Пилотируемая экспедиция на Марс12-2

12.5. Проблемы жизнеобеспечения экипажа марсианской экспедиции

12.5.1. Особенности СОЖ марсианской экспедиции

В соответствии с главой 4 Система жизнеобеспечения (СОЖ) будет находиться в жилом модуле МОК [12.36]. Кроме того, СОЖ должны быть в ВПК, а также в марсоходах, предназначенных для проведения работ на поверхности Марса.

Исходя из массо-габаритных, энергетических и временных ограничений, можно считать, что СОЖ в разных обитаемых объектах должны строиться на различных принципах. В МОК будут использоваться системы, основанные на процессах регенерации, а в ВПК и в марсоходах будут применяться СОЖ на основе запасов расходуемых компонентов.

Требования, принципы, схема, основные характеристики СОЖ для МОК изложены в главе 4.

Имеется значительное количество работ, посвященных созданию СОЖ для межпланетных экспедиций. Например, предлагается, создать универсальные СОЖ с минимальными массой и объемом, пригодные на Луне и на Марсе, способные использовать местные ресурсы для получения воды и кислорода [12.37, 12.38]. Некоторые авторы отдают предпочтение замкнутым биологическим системам жизнеобеспечения [12.39-12.41]. Для первых марсианских экспедиций такие системы, по-видимому, не реализуемы, поскольку в настоящее время многие проблемы (включая биологические) их функционирования в ограниченном объеме пока не решены [12.42].

Современные штатные системы жизнеобеспечения в основном построены на физико-химических процессах, хотя формируемая ими среда обитания не вполне адекватна природной земной биогенной среде [12.39, 12.43]. Для того чтобы приблизить параметры среды обитания космонавтов к земным, на борту МОК желательно создать экологически замкнутую СОЖ, основанную на биолого-физико-химическом круговороте веществ.

В качестве наиболее реального биологического компонента для включения в состав СОЖ марсианской экспедиции может рассматриваться витаминная оранжерея [12.44-12.46].

СОЖ обитаемых объектов на поверхности Марса должны обеспечить безопасность проживания и активную деятельность экипажа и будут располагаться в ВПК и в марсоходе.

Расчеты показывают, что по массово - энергетическим показателям использование регенеративных систем для получения воды и кислорода в этих условиях нецелесообразно, поскольку система на основе запасов расходуемых материалов будет иметь меньшую массу и более высокую надежность. Источником кислорода могут служить твердотельные источники кислорода, успешно функционировавшие на борту станции «Мир» и «МКС».

Для хранения отходов жизнедеятельности экипажа (мочи, фекалий, конденсата атмосферной влаги, пищевых отходов, упаковочного материала) необходимо предусмотреть сборники, дающие возможность обеззараживать и консервировать отходы. Очистка атмосферы должна производиться с помощью активированного угля.

12.5.2. Задачи по разработке СОЖ, требующие решения

Имеется целый ряд задач, которые необходимо решить при создании СОЖ марсианской экспедиции, отвечающей требованиям минимальных массо- и энергозатрат.

Система обеспечения газового состава:

• разработка технологии и устройства для концентрирования углекислого газа;

• повышение степени замыкания круговорота по кислороду с помощью реакции Сабатье или Боша. Реактор Сабатье разработан, прошел испытания и может быть включен в общую схему СОЖ при условии создания устройства для концентрирования углекислого газа;

• использование химически активных конструкционных материалов интерьера с целью поглощения вредных примесей.

Система водообеспечения:

• увеличение степени извлечения воды из мочи с 80% до 95-98% с помощью применения паро-компрессионного метода, разработанного в ОАО «НИИХИММАШ»;

• разработка биокаталитических и электрофизических методов глубокого окисления вредных примесей в конденсате атмосферной влаги иммобилизованных микроорганизмов [12.47];

• разработка бортового устройства для получения воды с пониженным содержанием дейтерия.

Институтом медико-биологических проблем РАН (ИМПБ) разработан электролизный метод получения воды с концентрациями дейтерия, сниженными на 65% по сравнению с природным содержанием по одноступенчатой и на 94% по двухступенчатой технологической схеме с применением изотопного обмена водорода с парами воды в водороде с углеродными катализаторами [12.48]. Показано, что вода со сниженным на 65% содержанием дейтерия увеличивает количество биомассы и семян высших растений [12.49]. В экспериментах на мышах установлено, что вода с пониженными концентрациями тяжелых стабильных изотопов (дейтерия и кислорода - 1802) оказывает выраженное противоопухолевое действие [12.50, 12.51]. Заслуживают внимания также данные о радиопротекторных свойствах воды с пониженным содержанием дейтерия [12.52, 12.53].

Система санитарно-гигиенического обеспечения:

• разработка метода и устройства для принятия водных процедур в невесомости (душ) и тепловых процедур (сауна);

• разработка технологии и устройства для стирки текстильных изделий.

Система сбора, изоляции и хранения плотных отходов жизнедеятельности:

• разработка методов обеззараживания и консервации плотных отходов жизнедеятельности для предотвращения их микробиологической трансформации и возможной контаминации МОК и ВПК и поверхности Марса. Система оперативного контроля качества воды и атмосферы по физико-химическим и микробиологическим показателям:

• разработка методов и устройств для анализа воды и атмосферы с целью создания системы оперативного контроля за качеством среды обитания.

12.6. Оранжерея I пилотируемого марсианского корабля

При рассмотрении СОЖ Межпланетного орбитального корабля предполагается, что при реализации полета на Марс в ближайшие 15-20 лет обеспечить жизнедеятельность экипажа можно будет, используя те же основные устройства и процессы, которые функционируют на борту Международной космической станции. В большинстве своем они были разработаны и внедрены в практику пилотируемой космонавтики в последней трети прошлого века. Их длительная эксплуатация на борту ОК «Мир» и на борту МКС показала высокую степень надежности этих систем, позволила изучить их эксплуатационные характеристики в условиях реального космического полета. Функционирование СОЖ современной орбитальной станции связано с постоянным восполнением необходимых ресурсов, а также удалением из системы больших объемов различных веществ, таких, как отходы жизнедеятельности экипажа и отходы функционирования самой системы жизнеобеспечения. Подобная СОЖ не сможет полностью удовлетворить все потребности человека в условиях отсутствия связей с биосферой Земли.

Включение биологических подсистем (по крайней мере, оранжереи) в состав СОЖ МОК позволит сформировать полноценную среду обитания в корабле, адекватную долговременным биологическим потребностям человека, и будет способствовать устранению некоторых возможных последствий длительного пребывания человека в искусственной (абиогенной) среде обитания [12.39, 12.44, 12.54]. Включение оранжерейного устройства в состав существующих СОЖ космических аппаратов потребует внесения ряда изменений в их функциональную схему и, в частности, приведет к перераспределению материальных потоков внутри СОЖ. Не рассматривая детально материальные потоки всей СОЖ МЭК, отметим, что материальные потоки, которые будут связаны с функционированием оранжерейного устройства, должны учитывать функциональные возможности СОЖ МЭК.

По мнению многих специалистов [12.54-12.56], производственная оранжерея регенеративной СОЖ МЭК скорее всего будет предназначена для выращивания овощных культур, в основном салатных и пряно-вкусовых. Согласно диетологическим исследованиям, суточная норма потребления салатных культур для одного человека составляет в среднем около 100 г сырой биомассы [12.57]. Для обеспечения суточной нормы салатных культур в рационе питания экипажа марсианской экспедиции необходимо вырастить до 600 г сырой биомассы. Средняя продуктивность зеленных культур в наземных экспериментах по отработке культивирования в макетах космических оранжерейных установок при сопоставимых условиях составляет в среднем около 100 г сырой биомассы/м²·сутки. При этом следует учитывать, что продуктивность посева растений в оранжерее в значительной степени зависит от затрат электроэнергии, типа источников освещения, конструкции блоков освещения и вегетационных сосудов, количества и качества корнеобитаемой среды, наличия микропримесей в газовой фазе, от видовой и сортовой принадлежности выращиваемых растений и пр. Исходя из этого, предварительные расчеты показывают, что для обеспечения необходимого производства сырой биомассы салатных культур на борту МЭК необходимо иметь около 10 м² посевной площади.

В табл. 12.2 представлен материальный баланс человека, полученный в наземных модельных экспериментах с биологическими системами жизнеобеспечения с участием испытателей, проводившихся в ИМБП [12.41, 12.58]. Из данных, представленных в таблице, видно, что суточная потребность человека в основных элементах питания (по сухому веществу) составляет около 550 г. Производительность оранжерейного устройства СОЖ МЭК должна составлять 600 г сырой биомассы в сутки или около 60 г сухой биомассы, а при пересчете на основные элементы питания растительная часть рациона восполнит лишь около 40 г в сутки. Потребление растений, выращенных в оранжерейном устройстве, позволит восполнить 540 г воды в сутки из 15000 г, которые необходимы для обеспечения жизнедеятельности экипажа МОК.

Табл. 12.2. Материальный баланс человека
ВХОД ВЫХОД

Наименование вещества Количество вещества, г/сутки Количество вещества, г/сутки Наименование вещества

O₂ 755 ± 90 900 ± 90 CO₂

Вода 2400±240 1280±210 Моча

1340±190 Вода через дыхние и потоотделение

Углеводы 314±23 160±10 Фекалии

Жиры 87 ±12

Белки 131 ±16

NaCI 10

Другие минеральные соли 5

Общий вес 3701 ±450 3680 ±510 Общий вес

Конвейерный посев салатных растений в оранжерейном устройстве с суммарной площадью 10 м² способен обеспечить поступление в СОЖ в сутки от 180 до 210 г O₂, что составляет около 25% от суточной потребности одного человека в кислороде. Эти данные базируются на результатах наземных исследований с биологическими системами жизнеобеспечения человека, проводившихся в Институте медико-биологических проблем [12.41, 12.58] и в Институте биофизики Сибирского отделения [12.59].

Расчеты показывают, что наличие оранжерейного устройства на борту МЭК позволит обеспечить экипаж необходимыми биологически активными веществами (витаминами) и микроэлементами в биологически активной форме, а также регенерировать до 5% необходимого кислорода, до 3,6% воды и более 1% основных элементов питания.

В табл. 12.3 представлены данные пересчета суточного материального баланса оранжерейного устройства на всю длительность марсианской экспедиции.

Табл. 12.3. Количество регенерированных веществ за счет фотосинтеза растений в СОЖ МЭК

Вещество Длительность экспедиции на Марс

1 год 2 года

Кислород, кг 73 146

Вода, кг 197 394

Основные элементы питания, кг 15 30

Материальный баланс оранжерейного устройства МЭК включает в себя не только количество произведенных веществ, необходимых для человека, но также и материальные потоки, обеспечивающие функционирование данного устройства. К сожалению, в настоящее время эксплуатационные характеристики такого оранжерейного устройства и материальные потоки, необходимые для функционирования оранжерейного устройства в составе СОЖ МЭК, можно определить лишь опираясь на данные, полученные в экспериментах на борту ОК «Мир» с оранжерейным устройством «СВЕТ» [12.44, 12.60, 12.61] и на борту PC МКС с использованием оранжерейного устройства «ЛАДА» [12.62], проведя соответствующую экстраполяцию.

