韓金鵬，高著秀

可重復(fù)使用航天器空間輻射效應(yīng)評(píng)價(jià)關(guān)鍵問題及解決方法

韓金鵬，高著秀

（中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076）

介紹了可重復(fù)使用航天器及其應(yīng)用需求，分析了其在太空遭遇的空間輻射環(huán)境及效應(yīng)，探討了可重復(fù)使用航天器的空間輻射效應(yīng)評(píng)價(jià)在元器件退火效應(yīng)研究及工程化、地面模擬試驗(yàn)設(shè)施及評(píng)價(jià)技術(shù)、地面檢測(cè)維護(hù)及評(píng)價(jià)、抗輻射設(shè)計(jì)規(guī)范等方面存在的問題，提出了深入開展元器件空間環(huán)境效應(yīng)及退火效應(yīng)機(jī)理研究，給出適合可重復(fù)使用航天器的指標(biāo)和評(píng)價(jià)體系；搭建多功能的綜合環(huán)境效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)裝置，加強(qiáng)多因素環(huán)境協(xié)同效應(yīng)機(jī)理研究，建立空間多因素環(huán)境協(xié)同效應(yīng)試驗(yàn)方法；開展空間環(huán)境多因素協(xié)同效應(yīng)仿真，加強(qiáng)可重復(fù)使用航天器輻射效應(yīng)預(yù)示方法的深入研究等解決途徑。

可重復(fù)使用；空間輻射環(huán)境；電離總劑量；單粒子

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，一次性使用航天器技術(shù)日益成熟，世界航天大國(guó)都在積極開展重復(fù)使用航天器的可行性論證、方案探索及關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和研究?？芍貜?fù)使用航天器必將成為未來航天技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

1 可重復(fù)使用航天器的發(fā)展歷程

20世紀(jì)中期，馮·布勞恩和錢學(xué)森提出了重復(fù)使用天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)的概念?？芍貜?fù)使用航天器是指可以循環(huán)多次重復(fù)使用、反復(fù)穿過地球大氣，并能依靠自身的動(dòng)力系統(tǒng)自由地穿梭于地球表面與空間環(huán)境之間，運(yùn)送各類有價(jià)值目標(biāo)；或能夠長(zhǎng)時(shí)間在軌駐留和在軌機(jī)動(dòng)，執(zhí)行各類任務(wù)，具有軍事和民用特點(diǎn)的多用途航天器[1-2]?？芍貜?fù)使用航天器主要包括可重復(fù)使用的運(yùn)載火箭、載人飛船、天地往返空天飛行器等?？芍貜?fù)使用航天器從設(shè)計(jì)之初就注重航天器自身的可重復(fù)使用性能，通過注重航天器自身可靠性的設(shè)計(jì)，提高航天器在軌運(yùn)行和使用的可靠性，采用重復(fù)使用的方式，提高航天器使用次數(shù)，利用后期維護(hù)保障均攤航天器研制成本，從而可大大降低單次任務(wù)成本，提高效費(fèi)比。通過采用新的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)手段以及先進(jìn)的進(jìn)入太空的方式，能縮有效縮短發(fā)射周期，提高發(fā)射的機(jī)動(dòng)靈活性，形成航班化的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)。

1981年，美國(guó)NASA哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)成功首飛，成為第一代可重復(fù)使用航天器[3-5]。從此之后世界各航天大國(guó)相繼開展了可重復(fù)使用航天器的方案研究和論證工作以及試驗(yàn)機(jī)驗(yàn)證計(jì)劃，并在一些關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)方面也取得了令人矚目的成果。目前各航天國(guó)家提出的可重復(fù)使用航天器有Space X的法爾肯9號(hào)重復(fù)使用運(yùn)載火箭[5-6]、“龍”飛船[3-4]、NASA的“獵戶座”飛船[3-4,7]、美國(guó)空軍的X-37B[8]、美國(guó)內(nèi)華達(dá)山脈公司的追夢(mèng)者[8]、歐空局的IXV、俄羅斯的“新型載人航天運(yùn)輸系統(tǒng)”[3-4]、印度的RLV-TD等，其他國(guó)家也正在開展相關(guān)概念研究和技術(shù)攻關(guān)，一時(shí)之間可重復(fù)使用航天器成為各國(guó)家航天領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

