沈自才 夏 彥 楊艷斌 丁義剛 趙春晴

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

自我國第一顆人造衛(wèi)星研制成功以來，為保障航天器在軌可靠、穩(wěn)定及安全運行，人們一直持續(xù)開展航天器材料研制和結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)研究，并對保障航天器在軌安全和高可靠性發(fā)揮了重要的作用。然而，航天器在軌運行期間將遭遇來自各種空間輻射環(huán)境的嚴酷考驗，如電子、質(zhì)子、重離子、光子等，可引起航天器材料、元器件、分系統(tǒng)等的單粒子效應(yīng)、總劑量效應(yīng)、表面充放電效應(yīng)、內(nèi)帶電效應(yīng)、位移損傷效應(yīng)等，引起材料或者器件性能退化。因此，在航天器設(shè)計與研制過程中，需要加強航天器的材料選用與結(jié)構(gòu)防護設(shè)計工作，確保航天器在軌期間，不因空間輻射環(huán)境而引起故障或失效，有效提高航天器在軌的空間輻射生存能力與可靠性。目前，世界各航天大國均對航天器輻射防護材料的研制與開發(fā)投入了大量的努力，對航天器結(jié)構(gòu)設(shè)計做了大量的工作，并取得了大量有益的成果，在航天器設(shè)計上提供了巨大的幫助［1-3］。我國航天器研制面臨著嚴峻的形勢［4］，如軌道類型及軌道環(huán)境復(fù)雜；衛(wèi)星高性能、長壽命、高可靠的要求；設(shè)備小型化、輕量化、低功耗等，尤其是針對未來的空間探測任務(wù)［5］，如載人火星探測［6］等，有必要進一步加強航天器空間輻射防護材料的研制和結(jié)構(gòu)防護設(shè)計［7-9］。

本文從材料、分系統(tǒng)（或部組件）、航天器3 個不同維度，對空間輻射防護材料和防護結(jié)構(gòu)的設(shè)計原理和最新現(xiàn)狀進行介紹，以期為我國長壽命高可靠航天器的設(shè)計提供支持，也為我國航天器空間輻射防護材料與防護結(jié)構(gòu)的研制提供方向。

1 空間輻射環(huán)境及效應(yīng)

1.1 空間輻射環(huán)境

空間輻射環(huán)境包括星體俘獲輻射帶、太陽宇宙線、銀河宇宙線等。

星體俘獲輻射帶是指星體自身磁場俘獲的在星體周圍環(huán)繞的帶電粒子區(qū)域，如地球輻射帶、木星輻射帶、土星輻射帶等。地球輻射帶［10］是指被地磁場俘獲的位于地球磁層中的高能帶電粒子區(qū)域，因此，也被稱為地磁俘獲輻射帶。通常，地球輻射帶分為內(nèi)輻射帶和外輻射帶。內(nèi)輻射帶位于赤道上空105～107m 的高度（0.01Re～1.5Re，Re為地球半徑），緯度邊界約為40°，強度最大的中心位置距離地球表面3×106m左右，其主要成分為質(zhì)子、電子以及少量重離子。從能量范圍講，質(zhì)子一般在幾到幾百MeV，電子一般為幾百keV。外輻射帶在赤道平面高度大約（1～6）×107m（3Re～10Re），中心位置約在（2～2.5）×107m 左右，緯度邊界約為55°～70°。外輻射帶主要由0.1～10 MeV 的高能電子和少量質(zhì)子組成，電子能量范圍為0.04～4 MeV。

太陽宇宙線主要是指太陽耀斑爆發(fā)時發(fā)射的高能質(zhì)子、電子和重核粒子流，其中絕大部分由質(zhì)子組成，能量范圍一般從10 MeV 到幾十GeV。能量在10 MeV 以下的太陽粒子稱為磁暴粒子，能量低于500 MeV 的太陽質(zhì)子事件稱為非相對論質(zhì)子事件，能量高于500 MeV的太陽宇宙線稱為相對論質(zhì)子事件。

銀河宇宙線是來自于太陽系外的帶電粒子，其特點是能量很高、通量很低。質(zhì)子占85%，α 粒子占14%，重離子占1%。銀河系宇宙粒子的能量在幾十到1014MeV之間。

