Общая характеристика работы

Вид материала

Документы

Содержание Рис. 3. Изолинии магнитного поля в обитаемом объеме межпланетного корабля. Рис. 4. Стабилизация магнитного поля на борту при движении по полярной орбите (1) и орбите с углом наклона i (2) . В главе 3. рассматривается применение методов радиотермометрии

Подобный материал:

• Содержание лекций  Модели местного самоуправления в России  Местное самоуправление:, 786.51kb.
• Общая характеристика работы актуальность работы, 336.09kb.
• Общая характеристика работы актуальность работы, 236.99kb.
• Общая характеристика работы актуальность работы, 227.87kb.
• Общая характеристика работы актуальность работы, 227.87kb.
• Задачи физического воспитания детей дошкольного возраста. Общая характеристика средств, 34.6kb.
• Реферат по курсу: экология на тему: Общая характеристика экосистем, как, 726.64kb.
• Научная работа студентов, 2153.55kb.
• Научная работа студентов, 2114.42kb.
• Общая характеристика работы актуальность работы, 487.01kb.

Рис. 3. Изолинии магнитного поля в обитаемом объеме межпланетного корабля.

Показана половина симметричной системы, число секций – 14. Отношение

длины к радиусу 1:16. Значения поля по радиусу отнесены к полю на оси


Энергопотребление системы из алюминия при массе 5,5·10¹ кг не превышает 6·10¹ Вт (Тrukhanov, Lugansky, 2006) Здесь возникает типичная задача на оптимизацию: чем меньше сопротивление магнитной системы (т.е. чем ее масса больше), тем меньшую мощность она потребляет и тем меньше масса ее источника питания. И наоборот.

В случае использования на межпланетном корабле систем, создающих искусственное ГМП, предстоит решить ряд принципиальных вопросов (Труханов, 2002, 2003, Тrukhanov 2003, Тrukhanov, Lugansky, 2006). Например, какова должна быть наименьшая величина и однородность этого искусственного аналога ГМП? Требуется ли поддерживать поле постоянно или можно включать его лишь на какое-то время суток? Следует ли воспроизводить спектр колебаний и возмущений ГМП, и если да, то в каких диапазонах? Конечно, возможно, как нами уже отмечалось (Труханов, 2002, 2003, Тrukhanov 2003), и совсем простое решение – записать на месте старта ГМП и его колебания в отсутствие заметных геомагнитных возмущений и воспроизводить его на борту. Более «экзотический» вариант – отслеживать невозмущенное ГМП и его колебания на Земле (на космодроме), например, в течение суток, сжимать их по частоте и передавать на корабль, а там воспроизводить с исходной частотой, позволяя космонавтам, так сказать, пребывать в ГМП, но с суточным (или иным выбранным) запозданием.

В


п. 2.4 в самом общем виде обсуждается возможность создания искусственного ГМП на лунной базе. Возможные технические решения зависят как от предполагаемого облика базы, так и от ответов на вопросы, поставленные в п. 2. 3 (например, требуется ли поддерживать поле постоянно или включать лишь на какое-то время суток и т.д.). Если «искусственное ГМП» окажется возможным включать лишь на какое-то ограниченное время (например, на время сна), то тогда система может напоминать соленоидальную систему для межпланетного полета. Если же окажется необходимым создавать искусственное ГМП на рабочих местах внутри лунной базы, то здесь, по-видимому, возможно применение тех систем, которые представлялись невыгодными для применения в межпланетном корабле (системы Максвелла, Гельмгольца, Гаррета и др.). При этом целесообразно рассмотреть два варианта их расположения – вертикальное и горизонтальное расположение плоскости витков. Вертикальный вариант потребует выемки заметного количества лунного грунта для своего размещения или же расположения рабочих мест на поднятой над поверхностью Луны площадке, что приведет к дополнительным затруднениям. При горизонтальном расположении работы с грунтом сведутся к созданию нескольких сравнительно узких и коротких траншей, в которых будут размещены кольцевые или прямоугольные витки.

В п. 2.5 рассматриваются особенности системы компенсации переменного уровня ГМП на борту при околоземных полетах.