如今航天技術(shù)的日益普及、規(guī)模應(yīng)用以及商業(yè)航天發(fā)射，對(duì)低成本自由進(jìn)入空間的能力提出了巨大需求，航天器采用重復(fù)使用方式大幅度降低近地軌道發(fā)射成本，可為航天技術(shù)的快速發(fā)展提供基礎(chǔ)性支撐。以載人飛船為例，參考國(guó)際空間站運(yùn)營(yíng)和補(bǔ)給任務(wù)規(guī)劃，隨著未來世界各國(guó)載人航天活動(dòng)和在軌執(zhí)行任務(wù)的增加，未來將人員和物資送往空間站的頻率會(huì)越來越高。不可重復(fù)使用的載人飛船存在研制成本高、發(fā)射周期長(zhǎng)等弊端，這將導(dǎo)致不可重復(fù)使用的載人飛船無法滿足如此大規(guī)模的任務(wù)需求。如果載人飛船具備可重復(fù)使用性能，完成相關(guān)在軌任務(wù)后，載人飛船返回地面維護(hù)保障中心或總裝廠房，通過地面操作人員利用相關(guān)地面維護(hù)保障設(shè)備開展一系列對(duì)飛船冷熱結(jié)構(gòu)的檢測(cè)、維護(hù)保障，利用地面設(shè)備的檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)飛船的健康狀態(tài)和剩余壽命進(jìn)行詳細(xì)的評(píng)估，使其可以快速發(fā)射入軌，執(zhí)行下一次在軌任務(wù)，這樣一方面可以大大地縮短任務(wù)的發(fā)射準(zhǔn)備周期，提高飛船發(fā)射頻率，通過多次使用均攤成本，可降低單次任務(wù)的成本，提高任務(wù)效費(fèi)比，從而滿足近地軌道空間站大規(guī)模載人航天在軌任務(wù)的需求。通過計(jì)算分析（如圖1所示）可知，當(dāng)飛船可以重復(fù)使用后，將能夠顯著降低空間站任務(wù)周期內(nèi)飛船研制的成本。從飛船重復(fù)使用次數(shù)與飛船成本的曲線圖可以看出，飛船的成本隨著重復(fù)使用次數(shù)的增多會(huì)越來越低，而隨著飛船的重復(fù)使用次數(shù)達(dá)到10次以上時(shí)，飛船的成本趨近于最低[3-4]。

圖1 國(guó)際空間站任務(wù)飛船成本與可重復(fù)使用次數(shù)的關(guān)系

隨著各國(guó)航天技術(shù)的發(fā)展，各國(guó)的太空資產(chǎn)越來越多，而太空資產(chǎn)具有附加值高的特點(diǎn)，一旦出現(xiàn)故障，將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因此太空補(bǔ)給和維護(hù)變得越來越重要。利用可重復(fù)使用航天器的變軌機(jī)動(dòng)、自主交匯對(duì)接和接近作業(yè)能力可以實(shí)施在軌衛(wèi)星維護(hù)、模塊更換、整星回收等空間服務(wù)，從而提高太空資源利用率，降低成本。此外空間科學(xué)試驗(yàn)相關(guān)載荷（如生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)用品、物質(zhì)與物理科學(xué)實(shí)驗(yàn)用品等）在軌完成試驗(yàn)后，其試驗(yàn)樣品可通過可重復(fù)使用航天器攜帶返回地面再行開展相關(guān)研究。

綜上所述，可重復(fù)使用航天器在經(jīng)濟(jì)性和在軌服務(wù)方面具有重大的應(yīng)用價(jià)值，是未來航天技術(shù)發(fā)展的重要方向。與傳統(tǒng)航天器一樣，可重復(fù)使用航天器在太空中同樣會(huì)受到空間環(huán)境，特別是空間輻射環(huán)境的影響。傳統(tǒng)航天器是一次性使用，在進(jìn)行輻射效應(yīng)評(píng)價(jià)時(shí)，可針對(duì)一次任務(wù)周期開展。鑒于可重復(fù)使用航天器具有多次重復(fù)使用的特點(diǎn)，因此存在退火、協(xié)同效應(yīng)方面的不同，不能像傳統(tǒng)航天器那樣針對(duì)一次任務(wù)開展評(píng)價(jià)，需要開展針對(duì)性地研究。

