Радиационные условия и радиационная безопасность при полете космических аппаратов

Московский государственный технический университет 
имени Н.Э. Баумана 

 

В.И. Никитенко, В.И. Крайнюков

РАДИАЦИОННЫЕ 
УСЛОВИЯ И РАДИАЦИОННАЯ 
БЕЗОПАСНОСТЬ ПРИ ПОЛЕТЕ 
КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ 

 

Рекомендовано Научно-методическим советом 
МГТУ им. Н.Э. Баумана  в качестве учебного пособия 
 по курсу «Основы устройства космических аппаратов» 

Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 
2013 

УДК 629.785 (075.8) 
ББК 39.6 
Н62 

Рецензенты: Н.Н. Генералов, В.Е. Смирнов, В.В. Конюков 

 
Никитенко  В.  И. 

 
Н62
Радиационные условия и радиационная безопасность 
при полете космических аппаратов : учеб.  пособие по курсу 
«Основы устройства космических аппаратов» / В. И. Никитенко, В. И. Крайнюков. — М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2013. — 46, [2] с. : ил. 

 
 
ISBN 978-5-7038-3743-6
Рассмотрены разные виды радиационных излучений, определяющих структуру космического пространства, воздействия 
электромагнитных  корпускулярных излучений на элементы 
конструкции и конструкционные материалы космических кораблей, оптическую и электронную аппаратуру, на фотоэлектрические преобразователи, солнечные батареи и организм человека.  
Изложены методы обеспечения радиационной безопасности, необходимой при длительных орбитальных полетах вокруг 
Земли  и планировании межпланетных полетов к планетам Солнечной системы. 
Предназначено студентам, изучающим курсы «Основы устройства космических аппаратов», «Проектирование космических летательных аппаратов». 
 

 
 
 
 
УДК 629.785 (075.8)  
ББК 39.6 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-7038-3743-6                                        МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013 

ВВЕДЕНИЕ  

 Условия космического пространства сильно отличаются от 
земных. Основными факторами, влияющими на материалы и конструктивные элементы космических аппаратов (КА), являются 
глубокий вакуум, космический теплообмен, наличие радиации и 
микрометеорных тел, невесомость. Особую важность представляет воздействие радиации на материалы, элементы конструкции 
КА и организм человека.  
Радиационная обстановка в космосе определяется радиационными поясами, присутствием плазмы, протонами солнечных 
вспышек и галактическими космическими излучениями (ГКИ) и в 
значительной степени зависит от траектории движения КА. При 
полете КА на околоземных орбитах или орбитах других планет на 
радиационную обстановку существенно влияет наличие или отсутствие радиационных поясов. При межпланетных перелетах 
радиационная обстановка в большой степени зависит от радиационного потока, излучаемого во время солнечных вспышек, от ГКИ 
и электромагнитного излучения Солнца.  
Автор благодарит студентку кафедры СМ-2 А.Д. Ващенко за 
помощь, оказанную при подготовке учебного пособия. 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. РАДИАЦИОННАЯ ОБСТАНОВКА НА ОРБИТАХ 
КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ 

1.1. РАДИАЦИОННЫЕ ПОЯСА ЗЕМЛИ 

Радиационные пояса Земли (РПЗ) — внутренние области земной магнитосферы, в которых магнитное поле Земли удерживает 
заряженные частицы (в основном протоны и электроны), обладающие кинетической энергией от десятков килоэлектронвольт до 
сотен мегаэлектронвольт (в разных областях РПЗ энергия частиц 
неодинакова). Выходу заряженных частиц из РПЗ мешает особая 
конфигурация силовых линий геомагнитного поля, создающего 
для заряженных частиц магнитную ловушку. 
Магнитосфера Земли. Силовая линия дипольного поля описывается формулой 

2

э
cos
,
R
R 
  

где λ  —  геомагнитная широта (угол между радиусом-вектором 
точки и Rэ; Rэ — расстояние до силовой линии в плоскости геомагнитного экватора от центра диполя.  
Изменение напряженности поля В вдоль силовой линии определяется зависимостью 

 

2

6
э

4
cos
.
cos
B
B





 

Индекс «э» обозначает величину, относящуюся к точке пересечения линии с геомагнитным экватором. Значение Вэ находят по 
формуле 

3
з
э
3
э

0,12
,
R
B
R

 

выражающей известный закон убывания напряженности магнитного поля обратно пропорционально третьей степени радиуса. 