При околоземном полете вектор напряженности ГМП в корабле все время меняется, причем не только по величине, но и по направлению. Соответственно если компенсировать изменение каждого компонента ГМП, то потребуется двухкомпонентная или даже трехкомпонентная система компенсации, что технически не представляется осуществимым. 



Рис. 4. Стабилизация магнитного поля на борту при движении по полярной орбите (1) и орбите с углом наклона i (2) .


Нами предлагается (Тrukhanov, Lugansky, 2006), по-видимому, наиболее простой и эффективный выход из положения. Он состоит в том, что внутри (или вне) обитаемого отсека устанавливается однокомпонентная магнитная система соленоидального типа, которая создает магнитное поле вдоль его оси. По показаниям магнитометра, находящегося в обитаемом отсеке и включенного в блок управления током источника, питающего магнитную систему, модуль поля, создаваемого совместно магнитной системой и ГМП на борту, поддерживается на заранее установленном уровне, который незначительно превышает тот максимальный уровень ГМП, который достигается на орбите.

Таким образом, при вариации уровня ГМП на борту вследствие тех или иных причин (изменения геомагнитных координат корабля из-за его движения по орбите или же процессов в магнитосфере) поле остается стабильным, а меняется, причем достаточно медленно, лишь направление его вектора. Медленные и даже сравнительно быстрые изменения направления вектора магнитного поля, по-видимому, не могут вызывать каких-либо нежелательных биологических эффектов у человека, поскольку естественным образом сопровождают его жизнедеятельность. Положение тела относительно вектора ГМП практически все время изменяется как при его движении в пространстве, так и при изменении позы.

Рассматривается, в качестве иллюстрации, как должна изменяться величина дополнительного поля B_art при движении по орбите (в реальности величина B_art будет управляться магнитометром). ГМП в первом приближении принято за поле магнитного диполя, ось которого совпадает с осью вращения Земли. Приведено решение задачи о том, как должно изменяться поле системы на полярной орбите при различной ориентации корабля относительно направления полета. В случае, если углы тангажа и рыскания корабля равны нулю, то отношение B_art к уровню ГМП на борту в плоскости экватора B_eq:


(2.1),


где φ – широта.

Из соображений минимальной мощности выбираем в перед 2·cosφ знак +. Показано также, что средняя мощность на поддержание модуля магнитного поля меньше половины мощности, требуемой на экваторе.

Рассматривается также случай, когда орбита круговая, но имеет угол наклонения i. Зависимость географической (и геомагнитной в данном приближении) широты φ в сферической системе координат определяется известной формулой баллистики как:


(2.1),

где u- аргумент широты, отсчитываемый в плоскости орбиты.

Синус и косинус угла между вектором скорости и направлением географической (и геомагнитной в данном приближении) широты соответственно равны:


(2.2а)

(2.2б)

Поле соленоидальной системы, установленной вдоль обитаемого объема, умноженное на sinψ, дает дополнение к дипольному полю по координате φ, а умноженное на cosψ, дает дополнительное поле по широте, отсутствующее в поле диполя при принятых приближениях. Максимум модуля ГМП на борту корабля при угле наклона орбиты i, равен: B_eq (1+3·sin²i)^1/2.

Записываем квадратное уравнение для , подставляем cosφ и после преобразования находим решение:


(2.3) Выражение схоже с уравнением при движении по полярной орбите, но широта φ заменена на аргумент широты u и, кроме того, оно умножено на синус угла наклонения. Знак «+» перед вторым членом выбирается из соображений меньшей мощности, которая должна расходоваться на поддержание поля. Аргумент широты можно записать как:

(2.4),


где T^* = T_rv/2π, T_rv - время обращения, а время t отсчитывается от восходящего узла.

С учетом того, что реальное ГМП не является полем диполя, можно было бы ввести поправки к полученным выражениям. Однако они невелики, причем в реальной системе это должно происходить автоматически по показаниям магнитометра. На учете отличия углов тангажа и рыскания от нуля не будем останавливаться, поскольку это делается элементарно.

Возможный недостаток предложенного решения заключается в том, что экипаж постоянно будет находиться в максимуме ГМП, которое корабль достигает при заданном наклоне орбиты и которое будет выше величины ГМП в точке старта. Таким образом, при входе в корабль и при выходе из него члены экипажа будут претерпевать небольшой скачок поля, который можно растянуть во времени за счет медленного включения и выключения системы.

