張洪偉 李鵬偉，3 孫毅

(1 中國空間技術(shù)研究院，北京 100094)(2 國防科技工業(yè)抗輻照應用技術(shù)創(chuàng)新中心，北京 100029)(3 哈爾濱工業(yè)大學材料學院，哈爾濱 150006)

當前，世界商業(yè)航天正處于快速發(fā)展的新階段，其帶來的全新思維方式、發(fā)展理念和商業(yè)模式，引發(fā)了人們的高度關(guān)注，必將成為航天產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的新動力[1]。復雜的空間輻射環(huán)境將對航天器造成在軌性能退化或失效，給航天器在軌壽命和可靠性帶來嚴峻的挑戰(zhàn)，是引起航天器在軌故障的主要環(huán)境因素之一[2]。隨著我國商業(yè)航天的興起和對衛(wèi)星在軌運行可靠性要求的增強，特別是新材料、新器件、新技術(shù)等在商業(yè)衛(wèi)星上的應用，開展元器件，尤其是低等級元器件抗輻射保證方面的研究工作迫在眉睫。

元器件抗輻射保證是指通過一系列的活動，使得元器件在軌發(fā)生因輻射導致的故障降低至可承受范圍或消除的程度。針對空間電子學系統(tǒng)的輻射問題，國內(nèi)外開展了大量的研究工作[3-8]，其中最具代表的為NASA發(fā)布的《Radiation hardness assurance for space systems》[9]和ESA發(fā)布的《Space product assurance radiation hardness assurance》[10]保證規(guī)范文件，其主要特點為面向任務需求，自上而下地給出了系統(tǒng)級、元器件級的抗輻射保證規(guī)范，建立了較成熟的元器件抗輻射保證體系，而我國在元器件抗輻射保證方面還具有一定的差距。

本論文結(jié)合商業(yè)航天衛(wèi)星空間應用輻射環(huán)境特征，分析了低軌不同軌道環(huán)境的輻射指標要求，提出了基于商業(yè)航天應用元器件輻射敏感性分析的技術(shù)流程、評估內(nèi)容和風險控制策略，建立了面向商業(yè)航天衛(wèi)星應用的元器件抗輻射保證新要求和新模式。

1 商業(yè)航天的抗輻射需求

1.1 任務特點

國內(nèi)的商業(yè)航天的衛(wèi)星應用主要涉及通信、遙感、導航3大領(lǐng)域，其主要有通信實時高效、分辨精度高、導航精度高等特點，其具有全面商業(yè)化和創(chuàng)新驅(qū)動等特征，核心在于航天領(lǐng)域選準和培育顛覆性技術(shù)，有效地進行持續(xù)創(chuàng)新，而航天是高風險、高投入的領(lǐng)域，其勢必在成本、進度和質(zhì)量控制之間達到平衡。而空間存在的輻射環(huán)境會對衛(wèi)星產(chǎn)生輻射損傷，影響衛(wèi)星的性能和功能。因此需要關(guān)注商業(yè)航天的輻射問題，保障其在軌可靠性和安全性。

1.2 軌道輻射環(huán)境

商業(yè)航天的空間部署在近地軌道，目前有向深空發(fā)展的趨勢。本文只討論近地軌道(LEO)相關(guān)的輻射環(huán)境效應。LEO軌道高度為幾百千米～幾千千米的范圍、軌道傾角也較低(通常小于60°左右)的航天器軌道[2,11]。結(jié)合高度和傾角特點，將本文討論的LEO軌道的輻射環(huán)境劃分如下：

(1)當軌道高度大于約600 km時，將進入內(nèi)輻射帶下邊界，遭遇內(nèi)輻射帶的捕獲電子和捕獲質(zhì)子；

(2)當軌道高度小于600 km、且傾角小于約40°左右時，軌道將不會進入南大西洋異常區(qū)的中心區(qū)域，因此面臨的輻射帶環(huán)境較溫和；

(3)當軌道高度大于1000 km后，南大西洋異常區(qū)將逐漸消失；

(4)當軌道高度約大于2000 km時，將進入內(nèi)輻射帶的中心區(qū)域，將面臨惡劣的內(nèi)輻射帶捕獲電子和捕獲質(zhì)子輻射環(huán)境。