可重復(fù)使用航天器在軌期間，遭遇地球輻射帶、太陽宇宙射線和銀河宇宙射線等粒子輻射環(huán)境，產(chǎn)生總劑量效應(yīng)、單粒子效應(yīng)、充放電效應(yīng)等。這將會(huì)對(duì)航天器的電學(xué)、光學(xué)等性能產(chǎn)生影響，嚴(yán)重時(shí)可造成單機(jī)設(shè)備故障，進(jìn)而導(dǎo)致航天器在軌故障。因此在重復(fù)使用航天器的方案設(shè)計(jì)及研制階段，需要開展針對(duì)性的輻射效應(yīng)評(píng)估，進(jìn)而采取有效的輻射防護(hù)措施，為飛行任務(wù)的成功提供保障的同時(shí)，盡可能降低質(zhì)量代價(jià)和成本代價(jià)。

2 可重復(fù)使用航天器輻射效應(yīng)

地球輻射帶、太陽宇宙射線和銀河宇宙射線是可重復(fù)使用航天器在軌遭遇的空間輻射環(huán)境帶電粒子的主要來源，其主要成分是電子、質(zhì)子及少量重離子等。輻射環(huán)境將對(duì)材料和器件帶來嚴(yán)重的輻射損傷效應(yīng)，輻射損傷效應(yīng)根據(jù)其類型可以分為電離總劑量效應(yīng)（TID）、單粒子效應(yīng)（SEE）、位移損傷效應(yīng)（DD，又稱為非電離總劑量效應(yīng)，TNID）、充放電效應(yīng)等[9-10]。

空間輻射環(huán)境中來自輻射帶、太陽宇宙射線和銀河宇宙射線的帶電粒子轟擊到航天器敏感單機(jī)中的電子元器件或材料后，帶電粒子會(huì)將自身的能量傳遞給元器件或材料的原子，導(dǎo)致其產(chǎn)生電離作用，帶電粒子自身的能量就會(huì)被吸收，從而對(duì)電子元器件或材料化學(xué)鍵造成損傷，造成元器件或材料產(chǎn)生缺陷或性能退化，稱為總劑量損傷。隨著時(shí)間的增加，元器件或材料的電離總劑量效應(yīng)損傷會(huì)越來越嚴(yán)重。這種效應(yīng)損傷與輻射的帶電粒子的具體類別和能量大小無關(guān)，只與帶電粒子在電子元器件或材料中運(yùn)動(dòng)過程中損失的總能量有關(guān)，屬累積效應(yīng)[10-11]。總劑量效應(yīng)會(huì)引起航天器各單機(jī)設(shè)備中的電子元器件或材料性能產(chǎn)生嚴(yán)重退化，甚至失效，主要表現(xiàn)為：航天器包覆的熱控涂層變脆開裂、變色，太陽輻射吸收率增加，熱控涂層的控溫性能下降；各類非金屬絕緣材料、橡膠密封圈等內(nèi)部化學(xué)鍵斷裂，性能下降，彈性降低，變脆開裂，無法繼續(xù)維持原來的功能；太陽電池陣玻璃、攝像機(jī)鏡頭等材料透光率下降、變黑，導(dǎo)致太陽電池陣發(fā)電性能下降，攝像機(jī)拍攝的影響變暗；電子元器件性能下降，電流放大系數(shù)降低，漏電流、反向擊穿電壓、閾值電壓漂移等出現(xiàn)異常[10-14]。

電子元器件在高能帶電粒子的電離作用下，靈敏區(qū)內(nèi)產(chǎn)生大量電荷。當(dāng)轟擊集成電路的帶電粒子能量足夠大時(shí)，由于帶電粒子的電離效應(yīng)，電子元器件內(nèi)部產(chǎn)生大量的電子-空穴對(duì)，從而引起元器件的邏輯軟錯(cuò)誤，包括單粒子翻轉(zhuǎn)、單粒子閉鎖，甚至出現(xiàn)元器件永久損傷的現(xiàn)象[10-11,14-16]。