Отношение  

э

з

R
L
R

 называют параметром Мак-Илвайна. По
сле подстановки 

э
3
0,312,
B
L

 

где 0,312  — напряженность поля на поверхности Земли, Гc. 
Реальное магнитное поле существенно отличается от дипольного. Общая схема геомагнитного поля, обтекаемого солнечным 
ветром, приведена на рис. 1.1 и 1.2. 
 Характер движения частиц в магнитном поле. Сложное 
движение, совершаемое заряженной частицей, может быть разложено на три простых: прежде всего — вращение частицы вокруг 
силовой линии, или циклотронное движение. Период его определяется выражением 

ц
ц

1
,
mc
Т
f
qB


 

где fц — циклотронная частота; m — масса частицы; c — скорость света; q — заряд частицы; B — индукция локального магнитного поля. 
Радиус вращения,  так называемый циклотронный радиус, 
расчитывают по формуле 

ц
,
mcV
R
qB



  

где V  – компонента скорости, 
перпендикулярная 
направлению 
магнитного поля.  
Рис. 1.1

Второй компонентой сложного движения заряженной частицы, захваченной геомагнитным полем, считается движение ведущего центра вдоль силовой линии. Одно колебание вдоль силовой 
линии из северного полушария в южное протон с энергией примерно 100 МэВ совершает за время 0,3 с. Таким образом, траектория частицы представляет собой спираль, как бы навивающуюся 
на силовую линию. Шаг этой спирали непостоянен — по мере 
приближения к высоким широтам он убывает до тех пор, пока не 
достигнет точки, где индукция поля  

mах
2
.
sin
B
B

  

Здесь  Вmax — максимальная индукция в точке до которой частица 
может проникнуть;   — питч-угол (угол между вектором скорости и вектором магнитного поля).  
Точка, где В = Вmax  и  частица меняет знак скорости движения 
ведущего центра, называется зеркальной точкой. Соответственно, 
ведущий центр, двигаясь почти параллельно силовой линии, совершает колебательное движение между точками Ас и Аю северного и южного полушарий. Период этих колебаний  

Рис. 1.2 

ю

с
2
п
2
,

A

A

dl
T
V
 
 

где Vп — скорость движения ведущего центра параллельно силовой линии. 
Интеграл берется вдоль силовой линии или траектории ведущего центра. 
Но вращением и колебаниями между зеркальными точками не 
исчерпывается движение заряженной частицы в геомагнитном 
поле. Происходит и дрейф частицы по долготе, обусловленный 
неоднородностью магнитного поля по вертикали. В процессе 
дрейфа электроны смещаются на восток, протоны и другие положительно заряженные частицы — на запад. Дрейф происходит со 
значительно меньшей, чем при циклотронном движении вокруг 
магнитно-силовой линии, скоростью. В зависимости от энергии 
частицы совершают полный оборот вокруг Земли за время от нескольких минут до суток. Таким образом, траектория движения 
ведущего центра заряженной частицы, захваченной магнитным 
полем, описывает своеобразную магнитную оболочку. В строго 
дипольном поле эта магнитная оболочка совпадает с поверхностью вращения магнитной силовой линии. 
Тем не менее следует учитывать, что геомагнитное поле отличается от дипольного. 
Строение радиационной зоны Земли. Радиационная зона представляет собой единое образование со сложным распределением 
частиц по составу и энергиям. 
Основной ионной составляющей радиационной зоны являются протоны (99 %), дейтроны (Е > 50 МэВ) ~ 0,5 %,  тритоны 
(Е > 60 МэВ) ~ 0,5 %, более тяжелые частицы практически не 
присутствуют. Пространственное распределение захваченных 
протонов показано на рис. 1.3, где весь поток протонов разделен 
на две компоненты:  низкоэнергетическую — 0,03 < Еn < 20 МэВ и 
высокоэнергетическую — Еn > 20 МэВ.  
Пояс протонов малых энергий (0,03…20 МэВ) простирается от 
L ~ 1,5 до L ~ 7…8. На рис. видно, что максимальная интенсивность низкоэнергетических протонов наблюдается на L ~ 4 и составляет 108 см–2·с–1.  

