутреннего края внутреннего пояса.

Радиационные пояса не единственные структуры, окружающие Землю. Примерно с высоты 1000 км, на самом краю внутреннего радиационного пояса и частью проникая во внешний, есть облако заряженных частиц, плазмосфера. Это ещё слой защищающий Землю от космической радиации. Электроны во внешнем поясе движутся почти со скоростью света вдоль линий магнитного поля Земли; явление называемое шипением плазмосферы — очень низкочастотные (ОНЧ или VLF) электромагнитные волны — препятствует их приближению к Земле. ОНЧ шипение порождено отчасти атмосферными молниями, а отчасти передатчиками для связи с подлодками (рис. 1).

• Рис. 1. Плазмосфера Земли в далёком ультрафиолете, изображение получено астронавтами Apollo 16 с Луны

Электроны во внешнем поясе могут спуститься в зазор, когда Солнце производит сильную солнечную бурю или выброс корональной массы, так появляется третий пояс.

История обнаружения поясов

В 1950-х годах, когда идеи освоения космоса набирали обороты, никто не знал, на что похожа окружающая Землю среда, ближний космос. Многие считали, что там вакуум, но знали о космических лучах, проникающих в атмосферу Земли, изученные наземными приборами, аэростатами и ракетами и рокунов (rockoon — ракеты, запускаемые с аэростатов).

В 1950-х годах в США Джеймс А. Ван Аллен, председатель Группы ракетных исследований верхней атмосферы, запустил сотни рокунов. Он исследовал высотные районы вблизи магнитных полюсов. В 1953 году они обнаружили «мягкое» излучение — излучение, которое могло быть смесью заряженных частиц и рентгеновских фотонов, названное так потому что оно легко поглощалось в атмосфере — в авроральных областях выше 60 км.

«Экспедиция 1953 года дала замечательный новый результат, а именно первое прямое обнаружение электронов, которые, как мы предположили, были причиной сияний», — писал Ван Аллен. Затем объявили Международный геофизический год 1957−1958 (МГГ), а 4 октября 1957 года Советский Союз запустил Спутник-1. Он впервые показал, что орбитальное пространство безопасно, по крайней мере, для таких спутников.

Советские учёные во главе с Сергеем Верновым в МГУ не сильно отставали от американцев. Ещё до Второй мировой войны изучали космические лучи с земли и с воздушных шаров, использовали трофейные немецкие ракеты, разработанные Вернером фон Брауном. В 1956 году Вернов подготовил приборы для измерений космических лучей в космосе к полёту Спутника-1. Однако запуск был тайной даже для советских учёных.

3 ноября 1957 года СССР запустил более совершенный Спутник-2, уже с оборудованием для измерения энергии космических лучей. Два КС-5 (Космические Счётчики) на газоразрядных трубках СИ-17, которые использовали при исследовании космических лучей на больших аэростатах. Спутник-2 запущен на эллиптическую орбиту с перигеем 225 км, апогеем 1671 км и периодом 103.75 минуты. Он передавал несколько наборов данных: солнечные рентгеновские, о космических лучах, биометрические данные собаки Лайка и температуру.

Тем не менее, рентгеновская команда считала, что эксперимент провалился, потому что фотоумножители были в основном насыщены излучением, независимо от направления. После осознали, что это эффекты радиационных поясов. Данные КС-5 с 3 по 9 ноября 1957 года были годными. Увеличение радиации началось 7 ноября, когда спутник находился на широте около +60° над советской территорией (рис. 2).

• Рис. 2: Данные Спутника-2 7 ноября 1957 года. Повышение частоты счетчика началась над северными широтами СССР. Логачёв 2017

Это связано со слабой солнечной вспышкой, о которой Вернов сообщил в мае 1958 года по-русски, но без объяснения причин увеличения потока. Спутник фактически обнаружил космическое излучение и пояса, которые можно было бы назвать поясами Вернова, если бы не паранойя холодной войны.

Телеметрию Спутника-2 можно было принимать только над СССР, на спутнике не было записывающего оборудования. Апогей (1671 км) над южной полярной областью проник в радиационный пояс, но эти данные не получены советскими станциями. Австралийский учёный Гарри Мессель записал данные Спутника-2, когда он проходил над Австралией, но в СССР отказались поделиться разъяснением кода по его просьбе, а когда СССР запросил данные Месселя, отказался он.

Фред Сингер, современник Ван Аллена, в письме Алексу Дасслеру, директору Лаборатории космических наук в Центре им. Маршалла, Алабама, так это описал: «Когда они наконец попросили копию записанного, он велел им идти в ад (как мог только Гарри Мессель)».

США запустили свой первый спутник Explorer-1 31 января 1958 года с приборами измерения радиации. Но детектор космических лучей не обнаружил никакого излучения в тех местах, где, как Ван Аллен полагал, оно должно быть высоким, поэтому он решил, что инструменты перенасыщены частицами, захваченными магнитным полем Земли. Он сообщил об этом в мае 1958 года на лекции МГГ, приписав частицы аврорального происхождения, которые каким-то образом просочились в экваториальную область.

