Прогнозирование радиационной опасности

Учитывая изменяющиеся радиационные условия в космическом пространстве, а также постоянное совершенствование моделей потоков частиц радиационных полей, возможности прогнозирования радиационных условий на КА в полной мере проявляются при использовании компьютерной техники. Более того, компьютерные версии моделей потоков частиц в космическом пространстве, объединенные с генератором координат орбит КА, с компьютерными версиями моделей прохождения частиц за экраны и радиационных эффектов, позволяют создавать целые информационные комплексы (ИК), которые существенно сокращают временные затраты при задании требований к космической технике в части их радиационной чувствительности (стойкости) на борту КА. По указанной схеме в НИИЯФ МГУ разработаны алгоритмы и программное обеспечение, в котором используются модели НИИЯФ МГУ и первые редакции которых были стандартизированы (ГОСТ 25645.138-86, ГОСТ 25645.139-86, ГОСТ 25645.150-90, ГОСТ Р 25645.165-2001).

Модели радиационного окружения в интерактивных информационных системах

В зарубежной практике для прогнозирования радиационной опасности разработаны интерактивные информационные системы, в которых используются компьютерные версии моделей радиационного окружения. В таблице приведены только те из зарубежных моделей, которые наиболее часто используются для практических применений и включены в информационные системы:

CREME96 − http://creme96.nrl.navy.mil/
SPENVIS − http://www.spenvis.oma.be/spenvis
SIREST − http://www.sirest.larc.nas.gov/

Пример расчета эквивалентной дозы

На предварительном этапе проектирования космического полета важно сделать предварительные оценки радиационной опасности на заданной траектории (орбите) с учетом защиты оборудования для обеспечения его работоспособности. Эти оценки проводят для защиты в простой конфигурации (сфера, плоскость) в зависимости от ее толщины, что в дальнейшем позволяет использовать эти данные для уточняющих расчетов с учетом реальной конструкции и компоновки КА.
Эти расчеты проводятся для каждого радиационного поля в отдельности, вклад которых в радиационную опасность может быть различным при разной толщине защиты.

    Прогнозирование радиационной опасности для КА в межпланетном пространстве должно учитывать влияние фоновых потоков частиц ГКЛ и стохастических потоков частиц СКЛ. Причем для последних согласно модели определяется верхний предел энергетического спектра потоков частиц и, соответственно, верхний предел характеристик радиационного воздействия, которые не могут быть превышены с определенной вероятностью за время полета.
    Результаты расчетов эквивалентной дозы, которую может получит кожа космонавтов во время полета на Марс, показывают, что в этом случае практически независимо от толщины защиты радиационная опасность определяется потоками частиц СКЛ.
    Для околоземных орбит дополнительный большой вклад в эквивалентную дозу дают потоки электронов и протонов РПЗ. Например, расчеты показывают, что вклад в поглощенную дозу от потоков частиц РПЗ на орбите МКС для любой толщины защиты превышает вклад от потоков частиц ГКЛ и СКЛ.

Пример расчета частоты ОСЭ

При оценках возникновения одиночных эффектов необходимо разделять случаи устойчивых и перемежающихся отказов. Для устойчивых отказов рассчитывается количество отказов с использованием потока частиц, воздействующего в течение заданного промежутка времени (так же как и при расчетах поглощенной дозы).

Для перемежающихся отказов (сбоев) необходимо учитывать вариации потоков частиц на орбите и рассчитывать усредненные (за много витков орбиты) и максимальные (на коротких участках орбиты) значения частоты ОСЭ. Причем при анализе результатов следует иметь ввиду, что максимальная частота сбоев от потоков частиц разных радиационных полей возникает на разных участках орбиты, а расчет частоты сбоев от потоков частиц СКЛ (появляющихся эпизодически) для упрощения расчетов может быть проведен только для пиковых потоков, то есть для наихудшего случая за время существования события. Считается, что такой поток существует в течение нескольких часов и поэтому рассчитывается с учетом функции проникновения пикового потока на наиболее опасный участок витков орбиты (максимальный пиковый поток) или на орбиту в целом (средний пиковый поток).

Пример расчета поглощенной дозы на круговых околоземных орбитах

Потоки электронов и протонов РПЗ являются важным источником радиационной опасности в орбитальных полетах КА в околоземном космическом пространстве. Вклад потоков частиц РПЗ в величину общей поглощенной дозы преобладает над вкладом от потоков частиц ГКЛ и СКЛ.

Поглощенная доза (10 лет) в зависимости от высоты круговой орбиты КА (защита 1 г/см²)

Пример расчета частоты (количества) одиночных случайных эффектов на круговых околоземных орбитах

При прогнозировании возникновения одиночных случайных эффектов (ОСЭ) на борту КА помимо радиационных условий на орбите (с учетом толщины защитных экранов) необходимо учитывать тип эффекта (сбои или устойчивые отказы) и пороговое значение ЛПЭ этого эффекта.
При прогнозировании сбоев в микросхемах памяти (наиболее чувствительных к сбоям электронные компоненты) расчетные оценки проводятся для пиковых потоков частиц, которые появляются на коротких участках орбиты, в том числе и во время возникновения потоков СКЛ. В этом случае в отсутствие потоков частиц СКЛ частота сбоев на орбитах с высотой до 10000 км определяется воздействием потоков протонов РПЗ, а на более высоких орбитах – воздействием потоков частиц ГКЛ. Однако на всех орбитах частота сбоев определяется потоком частиц СКЛ, если появляется большое событие СКЛ.

Частота одиночных сбоев в микросхемах памяти в зависимости от высоты круговой орбиты КА (защита 1 г/см²)

Количество одиночных отказов (10 лет) в микросхемах с L_с= 20 МэВ/(мг/см²) в зависимости от высоты круговой орбиты КА (защита 1 г/см²)

При прогнозировании устойчивых одиночных случайных эффектов (устойчивых отказов) потоки протонов РПЗ не учитываются, так как электронные компоненты, как правило, имеют высокий порог ЛПЭ возникновения этих эффектов (более 20 МэВ/(мг/см²)), который не могут превысить возникающие в ядерных реакциях остаточные ядра.

Выводы к параграфу «Прогнозирование радиационной опасности»

Существующие интегрированные пакеты программ, разработанные с использованием моделей потоков частиц радиационного окружения и моделей радиационных эффектов, позволяют оперативно и с необходимой полнотой обеспечить количественную оценку радиационной опасности, ожидаемую на борту КА на заданной орбите и в заданный период времени.