航天器空间辐射效应分析技术现状与思考

2024年3月6日发(作者：腼腆什么意思)

第 39 卷第

4 期2022 年 8 月航 天 器 环 境 工 程SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERINGE-mail: ***************Vol. 39, No. 4427Tel: , 68116408, 68116544航天器空间辐射效应分析技术现状与思考王会斌，呼延奇，郑 悦，王 华12*31（1. 中国空间技术研究院； 2. 北京空间飞行器总体设计部； 3. 北京卫星环境工程研究所：北京 100094）摘要：文章梳理了面向航天器总体设计的空间辐射效应分析技术现状，重点归纳了航天器空间辐射效应分析中需关注的总剂量效应、位移损伤效应、单粒子效应分析的要素、分析方法及软件工具，并结合近年来国际上空间辐射环境模型的最新进展，就辐射环境动态变化认知、在轨辐射风险表征、陌生轨道区域辐射环境影响分析等方面提出国内空间辐射效应分析技术的不足及后续发展建议。关键词：空间辐射环境；辐射环境模型；总剂量效应；位移损伤效应；单粒子效应 中图分类号：V520.6文献标志码：A文章编号：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：王会斌,

呼延奇,

郑悦,

等.

航天器空间辐射效应分析技术现状与思考[J].

航天器环境工程, 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©博看网. All Rights Rerved.

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航 天 器 环 境 工 程第 39 卷0 引言航天器轨道空间辐射环境不仅具有复杂的空射环境中。空间带电粒子能谱是连续谱，低能带电粒子与航天器表面材料相互作用并被表面收集，会改变航天器表面及其邻域内电场，产生表面充放电效应，同时也会与材料相互作用导致材料性能退化；高能带电粒子能穿透航天器结构屏蔽，通过电离相互作用、非电离相互作用、核相互作用等不同的能量传递物理过程，将粒子自身的能量及电荷传递给航天器上的元器件、材料等对象，造成电离总剂量效应、位移效应或单粒子效应。图1给出内磁层不同L值（L为磁壳参数，是地球空间某点的磁力线与赤道面交点处的地心距离与地球半径RE之比）高度上的典型能量的等离子体及高能带电粒子的数密度，整体而言，空间中低能等离子体的密度远大于高能粒子的密度。间分布，而且随时间不断变化，包括空间分布位置的改变和粒子通量强弱程度的剧烈变化，这些变化与太阳爆发性活动及其引发的近地空间环境扰动事件有关。在强烈的太阳爆发活动期间，能量超过1 MeV/u的重离子和大于100 keV的电子的通量可能出现几个数量级的增加，且持续时间可达几小时到数天。在地磁暴发生后的数天内，地球辐射带外带电子通量的变化可能在5个数量级以上。另外，在强地磁暴发生时，地球磁层顶受到高速太阳风的挤压甚至会被压缩到地球同步轨道高度，导致地球同步轨道上的航天器发生磁层顶穿越事件，磁场方向可能发生偏转。航天器探测数据也显示，在太阳爆发性活动及其引发的地磁扰动事件期间，地球辐射带环境存在显著的动态变化，可能产生新的[1][3] 8等离子体片5赤道面上的L值/RE外辐射带环电流31 MeV e-1 eV等离子体质子带和电子带。航天器空间辐射效应是各种空间辐射环境要素与航天器上应用的材料、电子器件、设备乃至整星等对象相互作用的结果。对于不同的航天器，其面临的空间辐射效应状况不仅与实时环境、航天器轨道位置有关，还与具体元器件类型及电路特性密切相关。因此，航天器空间辐射效应分析需要针对特定的航天器任务及其设计状态开展具体分析。从航天器工程研制设计的角度，我们所需关注的是对航天器产生不可忽略的不利影响的空间辐射环境及效应。航天器空间辐射效应分析工作的目标是根据当前对空间辐射环境基本科学规律的认识，以及各空间辐射环境要素对航天器上的元器件或材料相互作用机理的认识，采用各种空间辐射环境模型及辐射效应分析软件对相关影响进行量化表征。本文归纳当前航天器总体设计中开展的空间辐射效应分析工作的要素、分析方法及相应的模型工具，并结合国际上空间辐射效应模型的最新进展，对国内航天器空间辐射效应分析技术的后续发展提出建议。等离子体层顶10 keV p+1 keV e-槽区2内辐射带30 MeV p+110-810-610-410-21数密度/cm-3[3]等离子体层大气层106108电离层100104 图 1 地球空间等离子体和高能带电粒子的数密度分布Fig. 1 Distributions of number density of plasma and high[3]energy charged particles in GEO space1.1 航天器轨道辐射环境分析航天器轨道上的高能粒子的来源包括地球辐射带、银河宇宙线和太阳粒子事件，其中地球辐射带和银河宇宙线是时刻存在的辐射环境，而太阳粒子事件只出现在太阳爆发活动期间，是一种突发性的粒子辐射扰动事件，其强度与太阳爆发活动强度有关。航天器轨道上的等离子体环境也存在显著的空间分布和时间变化特征。对轨道空间辐射环境的量化分析依赖于各种空间辐射环境模型，包括地球辐射带模型、太阳粒子事件模型、银河宇宙线模型及等离子体环境模型等[4-7][2]。由于外来带电粒子在地球空间中运动时，会1 总体设计中的辐射环境分析与建模方法所有的航天器，只要其轨道高度在白天超过受到地球磁场的偏转作用，即地磁屏蔽效应，故需要采用合理的地磁场屏蔽模型来分析太阳高能粒子达到地球空间某轨道的可能性。60 km或夜间超过80 km，都将暴露在空间粒子辐Copyright©博看网. All Rights Rerved.