帶電粒子進(jìn)入航天器材料或電子元器件后，除通過電離作用產(chǎn)生電離總劑量效應(yīng)外，還可能以動(dòng)能碰撞的撞擊方式將電子元器件原子撞離其原來位置，產(chǎn)生內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷，從而產(chǎn)生相應(yīng)的內(nèi)部損傷，稱為位移損傷效應(yīng)。對(duì)位移損傷比較敏感的一般是光學(xué)耦合器件，主要包括航天器太陽電池陣、光纖等。在位移損傷作用下，航天器太陽電池陣可出現(xiàn)短路電流SC和開路電壓OC下降，從而其發(fā)電性能退化，輸出功率下降[14-18]。

復(fù)雜的空間環(huán)境將會(huì)對(duì)航天器在軌執(zhí)行任務(wù)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，這些不同的環(huán)境因素將不僅單獨(dú)對(duì)航天器產(chǎn)生損傷作用，還可能誘發(fā)次生環(huán)境，對(duì)航天器造成次生損傷。有的環(huán)境幾種效應(yīng)有互相增強(qiáng)的效應(yīng)，帶電粒子輻射環(huán)境可與紫外、原子氧、等離子體等存在協(xié)同效應(yīng)[10,19]。同時(shí)空間輻射環(huán)境中的電子、質(zhì)子與重離子間也可能存在協(xié)同效應(yīng)，我們不僅要關(guān)注空間輻射環(huán)境本身對(duì)可重復(fù)使用航天器的影響，還要關(guān)注空間輻射環(huán)境與其他環(huán)境因素的協(xié)同效應(yīng)和空間輻射環(huán)境本身不同效應(yīng)之間的增強(qiáng)效應(yīng)對(duì)可重復(fù)使用航天器的影響[19]。

3 輻射效應(yīng)評(píng)價(jià)面臨的問題

傳統(tǒng)一次性使用的航天器，例如衛(wèi)星，在軌期間的壽命就是任務(wù)周期，軌道剖面和任務(wù)周期已經(jīng)確定，在進(jìn)行衛(wèi)星研制過程中只需考慮固定的軌道剖面和任務(wù)周期內(nèi)輻射效應(yīng)對(duì)衛(wèi)星各單機(jī)設(shè)備產(chǎn)生的影響。對(duì)于像總劑量效應(yīng)這種具有長(zhǎng)時(shí)間累積特點(diǎn)的輻射效應(yīng)來說，在衛(wèi)星研制過程中根據(jù)衛(wèi)星軌道剖面和任務(wù)周期等要素，利用已有的空間輻射環(huán)境模型，計(jì)算分析出衛(wèi)星在軌期間接受的總劑量值，根據(jù)帶電粒子與物質(zhì)相互作用的規(guī)律，給出劑量-深度曲線，依據(jù)劑量-深度曲線開展元器件篩選和地面模擬試驗(yàn)及評(píng)價(jià)，并確定防護(hù)措施，確保衛(wèi)星在軌高可靠、長(zhǎng)壽命。對(duì)于單粒子效應(yīng)這種瞬間效應(yīng)來說，根據(jù)衛(wèi)星軌道剖面和任務(wù)周期可確定衛(wèi)星在軌遭遇的帶電粒子能譜，對(duì)元器件、電路等進(jìn)行地面模擬試驗(yàn)，確定抗輻射加固措施[20-21]。

可重復(fù)使用航天器輻射效應(yīng)評(píng)價(jià)在某些方面的工作類似于衛(wèi)星，但可重復(fù)使用航天器相比衛(wèi)星具有多次重復(fù)使用的特點(diǎn)。每次任務(wù)返回地面后，經(jīng)過相應(yīng)的檢測(cè)維護(hù)，隨后開展下一次任務(wù)，因此不能完全按照衛(wèi)星的模式來進(jìn)行輻射效應(yīng)評(píng)價(jià)和抗輻射加固設(shè)計(jì)。可重復(fù)使用航天器相比傳統(tǒng)一次性使用航天器在輻射效應(yīng)評(píng)價(jià)方面主要面臨如下問題。