1.3 輻射應用需求

近地軌道環(huán)境中存在的粒子種類主要有地磁場捕獲質(zhì)子和電子、太陽耀斑質(zhì)子、重離子(少數(shù)的太陽宇宙射線和銀河宇宙射線構(gòu)成)等?；诓煌壍栏叨取A角，以及地磁場捕獲質(zhì)子和電子、重離子、太陽耀斑質(zhì)子事件等的模型參數(shù)，利用SPACE RADIATION 5輻射效應仿真軟件進行計算，獲得不同線性能量傳遞值(Linear Energy Transfer，LET)范圍內(nèi)的重離子數(shù)見表1所示，不同質(zhì)子、電離輻射吸收劑量分別見圖1所示。

表1 近地軌道中重離子數(shù)的分布的情況

從圖1中可以看出，取3 mm鋁屏蔽厚度，低軌衛(wèi)星在軌1年遭受的電離總劑量水平在0.13～11.09 krad(Si)的范圍；而10 MeV能量質(zhì)子的注量水平在1.66×109～3.87×109p/(cm2·年)，含地球捕獲質(zhì)子和太陽耀斑質(zhì)子，如圖2和圖3所示。由表1可知，LEO輻射環(huán)境中重離子數(shù)的LET值在15 MeV·cm2/mg以內(nèi)的粒子數(shù)較多；而在(15，37] MeV·cm2/mg范圍的粒子數(shù)較少；而大于37 MeV·cm2/mg的重離子數(shù)極少(見表2，此為以3 mm鋁屏蔽進行分析的結(jié)果)。因此，需要重點考慮LET值在37 MeV·cm2/mg以內(nèi)的重離子造成影響。

圖1 遭受的電離輻射吸收劑量曲線

圖2 捕獲質(zhì)子軌道積分能譜曲線

圖3 可能遭遇的太陽耀斑質(zhì)子積分能譜

表2 近地軌道空間輻射環(huán)境不同輻射損傷效應分布特征

注：位移損傷劑量是以10 MeV質(zhì)子注量為參考，疊加地球捕獲質(zhì)子和太陽耀斑質(zhì)子進行分析的結(jié)果。

2 商業(yè)航天元器件抗輻射保證的新要求

元器件抗輻射能力主要有元器件的固有抗輻射能力和元器件的應用抗輻射能力，衛(wèi)星元器件的固有抗輻射能力一般通過輻射試驗評估的方式獲得，而采用的評估條件無法體現(xiàn)其應用狀態(tài)，無法表征其應用抗輻射能力。因此，局限于器件本身的輻射數(shù)據(jù)，無法反映任務需求及其系統(tǒng)性解決方案，導致周期較長，成本較高。因此，快速低成本的商業(yè)航天對元器件抗輻射保證提出了新的要求。

1)開展系統(tǒng)級應用元器件輻射效應分析，快速準確評估元器件應用抗輻射能力

面向低軌衛(wèi)星應用的主要任務功能，基于元器件本身的輻射能力不能獲得系統(tǒng)功能的真實水平，因此需要開展基于元器件抗輻射性能的系統(tǒng)應用分析。通過分析元器件在輻射水平下的電性能參數(shù)響應，結(jié)合其應用狀況，分析系統(tǒng)的抗輻射能力情況，以期達到滿足任務功能的目的，促進新技術(shù)、新產(chǎn)品、新材料在航天中的應用。

2)建立面向任務的工程化抗輻射業(yè)務模式，降低元器件在軌應用輻射風險

從商業(yè)衛(wèi)星低成本、高效率的任務需求出發(fā)，結(jié)合不同軌道特征，開展軌道輻射環(huán)境指標梳理和分解，以元器件選用為目標，開展元器件輻射效應指標分析。在任務周期內(nèi)需要面向關(guān)鍵任務的單元或關(guān)重件開展輻射能力評估和應用風險分析工作，確保在軌任務周期內(nèi)的輻射安全性，同時滿足經(jīng)濟性的要求。

