航天器空間輻射效應分析技術現狀與思考

2024年3月6日發(作者：靦腆什么意思)

第 39 卷第

4 期2022 年 8 月航 天 器 環 境 工 程SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERINGE-mail: ***************Vol. 39, No. 4427Tel: , 68116408, 68116544航天器空間輻射效應分析技術現狀與思考王會斌，呼延奇，鄭 悅，王 華12*31（1. 中國空間技術研究院； 2. 北京空間飛行器總體設計部； 3. 北京衛星環境工程研究所：北京 100094）摘要：文章梳理了面向航天器總體設計的空間輻射效應分析技術現狀，重點歸納了航天器空間輻射效應分析中需關注的總劑量效應、位移損傷效應、單粒子效應分析的要素、分析方法及軟件工具，并結合近年來國際上空間輻射環境模型的最新進展，就輻射環境動態變化認知、在軌輻射風險表征、陌生軌道區域輻射環境影響分析等方面提出國內空間輻射效應分析技術的不足及后續發展建議。關鍵詞：空間輻射環境；輻射環境模型；總劑量效應；位移損傷效應；單粒子效應 中圖分類號：V520.6文獻標志碼：A文章編號：1673-1379(2022)04-0427-09DOI: 10.12126/e.2022.04.015The prent situation of technologies for analysis of space radiationeffects to spacecraft and some retrospectionWANG Huibin1, HU Yanqi2*, ZHENG Yue3, WANG Hua1(1. China Academy of Space Technology; 2. Beijing Institute of Spacecraft System Engineering;3. Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering: Beijing 100094, China)Abstract: The space radiation effect analysis technology in the spacecraft design is reviewed and the mainelements of the space radiation effect analysis technology are shown to include the methods and the softwaretools, the total ionizing do effect, the displacement damage effect, and the single event effect. According to thelatest progress in the space radiation environmental model, further development directions of space environmenteffect analysis technology are propod such as the recognition of dynamic variations of radiation environment,the on-orbit radiation risk characterization, and the analysis of the radiation impact in unfamiliar ds: space radiation environment; radiation environmental model; total do effect; displacementdamage effect; single event effect收稿日期：2022-04-07；修回日期：2022-08-02 引用格式：王會斌,

呼延奇,

鄭悅,

等.

航天器空間輻射效應分析技術現狀與思考[J].

航天器環境工程, 2022, 39(4): 427-435WANG H B, HU Y Q, ZHENG Y, et al. The prent situation of technologies for analysis of space radiation effects to spacecraft andsome retrospection[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2022, 39(4): 427-435Copyright?博看網. All Rights Rerved.