Рис. 12.4. Колосья пшеницы первого (слева) и второго (справа) «космических» поколений, выращенные в космической оранжерее «СВЕТ» на борту ОК «Мир»

Рис. 12.5. Командир экипажа МКС-5 Валерий Корзун на борту PC МКС тестирует вкусовые качества мизуны, выращенной в оранжерее «ЛАДА»

Включение оранжерейного устройства приведет к созданию дополнительных блоков в СОЖ МЭК. Так, эксперименты с высшими растениями на борту ОК «Мир» показали, что в атмосфере орбитального комплекса происходит накопление низкомолекулярных углеводородов, которые не удаляются в штатных системах очистки воздуха от газообразных примесей. Для культивирования растений особенно критичным оказалось накопление этилена в атмосфере орбитального комплекса. ПДК этого вещества для человека составляет 20 мг/м³, тогда как растения начинают реагировать на присутствие этилена в атмосфере при концентрациях около 0,1 мг/м³ [12.63]. Сорбционные системы очистки атмосферы не позволяют эффективно удалять этилен, поэтому необходимо включить в СОЖ МЭК электрокаталитический метод очистки атмосферы от газообразных примесей. Данная система проходила испытания на борту ОК «Мир» во время 26-28-й основных экспедиций. Наличие данной системы на борту ОК, по нашему мнению, явилось важным фактором, который позволил в экспериментах «от семени до семени» с растениями пшеницы получить два поколения «космических» семян (рис. 12.4) [12.64], а также впервые вырастить салатные культуры и провести тестирование органолептических и вкусовых свойств растений космонавтами (рис. 12.5) [12.65].

Для использования высших растений в СОЖ гермообъектов в условиях длительной изоляции от биосферы Земли необходимо разработать технологии длительного функционирования оранжерейных устройств в условиях ограниченности совокупных ресурсов, предназначенных для функционирования СОЖ. С этой целью необходимо решить ряд задач, важной частью которых является создание технологии многократного использования корнеобитаемой среды для интенсивного культивирования высших растений без снижения их продуктивности и пищевых свойств растительной биомассы.

Большинство оранжерейных устройств, предназначенных для эксплуатации внутри гермозамкнутого объема, оснащены специальными устройствами (корневыми модулями, вегетационными сосудами) для обеспечения полноценного существования корневой системы растений в искусственной корнеобитаемой среде (обеспечение водой, кислородом, минеральными элементами, удаление углекислого газа). В настоящее время опыт наземных и космических исследований, в которых изучались технологии выращивания высших растений в условиях гермозамкнутого объема, не позволяет говорить о возможности длительной эксплуатации оранжерейных устройств без замены корнеобитаемой среды. Существующие технологии позволяют проводить не более 2-3 вегетации высших растений в одной и той же корнеобитаемой среде. При этом наблюдается снижение продуктивности культивируемых растений во 2-й и 3-й вегетациях, что связано как с исчерпанием питательных веществ в корнеобитаемой среде, так и с накоплением в ней продуктов метаболизма растений [12.65]. Для непрерывного культивирования растений внутри гермозамкнутого объема необходимо иметь либо достаточный запас вегетационных сосудов (корневых модулей), либо проводить в них замену субстрата. Конструктивные особенности данных блоков оранжерейных устройств, а также требования безопасности внутри гермозамкнутого объема, особенно в условиях невесомости, в большинстве случаев не позволяют проводить работы по замене субстрата, поэтому для обеспечения необходимой производительности оранжерейного устройства производится замена вегетационного сосуда (корневого модуля), что существенно увеличивает совокупную массу необходимых запасов системы жизнеобеспечения (например, вегетационный сосуд оранжерейного устройства «СВЕТ» с посевной площадью 0,1 м², эксплуатировавшейся на борту ОК «Мир», в заправленном виде имел массу 13 кг) [12.66].

Включение в СОЖ МЭК системы регенерации субстрата является необходимым условием длительного функционирования оранжерейного устройства в качестве элемента СОЖ. Технология регенерации субстрата применительно к условиям космического полета отсутствует, поэтому проведение исследований в этом направлении является одной из важнейших задач при внедрении оранжерейных устройств в СОЖ длительных космических экспедиций.

Наземные исследования высших растений в составе биологических систем жизнеобеспечения человека показали, что при культивировании растений существенно увеличиваются потоки воды внутри системы. Показано, что конвейерный посев растений с 1 м² посевной площади испаряет до 5 литров воды в сутки [12.6]. Суммарный объем воды, который будут испарять растения в оранжерейном устройстве МЭК, составит около 50 литров в сутки. В экспериментах с высшими растениями на борту PC МКС в оранжерейной установке «ЛАДА» (рис. 12.6) было отмечено, что количество воды, которое испаряли растения при их выращивании в оранжерейной условиях невесомости, составляло в среднем 250 мл в сутки (рис. 12.7). Посевная площадь оранжерейной установки «ЛАДА» составляет 0,03 м². Пересчет этих данных применительно к оранжерейной установке МЭК дает результат, превышающий 80 литров испарившейся воды в сутки.

Рис. 12.6 Оранжерея «ЛАДА» на борту PC МКС

Рис. 12.7 Количество воды, потребленной растениями в экспериментах на борту PC МКС

Различия в количестве воды, которые растения испаряют в условиях Земли и в условиях реального космического полета, могут быть связаны с особенностями технологии культивирования. В частности, транспирация является необходимой функцией растительного организма, осуществляющая его теплообмен. В условиях невесомости, где отсутствуют конвективные потоки, теплообмен может проходить лишь в условиях принудительного вентилирования посева растений, поэтому расчет необходимой и достаточной степени вентиляции посева является одной из задач дальнейших исследований технологии культивирования растений в условиях невесомости.

Количество воды, испаряемой посевом растений в СОЖ МЭК, будет на порядок превышать количество воды, которое будут испарять члены экипажа МЭК (9 литров) (табл. 12.2). Существующая на борту PC МКС «Система регенерации воды из конденсата атмосферной влаги» (СРВК) позволяет регенерировать 500 литров воды без замены очистных колонок [12.67], т.е. при регенерации воды испаряемой членами экипажа МЭК, СРВК без замены очистных колонок будет функционировать более 50 суток. Включение в общий объем воды регенерируемой в СРВК, воды, испаряемой растениями, приведет к снижению ресурса СРВК в 10 раз. В связи с этим, возможно два решения данной проблемы. Первое - создание собственного контура воды оранжерейного устройства. Второе - прямое поступление конденсата атмосферной влаги после «Блока конденсации паров воды из атмосферы» в систему полива растений . По нашему мнению, второй путь является более предпочтительным, так как он существенно упростит оранжерейное устройство, обеспечит свободное расположение блоков оранжерейного устройства по всему объему ПМК, а также обеспечит открытый доступ членам экипажа ПМК к растениям, последнее, является весьма важным элементом в функционировании оранжерейного устройства, как элемента СОЖ. Многолетний опыт проведения экспериментов с высшими растениями на борту орбитальных станций (10 основных экспедиций на борту ОК «Мир» и 8 основных экспедиции на борту МКС) показывает, что ежедневные работы с зелеными растениями оказывали существенную психологическую поддержку космонавтам.

Таким образом, анализ материальных потоков звена высших растений системы жизнеобеспечения марсианской экспедиции и оранжерейного устройства в целом показывает, что необходимо решение целого ряда задач, связанных не только с собственно биологическими исследованиями на борту космической орбитальной станции, но также и с исследованиями технологических особенностей функционирования оранжерейных устройств на борту космических летательных аппаратов.

12.7. Обеспечение микробиологической безопасности экспедиции

12.7.1. Микробиологические риски и подходы к их снижению

Важнейшим условием эксплуатации пилотируемых космических кораблей является их экологическая безопасность, включающая обеспечение надежного контроля за физическими, химическими и биологическими параметрами среды обитания, в том числе за микробиологическим фактором.

Учитывая сложную и многофакторную конфигурацию пилотируемых кораблей, проблема микробиологической безопасности должна быть решена в период создания и эксплуатации МЭК. Выполнение этой задачи должно основываться на опыте длительных космических полетов орбитальных станций около Земли.

Систематические исследования особенностей формирования и поведения микрофлоры в этих условиях были выполнены в процессе многолетней эксплуатации орбитального комплекса «Мир» и в настоящее время проводятся на МКС. В этих исследованиях было показано, что по мере увеличения сроков эксплуатации кораблей микробное сообщество, которое включает более 250 обнаруженных к настоящему времени бактерий и микроскопических грибов, подвергается своеобразной количественной и структурной эволюции. Основными характеристиками такой эволюции являются следующие особенности:

• при длительной эксплуатации пилотируемого космического объекта его среда может служить своеобразной экологической нишей для развития и репродукции бактерий и грибов определенной видовой принадлежности;

• основным местообитанием бактериально-грибных ассоциаций в этих условиях являются декоративно-отделочные и конструкционные материалы интерьера и оборудования, на поверхности которых накапливается достаточное количество органических веществ антропогенного происхождения и конденсата атмосферной влаги, служащих для реализации полного цикла развития и воспроизводства гетеротрофных микроорганизмов и, в первую очередь, плесневых грибов;

• количественная и структурная динамика микрофлоры в процессе длительной эксплуатации космических объектов является волнообразным циклическим процессом смены фаз активации и стагнации биоценозов, который контролируется как внутренними биологическими механизмами саморегуляции, так и внешними, в том числе, космофизическими факторами;

• фазы активации микрофлоры сопровождаются возникновением медицинских и технических рисков, которые могут оказывать существенное влияние на характеристики безопасности полета и надежности космической техники.

Рис. 12.8 Характеристика микробиологических рисков

Общие сведения о рисках микробиологической природы, которые могут проявляться в условиях длительного космического полета, представлены на рис. 12.8. На рисунке приведены основные результаты исследований аутомикрофлоры членов экипажей, мониторинга микрофлоры среды обитания орбитальных станций.

Наиболее опасная ситуация может возникнуть в случае заноса возбудителей особо опасных инфекций в кабину космического объекта на этапах предполетной подготовки, строительства (развертывания) и эксплуатации космического комплекса на околоземной орбите. Такая ситуация теоретически вероятна, во-первых, в случае неадекватных или недостаточной эффективных методов предполетного клинико-физиологического, микробиологического и иммунологического обследований членов экипажей, при которых не выявлены (но реально имеют место) бессимптомное носительство возбудителей, латентные инфекции и продромальные состояния. Во-вторых, это возможно при недостаточных ограничительно-обсервационных и карантинных мероприятиях, осуществляемых в отношении экипажей, контактирующего с ними и работающего в космических объектах персонала; недостаточного контроля за качеством бортовых рационов питания и запасов воды; а также при несоблюдении санитарно-гигиенических регламентов предполетной подготовки СОЖ, терморегуляции и т.п.

Как показали результаты клинико-физиологических обследований космонавтов [12.70], к постоянно действующим медицинским рискам, обусловленным особенностями состояния их аутомикрофлоры в условиях космического полета, относятся:

- дисбактериозы кишечника (редукция бифидо- и лактофлоры);

- активация условно патогенного компонента в составе микрофлоры различных биотопов, например, возрастание массивности микробных очагов у носителей патогенных стафилококков на слизистых оболочках полости носа, полости рта и зева, формирование очагов этих микробов у индивидуумов, ранее свободных от носителъства указанных микроорганизмов, в результате взаимообмена микрофлорой между членами экипажа, увеличение титров других условно патогенных бактерий в составе кишечной микрофлоры;

- появление в результате транслокации на слизистых оболочках полости носа, полости рта, зева, а также на кожных покровах не свойственных для этих биотопов микроорганизмов: кишечной палочки и других энтеробактерий;

- на фоне снижения местного и общего иммунитета формирование условий для возникновения оппортунистических инфекций по типу ауто-инфекционных процессов и «перекрестных» или экзогенных инфекций.

Жизнедеятельность микроорганизмов в среде МОК сопровождается возникновением как медицинских, так и весьма серьезных технических (технологических) рисков, в основе которых лежит заселение декоративно-отделочных и конструкционных материалов интерьера и оборудования бактериально-грибными ассоциациями. В тех случаях, когда в эти процессы вовлекаются патогены человека, может иметь место формирование резервуаров возбудителей - источников инфекций по типу «сапронозов», а также появляются предпосылки и условия для возникновения у членов экипажей сенсибилизации и аллергических реакций, микозов и микоинтоксикаций. В обитаемых отсеках космических станций на поверхностях интерьера и оборудования эпизодически выявлялись отдельные зоны, в которых регистрировались концентрации условно патогенных бактерий и грибов, значительно превышающие нормативные показатели [12.71].