1.2 空間輻射效應(yīng)

空間環(huán)境中的帶電粒子或光子作用于航天器，可誘發(fā)航天器產(chǎn)生永久性故障或暫時性損傷，包括單粒子效應(yīng)、總劑量效應(yīng)、表面充放電效應(yīng)、位移損傷效應(yīng)、內(nèi)帶電效應(yīng)等。

空間輻射環(huán)境對航天器的輻射損傷機制主要為電離和位移。電離是指入射粒子誘發(fā)材料中靶原子的電離和核外電子的激發(fā)，進而形成電子空穴對。電離可以引起器件性能退化，產(chǎn)生單粒子效應(yīng)、總劑量效應(yīng)等；而光子尤其是高能光子與聚合物材料作用，會引起聚合物材料的化學(xué)鍵斷裂或交聯(lián)，進而造成材料的物理或化學(xué)性能退化。位移是指入射粒子與材料原子相互作用并產(chǎn)生動能交換，進而靶原子離開原來位置并形成間隙原子和空位。此外，移位原子還可能與其他原子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生位移鏈。位移產(chǎn)生的間隙原子或空位一般具有較強的活性，是半導(dǎo)體材料或器件中的載流子源，或者是載流子的俘獲陷阱。

根據(jù)輻射損傷效應(yīng)的作用時間，可以分為長期效應(yīng)和瞬態(tài)效應(yīng)。長期效應(yīng)是指造成材料或器件發(fā)生性能的長期改變或退化，瞬態(tài)效應(yīng)是指在短時間內(nèi)可使材料或器件發(fā)生性能改變或退化，而很快將發(fā)生恢復(fù)或中斷的效應(yīng)［11］。如圖1所示。

圖1 輻射損傷誘導(dǎo)長期效應(yīng)和瞬態(tài)效應(yīng)關(guān)系圖Fig.1 Long effects and transient effects by radiation damage

2 空間輻射防護材料

2.1 防護原理及有效性

2.1.1 防護原理

具有一定能量的帶電粒子入射到靶物質(zhì)中時，帶電粒子與靶物質(zhì)的電子或原子核會發(fā)生庫侖作用，從進而把一部分能量轉(zhuǎn)移給靶電子或原子核從而損失能量，并最終停止，這個過程稱為慢化。帶電粒子在靶中的角度偏轉(zhuǎn)和能量損失是入射粒子與靶原子核和電子發(fā)生多種相互作用的結(jié)果。入射粒子與靶物質(zhì)的碰撞主要為帶電粒子與靶原子的核外電子或靶原子核的非彈性碰撞或彈性碰撞。

材料對空間輻射的防護與阻止本領(lǐng)和防護有效性相關(guān)。阻止本領(lǐng)是指帶電粒子通過單位路徑時的能量損失，用（-dE/dX）來表示。因此，阻止本領(lǐng)與帶電粒子的種類、能量和靶原子的性質(zhì)有關(guān)。

根據(jù)量子理論，帶電粒子在靶物質(zhì)中的電子阻止本領(lǐng)公式（Bethe-Block公式）為：

式中，(-dE/dX)ion為重帶電粒子電子阻止本領(lǐng)，E為帶電粒子能量，X為帶電粒子入射深度，m0為電子靜止質(zhì)量，N為原子密度，τ為電子動能與其靜止能量之比，Z為原子序數(shù)，β＝v/c，c是光速，v是電子速度，δ為修正系數(shù)，I為平均激發(fā)和電離勢能。

阻止本領(lǐng)的主要特點如下：（1）與入射粒子的質(zhì)量無關(guān)，而只與其速度有關(guān)；（2）與帶電粒子的電荷數(shù)的平方成正比，入射粒子速度相同時，粒子的帶電荷數(shù)越大，則其阻止本領(lǐng)越大；（3）與靶原子的序數(shù)和密度的乘積成正比，因此，原子序數(shù)高和密度大的物質(zhì)的阻止本領(lǐng)大；（4）與入射粒子的能量相關(guān)。因此，當屏蔽物質(zhì)的厚度大于帶電粒子在該物質(zhì)中的射程時，入射粒子將被阻止在物質(zhì)中。如“和平”號空間站艙體質(zhì)量厚度約為5 g/cm2，可以屏蔽70 MeV以下的質(zhì)子、10 MeV 以下的電子和300 MeV 以下的α粒子。