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航 天 器 環 境 工 程第 39 卷0 引言航天器軌道空間輻射環境不僅具有復雜的空射環境中。空間帶電粒子能譜是連續譜，低能帶電粒子與航天器表面材料相互作用并被表面收集，會改變航天器表面及其鄰域內電場，產生表面充放電效應，同時也會與材料相互作用導致材料性能退化；高能帶電粒子能穿透航天器結構屏蔽，通過電離相互作用、非電離相互作用、核相互作用等不同的能量傳遞物理過程，將粒子自身的能量及電荷傳遞給航天器上的元器件、材料等對象，造成電離總劑量效應、位移效應或單粒子效應。圖1給出內磁層不同L值（L為磁殼參數，是地球空間某點的磁力線與赤道面交點處的地心距離與地球半徑RE之比）高度上的典型能量的等離子體及高能帶電粒子的數密度，整體而言，空間中低能等離子體的密度遠大于高能粒子的密度。間分布，而且隨時間不斷變化，包括空間分布位置的改變和粒子通量強弱程度的劇烈變化，這些變化與太陽爆發性活動及其引發的近地空間環境擾動事件有關。在強烈的太陽爆發活動期間，能量超過1 MeV/u的重離子和大于100 keV的電子的通量可能出現幾個數量級的增加，且持續時間可達幾小時到數天。在地磁暴發生后的數天內，地球輻射帶外帶電子通量的變化可能在5個數量級以上。另外，在強地磁暴發生時，地球磁層頂受到高速太陽風的擠壓甚至會被壓縮到地球同步軌道高度，導致地球同步軌道上的航天器發生磁層頂穿越事件，磁場方向可能發生偏轉。航天器探測數據也顯示，在太陽爆發性活動及其引發的地磁擾動事件期間，地球輻射帶環境存在顯著的動態變化，可能產生新的[1][3] 8等離子體片5赤道面上的L值/RE外輻射帶環電流31 MeV e-1 eV等離子體質子帶和電子帶。航天器空間輻射效應是各種空間輻射環境要素與航天器上應用的材料、電子器件、設備乃至整星等對象相互作用的結果。對于不同的航天器，其面臨的空間輻射效應狀況不僅與實時環境、航天器軌道位置有關，還與具體元器件類型及電路特性密切相關。因此，航天器空間輻射效應分析需要針對特定的航天器任務及其設計狀態開展具體分析。從航天器工程研制設計的角度，我們所需關注的是對航天器產生不可忽略的不利影響的空間輻射環境及效應。航天器空間輻射效應分析工作的目標是根據當前對空間輻射環境基本科學規律的認識，以及各空間輻射環境要素對航天器上的元器件或材料相互作用機理的認識，采用各種空間輻射環境模型及輻射效應分析軟件對相關影響進行量化表征。本文歸納當前航天器總體設計中開展的空間輻射效應分析工作的要素、分析方法及相應的模型工具，并結合國際上空間輻射效應模型的最新進展，對國內航天器空間輻射效應分析技術的后續發展提出建議。等離子體層頂10 keV p+1 keV e-槽區2內輻射帶30 MeV p+110-810-610-410-21數密度/cm-3[3]等離子體層大氣層106108電離層100104 圖 1 地球空間等離子體和高能帶電粒子的數密度分布Fig. 1 Distributions of number density of plasma and high[3]energy charged particles in GEO space1.1 航天器軌道輻射環境分析航天器軌道上的高能粒子的來源包括地球輻射帶、銀河宇宙線和太陽粒子事件，其中地球輻射帶和銀河宇宙線是時刻存在的輻射環境，而太陽粒子事件只出現在太陽爆發活動期間，是一種突發性的粒子輻射擾動事件，其強度與太陽爆發活動強度有關。航天器軌道上的等離子體環境也存在顯著的空間分布和時間變化特征。對軌道空間輻射環境的量化分析依賴于各種空間輻射環境模型，包括地球輻射帶模型、太陽粒子事件模型、銀河宇宙線模型及等離子體環境模型等[4-7][2]。由于外來帶電粒子在地球空間中運動時，會1 總體設計中的輻射環境分析與建模方法所有的航天器，只要其軌道高度在白天超過受到地球磁場的偏轉作用，即地磁屏蔽效應，故需要采用合理的地磁場屏蔽模型來分析太陽高能粒子達到地球空間某軌道的可能性。60 km或夜間超過80 km，都將暴露在空間粒子輻Copyright?博看網. All Rights Rerved.

