曹喜濱，路同山

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001；2.上海衛(wèi)星裝備研究所，上海 200240；3.上?？臻g環(huán)境模擬與驗證工程技術(shù)研究中心，上海 200240）

0 引言

空間軌道決定了衛(wèi)星載荷功能實現(xiàn)、探測幾何位置、壽命設(shè)計基線、運載發(fā)射成本等?，F(xiàn)階段各國通信導(dǎo)航、氣象資源、軍事偵察等衛(wèi)星主要運行在低地球軌道（Low Earth Orbit，LEO）、太陽同步軌道（Sun Synchronous Orbit，SSO）、地球同步軌道（Geosynchronous Earth Orbit，GEO）、中地球軌道（Middle Earth Orbit，MEO）等，基本實現(xiàn)了衛(wèi)星系列化運行，支撐國民經(jīng)濟、人民生活、軍事戰(zhàn)略等應(yīng)用需求，能力也不斷發(fā)展提升。

隨著衛(wèi)星定點觀測、快速重訪、星鏈通信、空間攻防、科學(xué)探索等方面應(yīng)用需求的日益多樣化，衛(wèi)星應(yīng)用向多軌道組網(wǎng)體系化、偵察對抗戰(zhàn)術(shù)化發(fā)展，各航天大國對空間軌道資源的挖掘與拓展不斷加強。超低軌道、橢圓軌道、7 000～8 500 km 中軌道、墳?zāi)管壍?、拉格朗日點軌道等，具有特別的位置優(yōu)勢，逐漸成為各國關(guān)注的重點。目前空間主要軌道分布情況如圖1 所示。

圖1 空間主要軌道分布示意圖Fig.1 Distribution diagram of major orbits in space

1996 年，美國國家航空航天局（NASA）統(tǒng)計了由空間環(huán)境因素導(dǎo)致的衛(wèi)星在軌故障，如圖2 所示［1］，分析了113 顆衛(wèi)星出現(xiàn)異常和失效的案例，結(jié)果表明空間粒子輻射、等離子體、空間碎片等空間特殊環(huán)境是導(dǎo)致衛(wèi)星故障的重要因素。2001 年，美國宇航公司統(tǒng)計了由空間環(huán)境效應(yīng)造成的298 顆衛(wèi)星在軌故障原因，如圖3 所示［2］，可以看出，空間特殊環(huán)境帶來的單粒子效應(yīng)、充放電效應(yīng)等造成的衛(wèi)星故障已超過環(huán)境誘發(fā)故障總數(shù)的75%。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，人類對空間特殊環(huán)境效應(yīng)的認知不斷深入，通過采取各種防護措施，空間環(huán)境因素引發(fā)的型號在軌故障數(shù)量逐年下降，已逐漸形成較為成熟的空間環(huán)境地面模擬試驗方法，建立了相對完整的設(shè)備體系，完善了相關(guān)標準與規(guī)范，基本滿足了型號研制的需求。

圖2 空間環(huán)境因素引發(fā)的衛(wèi)星在軌故障原因統(tǒng)計［1］Fig.2 In-orbit fault statistics of spacecrafts caused by space environment factors［1］

圖3 空間環(huán)境效應(yīng)造成的衛(wèi)星在軌異常原因分布統(tǒng)計［2］Fig.3 Statistics of spacecraft in-orbit anomalies caused by space environment effects［2］

隨著衛(wèi)星運行軌道多元化發(fā)展，超低軌道、橢圓軌道、7 000～8 500 km 中軌道等應(yīng)用的開啟，由空間環(huán)境引發(fā)的在軌故障與異常又重新成為各國的研究熱點。2003 和2004 年，我國分別發(fā)射了與歐洲航天局合作的探測一號（TC-1）和探測二號（TC-2）橢圓軌道試驗衛(wèi)星，發(fā)射后2 顆衛(wèi)星均出現(xiàn)磁強計（Fluxgate Magnetometer，F(xiàn)GM）復(fù)位以及遠程終端（Remote Terminal，RT）中斷，經(jīng)初步分析認為是橢圓軌道環(huán)境誘發(fā)充放電效應(yīng)造成的衛(wèi)星器件異常［3］。2013 年，歐洲衛(wèi)星公司（SES）發(fā)射了位于8 062 km 中軌道的O3b（other 3 billion）星座［4-5］，首批發(fā)射的4 顆衛(wèi)星入軌后有2 顆出現(xiàn)了供電分系統(tǒng)、頻率發(fā)生器單元等故障。目前，對這些軌道環(huán)境因素及其與衛(wèi)星作用機理和規(guī)律的認識還不夠系統(tǒng)與深入。本文針對5 類典型軌道開展了主要特征環(huán)境效應(yīng)及對在軌衛(wèi)星影響分析，并對后續(xù)發(fā)展提出了建議。