2.1.2 防護有效性

采用質(zhì)量屏蔽方法會帶來次級輻射，即初級空間輻射與屏蔽材料作用后產(chǎn)生的二次輻射，如反沖質(zhì)子、次級中子、韌致輻射等，而且隨著質(zhì)量厚度的增加，次級輻射的劑量貢獻也逐漸增大。例如，當質(zhì)量屏蔽小于10g/m2時，初級質(zhì)子產(chǎn)生的劑量遠大于次級質(zhì)子和次級α 粒子的劑量；當屏蔽質(zhì)量達到20 g/m2時，初級和次級質(zhì)子的劑量就大體相同了。因此，質(zhì)量屏蔽的厚度并不是越厚越好，存在輻射防護的費效比問題。

輻射防護的有效性主要是由輻射粒子在防護材料中的傳輸特性決定的，對一個輻射流密度為Φj（X，Ω，E）的粒子j，其相對傳輸方程式為線性的Boltzmann方程［12］：

式中，σj（E）是能量為E的粒子j在防護材料中Ω方向上的遷移速率，σjk（Ω，Ω'，E，E'）代表了所有的能量為E'在Ω'方向上的粒子k所產(chǎn)生的能量為E在Ω方向上的粒子j的宏觀截面。

有多種反應(yīng)可以產(chǎn)生粒子產(chǎn)物，方程式（2）中的橫截面包括所有粒子的橫截面。每種粒子類型的總橫截面σj（E）為：

式中，第1 項是指與原子電子的碰撞，第2 項是指彈性原子散射，第3 項是指原子反應(yīng)，對應(yīng)的微分橫截面是相似的。許多原子碰撞發(fā)生在物質(zhì)的厘米尺度內(nèi)，每厘米尺度上約發(fā)生103原子核庫侖彈性碰撞。

進入巨大橫截面的材料防護特性由相應(yīng)的原子橫截面與材料中每種原子類型的密度的乘積給出。通常認為，對單位質(zhì)量材料的防護來說，氫具有最好的原子特性，其原因可以歸結(jié)為：單位質(zhì)量的電子數(shù)是最大的，平均電子價鍵是最小的，每單位質(zhì)量具有最大的原子橫截面。除此以外，氫原子較易于傳遞能量給碰撞離子。簡單的氫原子并不能給輻射場提供大量數(shù)目的二次粒子，這就限制了二次輻射的形成。因此，在對航天器進行設(shè)計時，為了防護高能電子所產(chǎn)生的韌致輻射［13］，則需采用原子序數(shù)較高的材料，為了降低次級韌致輻射，其防護層應(yīng)選擇低原子序數(shù)材料。因此艙體結(jié)構(gòu)應(yīng)該選擇一種高、低原子序數(shù)材料組合的防護結(jié)構(gòu)，而結(jié)構(gòu)的外層宜采用低原子序數(shù)材料以減少韌致輻射的產(chǎn)生。同時，還需要從試驗上對防護的有效性進行驗證［14］。

2.2 質(zhì)量屏蔽防護材料

利用質(zhì)量進行輻射屏蔽是載人航天進行輻射防護的基本方法［15］。帶電粒子的能量將在穿過物質(zhì)的過程中逐漸損失，直至捕獲足夠多的電子而最終停止下來。當屏蔽材料的厚度大于帶電粒子在材料中的射程時，該粒子將被阻止在材料中。因此一定厚度的材料能夠屏蔽一定范圍能量的粒子輻射，并使該粒子的能量降低。但是，屏蔽材料厚度的增加帶來一些問題，其中主要是航天器結(jié)構(gòu)質(zhì)量的增加和次級輻射。圖2為暴露在太陽活動極小值（1977年）和太陽活動極大值（1990年）時月球表面銀河宇宙線（GCR）中4種防護材料（鋁、聚乙烯、氫納米纖維和液氫）屏蔽下的造血器官年等效吸收劑量。圖3為1989年9月太陽粒子事件（SPE）中的3種防護材料屏蔽下的吸收劑量［16］。

