Оптимизация химического состава радиационного защитного экрана Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 539.12.04

ОПТИМИЗАЦИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА РАДИАЦИОННОГО

ЗАЩИТНОГО ЭКРАНА

В. С. Задонская, Е. Я. Чесноков Научный руководитель - С. В. Телегин

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Е-mail: zadonskaya.vika.95@mail.ru

Данная работа посвящена оптимизации элементного состава гетерогенного радиационного защитного экрана для улучшения экранирующих свойств и уменьшения массогабаритных характеристик. Рассмотрено влияние процентного содержания одной компоненты в двухслойном барьере.

Ключевые слова: радиационная защита, спутник, моделирование, экранирующая способность, оптимизация.

OPTIMIZATION OF CHEMICAL COMPOSITION OF RADIATION SHIELD

V. S. Zadonskaja, E. Ja. Chesnokov Scientific Supervisor - S. V. Telegin

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation Е-mail: zadonskaya.vika.95@mail.ru

This work is devoted to optimization of the elemental composition of heterogeneous radiation shield to improve the shielding properties and reduced weight. The influence of the percentage of one component in a two-layer barrier.

Keywords: radiation protection, the satellite, modeling, shielding ability, optimization.

Одним из элементов КА, обеспечивающий длительный срок эффективной эксплуатации является радиационно-защитный экран (РЗЭ). В настоящее время в качестве РЗЭ используются сплавы алюминия, в особенности АМг6, и материалы с тяжелыми элементами. Это характерно для крупных исследовательских проектов, военных спутников связи и не выгодно для коммерческих запусков [1].

В продолжение работ [3] и [4] мы рассмотрим слоистые экраны на основе алюмоборосиликат-ного волокна и их оптимизацию по элементному составу, проведя моделирование методом Монте-Карло в программе «Компьютерная лаборатория» со спектром воздействия характерным для геостационарной орбиты с энергией электронов 0,04-5 МэВ [2].

В качестве первого слоя была выбрана композиция с наполнителем из карбида бора (В4С) и матрицей из эпоксидной смолы ЭД-20, так как данный материал имеет низкий эффективный атомный номер. Проведен сравнительный анализ данной композиции с различным соотношением матрицы и наполнителя, от 40 до 60 % для каждого (рис. 1). Линейная толщина всех рассмотренных композиций равна 0,3 см.

Для исследований было выбрано соотношение компонентов 50 на 50 % в первом слое, так как с учетом погрешностей значения рассмотренных характеристик близки и данное соотношение является технологически выполняемым.

В качестве второго слоя, являющегося корпусом экрана, было решено использовать алюмобо-росиликатное волокно - стеклоткань марки Т-10 с добавкой из алюминия (рис. 2). Поскольку второй слой является конструкционным, его толщина должна быть не менее 0,2 см из условий жесткости всего экрана. Введение в химический состав диэлектрического материала нано-дисперсного порошка алюминия связано с необходимостью улучшить физико-электрические показатели по теплопроводности и электрическому сопротивлению слоя.

Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2016. Том 1

«¡ц

10'-

□

10*-

10'-I

0.0

ероху 60% - В4С 40% ероху 50% - В4С 50% ероху 40% - В4С 60% Атпдб

0.2 0.4

О ГэЛлп*)

0.6

ероху 60% - В4С 40% ероку 60% ■ В4С 50% ероху 40% - В4С 60% АтдВ

0.2 0.4

о (д/зт;)

Рис. 1. Зависимость доли вышедших электронов Тп(Б)/Тп(0) и доли вторичных фотонов М(Б)/М(0) от массовой толщины Б композитного барьера с различным содержанием матрицы и наполнителя. Масштаб оси ординат логарифмический для второго графика

10: 1

10"

■ 95%-Т10+5%А1

• 90%-ТЮ+10%А1

*■ 85%-Т10 + 15%А1

' АтэЗ_

0.00 0.05 0.10 0.16 0.20 0.25 0,30 0.35 Р (э/бтг)

£ 2.0Е-03 щ

О

2 1 .5Е-0Э

1.0Е-03

0.2

о (д/5тг)

Рис. 2. Зависимость доли вышедших электронов Тп(Б)/Тп(0) и доли вторичных фотонов М(Б)/М(0) от массовой толщины Б конструкционного слоя с различным содержанием алюминия. Масштаб оси ординат логарифмический для второго графика

Исследование образования вторичного излучения показало, что в барьере из алюмоборосили-катного волокна оно возникает менее интенсивно, чем в однородном алюминиевом барьере, при этом значения ослабления потока электронов для них практически не отличается.

Если рассматривать каждый слой по отдельности, то может показаться, что наиболее удачной композицией будет являться в первом слое: соотношение эпоксидной смолы и карбида бора 50 на 50 %; во втором слое: стеклоткань Т10 с увеличением содержания алюминия на 10 %. Но, тем не менее, проведем расчёты барьеров для всех процентных составов алюминия в стеклоткани (рис. 3). При расчетах барьеров линейные толщины оставили неизменными.

С (д/вт*) О (д/5тг)

Рис. 3. Зависимость доли вышедших электронов Тп(Б)/Тп(0) и доли вторичных фотонов М(Б)/М(0) от массовой толщины Б двухслойного барьера с различным содержанием алюминия во втором слое. Масштаб оси ординат логарифмический для второго графика

Исследования показали, что барьеры по защитным свойствам незначительно отличаются друг от друга, но при этом имеют значительно меньшее количество возникающего вторичного излучения, чем в сплаве алюминия АМг6.

Увеличение процентного содержания алюминия во втором слое практически не влияет на защитные свойства всего экрана, но при этом следует отметить, что для увеличения теплопроводности и электропроводности, имеет смысл увеличить содержание алюминия в стеклоткани до 15 %, возможно и более, что выявится в дальнейших исследованиях.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ № 168.

Библиографические ссылки

1. Особенности радиационной защиты сверхмалых космических аппаратов / Д. М. Зуев, Е. Я. Чесноков, С. А. Бабич и др. // Решетневские чтения : материалы XIX Междунар. науч.-практ. конф. Т. 1. Малые космические аппараты: производство, эксплуатация и управление / Сиб. гос. аэро-космич. ун-т. Красноярск, 2015. С. 559-561.

2. Беспалов В. И. Пакет программ ЕРНСА для статистического моделирования поля излучения фотонов и заряженных частиц // Изв. вузов. Физика. Приложение. 2000. № 4. С. 159-165.

3. Телегин С. В., Драганюк О. Н., Драганюк М.Н. Расчет гетерогенного радиационно-защитного экрана для космических аппаратов // Вестник СибГАУ. 2015. Т. 16, № 4. С. 969-974.

4. Саунин В. Н., Телегин С. В., Чесноков Е. Я. Определение длины свободного пробега частиц бета-распад в порошковых материалах // Вестник СибГАУ. 2015. Т. 16, № 1. С. 969-974.

© Задонская В. С., Чесноков Е. Я., 2016