О реальности возникновения в условиях космического полета в результате жизнедеятельности микроорганизмов технических (технологических) рисков свидетельствуют случаи биоповреждений декоративно - отделочных и конструкционных материалов, а также различного оборудования [12.72, 12.73].

Опыт эксплуатации орбитальных станций «Мир» и МКС дает основания рассматривать биоповреждения (биодеструкция полимерных материалов, биокоррозия металлов, формирование биопленок, возникновение биопомех) в качестве наиболее значимого и постоянно действующего фактора риска, обусловленного жизнедеятельностью микроорганизмов в жилых отсеках. Взаимодействие микроорганизмов с материалами начинается с фаз адсорбции и адгезии клеток и спор на поверхности материала, протекает на границе раздела фаз «газ-твердое тело», «жидкость-твердое тело»; результаты этого взаимодействия определяются агрессивностью биоповреждающих агентов, стойкостью объектов агрессии и характеристиками среды, в которой оно осуществляется.

Важнейшим фактором, инициирующим рост бактерий и грибов на поверхностях материалов в условиях космического объекта, является конденсат атмосферной влаги, формирующийся в обитаемых гермоотсеках, в которых содержатся основные химические органические и неорганические компоненты, необходимые для развития микроорганизмов.

В процессе роста бактерий и грибов (бактериально-грибных ассоциаций) возникает деструкция полимерных материалов и коррозия металлов. Механические повреждения полимеров происходят за счет проникновения в их структуры грибного мицелия, прямые биоповреждения - за счет вовлечения компонентов материала в трофические связи микроорганизмов, косвенные биоповреждения - в результате воздействия на материалы экзоферментов и органических кислот, продуцируемых микробами.

Вовлечение в процессы биоповреждения материалов патогенов человека - определенных видов грибов (A. niger и др.), а также бактерий (например, Pseudomonas aeruginosa) способно существенным образом усугубить проблему за счет возникновения не только технических, но и медицинских рисков.

Значение проблемы микробной колонизации материалов еще более возрастает применительно к регенеративным СОЖ экипажей, например, к системе регенерации воды из конденсата атмосферной влаги. В гидромагистралях этой системы на основе процессов адгезии могут образовываться специфические биопленки, включающие бактерии или бактериально-грибные ассоциации и продуцируемый ими липопротеидный комплекс-гликокалекс, в структуру которого вовлекаются компоненты водной среды органической и неорганической природы. Эта пленка является чрезвычайно стойкой и непроницаемой для многих биоцидов, дезинфектантов и антибитиоков. Использование этих средств приводит к гибели только так называемых «плавающих» форм микробов. Микроорганизмы, заключенные в интиму биопленки, легко сохраняются и через некоторое время вновь поступают в окружающую среду.

Наиболее опасная ситуация может возникнуть в тех случаях, когда в замкнутом объеме обитаемого отсека в результате заселения (колонизации) его интерьера и оборудования бактериально-грибными ассоциациями под влиянием процессов фенотипической адаптации и генотипической изменчивости сформируется своеобразная экосистема - биоповреждающий консорциум микроорганизмов, агрессивные свойства и резистентность которого будут существенно более высокими и отличными от тех, которые присущи отдельным входящим в его состав представителям микрофлоры.

На основе опыта длительной эксплуатации орбитальных станций можно сделать вывод о том, что при осуществлении пилотируемой марсианской экспедиции в целях профилактики и купирования микробиологических рисков (медицинских, технических и технологических) должна быть реализована система нормативных требований и предупредительных мероприятий, санитарно-гигиенических режимов, бортовых методов, средств и технологий, обеспечивающих контроль и управление состоянием микробиологической обстановки в МОК и в ВПК.

Система должна охватывать все этапы подготовки и фазы экспедиции, начиная с этапа проектирования и конструкторской разработки космических аппаратов, их оснащения и оборудования.

Применительно к особенностям пилотируемой марсианской экспедиции должны быть приняты или дополнены и откорректированы микробиологические нормативные требования к состоянию газовой среды, питьевой и санитарно-бытовой воды, рационов питания, декоративно-отделочных и конструкционных материалов интерьера, оснащения и оборудования обитаемых отсеков, а также требования по микробиологической безопасности, предъявляемые к СОЖ, выходным скафандрам и некоторым служебным системам, например, системам терморегуляции.

Соблюдение указанных требований устанавливается на основании санитарно-гигиенической экспертизы проектно-технической документации и подтверждается результатами автономных испытаний отдельных систем и комплекса СОЖ в целом в Медицинском макете пилотируемого космического аппарата.

Предупредительные мероприятия по обеспечению микробиологической безопасности должны осуществляться как в отношении членов экипажа на этапах отбора и предполетной подготовки, так и в отношении космических аппаратов на этапах их изготовления, испытаний, предстартовой подготовки, монтажа и комплектации на околоземной орбите.

В результате выполнения этих мероприятий должна быть полностью исключена возможность заноса в космические аппараты облигатных возбудителей инфекций, как через посредство членов экипажей (при бессимптомном носительстве, латентных инфекциях и продромальных состояниях), так и вследствие контаминации (заражения) оснащения и оборудования обитаемых отсеков в ходе предполетной подготовки.

На этапах сборки и комплектации космических аппаратов должны соблюдаться требования биологической чистоты, включающие использование шлюзовых камер с организацией ламинарных потоков очищенного воздуха, проведение дезинфекционных мероприятий, отбор контрольных микробиологических проб.

Для условий автономной жизнедеятельности экипажа на трассах «Земля-Марс-Земля» и ВПК должны быть разработаны бортовые методы, средства и технологии, которые позволят обеспечить:

• сохранение и поддержание микроэкологического баланса в состоянии аутомикрофлоры членов экипажа;

• проведение микробиологического мониторинга среды обитания (воздуха, воды, поверхностей интерьера и оборудования и т. п.);

• инструментальную ревизию (инспекцию) состояния декоративно-отделочных и конструкционных материалов, а также раннюю диагностику начальных фаз биоповреждающих процессов;

• очистку (деконтаминацию) газовых и жидких сред, а также материалов, подавление роста микрофлоры, купирование биоповреждений и биокоррозии;

• контроль фенотипической и генотипической изменчивости микрофлоры в условиях полета с учетом диссоциативного потенциала покоящихся форм с помощью модельных тест-систем.

По каждому из перечисленных направлений и блоков предлагаемой системы обеспечения микробиологической безопасности марсианской экспедиции ИМБП располагает определенными прототипами: средств, методов, технологий или исходными данными и научно-техническими наработками, - которые могут быть использованы для ее создания и практической реализации.

12.7.2. Вопросы утилизации и переработки отходов

В межпланетной экспедиции значительно возрастут требования к утилизации и переработке отходов жизнедеятельности экипажа, бытовых отходов и отходов систем жизнеобеспечения, которые могут стать опасным источником химического и микробиологического загрязнения. В настоящее время в орбитальных полетах утилизация отходов основана на их сборе, высушивания (на КК «Спейс-Шаттл»), накоплении, хранении в герметичных контейнерах и удалении. В экспедиции на Марс приоритетами при утилизации отходов должны стать их переработка и уничтожение (уменьшение).

В работе [12.74] дан обзор различных, преимущественно физических и химических технологий переработки и утилизации отходов, которые отрабатывались в наземных условиях с целью возможного использования в космических полетах. Среди этих технологий рассмотрены вакуумная сушка, переработка отходов с помощью различных термических способов (вплоть до полного сжигания), СВЧ-нагрев, жидкофазное окисление отходов в автоклаве, сверхкритическое жидкофазное окисление. Недостатком большинства отмеченных технологий является большой расход кислорода. Авторы считают, что для технического воплощения этих технологий потребуются значительные усилия.

В то же время заслуживает внимания перспективная технология биодеградации отходов с помощью анаэробных микроорганизмов, разработанная в ИМБП [12.75-12.77]. С помощью специально созданного препарата лиофилизированных микробных ассоциаций осуществляется процесс ферментации пищевых растительных отходов, в результате которого значительно (на 70 %) уменьшается масса органического субстрата; получены бактериальные культуры, которые позволяют осуществлять биодеградацию целлюлозосо-держащих материалов (марля), которые составляют значительную по массе и объему часть твердых бытовых отходов. В целом проблема утилизации и переработки отходов для условий марсианской экспедиции еще далека от своего решения. Можно предположить, что при разработке этой проблемы будут использоваться как физико-химические, так и биологические технологии.

12.7.3. Требования к планетарному карантину

Проблема микробиологической безопасности при осуществлении марсианской экспедиции не ограничивается микробиологической безопасностью в условиях автономной жизнедеятельности экипажа на трассах «Земля-Марс-Земля». Не менее значимым представляется реализация программы планетарной защиты (планетарного карантина).

Важнейшей задачей планетарной защиты является снижение до безопасного уровня риска микробиологического загрязнения Марса земными микроорганизмами, неизбежно контаминирующими космическую технику. Следует также учитывать опасность загрязнения планеты органическими соединениями, включая продукты жизнедеятельности микробиоты, что может привести к ошибочному заключению о вероятности существования внеземной жизни. В связи с этим, при подготовке и организации полета на Марс необходимо предусматривать меры по исключению или сильному ограничению такой возможности.

Еще в 1964 году резолюцией КОСПАР был впервые определен вероятностный критерий контаминации планет земными микроорганизмами, а 1967 году СССР, США и другие страны подписали Международный договор о принципах деятельности государств по исследованию и использованию космического пространства, включая Луну и другие небесные тела. По мере развития знаний о планетах Солнечной системы и исследований в области экзобиологии и экологии микроорганизмов были внесены изменения в методологию планетарной защиты, которые наиболее полно нашли отражение в резолюции КОСПАР от 20 октября 2002 г. (COSPAR New Policy, Recommendations and Implementation Guideline Document, approved by the Bureau and Council). Суть этой методологии заключается в ранжировании полетов на пять категорий, относящихся к разным комбинациям «планета - экспедиция». Эта концепция позволяет формулировать требования к планетарной защите в соответствии с биологическим интересом к планете - мишени и с учетом относительной опасности заражения, свойственной данному типу экспедиции.

Так как пилотируемый полет на Марс - планету, представляющую активный биологический интерес, связан с возвращением космического корабля на Землю, то для таких экспедиций требования по планетарной защите наиболее высоки.

Следует также учитывать что, несмотря на то, что из всех планет Солнечной системы наиболее благоприятными условиями для жизни обладает Земля, это не исключает полностью наличия живой материи на других планетах и в частности - на Марсе. В связи с этим, стратегия планетарной защиты должна основываться также на вполне вероятной возможности заражения Земли внеземными или трансформированными в условиях Марса земными патогенными микроорганизмами (или токсичными веществами). Это обстоятельство диктует необходимость разработки надежных карантинных мероприятий для космонавтов и меры по строжайшему биологическому контролю и оценке потенциальной патогенности или токсичности доставляемых на Землю внеземных субстратов и возвращаемых на землю космических аппаратов. Если программа полета предусматривает контакт с поверхностью планеты, то должны быть разработаны:

• меры планетарной защиты и стерилизации, гарантирующие соблюдение требований КОСПАР по предельно допустимому уровню микробной обсе-менённости средств, десантируемых на поверхность Марса, а также исключающие возможность заражения Земли внеземными или трансформированными в условиях Марса земными патогенными микроорганизмами;

• меры защиты экипажа и среды обитания от прямых контактов с марсианским грунтом.

12.8. Обеспечение радиационной безопасности экспедиции

12.8.1. Радиационные условия полета к Марсу

Работы, посвященные исследованию радиационных полей в околоземном и межпланетном пространстве, позволяют составить достаточно полную картину облучения участников марсианской экспедиции. Три источника космической радиации - радиационные пояса Земли (РПЗ), солнечные и галактические космические лучи (СКЛ, ГКЛ) внесут различный вклад в дозы облучения космонавтов. В табл. 12.4 представлены источники радиационной опасности, характерные для различных стадий полета к Марсу.

