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        空間電子輻射風(fēng)險及其防護(hù)策略研究

        2016-12-31 00:00:00吳俊
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2016年13期

        摘 要:對于處于外輻射帶運行的衛(wèi)星來說,會在很大程度上遭遇空間天氣變化的影響。為了使衛(wèi)星處于長期穩(wěn)定及安全的運行狀態(tài),了解空間電子輻射風(fēng)險,進(jìn)一步采取有效防護(hù)策略非常關(guān)鍵。文章在分析空間電子輻射風(fēng)險的基礎(chǔ)上,進(jìn)而提出了有關(guān)空間電子輻射的防護(hù)策略,希望以此為衛(wèi)星穩(wěn)定、安全運行的實現(xiàn)提供具有價值的參考憑據(jù)。

        關(guān)鍵詞:空間電子;輻射風(fēng)險;防護(hù)策略

        衛(wèi)星在運行過程中,可能會因為遭遇空間輻射的影響,進(jìn)而發(fā)生在軌故障。就現(xiàn)狀而言,做好衛(wèi)星長期穩(wěn)定、安全運行是工程部門的一項重點工作。對于衛(wèi)星軌道空間輻射來說,其環(huán)境復(fù)雜,包括了內(nèi)輻射帶與外輻射帶,并且內(nèi)、外輻射帶的電子動態(tài)分布規(guī)律存在差異[1]?;谡w層面分析,為了使衛(wèi)星處于長期穩(wěn)定、安全運行狀態(tài),文章對“空間電子輻射風(fēng)險及其防護(hù)策略”進(jìn)行分析與探究極具意義。

        1 空間電子輻射風(fēng)險分析

        基于在軌運行過程中,衛(wèi)星所受的空間輻射主要分布在地磁捕獲輻射帶,電子與質(zhì)子是主要的兩種成分,此外還存在少量的高能重離子。而對于地磁捕獲輻射帶來說,又進(jìn)一步細(xì)分為內(nèi)輻射帶與外輻射帶。從區(qū)域角度層面分析,內(nèi)輻射帶與外輻射帶之間存在1個低輻射強度區(qū)域。

        1.1 內(nèi)輻射帶分析

        對于內(nèi)輻射帶來說,所處的捕獲帶電粒子區(qū)域和地球保持的距離非常近,電子與質(zhì)子是該輻射帶主要的組成成分。內(nèi)輻射帶基于赤道上空大約600千米到1000千米,南北唯獨邊界為45°。因地球磁場存在不對稱的特點,所以內(nèi)輻射帶基于東半球、西半球也是不對稱的?;谖靼肭騼?nèi)帶下,其邊界偏低;而東半球內(nèi)帶下的邊界則偏高[2]。

        1.2 外輻射帶分析

        對于外輻射帶來說,主要出于赤道上空104千米到6×104千米?;诟呔暥葹?5°到77°的區(qū)域,外輻射帶的下邊界降低到300千米。電子與低能質(zhì)子是組成外輻射帶的兩大主要成分。對于外輻射帶來說,其電子分布會在磁層改變的情況下產(chǎn)生較大程度的影響?;谛l(wèi)星當(dāng)中運行,易出現(xiàn)輻射損傷。因此,需對外輻射帶電子的動態(tài)分布規(guī)律充分了解。

        1.3 風(fēng)險分析

        空間電子輻射風(fēng)險諸多,其主要會影響衛(wèi)星在運行過程中的穩(wěn)定性及安全性,具體風(fēng)險包括:(1)地磁暴風(fēng)險。在內(nèi)、外輻射帶的作用下,可能引發(fā)太陽爆現(xiàn)象?;诒l(fā)過程中,會有大量的等離子體結(jié)構(gòu)噴射出來,進(jìn)而在南向行星際磁場和磁層共同作用的情況下,會導(dǎo)致地尺長發(fā)生很大的擾動,進(jìn)而引發(fā)地磁暴。(2)高能電子通量劇烈增多風(fēng)險?;谔柋l(fā)過程中,會有大規(guī)模的激波對地球造成激烈的撞擊,進(jìn)而導(dǎo)致地球地磁發(fā)生大量的脈動。在大量脈動的作用下,地球磁力線會發(fā)生振蕩,最終使超低頻波出現(xiàn)。對于所出現(xiàn)的超低頻波來說,其性質(zhì)為駐波,會跟隨磁力線運動的電子而加快速度,如此便導(dǎo)致太陽風(fēng)能量可以向基于磁層當(dāng)中的高能電子傳遞過去[3]。在通過上述演變之后,會導(dǎo)致高能電子通量升高,當(dāng)這些電子從衛(wèi)星外屏蔽層穿透的情況下,會基于電解質(zhì)內(nèi)部沉積。而由上述電荷產(chǎn)生的電場可能會出現(xiàn)比介質(zhì)擊穿閾值高的情況,在靜電放電產(chǎn)生的情況下,便會使衛(wèi)星的一些部件遭遇損壞,最終致使衛(wèi)星難以穩(wěn)定且安全地運行。(3)輻射效應(yīng)風(fēng)險。對于空間電子來說,其輻射風(fēng)險種類諸多,涵蓋了表面劑量效應(yīng)、總劑量效應(yīng)、表面充放電效應(yīng)以及深層充放電效應(yīng)等。這些輻射效應(yīng)風(fēng)險造成的影響包括:其一,造成相關(guān)數(shù)據(jù)的擴(kuò)充或丟失;其二使衛(wèi)星的運行壽命縮短;其三,使衛(wèi)星器件永久性損傷,進(jìn)而使衛(wèi)星無法正常、安全地運行。