1）可重復(fù)使用航天器元器件退火效應(yīng)研究及工程化。傳統(tǒng)一次性使用的航天器針對(duì)一次任務(wù)開展輻射效應(yīng)防護(hù)，在輻射環(huán)境惡劣、任務(wù)周期長(zhǎng)的飛行任務(wù)中，往往需要選擇抗輻射等級(jí)較高的元器件。這些元器件的價(jià)格往往很昂貴，而且在對(duì)航天器開展大量的輻射效應(yīng)防護(hù)工作時(shí)，由于采取屏蔽措施還會(huì)造成航天器質(zhì)量的增加，擠占寶貴的發(fā)射載荷?？芍貜?fù)使用航天器每次任務(wù)后都可以返回地面進(jìn)行維護(hù)，單機(jī)元器件在軌期間遭遇的輻射效應(yīng)，返回地面后會(huì)出現(xiàn)不同程度的退火效應(yīng)[22-23]，性能有一定的恢復(fù)。因此在元器件退火效應(yīng)的前提下，航天器多次重復(fù)使用的累計(jì)使用壽命應(yīng)比單次持續(xù)使用情況下要長(zhǎng)得多?？紤]退火效應(yīng)后，在航天器研制過程中可以節(jié)約用于輻射效應(yīng)屏蔽的額外的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，對(duì)航天器經(jīng)濟(jì)性有很大益處，因此深入開展各類元器件性能退化規(guī)律和退火效應(yīng)的研究對(duì)于可重復(fù)使用航天器具有重要的價(jià)值。然而，近年來，國(guó)內(nèi)外針對(duì)元器件在不同輻射環(huán)境下的變化規(guī)律與損傷特性已進(jìn)行了較多研究，但很多工作僅局限于器件在某一偏置下對(duì)不同劑量率或不同輻照環(huán)境中輻照響應(yīng)規(guī)律和退火特性的探討，元器件受輻照后的退火特性與器件類型、輻照劑量、偏置條件以及退火溫度等都有一定關(guān)系[11,22-23]，現(xiàn)階段的研究與宇航需求尚有一定差距，不能滿足航天器工程化要求。

2）地面模擬試驗(yàn)設(shè)施及評(píng)價(jià)技術(shù)?？臻g中不同的環(huán)境具有一定的協(xié)同效應(yīng)，不同空間環(huán)境及效應(yīng)是相互作用的，這些環(huán)境往往有相互增強(qiáng)的效應(yīng)[10,11-12]。例如航天器表面熱控材料在太陽電磁輻射環(huán)境因素與帶電粒子輻射環(huán)境因素的綜合作用下，其性能將發(fā)生較大幅度的退化，甚至失效。不同的輻射環(huán)境效應(yīng)也存在一定的協(xié)同效應(yīng)，例如當(dāng)元器件在軌接受的總劑量達(dá)到一定程度時(shí)，元器件將更容易產(chǎn)生單粒子效應(yīng)。因此不能單獨(dú)只研究某一種環(huán)境因素對(duì)航天器電子元器件的影響，需要研究多環(huán)境因素共同作用下引起的協(xié)同效應(yīng)對(duì)航天器的影響，從根本上改進(jìn)地面空間環(huán)境模擬的試驗(yàn)方法與試驗(yàn)技術(shù)，從而提高航天器環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)試驗(yàn)的有效性和準(zhǔn)確性，還要加強(qiáng)環(huán)境效應(yīng)研究和環(huán)境預(yù)示工作，制定更合理的試驗(yàn)條件。

3）地面檢測(cè)維護(hù)及評(píng)價(jià)?？芍貜?fù)使用航天器在軌完成任務(wù)后返回地面，需要進(jìn)行必要的檢測(cè)和維護(hù)，更換必要的設(shè)備和一次性組件，并經(jīng)過嚴(yán)格的評(píng)估，具備再次執(zhí)行在軌任務(wù)的能力?，F(xiàn)在面臨的問題是航天器返回后針對(duì)輻射損傷效應(yīng)如何進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)流程如何，檢測(cè)項(xiàng)目有哪些，如何根據(jù)檢測(cè)結(jié)果評(píng)估航天器再次執(zhí)行航天任務(wù)的能力。