Табл. 12.4. Источники радиации на различных стадиях полета к Марсу
Стадия полета к Марсу Источники радиационной опасности Особенности воздействия

1. Раскрутка в магнитосфере Земли на корабле малой тяги Радиационные пояса Земли Необходимость нахождения в каютах в период пересечения максимума внутреннего протонного пояса.

Галактические космические лучи Ослабление вклада в дозу от ГКЛ за счет экранировки телом планеты Земля

Солнечные космические лучи Ослабление вклада в дозу от СКЛ за счет экранировки магнитосферой Земли

2. Межпланетный перелет Галактические космические лучи -

Солнечные космические лучи Ослабление дозы СКЛ при удалении от Солнца. Необходимость «автономного» прогнозирования СПС для заблаговременного перехода в каюту.

3. Полет на околомарсианской орбите Галактические космические лучи Ослабление вклада в дозу от ГКЛ за счет экранировки телом планеты Марс

Солнечные космические лучи -

4. Нахождение на поверхности планеты Марс Галактические космические лучи
Солнечные космические лучи Учет ослабления в атмосфере Марса
Учет наведенной активности марсианского грунта

В табл. 12.5 представлены среднетканевые дозы в сЗв, соответствующие разным уровням риска первичных реакций.

Табл. 12.5. Среднетканевая доза в сЗв, соответствующая разным уровням риска первичных реакций.
Клиническая реакция Уровень риска

10% 50% 90%

Потеря аппетита 40 100 240

Тошнота 50 170 320

Рвота 60 220 380

Понос 90 240 390

В [12.84, 12.85] приведены нормативные значения доз по действующим в настоящее время в России нормам радиационной безопасности в космосе. Отметим, что эти нормы разработаны для орбитальных полетов, но основные подходы, использованные при их разработке, сохранятся по-видимому, и при разработке нормативов для марсианской экспедиции.

В табл. 12.6 представлены дозы ГКЛ на кроветворные органы на участке межпланетного перелета [12.4].

Табл. 12.6. Дозы ГКЛ на кроветворные органы для участка перелета «Земля - Марс» для различного уровня защиты, сЗв/год; Вариант длительности перелёта 435 суток
Защита корабля из алюминия, г·см² Минимум солнечной активности Максимум солнечной активности

20 38 19

50 27 13

100 15 7,5

Защита жилых зон межпланетного орбитального корабля с использованием баков с рабочим телом, запасов воды и приборного обоования переменна и меняется в процессе полета и в зависимости от траектории от 220 г·см² до 30 г·см². Минимальная защита экипажа имеет место при возвращении межпланетного экспедиционного комплекса к Земле, когда часть запасов рабочего тела израсходована. Тем не менее, в самом худшем случае, минимальная среднегодовая защита даже в последний год полета будет не менее 70 г·см² с учетом того, что каюты экипажа в которых экипаж проводит не менее 30% общего времени, имеют защиту до 40 г·см².

Спорадическим источником ионизирующих излучений в космосе являются солнечные протонные события (СПС), для которых теория появления далека от завершения [12.82, 12.83]. Этот источник радиационной опасности будет давать вклад в дозу облучения экипажа только в периоды промежуточного и максимального уровней солнечной активности. Значительный вклад в дозу может быть обусловлен «наиболее неблагоприятным СПС» - событием с максимальным флюенсом и наиболее жестким спектром частиц. Однако даже для таких событий РЗ позволит снизить дозу облучения экипажа до приемлемых значений, поскольку СКЛ достаточно хорошо ослабляются радиационной защитой. Длительность СПС может изменяться в интервале от нескольких часов до нескольких суток, а суммарная доза за вспышку - в диапазоне от сотых долей до десятков Зв в зависимости от типа события и характеристик защиты. Отметим, что возникновение СПС является случайным событием, что создает дополнительные сложности при обеспечении радиационной безопасности при проведении марсианской экспедиции.

Полученные расчетные значения доз облучения членов экспедиции соизмеримы с нормативом, но в случае мощного СПС во время нахождения экипажа на поверхности Марса могут превысить его значение. Поэтому на этот случай должна быть предусмотрена срочная эвакуация экипажа в укрытие.

12.8.2. Основные принципы обеспечения радиационной безопасности экипажа

Из предыдущего раздела следует, что дозы облучения экипажа МЭК должны быть снижены до приемлемых значений. Профессия космонавта и тем более члена экипажа марсианской экспедиции относятся к категории радиационно-опасных видов деятельности. Основными показателями уровня опасности в настоящее время считаются «радиационный риск» и «сокращение продолжительности предстоящей жизни», а при оценке радиационной опасности в качестве дозиметрического функционала используется эффективная или эквивалентная доза облучения критических органов, как это определено в Нормах радиационной безопасности для орбитальных полетов [12.84]. В последующем должны быть разработаны соответствующие нормативы радиационной безопасности (дозовые лимиты), учитывающие условия и требования марсианской экспедиции. Вместе с тем для разработки СОРБ должна быть создана концепция обеспечения РБ марсианской экспедиции, которую можно определить как ведущий замысел данного вида деятельности [12.86].

Радиационная ситуация при осуществлении марсианской экспедиции существенно усложняется в сравнении с околоземными полетами на невысоких орбитах (400-500 км). В околоземных полетах экранирующее действие геомагнитного поля снижает уровни воздействия космической радиации в десятки раз в зависимости от параметров орбиты и энергетического спектра излучения. При перелете «Земля-Марс» и на Марсе магнитное поле практически отсутствует, поэтому не имеется оснований рассчитывать на защитный эффект магнитных полей. Толщина атмосферы Марса составляет около 16г·см² (толщина атмосферы Земли составляет около 1000 г·см²). Поэтому защита человека от космической радиации на поверхности Марса оказывается несоизмеримо слабее, чем на Земле. Поэтому в течение всей экспедиции должны приниматься меры по обеспечению РБ экипажа. При этом все, что необходимо для этих целей, должно входить в состав космического аппарата. Следовательно, израсходованный ресурс ограничит возможности выполнения других задач экспедиции. Поэтому система РБ должна занимать минимальную долю ресурса космического аппарата.

С учётом изложенного, концепция обеспечения радиационной безопасности экипажей марсианской экспедиции заключается в следующих основных положениях:

• обеспечение РБ экипажа марсианской экспедиции является составной частью медицинского обеспечения полёта и должно осуществляться с учётом возможного комбинированного влияния радиации и других факторов полёта на здоровье работоспособность членов экипажа;

• количественное ограничение уровня радиационной опасности должно устанавливаться на основе учёта вклада доли радиационной опасности в общий уровень опасности, обусловленный воздействием всех неблагоприятных факторов полета;

• снижение уровня радиационной опасности должно осуществляться как регулированием его облучения в процессе полёта, так и разработкой специальных средств и системы мероприятий, осуществляемых на всех этапах подготовки, проведения и завершения полёта, включая весь период оставшейся жизни; эта совокупность средств и действий образует систему радиационной безопасности марсианской экспедиции;

• количественным выражением принятого уровня безопасности выступает совокупность нормативов, ограничивающих дозы облучения членов экипажа и соответствующие неблагоприятные последствия облучения;

• основным принципом оптимизации уровня безопасности при выполнении экспедиции должен быть уровень, рекомендованный Международной Комиссией по Радиационной Защите (МКРЗ), требующий ограничивать облучение минимальной разумно достижимой дозой;

• система радиационной безопасности должна удовлетворять принципу оптимального расходования ресурса: достижение заданного уровня безопасности при минимальном расходовании ресурса, но не более установленного лимита; в процесс оптимизации должны включаться все факторы, влияющие на уровень радиационной опасности;

• ввиду высоких уровней облучения и стохастического характера ряда источников облучения в космическом пространстве в процессе полета должен обеспечиваться непрерывный бортовой контроль радиационной обстановки внутри и вне космического аппарата и индивидуальный радиационный контроль;

• учитывая особенности марсианской экспедиции, приоритетным направлением в создании системы радиационной безопасности должна быть автоматизация ее функционирования на всех этапах: от осуществления измерений до выдачи заключений и рекомендаций и автоматического выполнения защитных мероприятий.

Указанные положения составляют сущность предлагаемой концепции обеспечения радиационной безопасности марсианской экспедиции и представляют совокупность требований к разработке и созданию СОРБ марсианской экспедиции и её компонентов.

12.8.3. Система обеспечения радиационной безопасности экспедиции (СОРБ)

Функциями СОРБ марсианской экспедиции являются:

• анализ радиационных условий на трассах полета сучетом сроков его проведения, сценария, полетной программы, динамики радиационной обстановки и защитных характеристик отсеков;

• отбор космонавтов с учетом индивидуальной радиочувствительности;

• расчет и создание оптимальной радиационной защиты, включающей радиационное убежище, локальную защиту с использованием конструкций, элементов, запасов топлива, воды, продуктов, обеспечивающих снижение радиационного воздействия до приемлемого уровня;

• разработка и создание бортовой системы радиационного контроля и прогноза с учетом большого объема ВКД и деятельности на поверхности Марса;

• обоснование методов и разработка типовых рекомендаций по снижению радиационной опасности в ходе полета за счет проведения профилактических мероприятий;

• осуществление экспертизы СОРБ.

При рассмотрении методики расчета защиты необходимо, наряду с космическими лучами, учитывать нейтронное и гамма-излучение при вариантах, предусматривающих использование ядерно-энергетической установки или ядерного ракетного двигателя. Наряду с созданием библиотеки наиболее надежных ядерных данных и комплексов программ расчета прохождения излучения через защиту, становится существенным проведение цикла экспериментов на ускорительных установках, ядерных реакторах и изотопных источниках нейтронов и гамма-квантов.

Пребывание на поверхности Марса имеет ряд особенностей, влияющих на формирование концепции обеспечения РБ космонавтов. К ним относятся:

• требование минимального веса ВПК и, следовательно, минимальной толщины защиты;

• практическое отсутствие у Марса магнитного поля, что исключает эффект магнитной экранировки от потоков частиц космических лучей;

• тонкая атмосфера Марса (~16 г·см²), недостаточная для снижения дозы облучения экипажа при мощных солнечных протонных вспышках, доза от которых может достигать 30-35 сЗв;

• повышенный радиационный фон, обусловленный наведенной радиоактивностью из-за воздействия на марсианский грунт космических лучей;

• значительное время, необходимое для возвращения космонавтов в дополнительно защищенное пространство (эквивалент радиационного убежища) или для срочной эвакуации с поверхности планеты.

Положительной особенностью, влияющей на уровень облучения космонавтов на поверхности планеты, является экранировка полупространства её массой, которая примерно в два раза уменьшает мощность дозы всех видов космической радиации по сравнению с пребыванием в межпланетном пространстве.

Особое внимание должно быть уделено обеспечению РБ во время нахождения космонавтов в условиях минимальной защищённости. При долговременном пребывании на поверхности планеты необходимо предусмотреть возможность дополнительной защиты членов экипажа с использованием конструкции ВПК и с помощью локальной защиты критических органов. Кроме того, должны быть разработаны и размещены в ВПК, а возможно, и в скафандре средства фармакохимической защиты и профилактики острой лучевой патологии.

Во время пребывания космонавтов на поверхности планеты должен осуществляться индивидуальный контроль суммарной дозы и мощности дозы. Эти данные должны передаваться в централизованные системы радиационного контроля МЭК для оценки степени опасности и разработки рекомендаций по обеспечению радиационной безопасности каждого члена экипажа и всей десантной группы.