В какой-то мере схожие проблемы должны возникать при дальних полетах на самолетах, особенно, в широтном направлении (например, через северный полюс). На борту самолетов уровень ГМП меняется не только из-за изменения во время полета геомагнитных координат основного поля, но и вследствие вклада так называемого аномального поля, обусловленного местными магнитными аномалиями. Оно имеет более высокую частоту (см. (Труханов и др., 1984)). Наличие магнитной системы на борту позволит устранить колебания уровня ГМП при полете и медленно снижать или повышать этот уровень до его величины в точке приземления. Однако необходимо заранее знать маршрут и максимальную величину ГМП, которая встретится на нем. Скачок поля в месте старта также неизбежен.

В медицинской практике известно создание экранированных комнат для размещения в них магнито - чувствительных пациентов. Однако в этих комнатах пациенты находятся в ослабленном ГМП, что может повлечь неблагоприятные эффекты. Стабилизация модуля магнитного поля с помощью специальных магнитных систем позволит исключить этот недостаток и обеспечивать эффективную нейтрализацию воздействия магнитных бурь. Конечно, это целесообразно только в том случае, если, как отмечалось выше, именно колебания величины ГМП являются причиной соответствующих биологических эффектов. Если же эти эффекты лишь коррелируют с колебаниями величины ГМП, а на деле за них ответственны и другие факторы, которые до сих пор не удалось надежно установить (см., например (Труханов, 1978, Trukhanov, 1998)), упомянутые выше решения могут оказаться не вполне успешными.

В п. 2.6 разбирается некорректность встречающихся в литературе утверждений, что внутри космического аппарата и, соответственно, в организме космонавта при полете в ГМП индуцируются электрические поля (ЭП), которые могут оказывать биологическое действие. В частности, в работе (Marino et al, 1979) была выдвинута гипотеза, что эти ЭП могут быть «по крайней мере, частично ответственны» за потери кальция при околоземных полетах.

Специально остановимся на этом вопросе, поскольку такие утверждения основаны на принципиальной ошибке. Будем следовать нашей работе (Труханов и др., 1984). Как известно, если в некоторой системе координат (в данном случае, связанной с Землей) магнитное поле характеризуется вектором магнитной индукции В, то в системе координат, связанной с движущимся объектом (в данном случае, с КА), вектор скорости которого относительно «неподвижной» системы равен v, появится еще и «внешнее» ЭП, равное (v ´ B). В проводящем теле (корпус КА) электроны проводимости под действием этого поля перераспределяются на поверхности так, что в любой точке внутри тела напряженность «внешнего» ЭП равна нулю независимо от того, является тело сплошным или полым. Вне проводящего корпуса ЭП равно сумме ЭП перераспределившихся зарядов и однородного «внешнего» поля и невелико (порядка долей В/м). Его воздействием при внекорабельной деятельности можно пренебречь, тем более что электропроводные элементы скафандра в определенной степени защищают космонавта от всех внешних ЭП (включая высокочастотные). Электрическое поле, которое возникает внутри КА при его движении в ГМП, может быть обусловлено лишь изменением величины магнитного потока, проходящего через тот или иной проводящий контур на борту (в том числе, и организм космонавта), из-за изменения координат и высоты КА. Оно крайне невелико.

Заблуждение, рассмотренное выше, уже имело место в истории техники. В первой четверти 20-го века предпринимались неоднократные попытки создать измерители скорости корабля или самолета относительно земли, основанные на электромагнитной индукции при движении в ГМП. Однако мешали помехи, вызывавшиеся естественным электрическим полем Земли. Попытки избавиться от этих помех, экранируя индукционный датчик проводящим кожухом, не приводили к желаемому результату: помехи исчезали, но индукционный сигнал (ЭП) тоже исчезал.

