Какая защита от радиации была у экипажей Apollo?

Краткий ответ: Специальной антирадиационной защиты не применялось на Apollo, не применяется и сейчас в космонавтике (за исключением экспериментов). Достаточную защиту от радиации обеспечивает сам корпус корабля и его внутреннее оборудование.

От радиации можно защищаться. Если посмотрим те же инструкции по гражданской обороне, то узнаем, что альфа-лучи блокируются листом бумаги, бета-лучи — фанерой или тонким листом алюминия. У космических частиц энергия выше, поэтому бумаги будет маловато, но обшивки современных космических кораблей хватает, чтобы снизить воздействие солнечного излучения или радиационных поясов до приемлемого уровня. Противостоять галактической радиации значительно сложнее, но тут нам помогает само Солнце, которое формирует вокруг себя гелиосферу и тем самым ослабляет потоки заряженных частиц извне.

Специальной антирадиационной защиты в космосе не применялось во времена Apollo, не применяется и сейчас. У современных космических кораблей и так несколько слоев, защищающих от других негативных условий космоса:

• экранно-вакуумная теплоизоляция — многослойная обшивка из тонкой майларовой пленки с металлизированным напылением — «фольга», защищающая от солнечных лучей, перегрева и переохлаждения, иногда используется тканевая теплоизоляция;
• металлическая и/или кевларовая (или из других ударопрочных тканей) защита от потоков мелких метеорных частиц;
• композитная теплозащита спускаемого отсека для безопасного торможения в атмосфере при возвращении на Землю;
• герметичный внутренний корпус из алюминия толщиной 3–4 мм;
• внутренняя отделка из поролона или похожих отделочных материалов.

Конечно, отдельно фольга или поролон не защитят от проникающей радиации, но значимый защитный эффект достигается суммированием нескольких слоев обшивки. К тому же стенки корабля или модуля космической станции не единственное препятствие на пути заряженных частиц. Собственно, любое вещество и любые молекулы, с которыми сталкиваются потоки радиации, поглощают их энергию. Так, защитой от космической радиации становится все внутреннее оборудование корабля: запасы топлива и двигательная установка, стыковочный узел, кресла экипажа, пульты управления, бортовая электроника, фотооборудование, системы жизнеобеспечения, кабельная сеть, возвращаемый груз, скафандры, даже если они не надеты. Даже атмосфера внутри корабля и та вносит вклад в защиту людей, хотя и незначительный.

Дополнительно экранируют от космического излучения все пристыкованные отсеки и модули. Так, командный модуль Apollo, в котором летели астронавты на Луну, с внешней стороны был прикрыт лунным модулем. Заправленный лунный модуль массой 15 т прикрывал примерно 5% площади поверхности пилотируемого отсека корабля. А за спиной у астронавтов находился служебный отсек корабля массой 10 т. Он прикрывал еще 33% площади поверхности командного модуля. Но полет Apollo был бы безопасен для людей и без этой дополнительной защиты, поэтому в дальнейших расчетах мы не будем о ней вспоминать.

Чем выше плотность материала защитного слоя, тем меньше по объему его требуется для поглощения и рассеяния энергии космических лучей. Поэтому про свинец и вспоминают в контексте защиты от радиации. Но космические корабли продолжают делать из алюминиевых сплавов, и не только потому, что этот металл легче. Проблему создают галактические космические лучи и солнечные протоны высокой энергии, которые будут выбивать из свинцовых щитов потоки вторичной радиации: протонов, нейтронов, рентгеновских и гамма-лучей. Даже толстая земная атмосфера не полностью гасит вторичную радиацию от галактических космических частиц и солнечных протонных событий, которые обрушиваются на нашу планету. На поверхности Земли стоят детекторы нейтронов и черенковские телескопы, которые регистрируют потоки вторичных частиц, выбиваемых космическими лучами из атомов воздуха. Из-за этих потоков на пассажиров и пилотов самолетов воздействует повышенный радиационный фон в верхних слоях атмосферы, особенно у магнитных полюсов.

Современный подход к конструированию космических кораблей и станций предполагает, что солнечные частицы низкой и средней энергии поглощаются конструкцией космического корабля. Галактические космические лучи способны прошивать насквозь весь корабль вместе с телами космонавтов, но такое воздействие на организм менее негативно благодаря тому, что лишь малая энергия такой частицы оказывает воздействие на организм. Если же частица высокой энергии сталкивается с плотным материалом, например свинцом, то вся ее энергия может породить поток вторичной радиации, которая уже более вредна для организма. Поэтому лучше толстый слой защиты низкой плотности, чем тонкий свинцовый или стальной лист.