3 商業(yè)航天元器件抗輻射保證內(nèi)容

3.1 低軌空間輻射效應指標分析

根據(jù)商業(yè)航天器近地軌道的活動特征，結(jié)合輻射應用環(huán)境需求，表3所示為基于低軌道特征的空間輻射效應的需求指標。針對低軌空間累積輻射環(huán)境需求，當在軌壽命要求大于10年時，需要評估總劑量輻射環(huán)境的影響。取輻射設計裕度(Radiation Design Margin，RDM)為2時的總劑量(Total Irion Dose，TID)和位移(Displacement Damage，DD)，針對低軌空間重離子、高能質(zhì)子等輻射環(huán)境需求特征，考慮到單粒子效應(Single Event Effects，SEE)引起的任務風險程度，給出元器件抗單粒子指標如表4所示。

表3 元器件電離總劑量和位移損傷輻照指標

注：在軌壽命周期以10年為單位，取RDM=2，且未考慮太陽活動高峰年的影響。

表4 元器件抗單粒子指標要求及風險評估

注:只適用于Si材料的器件，當LET值低于15 MeV·cm2/mg的質(zhì)子而引起的敏感性也需要分析，因此如果沒有測試數(shù)據(jù)，則需進行質(zhì)子的地面測試。

3.2 面向應用的抗輻射保證技術(shù)流程

為準確快速評估元器件輻射能力，需建立面向低成本、輻射風險可控的抗輻射保證總體技術(shù)流程。圍繞低成本、高質(zhì)量的要求，一方面，建立基于衛(wèi)星研制流程的元器件抗輻射保證工作規(guī)范；另一方面，加強系統(tǒng)級元器件輻射效應分析與評估，提升元器件應用抗輻射能力。技術(shù)流程圖見圖4所示。

圖4 面向航天器的元器件輻射保證技術(shù)流程圖

3.3 元器件輻射效應敏感性分析

不同類型及工藝的元器件對輻射損傷的敏感性不一樣。根據(jù)近地軌道空間輻射環(huán)境特性，需要開展元器件輻射效應敏感性分析，快速識別元器件選用的輻射風險。電離總劑量效應敏感的主要有運算放大器、低壓差器件、晶體管、金屬-氧化物-半導體(Metal-Oxide Semiconductor，MOS)工藝類器件，以及具有雙極-互補金屬氧化物半導體電路(Bipolar Complementary Metal-Oxide Semiconductor，BiCMOS)工藝的模數(shù)(Analog to Digital Converter，A/D)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(Digital to Analog Converter，D/A)類器件等，主要考慮雙極工藝(或含)器件的電流增益、偏置電流等敏感參數(shù)，特別是低劑量率輻射損傷增強效應；位移損傷效應敏感的主要有雙極類器件、圖像傳感器，以及光電耦合器等，其中雙極工藝的正向電流傳輸比(HEF)退化，尤其在小電流的情況下?lián)p傷最嚴重，如晶體管器件。此外，用在關(guān)鍵部位中的光耦器件需要關(guān)注電荷傳輸效率下降所帶來的驅(qū)動隔離問題；單粒子效應敏感的器件主要有功率類器件、互補金屬氧化物半導體電路(CMOS)集成電路，尤其要關(guān)注高壓二極管、場效應晶體器件的單粒子燒毀和柵穿問題，以及超大規(guī)模CMOS集成電路的單粒子鎖定、單粒子功能中斷等硬損傷問題。

3.4 元器件抗輻射評估

元器件抗輻射能力是指元器件性能功能在未超出規(guī)范之外時所承受的最大輻射水平，可通過抗輻射試驗評估而獲得。由于飛行試驗搭載成本高、周期長，多采用地面輻照模擬的手段來獲得器件的抗輻射能力數(shù)據(jù)。元器件抗輻射能力評估流程見圖5所示[3]，空間輻射效應評估要求如下。

(1)電離總劑量要求：輻照偏置條件，敏感參數(shù)考核，參數(shù)超差和功能失效的判據(jù)，應用功能風險分析等，應給出RDM的建議。

(2)位移損傷效應要求：敏感參數(shù)考核，參數(shù)超差和功能失效的判據(jù)，應用功能風險分析等，應給出RDM的建議。

(3)單粒子評估要求：單粒子檢測技術(shù)(包括單粒子翻轉(zhuǎn)、單粒子瞬態(tài)、單粒子功能中斷、單粒子柵穿等)，數(shù)據(jù)獲得與分析，在軌預計，單粒子防護及風險分析等。特別是當器件抗單粒子效應的LET閾值低于15 MeV·cm2/mg時，需要評估質(zhì)子輻照引起單粒子效應。