圖2 月球表面GCR中的4種防護材料下的吸收劑量Fig.2 Absorbed dose under four shielding materials in lunar surface GCR exposure

圖3 月球表面SPE中3種防護材料下的吸收劑量Fig.3 Absorbed dose under three shielding materials in lunar surface SPE exposure

由圖2和圖3分析可知，隨著防護厚度的增加，液氫的吸收劑量下降得最快，也就是說，在同一輻射環(huán)境下，液氫對輻射的防護效果最好。從另一個角度來講，氫含量高的材料，其防護性能更好。

圖4和表1分別給出了17 種不同材料對同一輻射環(huán)境的吸收劑量和劑量減小百分比［17］。這里，劑量減小百分比按照下式計算：

式中，ΔD單位質(zhì)量屏蔽厚度的劑量減小百分比，Din和Dout分別為屏蔽材料的入射劑量和出射劑量，t為屏蔽厚度。

由圖4和表1分析可知，隨著材料中氫元素含量的增加，其單位質(zhì)量的材料吸收劑量增加。從理論上說，液氫是最好的屏蔽材料，但實際應(yīng)用尚存在許多問題。因此，建議較好的屏蔽物質(zhì)是水，其屏蔽效能雖不如液氫，但比鋁的效能好得多。對高性能的屏蔽材料的要求是：單位質(zhì)量的電子數(shù)最大，單位質(zhì)量的核反應(yīng)截面最大，而生成次級粒子最少。美國已經(jīng)投入了大量的人力和物力進行了輻射防護新材料和新方法的研究。根據(jù)NASA的研究，聚乙烯是一種較好的輻射防護材料，因此，美國在航天員休息區(qū)提供了由聚乙烯制成的睡袋，可以為航天員在睡眠時提供一定的輻射防護。

圖4 單位質(zhì)量的不同材料對輻射劑量的吸收Fig.4 Absorbed dose of different materials in radiation environments

表1 不同材料的成分、質(zhì)量屏蔽和吸收劑量Tab.1 Components，mass shielding and absorbed dose of different materials

通過采用高質(zhì)量元素的材料可以有效屏蔽高能帶電粒子，尤其是重離子，同時也將會產(chǎn)生大量的韌致輻射。從對銀河宇宙射線的防護考慮，單位質(zhì)量厚度材料的屏蔽效能隨原子序數(shù)的降低而增加。因此，如何通過設(shè)計，采用低原子序數(shù)元素和高原子序數(shù)元素有效復(fù)合，是對空間輻射被動防護的有效途徑［18-19］。

2.3 靜電防護材料

航天器在軌運行過程中，其表面可能由于充電而引起充放電效應(yīng)。為此，需要對航天器表面材料進行防靜電處理。由于航天器外表面大部分被用于溫控的熱控涂層所覆蓋，所以可以通過提高熱控涂層的導(dǎo)電性能來達到防靜電的目的。如在鏡反射熱控涂層外表面鍍一層氧化銦錫透明導(dǎo)電薄膜、在涂料型熱控涂層中添加導(dǎo)電組分等。具有導(dǎo)電性能熱控涂層也被稱為防靜電熱控涂層。

在薄膜基熱控材料中，常用的為PI（聚酰亞胺）基和F46（聚全氟乙丙烯）基防靜電熱控涂層。ITO/PI/Al 防靜電熱控涂層是一種以PI 薄膜為基底的二次表面鏡型熱控涂層。PI 薄膜背面真空蒸發(fā)沉積鋁膜。為了抑制空間的充放電效應(yīng)，在其外面鍍透明導(dǎo)電膜，通常為ITO（氧化銦錫）。導(dǎo)電型ITO/PI/Al熱控涂層具有很低的αS/εH比，主要用于衛(wèi)星的散熱面，空間環(huán)境適應(yīng)能力較強。另一種材料是在F46薄膜的另一面鍍透明導(dǎo)電薄膜ITO，可以獲得一定的導(dǎo)電性能，從而避免電荷在熱控涂層表面的累積而發(fā)生充放電效應(yīng)。導(dǎo)電型F46 鍍銀（鍍鋁）二次表面鏡具有穩(wěn)定性較好、質(zhì)量輕、可制作成的產(chǎn)品面積大、安裝方便等優(yōu)點，從而廣泛應(yīng)用于各種航天器［20］。