Сегодня разрабатываются в качестве эксперимента специальные пластиковые или водяные средства защиты от космической радиации, но в космос летают пока без них. Наиболее защищенным от космической радиации местом в корабле или на станции является отсек, вокруг которого больше всего оборудования и у которого корпус толще всего. Для космических кораблей это спускаемый отсек, имеющий более массивную и прочную конструкцию, чтобы выдержать столкновение с атмосферой, и дополнительную композитную теплозащиту.

Теплозащита, спасающая корабль и экипаж от нагрева при вхождении в атмосферу, когда он возвращается из космоса, может быть разной конструкции: либо абляционной («сгорающей»), как на Apollo и «Союзах», либо теплоемкой, как на многоразовых челноках Space Shuttle и корабле «Буран». На новом корабле Orion применяется комбинированный вариант теплозащиты: абляционная в донной части и теплоемкая — по стенкам. Абляционная теплозащита может создаваться из разных материалов, но в основном это углеродные волокна и стеклоткань, пропитанные эпоксидной смолой. Толщина теплового щита также различается. Самый толстый слой — в донной части корабля, которая принимает на себя основной удар атмосферы и нагрев.

При расчете степени радиационного воздействия определяется средняя плотность экранирующего материала. Хотя толщина стенок в разных участках корабля может меняться, но и космические лучи могут прилетать из любой области окружающего пространства. Плотность экранирующего материала считают в единицах массы на единицу площади, например 10 г на кв. см равно слою воды толщиной 10 см, слою алюминия толщиной 3,5 см, слою стали толщиной 1,2 см или слою свинца толщиной 0,8 см.

Зная массу и площадь конструкции командного отсека Apollo, мы можем рассчитать, какую степень защиты он обеспечивал астронавтам.

Командный модуль Apollo, где находился экипаж во время полета на Луну и обратно, обладал жестким герметичным корпусом массой 1560 кг и тепловой защитой в 850 кг. В пересчете на площадь поверхности модуля (около 35 кв. м) получается, что экипаж был защищен слоем материала массой 7 г на 1 кв. см площади:

(1 560 000 г + 850 000 г) ÷ 350 000 кв. см = 7 г на кв. см.

Это эквивалентно слою алюминия толщиной 2,6 см, что довольно мало для защиты от космической радиации в длительном полете. Из-за таких расчетов в интернете встречаются утверждения, что люди вообще не могли преодолевать радиационные пояса и летать на Луну.

Однако у экипажа Apollo была более высокая степень защиты от радиации: не стоит забывать, что от космических частиц защищает любое вещество, а не только корпус корабля. Суммарная же масса заправленного командного модуля Apollo составляла 5560 кг. Жилой объем корабля составлял 6,2 куб. м, но внутренний объем корабля, заполненный атмосферой, был больше — 10,4 куб. м. Составлявшие разницу 4,2 куб. м были заполнены грузами, приборами и оборудованием корабля. Площадь внутренней поверхности обитаемого отсека корабля Apollo составляла около 20 кв. м. Пять с половиной тонн конструкции корабля, двигателей, топливных баков, системы жизнеобеспечения, пультов управления, стыковочного узла, запасов пищи и воды, окружающие жилой объем площадью 20 кв. м, обеспечивали более серьезную защиту от радиации, чем простой корпус.

Для определения степени радиационной защиты снаряженного командного модуля Apollo надо учитывать среднее арифметическое площадей внешней и внутренней поверхности, оно составит примерно 27,5 кв. м. Тогда выходит, что среднее экранирование командного модуля Apollo составляло 20 г на кв. см:

5 560 000 г ÷ 275 000 кв. см = 20 г на кв. см.

Это эквивалентно слою алюминия толщиной в 7,5 см, чего уже более чем достаточно для защиты человека внутри космического корабля, как кратковременно пересекающего радиационные пояса, так и летящего на Марс. Примерно такое экранирование было у радиационного детектора RAD на борту марсохода Curiosity, который показал, что уровень облучения в межпланетном пространстве в среднем равен 0,03–0,04 рад в сутки. Эти значения полностью совпадают с данными Apollo.

Но даже это еще не все, ведь можно добавить защиту, которую давали скафандры, надетые на астронавтов при пересечении нижнего радиационного пояса при старте с Земли. Масса скафандра A7L, который использовали внутри корабля, составляла 28,1 кг. Площадь тела человека ростом около 175 см и весом 80 кг — около 2 кв. м. Получается, что скафандр обеспечивал экран от радиации плотностью 1,4 г на кв. см, что эквивалентно слою алюминия толщиной в 0,5 см:

28 000 г ÷ 20 000 кв. см = 1,4 г на кв. см.

Таким образом, защиты командного модуля, даже без учета двух модулей, прикрывающих с обеих сторон, было вполне достаточно для безопасного преодоления радиационных поясов Земли и полета в межпланетном пространстве.