第 4 期

王會斌等：航天器空間輻射效應分析技術現狀與思考429航天器在軌面臨的主要輻射源——地球輻射帶存在復雜的動態變化，表現為時間、空間分布及粒子特性等的顯著不均勻性。圖2為不同高度軌道在地球輻射帶中的相對位置示意，可以看出，不同軌道上捕獲粒子的通量及成分存在顯著的差異。地球磁尾熱等離子體（能量大于100 eV的等離子體）注入現象是指磁層亞暴期間磁尾不同能量段的等離子體通量的突然增加。粒子注入被認為是磁層亞暴的基本特征之一，幾乎所有的磁層亞暴都伴隨著等離子體注入過程。磁層亞暴注入的熱等離子體在地磁場的復雜作用下，經過漂移運動后可到達距地球10RE以內甚至地球MEO/GEO高度區域，對于MEO、GEO、大橢圓軌道和近地極軌航天 AP8MAX model(Ep＞10 MeV)AE8MAX model(Ee＞1 MeV)GEO軌道76543211000 km2000 km5000 km10000 km1112位置/RE器有重要影響，是引發航天器表面充放電效應的主要因素。圖4所示為磁層亞暴熱等離子體注入過程。 導航MEO軌道圖 2 不同高度軌道在地球輻射帶中的相對位置Fig. 2 Relative position of orbits at different altitudes in theEarth’s radiation belt低能等離子體對于同一次太陽質子事件，不同的航天器軌道由于其所受到的地磁場屏蔽作用程度不同，其遭遇的太陽質子通量和能譜可能存在顯著差異。圖3給出了1989年10月特大太陽質子事件期間，在行星際空間以及GEO、MEO、SSO、LEO等典型航天器軌道上的太陽質子能譜。從中可以看出：行星際空間處于地球磁層之外，沒有地球磁場的屏蔽作用，太陽質子可以不經任何衰減地到達，因此遭遇的太陽質子通量最高；對于高度較高的GEO、MEO，地正午高能正離子 黃昏GEO衛星圖 4 磁層亞暴熱等離子體注入過程示意Fig. 4 Schematic diagram of hot plasma injection duringmagnetospheric substorm1.2 航天器質量屏蔽建模與分析目前針對空間帶電粒子的輻射防護主要采用磁場強度比較微弱，可以提供的有效屏蔽很弱，因此太陽質子尤其是高能太陽質子較易到達此類軌道；對于高度較低、但傾角較高的SSO，由于在兩極區地球磁力線是開放的，太陽質子容易沿著磁力線到達高度較低的位置，故此類軌道遭遇的太陽質子通量也較高；對于低高度、低傾角的LEO，由于地磁場可以提供很好的屏蔽作用，大部分太陽質子被地磁場偏轉向兩極，故此類軌道受太陽質子事件的影響很小，甚至不受影響。質量屏蔽的方法，其原理是，當屏蔽物質的厚度大于帶電粒子在該物質中的射程時，入射粒子將被阻止在屏蔽物質中；一定厚度的物質能夠屏蔽一定能量范圍（取決于粒子的種類）的空間粒子，并使貫穿粒子的能量有所衰減。圖5給出了航天器典型部位的質量屏蔽狀態，其中：表面涂層的屏蔽厚度僅為幾百μm(Al)；航天器艙壁提供的屏蔽厚度為1～2 mm(Al)；設備內部元器件周圍的屏蔽狀態相當于3～20 mm(Al)。圖中同時給出了不同能量的質子和電子在鋁材料中 太陽質子微分通量/(cm-2·MeV-1)1行星際空間GEO的射程曲線。在工程實際應用中，為了盡量減少總體與單機研制方的信息交互，提高工程分析的效率，往往采100質子能量/MeV1000102110-2MEO (20 000 km×20 000 km×55°)

SSO (700 km×700 km×97°)LEO (400 km×400 km×42°)10 用簡化的質量屏蔽模型，最常用的屏蔽模型為實心球或平板模型，即把航天器等效為一定厚度的球殼或平板，見圖6。圖 3 行星際空間及典型航天器軌道的太陽質子能譜Fig. 3 Solar proton spectra in interplanetary space and typicalspacecraft orbitsCopyright?博看網. All Rights Rerved.