3.5 元器件應用級抗輻射保證

輻射敏感元器件抗輻射能力不滿足型號應用需求，且無可替換時，需要開展輻射防護風險分析，降低該器件的應用風險。一方面，建立低等級元器件輻射效應數(shù)據(jù)庫，加強數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)保障和應用指導，降低使用風險，如雙極工藝器件的低劑量率增強效應風險等；另一方面從元器件的應用角度出發(fā)，結(jié)合所在單機或板級中的應用條件，分析其性能和功能在輻射環(huán)境中的退化程度，給出設計應用時如局部屏蔽、單粒子減緩技術(shù)等抗輻射加固措施，減緩輻射效應對系統(tǒng)或分系統(tǒng)功能性能的影響。針對性的輻射防護及措施見表5所示。

3.6 在軌飛行驗證及數(shù)據(jù)收集

按照抗輻射保證內(nèi)容和流程對某低軌高分衛(wèi)星進行了探索實踐，具體措施為：①根據(jù)壽命(設計壽命由2～3年延長至5～8年)和軌道信息(運行高度約630 km，傾角約97.98°，因?qū)嶋H應用特殊需要傾角較高)作為參數(shù)輸入，給出該衛(wèi)星8年在軌壽命內(nèi)的總劑量、位移和單粒子指標要求；②根據(jù)指標要求，針對該衛(wèi)星系統(tǒng)選用的元器件清單開展輻射效應分析，梳理出輻射敏感器件300項，給出了有輻照數(shù)據(jù)和無輻照數(shù)據(jù)清單，其中無輻照數(shù)據(jù)需要開展輻射試驗評估的共計21項，直接選用了具有同等或以上飛行經(jīng)歷的低等級元器件9項；③通過輻照試驗評估，建議對低等級可編程邏輯控制器等15款大規(guī)模集成電路采取抗單粒子翻轉(zhuǎn)冗余設計，以及對可編程時鐘源等3款單粒子鎖定較敏感器件采取有效的防護措施。該衛(wèi)星于2013年發(fā)射，目前在軌運行近6年，期間未發(fā)生因元器件輻射問題而引起的在軌飛行故障問題。

與飛行搭載獲得的數(shù)據(jù)信息相比，地面模擬獲得的抗輻射數(shù)據(jù)信息不能夠完全體現(xiàn)器件在空間運行的輻射性能情況。以商業(yè)航天器的在軌飛行為任務目標，針對輻射敏感類器件數(shù)據(jù)及其防護措施，開展在軌輻射能力驗證和輻射數(shù)據(jù)測試、收集整理工作。在軌飛行階段，開展基于系統(tǒng)性功能故障現(xiàn)象的元器件輻射效應問題收集與處理，分析器件級輻射效應在系統(tǒng)中的傳播與演化規(guī)律，提高在軌運行的輻射防護措施，提升輻射應用防護設計的水平。

4 結(jié)論

通過對商業(yè)航天元器件抗輻射保證的研究，系統(tǒng)分析了近地軌道空間輻射指標，提出了針對低等級元器件應用的抗輻射保證的技術(shù)流程，討論了不同工藝、類別器件輻射效應敏感性以及輻射能力評估的內(nèi)容，最后給出了基于風險的應對處理措施和建議。通過研究可以得出以下結(jié)論：

(1)商業(yè)航天衛(wèi)星元器件的抗輻射指標主要為單粒子指標、總劑量吸收指標和位移指標，其中按照10年壽命要求，RDM=2時的總劑量指標為4 krad(Si)、17 krad(Si)兩個層次；等效10 MeV質(zhì)子的注量指標為3.7×109p/cm2；單粒子的LET閾值指標分為15 MeV·cm2/mg、37 MeV·cm2/mg兩個層次；

(2)針對商業(yè)航天市場對“低成本、低風險、可復用”的要求，提出了建立系統(tǒng)性的商業(yè)衛(wèi)星元器件抗輻射保證業(yè)務新模式，開展基于商業(yè)低等級元器件輻射功能、性能退化對系統(tǒng)/單機級功能故障風險分析方法和輻射防護加固措施研究，提升元器件抗輻射保證的有效性、針對性和可復用性。