Проектирование радиационной защиты для головного обтекателя космического корабля

Актуальность

«Человечество не останется вечно на Земле, но в погоне за светом и пространством сначала робко проникнет за пределы атмосферы, а затем завоюет себе всё околосолнечное пространство», – так говорил Константин Эдуардович Циолковский, русский и советский учёный, разработавший теоретические основы полётов в космос, учёный, ставший основоположником всей современной космонавтики.

Действительно, космические полёты стали неотъемлемой частью множества научных исследований, начиная со второй половины прошлого века. Во время освоения космоса человек смог сделать огромное количество удивительных открытий. Однако необходимо помнить, что каждый межпланетный полёт представляет определённую угрозу как для экипажа, так и для научного оборудования, находящегося на борту летательного аппарата. Одна из главных проблем — это космические лучи. Любой продолжительный полёт всегда связан с риском  получения дозы излучения от космических лучей.

В современном машиностроении применяются различные способы защиты летательного аппарата от космического излучения, но и они порой не могут гарантировать абсолютную безопасность космического полёта. Именно поэтому мы считаем, что необходимо создать наиболее универсальный вариант радиационной защиты, которая бы справлялась с поставленной задачей, защищая космический корабль, его экипаж и перевозимые грузы от всех видов космических лучей.

Цель

Смоделировать наиболее рациональный с точки зрения геометрической формы, размера, материала, веса и эффективности способ защиты головного обтекателя летательного аппарата от всех возможных компонент космического излучения.

Задачи

1. Определить актуальность рассматриваемой проблемы.
2. Оценить время полёта на Марс.
3. Изучить состав и происхождение космических лучей.
4. Изучить влияние ионизирующих излучений на биологические ткани и электроприборы.
5. Оценить проникающие способности различных компонент космического излучения.
6. Изучить основные механизмы взаимодействия излучений с веществом.
7. Подобрать геометрическую форму головного обтекателя.
8. Подобрать материалы для изготовления радиационной защиты.
9. Определить эффективность предлагаемого способа радиационной защиты.
10. Сравнить результаты работы с существующими (или проектными)  аналогами.
11. Создать масштабный макет.
12. Подвести итоги и сформулировать выводы.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• 3D-принтер «PrintBox3D 270 Dual PRO»
• Лаборатория инженерного класса
• Компьютер

Описание

В работе планировалось сделать радиационную защиту, состоящую из трёх различных слоёв. Наружный слой нужно было сделать из алюминия толщиной 1 см. Он призван защищать от альфа- и бета-излучений, от протонов с низкими энергиями, от тяжёлых ядер и от рентгеновского излучения. Средний слой сделан из полиэтилена толщиной 1 см. Его основная роль – защита от большинства протонов солнечных космических лучей (СКЛ). И, наконец, внутренний слой защиты – снова алюминиевый толщиной 0,5 см. Последний слой призван защищать внутреннее пространство головного обтекателя от вторичного излучения, возникающего при прохождении космических лучей через первые два слоя. Такое соотношение материалов обеспечило наиболее рациональное соотношение массы головного обтекателя и эффективности радиационной защиты. Суммарная толщина защитной оболочки составила примерно 5 г/см² и обеспечила снижение поглощённой дозы от СКЛ с 800 до примерно 5 рад/год.

Для создания трёхмерных моделей в проекте использовались программы Adobe Illustrator, а также Blender. После разработки трёхмерной модели был изготовлен масштабный макет.

В работе приводилось сравнение с известными аналогами, а именно – с ракетами серии «Falcon» от компании SpaceX и ракетами серии «Атлас-5». Рассмотренные аналоги изготавливаются в основном из композитных материалов, которые не могут обеспечить должной радиационной защиты при длительном полёте, например, при полёте на Марс. Сделаны оценки эффективности радиационной защиты, а результаты сравнены с несколькими научными работами.

Результаты работы/выводы

По мнению автора, в ходе работы над проектом получилось создать отличную концепцию радиационной защиты для головного обтекателя космического летательного аппарата. Основные задачи проекта выполнены, а главная цель достигнута. Автор считает, что использование обтекателя, изготовленного из материалов, предлагаемых в его проекте, поможет успешно завершить космическую миссию.

Перспективы использования результатов работы

Автор будет продолжать совершенствовать своё изделие, так как радиационная защита является перспективным научным направлением. Автор очень надеемся, что его работа будет служить на благо людям и поможет в исследовании космоса и других планет. Для защиты экипажа космического корабля, а также полезного груза и бортовой электроники предлагается сделать трёхслойную комбинированную радиационную защиту. Выбранная концепция обладает определёнными преимуществами по сравнению с композитными материалами, используемыми при строительстве летательных аппаратов. Расчётная суммарная толщина радиационной защиты составляет примерно 5 г/см². Однако, если продолжительность предполагаемого полёта велика, этот показатель можно было бы увеличить, возможно, даже получив проигрыш в массе летательного аппарата. В дальнейшем планируется рассмотреть другие комбинации материалов для изготовления радиационной защиты.

Награды/достижения

XXXI Открытая московская инженерная конференция школьников «Потенциал» – участник;

XLVIII Гагаринские чтения – участник;

«Большие вызовы», 2022 – призёр дистанционного этапа

Мнение автора

«Проект «Инженерный класс в московской школе» помогает нам заранее начать подготовку к выбранной профессии, погрузиться в углублённое изучение инженерных наук. Хочется поблагодарить организаторов конференции «Инженеры будущего» за прекрасную возможность выступить со своим проектом, пообщаться с интересными людьми и услышать мнения экспертов