К марту 1958 года, двумя месяцами ранее, Explorer-3 подтвердил данные Explorer-1, но только Спутник-3 смог определить природу этих частиц. На нём находился сцинтилляционный счетчик — кристалл йодида натрия 40×40 мм, легированный таллием. Это позволило учёным определить, что частицы, обнаруженные в полярных областях, — протоны с энергией ~100 МэВ, а частицы в экваториальных областях — электроны с энергией ~100 кэВ.

Explorer-4 подтвердил существование двух поясов; впоследствии выяснилось, что Спутник-2 и -3 обнаружили внешний пояс, называемый приполярным, а Explorer наблюдали внутренний экваториальный пояс из-за разной широты пуска.

• Рис. 3. Разница наклонений орбит Спутника-2 и Explorer-3

Залунное проникновение Apollo 11

После наблюдения, что радиационные пояса содержат много высокоэнергичных частиц — протонов и электронов — учёные поняли, что они представляют проблему для людей и спутников в космосе. Очевидное решение в ограничении орбиты внутренним поясом, который начинается около 600 км над землей. Например, наибольшая высота первого полёта человека Юрия Гагарина 327 км.

Первые выводы о работе в поясах Ван Аллена во время возможного полета на Луну опубликованы летом 1960 года на заседании Космической целевой группы NASA. Учёные предположили, что умеренная защита может защитить экипаж от частиц внешнего пояса. В 1962 году Ван Аллен, считая, что протоны внутреннего пояса могут серьёзно угрожать полётам человека, предложил его очистить взрывом ядерной бомбы возле внешнего пояса, добавив частицам энергию покидания магнитного поля Земли.

В 1960-х годах США провели серию ядерных испытаний «Операция Dominic», включая атмосферные испытания Операция Fishbowl, призванные понять, как осколки ядерного оружия взаимодействуют с магнитным полем Земли в ядерной войне. Наивысшее событие Fishbowl названо Starfish Prime — ядерная бомба мощностью 1,4 Мт, взорванная на высоте 400 км 9 июля 1962 года. Но вместо очистки внутреннего пояса она добавила радиации. Советские испытания в том же году увеличили мощность внутреннего пояса в миллион раз, а также повредили несколько спутников.

Один из них Telstar-1, запущенный на следующий день после взрыва Starfish Prime. Он впервые ретранслировал телевизионные изображения, факсы и трансатлантические передачи. К октябрю радиация советских испытаний сожгла транзисторы Telstar и в 1963 году он вышел из строя.

Электроны высоких энергий, введённые в нижний пояс Ван Аллена, распались на одну двенадцатую их пиковой интенсивности после испытаний только к 1969 году.

К началу лунной программы учёные NASA знали о поясах, их пространственном и энергетическом распределении: электроны менее 1 МэВ вряд ли будут опасны, как и протоны менее 10 МэВ. Например, протон с энергией 3 МэВ может проникать через 6 мм алюминия (обычный материал космического корабля), тогда как один 100 МэВ — до 40 мм. Инженеры разработали экранирование из корпуса корабля и приборов вдоль стен.

Кроме того, знания об отсутствии поясов над магнитными полюсами, высоте нижнего края внутреннего пояса ~600 км (значительно выше НОО) и положении южноатлантической аномалии, где дозы достигают высоких 40 мрад/сут. уже на высоте 210 км, позволили NASA выбрать орбиту залунного проникновения Apollo так, чтобы корабль избежал опасных частей поясов. Apollo 11 обошёл внутренний и прошёл лишь через слабую часть наружного пояса (рис. 4). Согласно «Космический корабль Apollo: хронология», высотные ядерные испытания значительно влияли на пути Apollo, потому учёные NASA учли и это в радиационной защите.

• Рис. 4. Рисунок последнего отрезка пути через пояса. Красные метки показывают 10-минутные интервалы полёта Apollo 11. Из Залунная траектория Apollo 11

Несколько данных влияли на траекторию наименьшего воздействия радиации. Мы знаем, что ось Земли наклонена на 23.5° к плоскости эклиптики. В 1969 году северный магнитный полюс был смещён от севера на 11.4°. Значит в 1969 году радиационные пояса Ван Аллена могли иметь наклон к эклиптике до 23.5° + 11.4° = 34.9° (рис. 5).

• Рис. 5. Схема радиационных поясов при наибольшем наклоне к эклиптике (горизонтальная красная прямая). Синяя прямая изображает геомагнитную плоскость. Отрезок пути Apollo 11 немного выше эклиптики полностью избегает внутреннего пояса и проходит лишь через внешние слои внешнего пояса. Красный эллипс показывает короткий путь Apollo 11 через пояса

Идеальный путь для Apollo был бы через северный или южный магнитный полюс, там нет поясов. Однако это означало бы сжигание большого количества топлива, чтобы попасть на лунную орбитальную плоскость.