Необходимо пояснить, почему нельзя рассматривать картину с позиций наблюдателя, находящегося не на КА, а на Земле, как это неявно или явно делается в некоторых работах. Действительно в этой системе отсчета индуцированное электрическое поле внутри проводящего тела отлично от нуля. Однако суть в том, что когда объект движется относительно какой-то системы координат, то с точки зрения наблюдателя в этой системе его, так сказать, электрические свойства (например, поляризация и намагниченность вещества, из которого он состоит), будут другими, чем для наблюдателя, который движется с этим телом в сопутствующей системе. Например, если объект в сопутствующей системе обладает лишь электрической поляризацией, то в системе, относительно которой он движется, он окажется не только поляризованным, но и намагниченным. Иными словами, если можно было бы каким-то образом сверхчувствительной аппаратурой дистанционно регистрировать состояние космонавтов, то оказалось бы, что мембраны клеток в их организме не только поляризованы, но и намагничены, биотоки иные и т.д. О биофизике такого организма и, тем более, об его реакции на ЭМП что-либо сказать не представлялось бы возможным. Отбросить это обстоятельство и, тем не менее, считать, что на космонавта воздействует электрическое поле, индуцированное вследствие движения космического корабля в ГМП (или, как иногда выражаются, вызванное пересечением силовых линий ГМП), нельзя, так как и то, и другое обусловлено одними и теми же физическими законами.

Заметим, что именно поэтому нельзя воспользоваться, казалось, заманчивой возможностью, переходя от одной системы отсчета в другую, теоретически найти (Григорьев и др., 2002), пользуясь релятивистскими преобразованиями, те или иные сочетания чисто электрического и чисто магнитного полей, эквивалентные по своим биологическим эффектам. Каждому сочетанию полей будут соответствовать свои сочетания поляризации и намагниченности мембран, биотоков и т.п., т.е. принципиально иной организм.

В п.2.7 рассматриваются особенности нормирования электромагнитных полей с широкополосным спектром. Выше уже отмечалось, что перспектива резкого возрастания, особенно в межпланетном полете и на лунной базе, количества систем и аппаратуры, создающих при своей работе ЭМП широкого спектра и самой различной величины, заставляет с повышенным вниманием относиться к нормированию его предельно допустимых уровней. На борту (да и в наземных условиях) спектр ЭМП будет приобретать характер, приближающийся к квазинепрерывному. Ранее, в связи с отсутствием квазинепрерывного фона, его нормирование не рассматривалось. В настоящее время возникает необходимость оценки дозовой нагрузки, вносимой фоновой электромагнитной обстановкой.

В подходах к нормированию ЭМП, как известно, существуют два направления. Первое исходит из положения, что биологические эффекты ЭМП сводятся исключительно к нагреву и перегреву тканей и органов организма при поглощении энергии (так называемая тепловая модель). Второе, принятое в СССР и затем в России, считает, что существуют нетепловые эффекты, и что при нормировании следует исходить из них. В частности, именно с этих позиций были регламентированы предельно допустимые уровни действующего ГОСТ Р 50804–95 «Среда обитания космонавта в пилотируемом космическом аппарате».

В дальнейшем будем исходить из действующих в ГОСТ Р 50804–95 нетепловых подходов, однако для сравнения будем приводить результаты оценок по тепловой модели, но основанной на тех же уровнях ЭМП, что и нетепловая.

В стандартах многих стран и рекомендациях международных организаций принято, что в случае наличия нескольких источников ЭМП разных частот, для которых установлены соответствующие предельно допустимые уровни, сумма их относительных вкладов не должна превышать единицы. Распространяя этот подход на случай квазинепрерывного широкополосного электромагнитного фона, дозовую нагрузку D в единицах предельно допустимого уровня (ПДУ) можно представить (Васин и др., 2003), как интеграл от множества виртуальных источников, а именно:

D = (2.5)

где G(f) - параметр поля E, H или S (обозначения стандартные) как функция частоты f, G_L(f) - ПДУ выбранного параметра ЭМП для установленного времени нахождения в ЭМП, D(f)- ширина частотной линии аппаратуры, регистрирующей G(f), φ — некоторая функция.

Для случая, когда непосредственным физиологически активным фактором является напряженность электрического или магнитного поля E или H (например, для оценки наведенных токов и эффектов электрической стимуляции ) логично принять, что

(2.6)


В случае тепловой модели: .