Специфические черты, обусловленные особенностями радиосвязи с марсианской экспедицией, приобретает характер работы наземной Службы радиационной безопасности. Поскольку ее оснащённость по-видимому, останется более высокой, чем у бортовых систем радиационного контроля, она будет играть основную роль в среднесрочном и долгосрочном прогнозе радиационных условий и проведении других работ, требующих большего объема информации, привлечения специалистов и проведения различных модельных расчётов и экспериментов. Однако в условиях необходимости оперативного принятия решения центр тяжести будет перемещаться на борт МЭК с последующим сообщением подробной информации в наземную Службу радиационной безопасности о всех аспектах имевших место ситуациях и принятых мерах для подробного анализа и проведения при необходимости дополнительных мероприятий.

12.8.4. Математическое моделирование функционирования СОРБ

Представляется целесообразным рассмотреть кроме конкретных весовых параметров защиты, которые приведены, например, в [12.87], математическую модель функционирования СОРБ. Рассмотрим с позиций концепции приемлемого радиационного риска при космических полетах взаимосвязь разных компонентов обеспечения радиационной безопасности, представленных в математической форме.

Задачей СОРБ экипажа является устранение (или, по крайней мере, уменьшение) опасности возникновения вредных последствий облучения. Радиационная опасность в космосе определяется такими факторами, как радиационные условия на траектории полета, степень защищенности космонавтов конструкцией и оборудованием космического аппарата, реакции организма на облучение. Для получения количественных оценок при описании столь разнородных факторов представляется целесообразным использовать математический аппарат теории множеств и теории вероятностей. Предлагается процедура сопоставления основных понятий, используемых при рассмотрении радиационной опасности в космосе, и математических объектов, пригодных для проведения расчетов. Прежде всего необходимо определить конечную характеристику опасности. Международная комиссия по радиационной защите (МКРЗ) определяет меру радиационного воздействия как «математическое ожидание вреда, вызываемого облучением, причем принимают во внимание не только вероятность возникновения каждого вида вредного эффекта, но и степень его тяжести» [12.88]. В дальнейшем анализе будем опираться на это понятие меры опасности радиационного воздействия.

Введем понятие множества R — совокупность всех неблагоприятных последствий облучения. Не все из этих последствий могут быть существенны для космического полета. Выделим из этого множества конечное подмножество R₀ - совокупность неблагоприятных последствий, учитываемых при анализе. Например, гибель во время полета, возникновение различных новообразований, катарактогенез и т. д. Обозначим число элементов в этом множестве через n.

В соответствии с 26-й Публикацией МКРЗ [12.88] в качестве меры результата неблагоприятного воздействия может быть использована величина «радиационного ущерба» М:

где: g_i - «взвешивающий» фактор, Р_i - вероятность наступления i-го неблагоприятного последствия.

Отношение взвешивающих факторов g/gj показывает, во сколько раз i-е последствие более значимо, чем j-е; например, во сколько раз гибель во время полета «хуже», чем возникновение катаракты глаза через 2 года после окончания полета. Значения коэффициентов g должны определяться группой специалистов методом экспертной оценки. Вероятность P_i наступления i-го последствия зависит от величины радиационного воздействия, под которым обычно понималась доза облучения. Следует, однако, отметить, что не для всякого радиобиологического эффекта в качестве меры воздействия считается приемлемым понятие дозы. Например, для оценки влияния галактических космических лучей на центральную нервную систему может оказаться более эффективным знание величины потока тяжелых заряженных частиц. Поэтому представляется необходимым для каждого вида неблагоприятного последствия определить, какая физическая величина (назовем ее Y_i) обусловливает эффект, и как связана вероятность наступления этого эффекта с соответствующим физическим агентом - величиной Y_i, т.е. должна быть задана зависимость P_i = B_i(Y_i), хорошо известная как зависимость «доза - эффект». Таким образом, множество R₀ с заданными на нем g_i и P_i = B_i(Y_i) составляют модель радиобиологической реакции организма человека.

Причиной всех этих реакций является радиационная обстановка в космосе. Для определения радиационной обстановки используется классификация источников радиационной опасности на траектории полета космического аппарата и описание характеристик этих источников [12.80, 12.87].

Введем понятие V = {v_f} множества возможных радиационных условий на траектории полета и заданную на нем вероятность реализации для каждого из этих радиационных условий р_j. Элементом множества V является зависимость от времени, энергетического, зарядового и углового распределения излучения, падающего на внешнюю поверхность космического аппарата v_j = φ_j(t,E,Z,Ω). Таким образом, множество V является множеством функций, а распределение вероятности р_j является функционалом, заданным на этом множестве. Множество V и заданное на нем распределение вероятности р_j представляют собой в совокупности модель радиационной обстановки, специфической для рассматриваемого класса полетов.

Следующим фактором, определяющим уровень радиационного воздействия, является степень защищенности. Ее можно в первом приближении описать в виде зависимости от времени толщины защиты в каждом направлении х(t, Ω) по отношению к телу космонавта (по выбранным критическим органам его организма), с учетом его возможных перемещений по космическому кораблю (КК). Эта зависимость определяется конструкцией КК, программой полета, циклограммой работы экипажа. Так, например, зависимости х(t, Ω)х(t, Ω) для космонавтов, находящихся в «радиационном убежище» или выполняющих работу в скафандре вне космического корабля, будут значительно различаться. Будем считать каждую зависимость x(t,Ω.) элементом x_j множества X. С точки зрения обеспечения радиационной безопасности (РБ) выгодно все время находиться за большой толщиной защиты, но это может быть неприемлемо при ведении научных наблюдений, ремонте и может отрицательно повлиять на выполнение программы полета. Для того чтобы количественно учесть это влияние, введем величину L(х_j) - потери в плане выполнения программы полета при реализации данной циклограммы полета, т.е. зависимости x_j= X(t,Ω), Таким образом, множество X с заданным на нем функционалом L(X_j) можно считать моделью защищенности экипажа экспедиции.

Рассмотрим теперь, как оценить с помощью введенных математических объектов меру радиационного ущерба М. Для каждой пары функции v = v(t,E,z,Ω,) и x_j = x(t,Ω) может быть определен набор всех физических агентов Y_i, вызывающих радиобиологические эффекты (например, поглощенная доза, эквивалентная доза, поток тяжелых заряженных частиц и т. д.). Для количественного выражения этих величин могут быть использованы методы расчета прохождения излучения через вещество, с помощью которых определяются операторы K_i, отображающие радиационную обстановку и условия защищенности на величины воздействующих физических факторов. Таким образом, совокупность K_i представляет собой набор операторов, заданный на множестве V х X. Зная совокупность Y_i, можно с помощью функций B_i определить вероятности соответствующих радиобиологических последствий P_i = B_i(Y) и величину радиационного ущерба М. Таким образом, на множестве VxX задана совокупность операторов К_i,j и мера радиационного ущерба М.

В рамках введенных терминов задача обеспечения РБ математически может быть сформулирована следующим образом: обеспечить непревышение приемлемого уровня радиационного ущерба М < М_mах, по возможности, не нарушая программу полета, т.е. минимизируя L или, по крайней мере, не допуская превышения некоторого предельного уровня потерь, что может быть описано неравенством L < L_max. Тогда, в рамках введенных понятий, два неравенства:

и позволяют, в принципе, для каждого варианта радиационной обстановки v_j из всего множества условий защищенности X выбрать подмножество приемлемых вариантов, которое обозначим через {X\v_j}. Может оказаться так, что для некоторых V множество {X\v_j} является пустым, т.е. радиационная обстановка оказалось столь плохой, что не нашлось приемлемого варианта защищенности. Суммарная вероятность подмножества таких вариантов Р_Σ должна не превышать некоторой фиксированной величины N, характеризующей надежность системы обеспечения РБ. Перечень предлагаемых к введению формализованных объектов представлен в табл. 12.7.

Для использования предлагаемого математического аппарата необходимо наряду с перечисленными в таблице множествами и зависимостями определить величины М_mах, L_mах, а также N - надежность системы обеспечения РБ. Ограничения на величины М_mах и N должны представлять собой по существу нормативы радиационной безопасности при космических полетах. Величина L_max определяется целями, которые ставятся перед космическим полетом, и значимостью выполнения отдельных задач, стоящих перед экспедицией. Следует отметить, что есть важный элемент системы обеспечения РБ, не представленный явно в приведенном описании, но тем не менее весьма существенный. Это - способ определения варианта защищенности x(t,Ω) в процессе проведения полета, поскольку заранее, до полета реализация v неизвестна. Методы и средства определения способа выбора защищенности в ходе полета x(t,Ω) составляет существо оперативного обеспечения радиационной безопасности космических полетов. Неэффективный выбор может существенно снизить надежность всей системы РБ. Однако детальное рассмотрение этого вопроса выходит за рамки данного раздела. Отметим лишь, что для решения этой задачи необходимы радиационный контроль (измерение величин Y), краткосрочный и долгосрочный прогноз уровней радиационного воздействия, а также правила выбора по результатам контроля и прогноза допустимых зон пребывания экипажа.

Табл. 12.7. Перечень формализованных объектов для СОРБ

Множество Определенные на нем функции или функционалы.

R - совокупность всех неблагоприятных последствий облучения -

R₀- совокупность неблагоприятных последствий, учитываемых при анализе g_i, - «взвешивающий» фактор
Р_i- вероятность наступления i-го неблагоприятного последствия
Y_i - воздействующий физический агент (причина)
В_i(Y_i) - функция преобразования величины Y_i, в вероятность наступления соответствующего неблагоприятного последствия

V={V_j} - множество возможных радиационных условий на траектории полета p_j- вероятность реализации соответствующего радиационного условия

X={x_j} - множество вариантов защищенности L(х_j) - потери для выполнения программы полета при выборе данного варианта защищенности

VxX Y_i=K_i (v_jx_j) - К - оператор, описывающий прохождение излучения через вещество

Изложенный материал является в определенном смысле обобщением существующих подходов к нормированию радиационного воздействия при космических полетах. Можно предположить, что подобный подход окажется полезным и при разработке систем медицинского обеспечения безопасности космонавтов в условиях воздействия других неблагоприятных факторов космического полета. В заключение можно отметить, что для реализации изложенного подхода необходимо количественное описание соответствующих неблагоприятных факторов и реакции организма на их воздействие.

12.8.5. Лётные исследования

Исследование динамики радиационной обстановки на трассе полета и в отсеках Международной космической станции и накопления дозы проводились с помощью антропоморфного фантома, размещенного внутри и снаружи станции («Матрешка - Р»). Космический эксперимент выполнялся в рамках Российской национальной программы космических исследований.

Составной частью проекта является эксперимент по исследованию доз в антропоморфном фантоме на поверхности PC МКС (шифр «Матрешка), проведение которого в рамках проекта «Матрешка - Р» регламентировано соглашением между Росавиакосмосом и ESA.

Цель эксперимента

Исследование динамики поглощенной и эквивалентной дозы на трассе полета и в отсеках МКС и накопления дозы в критических органах тела космонавта при нахождении его внутри и снаружи станции.

Эксперимент выполняется для совершенствования методов космической дозиметрии и оценки радиационной опасности для членов экипажа орбитальных станций.

Задачи эксперимента следующие:

• Разработка и экспериментальная проверка расчетных методов и измерительных средств, необходимых для оценки дозы облучения различных органов тела космонавтов при длительных орбитальных полетах, включая внекорабелъную деятельность.

• Измерение характеристик радиационных полей на трассе полета станции.

• Проведение на борту МКС одновременных измерений мощности поглощенной и эквивалентной доз внутри шарового и антропоморфного тканеэквивалентных фантомов при различных условиях их экранированности, в том числе и при размещении последнего на внешней поверхности станции.

• Верификация моделей радиационной обстановки в околоземном космическом пространстве и мещодов расчета прохождения излучения через вещество защиты и ткани путем сопоставления оценок, полученных расчетным путем, с результатами измерений.

• Исследование радиационного риска экипажа в зависимости от радиационных условий на трассе полета МКС с целью совершенствования методики оценки радиационной опасности при орбитальных космических полетах.