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1000100電子和質子在鋁中射程電子質子航 天 器 環 境 工 程第 39 卷產生的次級粒子穿透艙板，最終形成艙內的輻射環境，該過程本質上為帶電粒子與材料的相互作用設備內部器件及印制板太陽電池蓋片玻璃表面涂層熱控多層膜在鋁中的穿透深度/mm1010.10.010.0010.010.1過程。精確的空間輻射輸運模型對于航天器空間輻射效應分析至關重要。艙外空間輻射環境中包含大量的低能粒子，它們不能穿透航天器自身的屏蔽進入航天器內部；高能帶電粒子在航天器艙板材料內輸運時，其能量會隨路徑的延伸而逐漸降低；重離子會發生核反應裂變為原子序數更小的輕核，同時會產生各種次級粒子輻射（如中子、二次電子、γ射線等）。上述過程均會造成航天器艙內與艙外輻射環境的顯著差異，而這種差異還受艙外輻射環境特性及航天器屏蔽材料特性的影響。下面介紹目前空間輻射輸運分析中常用的幾種方法。 110電子能量/MeV1001000 圖 5 航天器典型部位的質量屏蔽狀態Fig. 5 Mass shielding states for different parts on thespacecraft艙壁空間帶電粒子飛行器艙內X空間帶電粒子空間帶電粒子艙壁Y艙壁1.3.1 蒙特卡羅模擬方法近40年來，蒙特卡羅方法被廣泛應用于模擬 (a) 實心球模型(b) 平板模型圖 6 實心球和平板屏蔽模型Fig. 6 Spherical and planar shielding model帶電粒子在材料中的輸運問題。該方法直接追蹤粒子，采用隨機抽樣的方法，較真切地模擬粒子輸運的過程，反應統計漲落的規律。蒙特卡羅方法的主要缺點是收斂速度較慢，因而其計算過程比較耗時。在以往蒙特卡羅模擬的實際工程應用中，常采用一維簡化的屏蔽模型來處理空間輻射輸運問題；近年來，隨著計算機硬件的飛速發展，基于實際三維構型的蒙特卡羅模擬程序已經被廣泛應用于航天器工程設計中。表1歸納了常用的空間輻射輸運蒙特卡羅模擬程序特點。上述質量屏蔽模型不能體現航天器實際復雜結構和布局所導致的質量屏蔽各向異性。故必要時應在航天器總體布局大致確定以后，建立航天器質量屏蔽的三維分析模型，面向整星主結構、太陽電池陣、儲箱、艙內設備等組件，對不同設備周圍的質量屏蔽狀態通過射線追蹤法進行細致分析。1.3 粒子輻射輸運分析航天器艙外空間帶電粒子輻射進入艙板材料時與材料發生復雜的相互作用，部分初級粒子及其 表 1 空間輻射輸運模擬中常用的蒙特卡羅模擬程序Table 1 Monte Carlo simulation procedure commonly ud in space radiation transport simulation蒙特卡羅程序Geant4FLUKAITS TIGERITS CYLTRANITS ACCEPTNOVICEMCNPTRIMMulassisGRAS可處理的粒子種類電子、質子、光子、中子、重離子電子、光子、質子、重離子電子、光子電子、質子、光子、重離子中子、光子、電子質子、重離子電子、質子、光子、中子、重離子電子、質子、光子、中子、重離子可處理的屏蔽模型三維三維一維多層圓柱三維三維三維一維平板一維平板、實心球三維1.3.2 基于玻耳茲曼方程的連續輸運分析方法與蒙特卡羅方法基于粒子相互作用隨機過程的微觀過程，而是從宏觀上考慮材料對粒子通量的整體衰減作用，其基礎是利用守恒律推導出的玻耳茲曼輸運方程。基于粒子貫穿小體積元中因核碰撞不同，確定性方法不考慮單個粒子與材料相互作用Copyright?博看網. All Rights Rerved.

第 4 期

王會斌等：航天器空間輻射效應分析技術現狀與思考431引起粒子增加或損失所產生的粒子通量變化的守恒關系，在粒子前向直線輸運近似下，可得到簡化的玻耳茲曼輸運方程，即[]1?Ω·??Sj(E)+σj(E)?j(x,Ω,E)=Aj?E∑