Если в частотном диапазоне (f_n – f_n+1) величины D_n и G_L,n не зависят от f, то выражение (2.5) переходит в:

D = (2.7),

где m — количество интервалов разбиения.

Следует сделать одно добавление.

Амплитуды квазинепрерывного широкополосного фона обычно весьма малы. Поэтому возникает вопрос о наличии или отсутствии в тех или иных диапазонах частот амплитудного порога воздействия ЭМП. В случае тепловой модели такого вопроса нет – нагрев есть нагрев. Конечно, из-за нелинейности проводимости тканей выделение энергии при очень малых амплитудах будет иным, чем при больших. Однако литературных данных об этом нами найдено не было. По-видимому, этот вопрос вообще не возникал и требует постановки исследований. Для нетепловых воздействий вопрос также, по-видимому, не изучен. В принципе, при наличии порога в соответствующем интервале частот следует «занулять» вклад. Известны также исследования, в которых показано, что воздействие электромагнитного шума модифицирует биологическое действие ЭМП с большими амплитудами. В последующем, исходя из предупредительного принципа, не принимаем во внимание возможное существование порогов нетепловых воздействий ЭМП.

Имеется распространенное мнение, что если электромагнитная обстановка удовлетворяет требованиям электромагнитной совместимости (ЭМС) аппаратуры, то она тем более удовлетворяет требованиям электромагнитной безопасности для человека. В случае непрерывного широкополосного фона это не соответствует действительности и может приводить к нежелательным последствиям.

В качестве примера в п. 2.7. рассмотрен случай, приведенный в работе (Васин и др., 2003), когда уровень фона электрического поля определен условиями ЭМС на Российском Сегменте МКС. В этом случае напряженность электрического компонента поля в полосе частот от 0.1 до 1000 МГц, включительно не должна превышать значений:

E_дБ = 116 – 4 lg() [дБ мкВ/м] , где f — частота в МГц. (2.8),

Переходя от напряженности поля в дБ мкВ/м к напряженности в В/м, получим:


(E ₀ = 1 мкВ/м) (2.9).


Преобразовав формулу (2.7) для случая чисто электрического поля и подставив в нее выражение (2.9) , имеем после интегрирования:


D_E = (2.10).


В соответствии с требованиями Международной Электротехнической Комиссии (МЭК), ширина полосы пропускания частот регистрирующего прибора нормируется как 0.0002 МГц, 0.009 МГц, 0.12 МГц для спектральных областей 10–150 кГц, 0.15–30 МГц и 30–1000 МГц, соответственно. Эти же значения приняты в Технических Условиях на ЭМС для Российского Сегмента.

Расчеты показывают, что в диапазоне до 300 МГц дозовая нагрузка от фонового электрического поля в случае нетепловой модели составляет ~98 ПДУ, а для тепловой модели ~2.1 ПДУ. Основной вклад дает диапазон частот ~ 50÷ 300 МГц. Таким образом, даже в тепловой модели вклад широкополосного фона удовлетворяющего требованиям ЭМС, заметно превышает ПДУ.

Аналогичная ситуация возникает в отношении аппаратуры, собственное излучение которой удовлетворяет условиям ЭМС для Российского сегмента МКС. По Техническим Условиям уровень излучения не должен превышать в полосе частот от 100 до 1000 MГц включительно


Е_QP = 36 + 19 lg(f/100) дБмкВ/м где f - частота в MГц. (2.11) ,


(уровни для более низких частот не приводим, поскольку вклад от них незначителен).

Переводя E в В/м, подставляя в (2.6) и интегрируя, получим, что в полосе частот от 100 до 1000 MГц включительно:


D = 4,07∙10^-7∙(f₂ ^1,95 - f₁ ^1,95) /(Δ ∙ Е_L,i) ПДУ (2.12).