Состав экспериментальной аппаратуры:

• сферический тканеэквивалентный фантом, оснащенный пассивными и активными дозиметрическими детекторами;

• антропоморфный (тканеэквивалентный) фантом, оснащенный пассивными и активными дозиметрическими детекторами и устанавливаемого снаружи станции в специальном контейнере;

• сборка пассивных дозиметрических детекторов (6 штук), размещаемых внутри Российского сегмента МКС, для измерения пространственного распределения доз за время полета.

Кроме того, при анализе результатов эксперимента будут использованы данные радиационного мониторинга, осуществляемого с использованием штатных средств радиационного контроля Российского Сегмента МКС.

Вид фантомов, используемых в проекте, приведен на рис. 12.9 и 12.10.

Рис. 12.9 Сферический фантом в каюте на борту МКС Рис. 12.10 Установка контейнера с антропоморфным фантомом на внешней поверхности МКС

Ожидаемые результаты исследований

Итогами выполнения космического эксперимента должны быть:

• экспериментальные данные по дозовым нагрузкам на различные органы космонавта в условиях полета в обитаемых отсеках станции и во время ВКД при спокойной и возмущенной радиационной обстановке (дозиметрическая индикация траектории полета МКС);

• закономерности формирования доз в теле космонавта в условиях защиты веществом станции и малой защищенности конструкциями скафандра;

• заключение о корректности моделей защищенности органов тела окружающими тканями (самоэкранировка) и конструкциями космического аппарата, методов оценок поглощенной и эквивалентной дозы;

• заключение о границах применимости сферического фантома для расчетных и экспериментальных исследований радиационной нагрузки на критические органы космонавтов в условиях космического полета;

• экспериментальные данные для совершенствования модельных описаний радиационных условий на околоземных орбитах;

• формирование аппаратурной базы для выполнения фундаментальных и прикладных исследований по радиационной безопасности в рамках национальной и международной программ космических исследований на МКС

12.9. Наземные модельные исследования

Наземные модельные исследования имеют важное значение в решении актуальных задач космической медицины. Они сыграли большую роль в обосновании возможности увеличения продолжительности и надежности космических экспедиций.

Модельные эксперименты отличали разнообразные цели и задачи. Среди них можно выделить:

• испытания перспективных систем жизнеобеспечения;

• изучение влияния продолжительной гипокинезии с целью моделирования эффектов невесомости и разработки средств профилактики;

• изучение влияния на организм человека отдельных факторов космического полета;

• решение проблем оказания медицинской помощи в космических полетах;

• исследование психологических проблем пребывания человека в замкнутом пространстве (психология поведения групп и отдельных индивидуумов в условиях изоляции, вопросы биоритмологии, эргономики, режима труда и отдыха).

Модельные эксперименты позволяют проводить оценку концепции медико-биологического обеспечения экипажа разрабатываемого пилотируемого объекта или конкретной миссии, оценить значение отдельных факторов космического полета в изменении состояния здоровья и работоспособности членов экипажа, получить необходимые данные для разработки медико-биологических требований к пилотируемым космическим объектам и к средствам медицинского и гигиенического обеспечения.

Такой подход в полной мере относится к наземному международному эксперименту HUBES-95, в котором три испытателя в течение 135 суток находились в макете космического корабля (наземный экспериментальный комплекс ИМБП). Этот эксперимент был частью подготовки к 135-суточному полету европейского космонавта на станции «Мир» по программе «Евромир-95» [12.89].

Основными целями данного эксперимента являлись:

• обоснование психологических методов и средств отбора, выбор психологических средств подготовки, мониторинга и психологической поддержки в длительном полете;

• выбор оптимальных методов диагностики и лечения заболеваний в космических полетах;

• получение новых знаний о требованиях к человеку в длительных полетах.

В 1992 году в немецком авиакосмическом Центре (г. Кельн, Германия) был

проведен эксперимент по изучению ряда психологических проблем в условиях 60-суточной изоляции. В составе группы испытателей была одна женщина. Было показано, что присутствие женщины объединяло группу и стабилизировало ее поведение при возникновении психологической напряженности. При этом по ряду психофизиологических тестов (концентрация внимания, ориентировка в пространстве, решение логических задач в условиях дефицита времени) женщина не только не уступала мужчинам, но и превосходила их [12.90]. Результаты этого эксперимента необходимо учитывать в будущем при формировании экипажа марсианской экспедиции, гетерогенного по признаку пола.

Среди масштабных наземных экспериментов следует отметить международный эксперимент SFINCSS-99 продолжительностью 240 суток с участием 28 испытуемых, основная цель которого состояла в имитации первого полета международного экипажа космической станции [12.91].

В ходе эксперимента было проведено большое количество исследований по следующим направлениям:

• психология межгруппового и внутригруппового взаимодействия;

• индивидуальная психология;

• психология деятельности;

• клинико-физиологические исследования;

• биохимические и иммунологические исследования;

• санитарно-гигиенические и микробиологические исследования;

• биологические исследования;

• операционно-технологические эксперименты.

В эксперименте SFINCSS было уделено большое внимание отработке телемедицинских технологий, значение которых в пилотируемой космонавтике будет постоянно возрастать, особенно в связи с будущими межпланетными полетами.

Среди большого числа задач, которые решались в данном эксперименте, можно отметить две, представляющие особый интерес:

• определение степени влияния монотонных условий существования при длительной изоляции в замкнутом пространстве на работоспособность космонавтов и функциональное состояние различных систем организма;

• изучение закономерностей адаптации функциональных систем организма к условиям искусственной среды обитания.

Результаты этого уникального эксперимента, обобщенные в книге [12.91], представляют ценный материал для разработки медико-биологического обеспечения марсианской экспедиции.

Наземное моделирование условий пилотируемой марсианской экспедиции и особенностей жизнедеятельности экипажей в этих условиях будет важной составной частью разработки и испытаний ее медико-биологического обеспечения.

Значительный интерес в этом отношении представляют исследования, которые ведутся на двух «марсианских станциях», созданных Марсианским обществом - на острове Дэвон в Канаде (Арктическая научно-исследовательская станция) и в пустыне штата Юта, США (Марсианская пустынная научно-исследовательская станция). На этих станциях в условиях, сходных с марсианскими, проводятся испытания оборудования и технологий, которые могут быть использованы во время экспедиции на Марс. В них участвуют группы исследователей, которые будут имитировать жизнь и деятельность экипажей в будущей марсианской экспедиции.

Сложность и масштабность задач медико-биологического обеспечения марсианской экспедиции делают необходимым проведение специального наземного эксперимента по моделированию полета на Марс.

В ИМБП разрабатывается проект эксперимента с продолжительностью моделирования до двух лет, который будет проходить в наземном экспериментальном комплексе, который был создан в 1970 г. в качестве прототипа марсианского корабля. Эксперимент предлагается как международный с участием в составе экипажа специалистов разных стран [12.92].

Данный эксперимент с изоляцией добровольцев в герметичном объекте ограниченного объема позволит смоделировать некоторые факторы и условия марсианского полета:

• сверхдлительность (1,5-2 года);

• высокая степень автономности (невозможность допоставки грузов, изменения состава экипажа и досрочного возвращения на Землю; автономное поведение экипажа);

• невозможность оказания срочной помощи;

• лимитированностъ ресурсов;

• социальная депривация (ограничение контактов и информации);

• измененные условия коммуникации (задержка и временное отсутствие информационного обмена).

Рис. 12.11 Наземный экспериментальный комплекс ИМБП

Планируется получение экспериментальных данных о состоянии здоровья и работоспособности у лиц, длительное время находящихся в условиях изоляции при моделировании основных особенностей и ограничений, присущих марсианскому полету.

Значительное внимание будет уделено отбору и медико-психологической подготовке участников эксперимента, контролю состояния здоровья, организации рационального режима труда и отдыха. В состав экипажа будет включен опытный врач.

Эксперимент позволит отработать принципы оказания медицинской помощи, методы и средства профилактики, диагностики, лечения и прогнозирования заболеваний, в том числе с использованием телемедицинских технологий. Предполагается оценка работоспособности человека «на поверхности Марса» после длительного пребывания в условиях гермообъекта.

Учитывая важность психологических проблем, при проведении эксперимента будут контролироваться деятельность экипажа, его взаимодействие в группе и с центром управления, испытываться автономные методы и средства психологической поддержки.

В основном эксперименте и в параллельных сателлитных экспериментах будут отрабатываться принципы, методы и аппаратура для автономного обеспечения марсианской экспедиции, включая компоненты информационно-аналитической системы, методы и средства оперативного мониторинга среды обитания, новые методы и средства профилактики неблагоприятного действия факторов межпланетного полета и новых технологий и средств обеспечения жизнедеятельности человека. Часть исследований в сателлитных экспериментах (радиобиологических, токсикологических и др.) будет проводиться на животных. Значительный интерес представляет запланированный эксперимент с хроническим облучением обезьян для моделирования радиационного воздействия полета на Марс.

В эксперименте будет осуществляться медицинское сопровождение, которое предполагает:

• медицинский контроль за состоянием членов экипажа (текущий - ежедневно, углубленный - ежемесячно и экспертный - полугодовой);

• оказание консультативной помощи при возникновении острых заболеваний и травм членов экипажа с привлечением врачей-специалистов;

• контроль за состоянием среды обитания, сбалансированностью пищевого рациона, выполнением требований личной гигиены, профилактических мероприятий.

После завершения эксперимента будет проводиться клинико-физиологи-ческое обследование экипажа для оценки состояния здоровья испытателей и определения реабилитационных мероприятий.

Наземный экспериментальный комплекс ИМБП представлен на рис. 12.11.

12.10. Выводы

1. Важнейшим условием успешной пилотируемой экспедиции является создание системы медико-биологического обеспечения, адекватной особенностям (условиям и факторам) межпланетной экспедиции.

2. Межпланетная экспедиция потребует создания автономной системы жизнеобеспечения, бортового медицинского центра и самостоятельной системы обеспечения радиационной безопасности.

3. Большая продолжительность экспедиции, ее автономность, продолжительное воздействие невесомости и опасных для здоровья уровней радиации, сложные психологические проблемы, встреча с рядом новых факторов при межпланетных перелетах и во время пребывания на Марсе (гипомагнитная среда, гипогравитация, метеоритная опасность и др.) предъявляют жесткие требования к медико-биологическому обеспечению экспедиции.

4. Для марсианской экспедиции должна быть создана совершенная система отбора и подготовки космонавтов на основе новейших достижений биологии, медицины и информационных технологий.

5. Основные задачи по обеспечению здоровья экипажа марсианской экспедиции будут решаться с помощью медицинского центра, предназначенного для оценки состояния здоровья и работоспособности космонавтов, проведения профилактических мероприятий, а в случае возникновения заболеваний - для диагностики, лечения и реабилитации.

6. Особое внимание при разработке медико-биологического обеспечения экспедиции должно быть уделено созданию средств профилактики, способных предотвратить неблагоприятные эффекты экстремальных факторов. Необходима разработка негравитационных средств профилактики нового поколения и создание бортовой центрифуги короткого радиуса.

7. Важная роль в медицинском обеспечении экспедиции будет принадлежать телемедицинским технологиям, которые наряду с выполнением своих задач, будут связующим звеном между МЭК и наземной службой медицинского обеспечения.

8. В марсианской экспедиции возрастет роль психологических факторов (психологический отбор, психиатрическая экспертиза, психологические стрессы, поддержание навыков операторской работы, регулирование взаимоотношений в экипаже с учетом его интернационального состава и др.).

9. Системы жизнеобеспечения марсианской экспедиции должны отличаться высокой надежностью, экономичностью и большей замкнутостью по сравнению с существующими системами для орбитальных полетов и включать новые компоненты (мониторинг среды, систему переработки отходов и др.).

10. Важным новым компонентом СОЖ в марсианской экспедиции будет оранжерея, способная обеспечить более сбалансированное питание космонавтов в условиях длительного автономного полета.