Максимум потока интенсивности высокоэнергичной компоненты приходится на L ~ 1,5 и составляет около 3·104 см–2·с–1. 
Очертания зоны  с высокоэнергичной компонентой условно считается «внутренним поясом». Его нижняя граница в зависимости 
от широты лежит на высоте 600 км. С внешней стороны этот пояс 
ограничен магнитной оболочкой с L ~ 2. 
Во внутреннем поясе присутствуют также электроны с энергией от 20 … 40 кэВ до 1 МэВ.  
Остальную часть радиационной зоны иногда называют внешним радиационным поясом. Вследствие несовпадения центра магнитного диполя с центром Земли радиационная зона смещена в 
сторону восточного полушария планеты.  
Внешний РПЗ заключен между магнитными оболочками c 
L ~ 3 и L ~ 6 и максимальной плотностью потока частиц на L ~ 4,5. 
Электроны сравнительно малых энергий распределены в широких 
областях пространства — от ближайших к земной поверхности до 
периферийных областей магнитосферы. Электроны высоких энергий (Е > 500 кэВ) сконцентрированы в области L ~ 4…6 (внешний 
радиационный пояс). Для внешнего пояса характерны электроны с 
энергиями 40…100 кэВ. В периоды повышенной солнечной активности во внешнем поясе присутствуют также электроны больших энергий (до 1 МэВ и выше)(рис. 1.4). 
Радиационные пояса существуют у Юпитера, возможно, у Сатурна и Меркурия. Радиационные пояса Юпитера имеют значительно большие протяженность, плотность потока  и энергию частиц, чем пояса Земли. Радиационные пояса Сатурна обнаружены 

Рис. 1.3 

радиоастрономическими методами. Советские и американские КА 
показали, что Венера, Марс и Луна радиационных поясов не имеют. Магнитное поле Меркурия обнаружено одной из космических 
станций при облете планеты. Это делает возможным существование у Меркурия радиационного пояса. 
Искусственные радиационные пояса. Любая заряженная частица достаточно высокой энергии, попавшая в магнитное поле, 
окажется захваченной. Это относится и к заряженным частицам, 
возникающим в результате ядерных взрывов.  
Образующиеся в результате взрыва осколки деления являются 
источником электронов с энергиями до 10 МэВ. Плотность потоков электронов в искусственных РПЗ может достигать 1019 электрон   см–2 · с–1 и выше. Однако она сравнительно быстро спадает 
во времени (за два месяца плотность снижается примерно на 
50 %). Ориентировочные оценки поглощенной за год дозы от  искусственных РПЗ показывают, что она может достигать 
108…109 рад. 
Сравнительно небольшие радиационные пояса возникали в результате взрывов, выполненных по программе «Аргус». Мощный 
пояс возник в результате американского термоядерного взрыва 
«Старфиш» в 1962 г. 
Электроны больших энергий от взрыва «Старфиш» образовали новый искусственный пояс радиации, который сохранялся 
около 10 лет. В течение этого времени радиационный пояс оставался единственным источником опасности для космических 

Рис. 1.4  

полетов и работы автоматической аппаратуры спутников. В результате взрыва некоторые спутники прекратили свою работу 
полностью или временно, многие вышли из строя гораздо быстрее, чем это могло произойти в нормальных условиях. Всего было 
проведено девять ядерных взрывов на высотах 76… 480 км. 
К другим способам появления искусственных РПЗ относится 
распыление путем обычного взрыва на высоте свыше 200 км радиоактивных веществ, имеющих малые периоды полураспада 
(порядка суток), а также использование на ракетах ускорителей 
инжектирующих электронов с энергией 10…40 кэВ.  
Из сказанного можно сделать вывод, что если имеется радиационная опасность, ее необходимо учитывать при расчетах. 

1.2. СОЛНЕЧНЫЕ КОСМИЧЕСКИЕ 
ИЗЛУЧЕНИЯ 

Плазма и протоны солнечных вспышек. Интенсивные потоки 
частиц высокой энергии генерируются Солнцем во время больших вспышек, что происходит сравнительно редко, но в эти моменты радиационная обстановка в межпланетном пространстве 
определяется именно этими космическими излучениями. Достаточно сказать, что их интенсивность может превосходить нормальный фон в 10 000 раз. Частота появления больших вспышек, 
генерирующих сильное  излучение, оценивается как одна вспышка в 1,5 года.  
Солнечная активность имеет период 11 лет. Вспышки случаются почти каждые 10 дней и прогнозируются по состоянию солнечной хромосферы. 
Для расчета потока, который будет воздействовать на космический летательный аппарат (КЛА) во время полета по траектории, необходимо знать: 
1) когда и сколько вспышек произойдет на Солнце; 
2) энергетический спектр протонов (распределение по энергиям); 
3) полное число частиц протонов в каждой вспышке; 
4) закон распределения протонов в межпланетном пространстве; 
5) закон распределения протонов в магнитном поле Земли (если траектория полета лежит внутри радиационной зоны).