В ГОСТ Р 50804–95, начиная с частоты 300 МГц, нормируется плотность потока мощности S (не свыше 0,1 Вт/м²). Поле E в этом диапазоне частот пересчитывалось из S по известной формуле, справедливой для волновой зоны, хотя для некоторых частот эта зона в обитаемых отсеках МКС и не сформирована. В этих случаях получаем нижнюю оценку E.. Полагая, что в полосе пропускания аппаратуры содержится лишь одна виртуальная линия, находим величину дозовой нагрузки D в единицах ПДУ:


D_{100÷300 МГц} ≈ 4,07∙10^–7∙(300^1,95 — 100^1,95)/(0,12∙5) ≈ 0,04 ПДУ (2.13)

D_{300÷1000 МГц} ≈ 4,07∙10^–7∙(10^3·1,95 — 300^1,95)/(0,12∙6,14) ≈ 0,354 ПДУ (2.14)


Всего ~ 0,39 ПДУ (Труханов, 2005).

Таким образом, три близко расположенных прибора, у которых собственное квазинепрерывное широкополосное излучение удовлетворяет требованиям ЭМС для Российского Сегмента МКС, могут создать вблизи себя уровень ЭМП, превышающий ПДУ. При удалении от них ЭМП должно спадать, однако отражение излучения от проводящего корпуса (особенно, если коэффициент отражения близок к единице, а излучение в интерьере корабля ослабляется незначительно) создает вторичные источники и замедляет этот спад. Подчеркнем, что полученные результаты относятся к вкладу только электрического компонента. Необходимо добавлять вклад магнитного компонента и т.п. Следовательно, если квазинепрерывный широкополосный фон аппаратуры удовлетворяет требованиям ЭМС, но на пределе, то на борту она будет создавать неприемлемый уровень для человека. Ситуация, проанализированная выше, может показаться искусственной, однако в ряде случаев она близка к реальной. В связи с этим разработана методика проверки аппаратуры на биоэлектромагнитную совместимость при поставке ее на борт.

В п. 2.8 рассматриваются особенности нормирования электромагнитных полей с широкополосным спектром при разработке требований к измерительной аппаратуре для МКС. В качестве иллюстрации необходимости особого подхода найдем величину дозовой нагрузки от электрического компонента широкополосного квазинепрерывного фона в диапазоне 0,01-300 МГц, напряженность которого составляет всего одну десятитысячную от ПДУ, установленного ГОСТ Р 50804–95. Фоном, на 80 дБ меньшим ПДУ, при измерениях заведомо пренебрегают. Расчеты, выполненные по приведенной выше методике, дают величину ~ 0, 58 ПДУ. Основной вклад вносят два диапазона: 3=30 МГц и 50-300 МГц. Таким образом, квазинепрерывный широкополосный фон можно не учитывать в измерениях соответствия уровням электромагнитной безопасности по ГОСТ Р 50804-95 по электрическому полю в диапазоне 0,01 – 300 МГц, если его уровень меньше значений ПДУ в соответствующих частотных интервалах на пять порядков (100 дБ). Только в этом случае он составит ~ 5% от ПДУ.

В связи с приведенным примером целесообразны изменения в подходах к нормированию ЭМП и к разработке аппаратуры для измерения и мониторирования электромагнитной обстановки на борту. Требуется регистрировать амплитудно-частотные характеристики ЭМП в широком диапазоне с чувствительностью, намного выше ПДУ. Кроме того, в аппаратуре следовало бы предусмотреть оценку разности фаз между векторами электрического и магнитного компонентов ЭМП гармонического сигнала одной и той же частоты, что дало бы представление о том, в какой зоне – ближней, промежуточной или дальней происходят измерения и как их надо трактовать. По-видимому, такую же технологию измерений целесообразно применить и в аппаратуре, предназначенной для экологического контроля на Земле.

В главе 3. рассматривается применение методов радиотермометрии при моделировании воздействия факторов космического полета на организм и возможном контроле его состояния в дальнем космосе. Это направление может оказаться, на наш взгляд, весьма перспективным и в межпланетном полете, и на лунной базе.

Метод СВЧ - термометрии (шумовой термометрии), является пассивным. В отличие от инфракрасного тепловидения, при котором регистрируется температура поверхности объекта, радиотермометрия позволяет регистрировать излучение его глубинных слоев. Важно и то, что не требуется тех предосторожностей, которые необходимы при использовании инфракрасного тепловидения (требование теплового равновесия обследуемого с окружающей средой и т.п.).

Для оценки состояния организма при воздействии некоторых моделируемых факторов космического полета метод радиотермометрии был использован впервые.

Как хорошо известно, интенсивность радиоизлучения