11. Значительное внимание должно быть уделено обеспечению микробиологической безопасности участников экспедиции, а также технических и технологических систем пилотируемого межпланетного корабля.

12. Обязательным требованием при проведении марсианской экспедиции является осуществление требований планетарного карантина в соответствии с рекомендациями КОСПАР для предотвращения контаминации поверхности Марса земными микроорганизмами и переноса возможных марсианских живых объектов на Землю.

13. Радиационная обстановка при проведении марсианской экспедиции является более сложной, менее изученной и более рискованной, чем в орбитальных полетах, около Земли.

14. Для марсианской экспедиции потребуется создание системы автоматизированной оценки радиационной обстановки ее прогноза, мониторинг индивидуальных доз, разработка радиационного убежища и других средств радиационной защиты профилактики.

15. В основу медико-биологического обеспечения марсианской экспедиции могут быть положены проверенные в длительных космических полетах станции «Мир» и МКС системы при условии их усовершенствования, создания новых компонентов и испытания в наземных модельных экспериментах и в космических полетах.

12.11. Список использованной литературы
12.1. Ковалев Е.Е. Радиационный риск на Земле и в космосе. М., Атомиздат, 1976.
12.2. А.И. Григорьев, А.Д. Егоров. Длительные космические полеты. В кн.: Космическая биология и медицина. Том 3. Книга 2. Издательство «Наука», М. 1997.
12.3. И.Б. Гончаров, И.В. Ковачевич, А.Ф. Жернавков. Анализ заболеваемости в космическом полете. В кн.: Космическая биология и медицина. Т.4. М., 2001. с.145-164.
12.4. LB. Goncharov, I.V.Kovachevich, S.L. Pool et al. In-flight medical incidents in the Mir-NASA program. Aviation, Space and Environmental Medicine. 2005, Vol. 76, No 7, Section 1, p. 692-696.
12.5. M.P. Баррат. Система медицинской диагностики и лечения в полете. В кн. Космическая биология и медицина. Совместное российско-американское издание. Т. 4. с. 165-222. 2001.
12.6. A.I. Grigoriev, E.N. Svetailo, A.D Egorov. Manned interplanetary missions: prospective medical problems. Environmental Medicine. 1998. V. 42, № 2, с 83-94.
12.7. Стажадзе А.А., Гончаров И.Б., Неумывакин И.П. и соавт. Проблемы обезболивания, хирургической помощи и реанимации во время пилотируемых космических полетов. Космическая биология и авиакосмическая медицина. 1982. Т. 16 № 4, с.9-11.
12.8. M.R. Campbel. Surgical care in space. Texas Medicine. 1998. V.24, № 2, p.69-74.
12.9. McCuagic K.E. Aseptic technique in microgravity. Surg. Gynecol. Obstet. 1992. V. 175. № 5. P. 466-476. 12.10 B.B. Богомолов, А.Д.Егоров, И.Б.Гончаров и соавт. Некоторые клинические аспекты пилотируемого марсианского полета. Авиакосмическая и экологическая медицина. 2003. Т. 37, № 5, с.30-36.
12.11. О.Г.Газенко, А.И Григорьев, А.Д. Егоров От 108 минут до 438 суток и далее... Авиакосмическая и экологическая медицина. 2001, Т. 35, № 2, с.5-13.
12.12. А.И Григорьев, А.Д. Егоров, А.Н. Потапов. Некоторые медицинские проблемы пилотируемой марсианской экспедиции. Авиакосмическая и экологическая медицина, 2000. Т. 33, № 3, с. 6-12.
12.13. Григорьев А.И., Егоров А.Д Теория и практика медицинского контроля в длительных космических полетах. Авиакосмическая и экологическая медицина, 1997, Т. 30, № 1, с.14-2
12.14. Григорьев А.И., Егоров А.Д., Козловская И.Б., Шипов А.А. Вопросы диагностики и профилактики в марсианском полете. Авиакосмическая и экологическая медицина. 2002, Т. 37, № 2, с. 22-31.
12.15. И.Б. Козловская, В.И.Степанцов, А.Д. Егоров. Физические тренировки в длительных полетах. В кн.: Орбитальная станция «Мир». М„ 2001. Т. 1. с. 393-414.
12.16. А.Р.Котовская А.Р., Шипов А.А., Виль-Вильямс И.Ф. Медико-биологические аспекты проблем создания искусственной силы тяжести. Слово, М„ 1996.
12.17. A.I. Grigoriev, O.I. Orlov. Commentary: Telemedicine and Space Flight. Aviation. Space and Environmental Medicine. 2002. 73, p. 688-693.
12.18. А.И.Григорьев, О.И. Орлов, А.Н. Потапов. Концепция разработки системы телемедицинского обеспечения марсианской экспедиции. Авиакосмическая и экологическая медицина. 2005. Т.39, № 4, с.19-24.
12.19. N. Kanas. Psychiatric Issues Affecting Long Duration Space Missions. Aviat., Space and Environ. Med. - 1998. - Vol. 69. - N 12. - Pp. 1211-1216.
12.20. В.И.Мясников, СИ. Степанова, В.П.Сальницкий и соавт. Проблема психической астенизации в длительном космическом полете. М., «Слово», 2000. - 224 с.
12.21. Y.A. Clearwater, A.A. Harrison. Crew support for an initial Mars expedition. Journal of the British Interplanetary Society. -1990. - Vol. 43. - N 11. - Pp. 513-518.
12.22. D. Nyxon, J. Kaplicky. Spacecraft Accomodation Strategies for Manned Mars Missions. Intersociety Conference of Environmental System. Williamsburg, Virginia, July 9-12 1990. Technical Paper Series, p. 1-6.
12.23. H. Ursin, B. Comet., C. Soulez-Lariviere. An attempt to determine ideal psychological profiles for crews of long term space missions. Adv. Space Res.-1992. - Vol. 12. - N 1. - Pp. 301-314.
12.24. Human Factors in Long-Duration Spaceflight. Space Science Board National Academy of Sciences, National Research Council, National Academy of Sciences, Washington DC. 1972.
12.25. H.E. Filbert, D.J Kleier. Astronaut interdisciplinary and medical/dental training for manned Mars missions. The case for Mars HI: Strategies for exploration.Technical: Proc. of the 3rd Case for Mars Conf., July 18-22, 1987, University of Colorado, Boulder, Colorado. San Diego, CA. 1989. Vol.75 (Sci. and Technol. Ser.), p.161-170.
12.26. А.А.Леонов, В.И Лебедев. Психологические проблемы межпланетного полета. Москва, Наука, 1975. 248 с.
12.27. О.П. Козеренко, А.Д Следь, Ю.А. Мирзаджанов. Психологическая поддержка экипажей. Орбитальная станция «Мир». Т. 1, М., 2001. - С. 365-378.
12.28. Б.С Алякринский. Биологические ритмы и организация жизни человека в космосе. Серия «Проблемы космической биологии», Т. 46, М., Наука, 1983. 247 с.
12.29. С.И. Степанова. Актуальные проблемы космической биоритмологии. В кн. Проблемы космической биологии. Т. 23. М., «Наука», 1977. 311 с.
12.30. А.М.Алпатов, Ю.А Евстратов, В.Б. Чернышев. Циркадианный период: новый гравитационно зависимый биологический параметр? Результаты исследования на биоспутниках. М., 1992. - С. 365-368.
12.31. Ch.A. Fuller. The effects of gravity on the circadian timing system. Journal of gravitation physiology, 1994. Vol. 1. № 1. с P-l -P-4.
12.32. В.П. Сальницкий, В.И. Мясников, А.С.Бобров и др.,1999. Интегральная оценка и прогноз профессиональной надежности космонавтов в полете. Авиакосмическая и экологическая медицина. 1999. Т. 33. № 5. С.16.-22.
12.33. US plans for Moon and Mars. Flight Int. 1989. Vol. 136. № 4178, p. 28-29.
12.34. L. David. Mars Mission Technology Tested in Antarctic Tundra. Space News. 1992. Vol. 3. -№ 41, p. 23.
12.35. С.И. Степанова, В.И. Мясников, О.П. Козеренко и соавт. Полет на Марс: прогностический анализ сопутствующих психологических проблем. Авиакосмическая и экологическая медицина. 2003. Т. 37. № 5. с. 46-50.
12.36. Предварительный проект пилотируемой экспедиции на Марс. Проект МНТЦ № 1172, 1999 г.
12.37. J.D.Rummel. Long-Term Life Support for Space Exploration. 20-th Intersociety Conference on Environmental Systems, Williamsburg, Virginia, July, 9-12, 1990. SAE Techn. Pap. Ser. 901277. p. 67-73.
12.38. D. Polsky. Regenerable life support systems for Moon, Mars. Space News. 1992- Vol. 2, № 7. p. 6.
12.39. О.Г.Газенко, А.И.Григорьев, Г.И.Мелешко, Е.Я.Шепелев. Обитаемость и биологические системы жизнеобеспечения. Космическая биология и авиакосмическая медицина.1990. Т. № 3. с.12-17.
12.40. J.I.Gitelson, V.Blum, A.I.Grigoriev et al. Biological-physical- chemical aspects of a human life support system for a lunar base. 45th Congress of the International Astronautical Federation October 9-14/Jerusalem, Israel, IAF-IAA-94-G.4.153.
12.41. Г.И.Мелешко, Е.Я.Шепелев. Биологические системы жизнеобеспечения. Космическая биология и медицина: Руководство по физиологии. М.:1987. с.123-146.
12.42. В.Н.Сычев, М.А.Левинских, Е.Я.Шепелев, И.Г.Подольский. Биологические процессы регенерации среды обитания в системе жизнеобеспечения экипажа марсианской экспедиции. Космическая биология и авиакосмическая медицина. 2003. № 5. с. 64-70.
12.43. ГОСТ Р 50804-95 «Среда обитания космонавта в пилотируемом космическом аппарате». Изд-во «Стандарты», 1995.
12.44. В.Н. Сычев. Исследование влияния невесмости на биологические объекты - звенья замкнутых экологических систем жизнеобеспечения и создание технологий их культивирования. Автореф. докт. дисс. М.. 2000. 50 с.
12.45. Ю.А. Беркович, Н.М Кривобок, СО. Смолянина, А.Н. Ерохин «Космические оранжереи: настоящее и будущее». М., «Слово», 2005.
12.46. N.M.Samsonov, L.S.Bobe A.I. Grigoriev et. al. The results of operation of Mir's life support systems. 51st International Astronautical Congress. 2-6-Oct 2000. Rio de Janeiro, Brazil, IAF/IAA-00-G.4.03.
12.47. Н.М.Назаров. Иммобилизованные биокатализаторы в биотехнологических процессах. Авиакосмическая и экологическая медицина. 2001. Т.35. № 5. С.3-10.
12.48. Ю.Е.Синяк, В.Б.Гайдадымов, Б.Г.Покровский. Получение и использование бездейтериевой воды в условиях длительных космических экспедиций. Авиакосмическая и экологическая медицина, Т 33, № 1, с. 56-59,1999.
12.49. Ю.Е. Синяк, М.А.Левинских, В.Б.Гайдадымов и др. Влияние воды с пониженным содержанием дейтерия на культивирование высших растений: Arabidopsis thaliana и Brassica rapa. Организм и окружающая среда: жизнеобеспечение и защита человека в экстремальных условиях. Мат. Российской конференции. М., 26-29 сентября 2000 г., Том 2, с. 90-92.
12.50. Ю.Е. Синяк, B.C. Турусов, А..И. Григорьев и др. Возможность использования бездейтериевй воды в марсианской экспедиции. Авиакосмическая и экологическая медицина. 2003. Т.37, № 6, с.60 - 63.
12.51. В.СТурусов, Ю.Е.Синяк, Е.Е.Антошина. Тормозящее действие воды с пониженным содержанием дейтерия на рост перевиваемых опухолей. Российский терапевтический журнал. 2003. Т. 1, № 1, с. 44.
12.52. Ю.Е.Синяк, Д.В.Раков, Б.С.Федоренко. Радиопротекторные свойства воды с измененным изотопным составом. Материалы научно-практической конференции Парад1гми cynacHoi радюбюлогн», Киев - Чернобыль, 27 вересня-12 жовтня 2004 р., с. 97.
12.53. W.Bild, V Nastasa, I.Haulica. Research concerning the radioprotective and immunostimulating effects of deuterium-depleted water. Rom. J. Physiol. 1999. V.36, 3-4. p. 205-218.
12.54. Ю.И.Гришин. Роль витаминной оранжереи в стабилизации трофической функции экипажа марсианской экспедиции. // Авиакосмическая и экологическая медицина. - 1993. - т. 27 № 3, с.10-15.
12.55. J.I.Gitelson. Biological life-support systems for Mars mission. Adv. Space Res. 1992. Vol. 12. No. 5. pp. 167-92.
12.56. M.Kliss, A.G.Heyenga, A.Hoehn, L.S.Stodieck. Recent advances in technologies required for a «salad machine». Adv. Space Res. 2000.Vol. 26. No. 2. pp. 263-269.
12.57. А.А.Покровский, М.А.Самсонов (ред.). Справочник по диетологии. 1981. М. 312 с.5.
12.58. Е.Я.Шепелев. Биологические системы жизнеобеспечения. В кн.: «Основы космической биологии и медицины», - 1975, т. III. Совместное советско-американское издание, М., Наука, - с. 277-307.
12.59. И.И.Гительзон, Б.Г.Ковров, Г.М.Лисовский и др. Экспериментальные экологические системы, включающие человека. / В кн. «Проблемы космической биологии». -1975, М., Наука, - т. 28, -с. 312.
12.60. V.N. Sychev E.Ya.Shepelev, G.I. Meleshko et al. Main characteristics of biological components of developing life support system observed during the experiments aboard orbital complex MIR. // Adv. Space Res. 2001. Vol. 27, N 9, pp. 1529-1534.
12.61. М.А.Левинских. Онтогенез, репродукция и метаболизм высших растений в условиях космического полета. Автореф. докторской диссертации. М., 2002.
12.62. М.А.Левинских, В.Н.Сычев, Т.А.Дерендяева и др. Характеристика роста, развития и генетического статуса растений гороха при выращивании в космической оранжерее «Лада». Авиакосмическая и экологическая медицина. 2005. т. 39. № 6. с. 38-43.
12.63. М.А.Левинских, В.Н.Сычев, О.Б.Сигналова и соавт. Рост и развитие растений в ряду поколений в условиях космического полета в эксперименте «ОРАНЖЕРЕЯ-3». // Авиакосмическая и экологическая медицина. 2001, т. 35, № 3, 43-48.
12.64. М.А.Левинских, В.Н.Сычев, Т.А.Дерендяева и соавт.. Рост и развитие растений в ряду поколений
в условиях космического полета в эксперименте «ОРАНЖЕРЕЯ-5». // Авиакосмическая и экологическая медицина. 2001, т. 35, № 4, 45-50.
12.65. М.А.Левинских. Сравнение эффективности различных методов получения витаминной зелени в условиях космической станции. // Авиакосмическая и экологическая медицина. - 2002. - т. 36. - № 2. — с. 43-45.
12.66. T.N.Ivanova, P.T.Kostov, S.M.Sapunova, I.W.Dandalov. Sensors and methods for measurement in «Svet» space greenhouse. Comptes rendus de FAcademie des Sciences. Bulgarie. 1992, - Tome 45, - № 11.
12.67. Ю.Е.Синяк, В.Б.Гайдадымов, В.М.Скуратов и др. Водообеспечение экипажей. В кн. «Основы космической биологии и медицины», - 1994, т. Совместное российско- американское издание. Т.П. 1994. М„ Наука, с.337-374.
12.68. Л.Д.Пайрсон, М.Р.Мак Джиннис, А.Н.Викторов. Микробиологическая обсемененность. Космическая биология и медицина. Совместное российско-американское издание.1994 М.: Наука, 1994. Т. 2. с.129-152.
12.69. N.D.Novikova Microbiological risks in extended space mission. 11th International Conference «Space Activity and Relevant Insurance Applications». Rome-March 15-16, 2001. Printed in Italy by Editoriale Ergon s.r.l. 2002. P. 245-253.
12.70. С.Н.Залогуев, А.Н.Викторов, В.П.Горшков и др. К проблеме профилактики стафилококковой инфекции у людей в условиях космического полета. Космическая биология и авиакосмическая медицина.1981. № 5. с.27-29.
12.71. А.Н.Викторов, Н.Д.Новикова, Е.А.Дешевая и др. Результаты микробиологических исследований. Орбитальная станция «Мир». М. 2001. Т.1. с. 121 - 151.
12.72. N.D.Novikova Review of the Knowledge of Microbial Contamination of the Russian Manned Spacecraft // Microbial Ecology. 2004. V. 47. No. 2. P. 127-132.
12.73. Natalia Novikova, Patrick De Boever, Svetlana Poddubko, et al. Survey of the environmental biocontamination aboard the International Space Station. Research in Microbiology. 2006. 157. P.5-12.
12.74. В.В.Попов, Н.М.Назаров. Изоляция и удаление отходов. Космическая биология и медицина. Совместное российско-американское издание. Т.2. Гл.13, с. 374-389.
12.75. V.K.Ilyin., S.VKostrov, K.S.Lauriniavichius et al. Biodegradation of Disposed Means of Personal Hygiene. Abstracts of the ICES Congress, Rome, Italy, July 2005. 2005-01-3024.
12.76. V.K.Ilyin, I.A.Smirnov, P.E.Soldatov et al. Microbial utilization of natural organic wastes, for potential application for space technique. Abstracts of 52nd IAC Congress. Toulouse, France, 2001. IAF/IAA-01-G.4.01.
12.77. V.K.Ilyin, I.N.Kornuchenkova, L.V.Starkova, .S.Lauriniavichius. Study of methanogenesis during bioutilization of plant residuals. Acta Astronautica. 2005, v. 56, p. 465-470.
12.78. W.N.Hess. The Radiation Belt and Magnetosphere. Blaisdell Publ. Co.,Waltham, Mass., 1968.
12.79. Л.И. Дорман, Л.И. Мирошниченко. Солнечные космические лучи. М., Наука, 1968.
12.80. Л.И. Мирошниченко, В.М. Петров. Динамика радиационных условий в космосе. М., Энергоатомиздат, 1985.
12.81. V.E. Dudkin, Yu.V Potapov. Doses from Galactic Cosmic Ray Particles under spacecraft shielding. Nucl. Tracks Radiat. Meas. V.20, No. 1, pp 33-39 (1992).
12.82. С.В. Авакян, А.И. Вдовин, В.Ф. Пустарнаков. Ионизирующие и проникающие излучения в околоземном космическом пространстве. Справочник. Санкт-Петербург. Гидрометеоиздат. 1994, 501 с
12.83. Л.И. Дорман. Экспериментальные и теоретические основы астрофизики космических лучей. М., Наука. 1975. 462 с.
12.84. Ограничение облучения космонавтов при околоземных космических полетах, (ООКОКП-2004). Методические указания МУ 2.6.1. 44-03-2004, Минздрав, М., 2004.
12.85. Radiation Protection, ICRP publication № 60, Pergamon Press, Oxford, New York, Frankfurt, adopted in November 1990.
12.86. Большой энциклопедический словарь русского языка, Изд. БСЭ, М., 1976.
12.87. В.А.Сакович, В.Ф.Семенов. Радиационная безопасность при пилотируемом полете на Марс. Концепция. Атомная энергия. Т.99, Вып.4, Октябрь 2005, с. 301-310.
12.88. Recommendations of the ICRP. Publication 26. Annals of the ICRP No. 3. Pergamon, New- York, 1977.
12.89. R.J. Vaernes., V.M. Baranov., Y.P.Demin, V.A. Stepanov. Main Report on HUBES/ NUTEC Report 10-95.- ISBN 82-7280-385-2. 1995.
12.90. R.J. Vaernes. NUTEC Report 16-03(ISBN 82-7280). Bergen, Norway. 5/01.1993.
12.91. Модельный эксперимент с длительной изоляцией: проблемы и достижения. В.М.Баранов (ред.) М., «Слово». 2001.
12.92. A.I.Grigoriev, V.M.Baranov, I.V.Kovachevich, M.V.Baranov. Biomedical aspects of simulated missions to Mars. 3rd European Congress Achievements in space medicine into health practice and industry, Berlin, Sept. 28-30, 2005, p. 283-285. Copris & M. Ltd, Moscow, Russia.