4）可重復(fù)使用航天器抗輻射設(shè)計(jì)規(guī)范。航天器抗輻射加固設(shè)計(jì)規(guī)范是保障航天器順利進(jìn)行地面設(shè)計(jì)研制生產(chǎn)必不可少的重要舉措。我國(guó)多年的航天器抗輻射加固設(shè)計(jì)及研究形成了很多相關(guān)的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，這些方法和經(jīng)驗(yàn)有的己經(jīng)固化為文字規(guī)范，有的仍然存在于設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和零散設(shè)計(jì)文件中。這些基本都是圍繞一次性使用的航天器形成的，目前針對(duì)可重復(fù)使用航天器的相關(guān)抗輻射設(shè)計(jì)、地面模擬及評(píng)價(jià)規(guī)范等都很少，而且有些針對(duì)一次性使用航天器抗輻射設(shè)計(jì)規(guī)范的有效性和可操作性也沒有得到真正解決[24-25]。

4 解決途徑

針對(duì)以上分析的可重復(fù)使用航天器輻射效應(yīng)評(píng)價(jià)和抗輻射設(shè)計(jì)面臨的問題，筆者對(duì)相應(yīng)的解決途徑進(jìn)行了探討和思考，具體如下：

1）深入開展元器件空間環(huán)境效應(yīng)及退火效應(yīng)機(jī)理研究，提出適合可重復(fù)使用航天器的指標(biāo)和評(píng)價(jià)體系?？臻g輻射效應(yīng)的機(jī)理是開展空間輻射效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)和在軌性能退化與故障分析的前提，尤其是電子元器件和半導(dǎo)體器件的空間輻射損傷機(jī)理比較復(fù)雜，而可重復(fù)使用航天器多次進(jìn)出空間輻射環(huán)境，重復(fù)遭遇空間輻射環(huán)境，對(duì)于元器件的輻射效應(yīng)損傷和退火效應(yīng)要考慮的因素更多，情況更復(fù)雜。雖然針對(duì)元器件空間輻射效應(yīng)機(jī)理已經(jīng)開展了大量的研究，并且取得了大量顯著的研究成果，但是其中的很多損傷機(jī)理還沒有研究清楚，特別是元器件輻射損傷退火效應(yīng)，元器件退火特性與器件類型、輻照劑量、偏置條件以及退火溫度等都有一定關(guān)系，機(jī)理比較復(fù)雜，深入開展各類元器件性能退化規(guī)律和退火效應(yīng)的研究對(duì)于可重復(fù)使用航天器具有重要的價(jià)值。因此航天工業(yè)部門與微電子器件輻射效應(yīng)研究機(jī)構(gòu)緊密結(jié)合，開展攻關(guān)研究，提出適用于可重復(fù)使用航天器的輻射效應(yīng)指標(biāo)體系，便于可重復(fù)使用航天器型號(hào)設(shè)計(jì)師開展航天器抗輻射設(shè)計(jì)[25]。

2）搭建多功能的綜合環(huán)境效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)裝置，加強(qiáng)多因素環(huán)境協(xié)同效應(yīng)機(jī)理研究，建立空間多因素環(huán)境協(xié)同效應(yīng)試驗(yàn)方法。首先針對(duì)可重復(fù)使用航天器多次重復(fù)使用的特點(diǎn)，利用地面模擬設(shè)備研究電子元器件多次進(jìn)出空間輻射環(huán)境后的恢復(fù)效應(yīng)，研究輻照劑量、輻照次數(shù)與性能恢復(fù)程度的關(guān)系，建立元器件壽命預(yù)示模型，指導(dǎo)可重復(fù)使用航天器抗輻射設(shè)計(jì)和可重復(fù)使用航天器返回地面后的地面檢測(cè)維護(hù)和再次任務(wù)能力評(píng)估。開展空間多因素環(huán)境協(xié)同效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)首先需要能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)多種空間環(huán)境因素及效應(yīng)地面模擬的試驗(yàn)裝置，因此需要搭建可同時(shí)實(shí)現(xiàn)電子和質(zhì)子、太陽紫外、空間碎片、原子氧、空間等離子體、真空等多種環(huán)境因素綜合的地面模擬試驗(yàn)裝置。針對(duì)不同的材料和器件，空間環(huán)境對(duì)航天器的協(xié)同效應(yīng)產(chǎn)生的損傷機(jī)理是不同的，因此應(yīng)該對(duì)不同效應(yīng)機(jī)理進(jìn)行充分和深入研究，從而對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果能正確判讀。為了提高空間環(huán)境多因素協(xié)同效應(yīng)研究的有效性和準(zhǔn)確性，需要建立空間環(huán)境多因素環(huán)境協(xié)同效應(yīng)試驗(yàn)方法[19]。