第 4 期

王会斌等：航天器空间辐射效应分析技术现状与思考429航天器在轨面临的主要辐射源——地球辐射带存在复杂的动态变化，表现为时间、空间分布及粒子特性等的显著不均匀性。图2为不同高度轨道在地球辐射带中的相对位置示意，可以看出，不同轨道上捕获粒子的通量及成分存在显著的差异。地球磁尾热等离子体（能量大于100 eV的等离子体）注入现象是指磁层亚暴期间磁尾不同能量段的等离子体通量的突然增加。粒子注入被认为是磁层亚暴的基本特征之一，几乎所有的磁层亚暴都伴随着等离子体注入过程。磁层亚暴注入的热等离子体在地磁场的复杂作用下，经过漂移运动后可到达距地球10RE以内甚至地球MEO/GEO高度区域，对于MEO、GEO、大椭圆轨道和近地极轨航天 AP8MAX model(Ep＞10 MeV)AE8MAX model(Ee＞1 MeV)GEO轨道76543211000 km2000 km5000 km10000 km1112位置/RE器有重要影响，是引发航天器表面充放电效应的主要因素。图4所示为磁层亚暴热等离子体注入过程。 导航MEO轨道图 2 不同高度轨道在地球辐射带中的相对位置Fig. 2 Relative position of orbits at different altitudes in theEarth’s radiation belt低能等离子体对于同一次太阳质子事件，不同的航天器轨道由于其所受到的地磁场屏蔽作用程度不同，其遭遇的太阳质子通量和能谱可能存在显著差异。图3给出了1989年10月特大太阳质子事件期间，在行星际空间以及GEO、MEO、SSO、LEO等典型航天器轨道上的太阳质子能谱。从中可以看出：行星际空间处于地球磁层之外，没有地球磁场的屏蔽作用，太阳质子可以不经任何衰减地到达，因此遭遇的太阳质子通量最高；对于高度较高的GEO、MEO，地正午高能正离子 黄昏GEO卫星图 4 磁层亚暴热等离子体注入过程示意Fig. 4 Schematic diagram of hot plasma injection duringmagnetospheric substorm1.2 航天器质量屏蔽建模与分析目前针对空间带电粒子的辐射防护主要采用磁场强度比较微弱，可以提供的有效屏蔽很弱，因此太阳质子尤其是高能太阳质子较易到达此类轨道；对于高度较低、但倾角较高的SSO，由于在两极区地球磁力线是开放的，太阳质子容易沿着磁力线到达高度较低的位置，故此类轨道遭遇的太阳质子通量也较高；对于低高度、低倾角的LEO，由于地磁场可以提供很好的屏蔽作用，大部分太阳质子被地磁场偏转向两极，故此类轨道受太阳质子事件的影响很小，甚至不受影响。质量屏蔽的方法，其原理是，当屏蔽物质的厚度大于带电粒子在该物质中的射程时，入射粒子将被阻止在屏蔽物质中；一定厚度的物质能够屏蔽一定能量范围（取决于粒子的种类）的空间粒子，并使贯穿粒子的能量有所衰减。图5给出了航天器典型部位的质量屏蔽状态，其中：表面涂层的屏蔽厚度仅为几百μm(Al)；航天器舱壁提供的屏蔽厚度为1～2 mm(Al)；设备内部元器件周围的屏蔽状态相当于3～20 mm(Al)。图中同时给出了不同能量的质子和电子在铝材料中 太阳质子微分通量/(cm-2·MeV-1)1行星际空间GEO的射程曲线。在工程实际应用中，为了尽量减少总体与单机研制方的信息交互，提高工程分析的效率，往往采100质子能量/MeV1000102110-2MEO (20 000 km×20 000 km×55°)

SSO (700 km×700 km×97°)LEO (400 km×400 km×42°)10 用简化的质量屏蔽模型，最常用的屏蔽模型为实心球或平板模型，即把航天器等效为一定厚度的球壳或平板，见图6。图 3 行星际空间及典型航天器轨道的太阳质子能谱Fig. 3 Solar proton spectra in interplanetary space and typicalspacecraft orbitsCopyright©博看网. All Rights Rerved.