        2 空間電子輻射防護(hù)策略探究

        在上述分析過程中,認(rèn)識到了空間電子輻射的種類以及風(fēng)險,為了使衛(wèi)星處于長期穩(wěn)定、安全運行狀態(tài),對空間電子輻射采取有效的防護(hù)策略非常關(guān)鍵。具體策略如下。

        2.1 合理應(yīng)用輻射防護(hù)技術(shù)

        現(xiàn)如今,針對高能電子采取的防護(hù)技術(shù)諸多。為此,合理應(yīng)用輻射防護(hù)技術(shù)非常關(guān)鍵:(1)衛(wèi)星變軌技術(shù)。對中能電子的分布情況進(jìn)行探測,以此獲取高能電子的空間分布情況。基于高能電子滿4π空間之前,對衛(wèi)星運行的軌道加以改變,以此使衛(wèi)星穿越高能電子帶的時間縮短,進(jìn)一步使空間輻射損傷減小。(2)抗輻射加固技術(shù)。因空間存在輻射,而抗輻射加固技術(shù)能夠從衛(wèi)星系統(tǒng)的整體出發(fā),應(yīng)用鋁金屬在敏感器件附近增加保護(hù)層[4]。當(dāng)磁暴高的情況下,應(yīng)用抗輻射加固技術(shù),使高能電子得到有效防護(hù)。(3)軌道處理技術(shù)。在發(fā)生高空核爆的情況下,會導(dǎo)致輻射帶電子變強,為了確保所形成的人工強輻射帶能夠及時地恢復(fù)到正常的輻射強度,進(jìn)而使損害衛(wèi)星能夠獲得及時的修復(fù),便可使用軌道處理技術(shù)。該項技術(shù)主要對低頻無線電波加以應(yīng)用,進(jìn)一步把高空核爆所產(chǎn)生的電子及時地處理出軌道。

        2.2 做好重要設(shè)備的關(guān)機工作

        對于空間電子輻射效應(yīng)來說,致因有兩種:其一,深層充放電;其二表面充放電。在受到這兩大致因的影響下,會導(dǎo)致衛(wèi)星部件造成一定的損傷。因此,做好重要設(shè)備的關(guān)機工作非常關(guān)鍵。也就是通過星載探測器的監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)存在異常的電子通量之后,可針對重要設(shè)施實施切斷電路以及關(guān)閉處理器的措施。在輻射環(huán)境恢復(fù)至正常之后,再開機進(jìn)行工作。在做好上述工作的情況下,便能夠在一定程度上使空間電子輻射效應(yīng)造成衛(wèi)星重要設(shè)備損壞的情況得到有效控制。

        2.3 構(gòu)建有效的風(fēng)險管理系統(tǒng)

        對于外輻射帶電子分布來說,容易遭遇磁暴的影響。因此,有必要構(gòu)建有效的衛(wèi)星輻射風(fēng)險管理系統(tǒng)。在該系統(tǒng)構(gòu)建過程中,需利用到靜態(tài)模型與動態(tài)實測數(shù)據(jù)?;谛l(wèi)星飛行之前,對空間輻射環(huán)境模型加以應(yīng)用,對衛(wèi)星軌道電子分布情況進(jìn)行分析,同時根據(jù)衛(wèi)星相關(guān)信息資料,進(jìn)一步做好衛(wèi)星抗輻射的設(shè)計,并針對輻射風(fēng)險進(jìn)行預(yù)測、評估?;谠谲夛w行過程中,需對衛(wèi)星搭載的空間輻射環(huán)境加以應(yīng)用,同時對效應(yīng)探測裝置加以應(yīng)用,以此做好空間輻射環(huán)境的環(huán)境差工作,并使衛(wèi)星設(shè)備的故障監(jiān)測能力得到有效增強。這樣,便能夠確保衛(wèi)星在軌飛行的安全性及穩(wěn)定性[5]。此外,基于衛(wèi)星飛行之后,需對相關(guān)任務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析,這樣有助于空間輻射環(huán)境以及相關(guān)防護(hù)措施的完善及優(yōu)化,進(jìn)一步為后續(xù)工作的有序、科學(xué)開展奠定堅實的基礎(chǔ)。

        通過研究,認(rèn)識到空間電子輻射主要來源于內(nèi)輻射帶與外輻射帶,而風(fēng)險諸多,包括了地磁暴風(fēng)險、高能電子通量劇烈增多風(fēng)險以及輻射效應(yīng)風(fēng)險等。因此,有必要合理應(yīng)用輻射防護(hù)技術(shù)、做好重要設(shè)備的關(guān)機工作以及構(gòu)建有效的風(fēng)險管理系統(tǒng)等。相信從以上方面加以完善,空間電子輻射防護(hù)效果將能夠得到有效增強,進(jìn)一步為衛(wèi)星運行的穩(wěn)定性及安全性奠定夯實的基礎(chǔ)。

        參考文獻(xiàn)

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        [3]閔銳.輻射生物學(xué)效應(yīng)基礎(chǔ)與醫(yī)源性輻射防護(hù)[J].輻射防護(hù)通訊,2011,3:12-18.

        [4]李國倡,閔道敏,李盛濤,等.高能電子輻射下聚四氟乙烯深層充電特性[J].物理學(xué)報,2014,20:454-461.

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        作者簡介:吳?。?993,2-),男,四川省宜賓人,本科生在讀,研究方向:輻射防護(hù)與環(huán)境工程。

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