漆類熱控涂層是由顏料和基料（又叫黏結(jié)劑）組成，通過涂層中的顏料對于太陽光的吸收作用和基料的紅外輻射特性，使涂層具有對光譜進行選擇的作用。在滿足熱控性能的同時，通過選用具有導(dǎo)電性能的顏料如ZnO 等來實現(xiàn)防靜電的目的。如常用的S781熱控白漆、ACR-1熱控白漆等。

2.4 抗輻射功能材料

某些航天器材料，由于其特定的在軌使用性能（如透光性能），要求其在空間輻射環(huán)境下具有較高的空間環(huán)境適應(yīng)性。以某航天器觀察窗口材料選用為例，石英玻璃具有較好的抗輻射性能，由于其脆性較高，通常在內(nèi)層采用K9玻璃作為支撐窗口。但K9玻璃在空間輻射環(huán)境效應(yīng)地面模擬試驗評價過程中，由于其抗輻射性能較差而變黑。因此，可通過選用在玻璃制造過程中，添加高原子序數(shù)的重金屬氧化物PbO、BaO、Bi2O3等或稀有金屬材料來實現(xiàn)抗輻射的目的。

3 空間輻射防護結(jié)構(gòu)

3.1 局部防護結(jié)構(gòu)

利用質(zhì)量屏蔽對航天器進行輻射防護，通常要求盡量實現(xiàn)各向均勻分布，可將航天器艙內(nèi)各種儀器、設(shè)備、燃料等物質(zhì)進行優(yōu)化布局，以獲得航天器艙內(nèi)敏感器件或航天員艙比較均勻的質(zhì)量屏蔽厚度。

然而，針對敏感器件、部組件或航天員及其敏感部位，為防范潛在的瞬態(tài)高強度空間輻射，例如太陽粒子事件，可采取局部屏蔽防護的方法，對敏感部位單獨增加屏蔽層、屏蔽艙或者應(yīng)急屏蔽室（對航天員），以實現(xiàn)在瞬態(tài)高強度環(huán)境下或者對較敏感器件的輻射屏蔽。

3.2 整星防護結(jié)構(gòu)

從輻射防護的主動性來說，可以分為被動防護和主動防護。被動防護是指采用各種材料對敏感部位進行輻射屏蔽。主動防護是指利用靜電場、等離子體、磁場等主動手段抑制高能粒子進入被保護對象。

可利用磁場或電場把帶電粒子從航天器引離，從而實現(xiàn)輻射防護［21-22］。一般防護高能質(zhì)子可用人工磁場，防護電子可用人工電場。這也是目前國際研究的熱點。空間高能帶電粒子主動防護技術(shù)主要有三大類：靜電場主動防護技術(shù)［23-25］，超導(dǎo)磁場主動防護技術(shù)［26-27］以及利用電場和磁場協(xié)同的主動防護技術(shù)［28］。NASA 很重視主動防護技術(shù)研究，早在“阿波羅”計劃研究階段，就已經(jīng)開始著手相關(guān)方法研究。2011年，根據(jù)“創(chuàng)新先進概念”（NIAC）計劃，NASA 選擇了30 項有前景的先進技術(shù)概念提案進行投資?！皯?yīng)對宇航員健康保護的巨大挑戰(zhàn)：用于深空任務(wù)的靜電主動空間輻射防護”項目名列其中。