• [Видимо, тут ошибка. Точно попадать в лунную орбитальную плоскость нет нужды, но с ростом наклонения пуска уменьшается полезное влияние вращения Земли на начальную скорость корабля. — прим. моё]

Наклон геомагнитной плоскости относительно эклиптики эффективно привёл к тому, что точка проникновения на орбите Apollo 11 находилась очень близко к нисходящему узлу геомагнитной плоскости (см. Рис. 5). Эллиптическая орбита означает, что апогей будет находиться на той же широте в противоположном полушарии. Поэтому, если проникновение происходит в плоскости лунной орбиты, она снова окажется в той же плоскости, когда достигнет Луны.

• [Видимо, тут ошибка. Тяготение Луны способно разогнать корабль и искривить траекторию на подлёте к ней. Орбита не плоская, так как тяготеют три тела, а не два. Возвращение корабля произойдёт в другой плоскости. — прим. моё]

Орбита Луны наклонена на 5° относительно эклиптики, но при прибытии Apollo 11 она была почти точно в эклиптике (при пролёте Луны 19 июля 1969 года, 17:22 UTC, Луна имела геоцентрические координаты относительно эклиптики — 174° долготы, 0° широты), так что траектория корабля тоже была почти в эклиптике. На веб-странице «Apollo в числах — залунное проникновение» указан наклон 31.383º.

• [То есть довольно далеко от эклиптики — 23.5°. — прим. моё]

Они двигались в направлении, где геомагнитная плоскость более всего отклоняется от эклиптики. Когда Apollo 11 достиг высоты около трёх радиусов Земли, геомагнитная ось была наклонена почти точно в направлении корабля.

На рис. 4 показан путь с красными точками раз в 10 мин. Очевидно, что траектория полета Apollo 11 избегала областей с наибольшим излучением. Пусковая позиция находится под внутренним радиационным поясом; далее через внутреннюю зону внешнего пояса за ~30 мин., а через самую энергичную область — за ~10 мин. Обратная траектория тоже подобрана так, чтобы Apollo 11 избегал поясов. Он приблизился к Земле с юга и двигался с ещё большим наклонением [sic!] и скоростью, чем на пути к Луне. Астронавты находились в поясах всего около 60 мин.

В данных пары спутников NASA Van Allen Probes, запущенного в 2012 году, обнаружили, что внутренний пояс обычно состоит из протонов высокой энергии и электронов низкой энергии. И что радиация там много слабее предполагаемой. Наиболее опасные высокорелятивистские электроны с энергиями 0.7−1.5 МэВ не могли проникнуть в зазор. Или скорее — очень редко, когда, например, им помогли два сильных солнечных шторма 2015 года.

NASA признаёт, что переоценило опасность низких и средних околоземных орбит, из-за чего тратит много денег на избыточную защиту космических кораблей. Но, как только мы выйдем вне ближайшего космоса, космическое пространство и лунная среда могут представлять свои собственные угрозы.

Радиационный риск в космическом пространстве

За пределами магнитного поля Земли около 10−20 протонов на см³, со скоростями 400−650 км/с. Около пяти суток каждого оборота Луна находится внутри геомагнитного хвоста Земли, где обычно нет частиц солнечного ветра. Ещё около пяти суток Луна находится в магнитослое, где поток частиц уменьшается, а протоны медленнее, со скоростями 250−450 км/с. Мы смогли получить эти непрерывные измерения, используя спектрометр солнечного ветра, который экипаж Apollo 12 оставил на Луне.

Астронавты могут пострадать от солнечных бурь. Если бы кто-нибудь путешествовал на Луну во время солнечного события августа 1972 года, он подвергся бы опасному для жизни количеству радиации.

Члены экипажа Apollo 11 получили в среднем по 0.18 бэр (бэр — биологический эквивалент рентгена). Для сравнения, компьютерная томография — 1 бэр. Чтобы убить взрослого надо 300 бэр за короткое время, а если за недели или даже дни, действие будет меньшим. Около 50 бэр сразу вызовут лучевую болезнь.

Даже при солнечной буре, астронавты на поверхности Луны могли быть защищены командным модулем Apollo: он построен, чтобы ослабить 400 бэр до 35 бэр внутри. Числа поглощения обычно обозначаются в единицах плотности поверхности, г/см². Скафандр Apollo имел стойкость 0.25 г/см², а корпус командного модуля Apollo — 7−8 г/см². Корпус МКС — до 15 г/см² в особо экранированных местах.

Нам действительно повезло, что августовское событие 1972 года произошло между двумя последними полётами Apollo: Apollo 16 вернулся в апреле, а Apollo 17 отправился на Луну в декабре. Во время Apollo 8 и 11 не было крупных событий с солнечными частицами.

Оставить комментарий

Популярные посты:

• Ранее
• Архив