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1000100电子和质子在铝中射程电子质子航 天 器 环 境 工 程第 39 卷产生的次级粒子穿透舱板，最终形成舱内的辐射环境，该过程本质上为带电粒子与材料的相互作用设备内部器件及印制板太阳电池盖片玻璃表面涂层热控多层膜在铝中的穿透深度/mm1010.10.010.0010.010.1过程。精确的空间辐射输运模型对于航天器空间辐射效应分析至关重要。舱外空间辐射环境中包含大量的低能粒子，它们不能穿透航天器自身的屏蔽进入航天器内部；高能带电粒子在航天器舱板材料内输运时，其能量会随路径的延伸而逐渐降低；重离子会发生核反应裂变为原子序数更小的轻核，同时会产生各种次级粒子辐射（如中子、二次电子、γ射线等）。上述过程均会造成航天器舱内与舱外辐射环境的显著差异，而这种差异还受舱外辐射环境特性及航天器屏蔽材料特性的影响。下面介绍目前空间辐射输运分析中常用的几种方法。 110电子能量/MeV1001000 图 5 航天器典型部位的质量屏蔽状态Fig. 5 Mass shielding states for different parts on thespacecraft舱壁空间带电粒子飞行器舱内X空间带电粒子空间带电粒子舱壁Y舱壁1.3.1 蒙特卡罗模拟方法近40年来，蒙特卡罗方法被广泛应用于模拟 (a) 实心球模型(b) 平板模型图 6 实心球和平板屏蔽模型Fig. 6 Spherical and planar shielding model带电粒子在材料中的输运问题。该方法直接追踪粒子，采用随机抽样的方法，较真切地模拟粒子输运的过程，反应统计涨落的规律。蒙特卡罗方法的主要缺点是收敛速度较慢，因而其计算过程比较耗时。在以往蒙特卡罗模拟的实际工程应用中，常采用一维简化的屏蔽模型来处理空间辐射输运问题；近年来，随着计算机硬件的飞速发展，基于实际三维构型的蒙特卡罗模拟程序已经被广泛应用于航天器工程设计中。表1归纳了常用的空间辐射输运蒙特卡罗模拟程序特点。上述质量屏蔽模型不能体现航天器实际复杂结构和布局所导致的质量屏蔽各向异性。故必要时应在航天器总体布局大致确定以后，建立航天器质量屏蔽的三维分析模型，面向整星主结构、太阳电池阵、储箱、舱内设备等组件，对不同设备周围的质量屏蔽状态通过射线追踪法进行细致分析。1.3 粒子辐射输运分析航天器舱外空间带电粒子辐射进入舱板材料时与材料发生复杂的相互作用，部分初级粒子及其 表 1 空间辐射输运模拟中常用的蒙特卡罗模拟程序Table 1 Monte Carlo simulation procedure commonly ud in space radiation transport simulation蒙特卡罗程序Geant4FLUKAITS TIGERITS CYLTRANITS ACCEPTNOVICEMCNPTRIMMulassisGRAS可处理的粒子种类电子、质子、光子、中子、重离子电子、光子、质子、重离子电子、光子电子、质子、光子、重离子中子、光子、电子质子、重离子电子、质子、光子、中子、重离子电子、质子、光子、中子、重离子可处理的屏蔽模型三维三维一维多层圆柱三维三维三维一维平板一维平板、实心球三维1.3.2 基于玻耳兹曼方程的连续输运分析方法与蒙特卡罗方法基于粒子相互作用随机过程的微观过程，而是从宏观上考虑材料对粒子通量的整体衰减作用，其基础是利用守恒律推导出的玻耳兹曼输运方程。基于粒子贯穿小体积元中因核碰撞不同，确定性方法不考虑单个粒子与材料相互作用Copyright©博看网. All Rights Rerved.

第 4 期

王会斌等：航天器空间辐射效应分析技术现状与思考431引起粒子增加或损失所产生的粒子通量变化的守恒关系，在粒子前向直线输运近似下，可得到简化的玻耳兹曼输运方程，即[]1∂Ω·∇−Sj(E)+σj(E)ϕj(x,Ω,E)=Aj∂E∑