NASA 正在研究一種利用超導(dǎo)磁體在深空太空艙周圍形成磁場的方法，當電流通過柔性材料纏繞超導(dǎo)磁帶，洛侖茲力將引起超導(dǎo)磁帶垂直擴展，進而形成包圍太空艙的大線圈，實現(xiàn)偏轉(zhuǎn)太陽耀斑質(zhì)子和銀河宇宙線的目的。通過在太空艙周圍分別部署6 個線圈，可以實現(xiàn)在太空的有源屏蔽。NASA 也在探索利用球體電場對威脅月球基地的空間輻射進行防護，初步設(shè)想在月球基地上方安裝6個充氣式導(dǎo)電球體，充電后可達到100 MV 或更高的靜電勢。英國科學(xué)家研制的超導(dǎo)磁體產(chǎn)生“電磁傘”可以實現(xiàn)月球基地的屏蔽。

美國ASRC Aerospace Corporation 開展了月球基地高能帶電粒子主動防護技術(shù)研究，提出了如圖5所示的防護方案。采用高壓靜電球，以合理的方式組合形成保護電場，阻擋高能質(zhì)子入射。該方案基本能阻擋低于一定能量（與靜電球的電位有關(guān)）的高能質(zhì)子，如圖6所示。

英國RAL Space（盧瑟福-阿普爾頓空間實驗室）開發(fā)了一種利用小型磁層防護高能帶電粒子的技術(shù)［29］，并已經(jīng)完成了基本的仿真分析與原理驗證試驗。小型磁層的基本原理是利用磁場俘獲太陽風(fēng)等離子體，在航天器周圍形成等離子體鞘層，磁場與鞘層共同作用使入射帶電粒子偏轉(zhuǎn)。這與地球磁層防護太陽風(fēng)和宇宙線的原理相似。前期仿真分析表明，小型磁層可防護MeV 級的法向入射質(zhì)子和電子。美國Duke大學(xué)Franklin Cock 等利用磁鞘的原理在航天器周圍環(huán)繞超導(dǎo)電流環(huán)實現(xiàn)對航天器的高能粒子輻射的防護。超導(dǎo)電流環(huán)的半徑為2 km，質(zhì)量為2 000 kg，電流為1 200 A，可實現(xiàn)對200 MeV 能量質(zhì)子的偏轉(zhuǎn)。如圖7［30］所示。

圖5 ASRC Aerospace Corporation 提出的靜電防護方案Fig.5 Electrostatic protection provided by ASRC Aerospace Corporation

圖6 靜電防護效能分析Fig.6 Efficiency analysis of electrostatic protection

圖7 NASA的超導(dǎo)線圈磁防護的設(shè)計方案Fig.7 The magnetic shielding design of superconducting coil by NASA

北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所已經(jīng)初步開展了超導(dǎo)線圈輻射主動防護研究，利用超導(dǎo)線圈產(chǎn)生強磁場，偏轉(zhuǎn)輻射進入磁場的帶電粒子，達到阻擋帶電粒子進入航天器內(nèi)的效果，如圖8所示。該方法是在航天器的四周放置環(huán)形支架，且每個支架中形成4組相同方向的電流，進而使線圈中間形成一個較大的磁場，而線圈外部的磁場很小［31］。

圖8 一種磁鞘設(shè)計方案Fig.8 A magnetosheath design

4 結(jié)束語

空間輻射環(huán)境對航天器在軌安全和可靠性帶來嚴重威脅，通過材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計來提高航天器的抗輻射性能一直是航天科技工作者的努力方向。

由于質(zhì)量屏蔽需要考慮初級輻射和次級輻射的綜合影響，同時，又要考慮航天載荷對結(jié)構(gòu)質(zhì)量增加的限制。因此，開發(fā)由低原子序數(shù)元素和高原子序數(shù)元素組合的復(fù)合材料，在降低航天器結(jié)構(gòu)質(zhì)量的同時，提升其抗輻射性能是航天器防護材料的重要發(fā)展方向。同時，納米技術(shù)在航天器輻射防護材料上的應(yīng)用也是一個研究的熱點。

在空間輻射防護結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，隨著未來深空探測的推進和有人參與的基地探測任務(wù)的執(zhí)行，如何實現(xiàn)對航天器的輻射防護和對整星的輻射主動防護，開發(fā)基于電場和磁場的主動防護結(jié)構(gòu)與裝置，將成為重要的發(fā)展方向。