ВХОД		ВЫХОД
Наименование вещества	Количество вещества, г/сутки	Количество вещества, г/сутки	Наименование вещества
O₂	755 ± 90	900 ± 90	CO₂
Вода	2400±240	1280±210	Моча
Вода	2400±240	1340±190	Вода через дыхние и потоотделение
Углеводы	314±23	160±10	Фекалии
Жиры	87 ±12
Белки	131 ±16
NaCI	10
Другие минеральные соли	5
Общий вес	3701 ±450	3680 ±510	Общий вес

Вещество	Длительность экспедиции на Марс
Вещество	1 год	2 года
Кислород, кг	73	146
Вода, кг	197	394
Основные элементы питания, кг	15	30

Стадия полета к Марсу	Источники радиационной опасности	Особенности воздействия
1. Раскрутка в магнитосфере Земли на корабле малой тяги	Радиационные пояса Земли	Необходимость нахождения в каютах в период пересечения максимума внутреннего протонного пояса.
	Галактические космические лучи	Ослабление вклада в дозу от ГКЛ за счет экранировки телом планеты Земля
	Солнечные космические лучи	Ослабление вклада в дозу от СКЛ за счет экранировки магнитосферой Земли
2. Межпланетный перелет	Галактические космические лучи	-
2. Межпланетный перелет	Солнечные космические лучи	Ослабление дозы СКЛ при удалении от Солнца. Необходимость «автономного» прогнозирования СПС для заблаговременного перехода в каюту.
3. Полет на околомарсианской орбите	Галактические космические лучи	Ослабление вклада в дозу от ГКЛ за счет экранировки телом планеты Марс
3. Полет на околомарсианской орбите	Солнечные космические лучи	-
4. Нахождение на поверхности планеты Марс	Галактические космические лучи Солнечные космические лучи	Учет ослабления в атмосфере Марса Учет наведенной активности марсианского грунта

Клиническая реакция	Уровень риска
Клиническая реакция	10%	50%	90%
Потеря аппетита	40	100	240
Тошнота	50	170	320
Рвота	60	220	380
Понос	90	240	390

Защита корабля из алюминия, г·см²	Минимум солнечной активности	Максимум солнечной активности
20	38	19
50	27	13
100	15	7,5

Множество	Определенные на нем функции или функционалы.
R - совокупность всех неблагоприятных последствий облучения	-
R₀- совокупность неблагоприятных последствий, учитываемых при анализе	g_i, - «взвешивающий» фактор Р_i- вероятность наступления i-го неблагоприятного последствия Y_i - воздействующий физический агент (причина) В_i(Y_i) - функция преобразования величины Y_i, в вероятность наступления соответствующего неблагоприятного последствия
V={V_j} - множество возможных радиационных условий на траектории полета	p_j- вероятность реализации соответствующего радиационного условия
X={x_j} - множество вариантов защищенности	L(х_j) - потери для выполнения программы полета при выборе данного варианта защищенности
VxX	Y_i=K_i (v_jx_j) - К - оператор, описывающий прохождение излучения через вещество


Рис. 12.9 Сферический фантом в каюте на борту МКС	Рис. 12.10 Установка контейнера с антропоморфным фантомом на внешней поверхности МКС