3）開展空間環(huán)境多因素協(xié)同效應(yīng)仿真，加強(qiáng)可重復(fù)使用航天器輻射效應(yīng)預(yù)示方法的深入研究。一般情況下，地面模擬試驗(yàn)都是加速試驗(yàn)，很難實(shí)現(xiàn)航天器全壽命周期的模擬試驗(yàn)，而且如果進(jìn)行全壽命周期模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)成本也會(huì)非常高昂。因此基于航天器空間環(huán)境效應(yīng)性能退化機(jī)理和相關(guān)模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，可建立可重復(fù)使用航天器敏感器件的多環(huán)境因素性能退化預(yù)示模型，以對(duì)其在軌性能和剩余性能進(jìn)行仿真預(yù)示，對(duì)航天器返回地面后的損傷程度和再次執(zhí)行在軌任務(wù)的性能進(jìn)行評(píng)估，從而在一定程度上降低航天器地面維護(hù)和試驗(yàn)評(píng)價(jià)的費(fèi)用，提高航天器經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)語

可重復(fù)使用航天器必將成為未來航天技術(shù)發(fā)展的重要方向，相對(duì)于非重復(fù)使用的航天器，可重復(fù)使用航天器多次天地往返重復(fù)使用的特點(diǎn)給航天器的抗輻射加固設(shè)計(jì)和輻射效應(yīng)評(píng)價(jià)帶來了更多的新問題。文中分析了可重復(fù)使用航天器在軌遭遇的輻射環(huán)境及其效應(yīng)，對(duì)其面臨的輻射效應(yīng)評(píng)價(jià)問題和解決途徑進(jìn)行了探討和思考，并呼吁航天工業(yè)部門與微電子器件輻射效應(yīng)研究機(jī)構(gòu)緊密結(jié)合，開展可重復(fù)使用航天器輻射效應(yīng)評(píng)價(jià)和抗輻射設(shè)計(jì)研究。

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Key Problems and Solutions for Evaluation of Space Radiation Effects of Reusable Spacecraft

HAN Jin-peng, GAO Zhu-xiu

(China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing 100076, China)

Reusable spacecraft and its application requirements were introduced. The space radiation environment encountered by the reusable spacecraft and the effects were analyzed. The problems of space radiation effect evaluation of reusable spacecraft existing in the research and engineering of annealing effect of components, ground simulation test facilities and evaluation technology, ground inspection, maintenance and evaluation, radiation resistance design specifications were discussed and the solutions thereto were proposed, such as an in-depth research was carried out on the mechanism of space environmental effect and annealing effect of components and the index and evaluation system suitable for the reusable spacecraft was given; a multi-functional ground simulation test device for integrated environmental effects was built, the research on the mechanism of multi-factor environmental synergistic effect was strengthened, and a test method for spatial multi-factor environmental synergistic effect was established; the multi-factor synergistic effects of space environment were simulated and the in-depth research on radiation effect prediction methods of reusable spacecraft was conducted.

reusable; space radiation environment; total ionization dose; single particle

2019-07-18；

2019-09-11

10.7643/ issn.1672-9242.2020.03.004

V416

A

1672-9242(2020)03-0021-06

2019-07-18；

2019-09-11

國(guó)家自然科學(xué)基金（41604142）

Fund：The National Natural Science Foundation of China (41604142)

韓金鵬（1986—），男，山東人，博士，工程師，主要研究方向?yàn)楹教炱骺臻g環(huán)境及防護(hù)總體設(shè)計(jì)。

HAN Jin-peng (1986—), Male, from Shandong, Ph. D., Engineer, Research focus: overall design of spacecraft environment and protection.