CC BY
13Наноматериалы и нанотехнологии в аэрокосмической отрасли
УДК 539.12.04
ОПТИМИЗАЦИЯ ТОЛЩИНЫ СЛОЯ ГЕТЕРОГЕННОГО РАДИАЦИОННОГО ЭКРАНА
И. К. Райхерт, С. В. Телегин
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected]
В настоящее время одной из приоритетных задач в ракетно-космической сфере является разработка новых комбинаций защитных экранов и определение из них композиций с минимальной массой, обеспечивающих надежность систем управления спутника.
Ключевые слова: оптимизация, экранирование, композиционный материал, излучение, толщина покрытия, компьютерное моделирование.
OPTIMIZATION OF THE LAYER THICKNESS OF A HETEROGENEOUS RADIATION SHIELD
I. K. Rayhert, S. V. Telegin
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]
Currently, one of the priorities in the rocket and space sector is the development of new combinations ofprotective screens and the definition of compositions with a minimum mass, ensuring the reliability of satellite control systems.
Keywords: optimization, shielding, composite material, radiation, coating thickness, computer modelling.
В эпоху развития ракетно-космической техники человечество разрабатывает новые модели спутников. И одна из наиболее важных задач - это защита космических аппаратов от излучения. Для защиты спутников от ионизирующего излучения естественных радиационных поясов Земли [1] был рассмотрен гетерогенный радиационный слой и проведен сравнительный анализ с основным радиационно-защитным материалом для космических аппаратов - алюминием [2]. Моделирование выполнено методом Монте-Карло в программе ЕРНСА [3; 4] с характерным спектром геостационарной орбиты и энергией излучения 0,047 МэВ. Основные критерии для сравнения: толщина и масса материала, массовая толщина, число электронов, прошедших через барьер и число фотонов, вышедших из барьера.
Необходимость поиска оптимальной толщины, прежде всего, связана с решением задачи минимизации массы при максимальном ослаблении [5].
При выборе материалов учитывались их физические свойства. Были рассмотрены гетерогенный и алюминиевый экраны. Радиационный защитный эк-
ран состоит из трех слоев (табл. 1). Вещества в нем расположены по мере возрастания плотности. Для первого (внешнего) слоя выбран композит карбида бора с эпоксидной смолой в процентном соотношении 40 %:60 %. Второй слой - алюминиевый сплав АМг6. Третий слой из никеля - вещества, обладающего наибольшей плотностью.
Для определения оптимальной толщины каждого вещества было выполнено моделирование ионизирующего излучения, действующее на каждый материал по отдельности при цилиндрической форме образцов с радиусом равным 5 см.
Сравнение экранирующих свойств материалов защитных экранов представлено в табл. 2. Количество прошедших через экран электронов и образовавшихся фотонов нормируется на одну частицу.
Многослойная структура экрана уступает алюминию по минимальной массе и толщине. Однако она обладает преимуществом по радиационной защите в сравнении алюминием, что является основной целью в решении задачи радиационной устойчивости материалов.
Таблица 1
Структура гетерогенного радиационного экрана
Экран В4С+ЭС(40 %; 60 %) АМг6 Ni
Толщина, мм 0,435 1 0,127
Решетневскуе чтения. 2018
Таблица 2
Сравнение свойств материалов
Вещество Плотность, кг/м3 Толщина, мм Массовая толщина, кг/м2 Масса материала, г Доля прошедших электронов Доля вышедших фотонов
В4С+ЭС (40 %; 60 %) 1 518 0,435 66,03 5,19 0,024 5 0,001 3
АМг6 2 650 1,000 265,00 20,81 0,001 8 0,001 0
Ni 8 902 0,127 113,06 8,88 0,000 5 0,000 6
Весь экран 2 843* 0,156 197,24* 34,88 0,000 5 0,000 6
Алюминий 2 700 0,073 197,24 15,49 0,003 1 0,001 5
Примечание. * - среднее значение.
Таким образом, данная композиция может найти применение в аэрокосмической отрасли в качестве защитных экранов космических аппаратов.
Библиографические ссылки
1. Кимель Л. Р., Машкович В. П. Защита от ионизирующих излучений : справ. 2-е изд. М. : Атомиздат, 1972. 312 с.
2. Гетерогенный радиационно-защитный экран для космических аппаратов / С. В. Телегин,
B. Н. Саунин, М. Н. Драганюк и др. // Вестник СибГАУ. 2015. № 4 (16). С. 969-974.
3. Беспалов В. И. Пакет программ ЕРНСА для статистического моделирования поля излучения фотонов и заряженных частиц // Изв. вузов. Физика. Приложение. 2000. № 4. С. 159-165.
4. Телегин С. В., Драганюк О. Н. Компьютерная лаборатория: метод. указания по работе с пакетом программ РСЬаЪ по дисциплине «Специальный физический практикум» для магистрантов направления подготовки 03.04.02 «Физика» / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2015. С. 13-45.
5. Райхерт И. К., Телегин С. В. Оптимизация толщин слоёв защитных экранов // Актуальные проблемы авиации и космонавтики (9-13 апреля 2018, г. Красноярск) : в 3 т. / под общ. ред. Ю. Ю. Логии-нова ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2018.
C. 311-313.
References
1. Kimmel L. R., Mashkovich V. P. Zashhita ot ion-izirujushhih izluchenij [Protection against ionizing radiation] : right. 2nd ed. M. : Atomizdat, 1972. 312 p.
2. Geterogennyy radiatsionno-zashchitnyy ekran dlya kosmicheskikh apparatov / S. V. Telegin, V. N. Saunin, M. N. Draganyuk et al. // Vestnik SibGAU. 2015. № 4 (16). Р. 969-974.
3. Bespalov V. I. Paket programm EPHCA dlja sta-tisticheskogo modelirovanija polja izluchenija fotonov i zarjazhennyh chastic [The software Package BURNS for statistical modeling of radiation fields of photons and charged particles] // Izv. higher educational. Physics. Application. 2000. № 4. P. 159-165.
4. Telegin S. V., Draganic O. N. Computer lab: method. guidelines for working with the PCLab software package on the subject "Special physical practicum" for students training areas 03.04.02 "Physics". Krasnoyarsk: Publishing house of SibSAU, 2015. P. 13-45.
5. Raihert I. K., Telegin S. V. Optimizacija tolshhin slojov zashhitnyh jekranov [Optimization of the thickness of layers of protective shields] // Actual problems of aviation and cosmonautics (9-13 April 2018, Krasnoyarsk) : in 3 t. / under the General editorship of Y. Y. Loginov ; Sib. state. un-so-called Krasnoyarsk, 2018. P. 311-313.
© Райхерт И. К., Телегин С. В., 2018