1 超低軌道環(huán)境因素分析及對衛(wèi)星的影響

1.1 主要環(huán)境特征

超低軌道高度約為120～300 km，具有快速響應(yīng)、多星組網(wǎng)、低發(fā)射成本和高觀測精度等特點，在高分辨率對地遙感觀測方面優(yōu)勢巨大，主要用于監(jiān)測地區(qū)沖突、地震洪水等突發(fā)性事件或自然災(zāi)害［6］。蘇聯(lián)從20 世紀70 年代即開始研制部署超低軌道衛(wèi)星，但是早期的超低軌道衛(wèi)星壽命普遍較短，只能進行短期對地觀測、空間科學(xué)任務(wù)，因此，軌道應(yīng)用發(fā)展緩慢。研究發(fā)現(xiàn)，高通量原子氧以及中性大氣是導(dǎo)致早期超低軌衛(wèi)星壽命短暫的主要原因［7-9］。近年來，隨著軍事快響、組網(wǎng)偵察的需要，各國開始重新重視超低軌道的利用。為保證該軌道衛(wèi)星的高可靠服役和壽命，美國地球觀測者公司（EOI）借助其早期的超低軌試驗衛(wèi)星驗證了原子氧防護、超低軌保持等技術(shù)，于2020 年正式啟動了超低地球軌道衛(wèi)星星座計劃。2017 年日本宇宙航空開發(fā)機構(gòu)（JAXA）開展了為期2 年的超低軌衛(wèi)星試驗，獲取了超低軌原子氧密度、大氣密度等在軌數(shù)據(jù)［10-11］，并研究了13 種材料的原子氧剝蝕效應(yīng)。我國也已經(jīng)啟動了超低軌道衛(wèi)星的論證與研制。

本文利用NASA 的NRLMSISE-00 模型，分別對100～500 km 空間高度范圍內(nèi)原子氧通量、中性大氣密度分布進行仿真計算，如圖4 和圖5 所示。由圖可見，隨著軌道高度的降低，原子氧通量和中性大氣組分密度呈上升趨勢。200 km 高度原子氧通量約為2.75×1015atoms/（cm2·s），與400 km 高度（國際空間站軌道）相比高2 個數(shù)量級；200 km 高度N2、O2等成分密度約為108～1010cm?3，較400 km 高度（國際空間站軌道）高3～4 個數(shù)量級。

圖4 100～500 km 空間原子氧通量與高度關(guān)系Fig.4 Relationship of atomic oxygen flux and altitude in space within the range from 100 km to 500 km

圖5 100～500 km 不同大氣組分密度與高度關(guān)系Fig.5 Relationship of atmosphere density and altitude in space within the range from 100 km to 500 km

1.2 環(huán)境效應(yīng)及影響分析

原子氧剝蝕效應(yīng)：當(dāng)衛(wèi)星在軌運行時，其表面與空間原子氧高速碰撞，造成星表材料出現(xiàn)剝蝕、開裂甚至脫落等問題，引起熱控涂層、太陽能電池陣絕緣材料、光學(xué)載荷鏡頭等的性能退化或失效［12-13］。

本文針對星表常用的聚酰亞胺（Kapton）薄膜進行了原子氧侵蝕地面模擬試驗，結(jié)果如圖6 所示。由圖可見，質(zhì)量損失隨著原子氧累積通量的升高而增加，并且接近線性關(guān)系。由于200 km 軌道高度原子氧累積通量比400 km 高2 個數(shù)量級（如圖4 所示），因此，200 km 高度的Kapton 薄膜質(zhì)量損失將遠高于400 km 軌道高度。400 km 軌道高度（國際空間站軌道）太陽能電池表面絕緣材料聚酰亞胺的在軌原子氧侵蝕情況如圖7 所示［14］。可以預(yù)見，超低軌衛(wèi)星在軌的原子氧剝蝕效應(yīng)將更為嚴重，是首要破壞因素。

圖6 衛(wèi)星常用Kapton 薄膜原子氧侵蝕質(zhì)損曲線Fig.6 Atomic oxygen erosion mass loss curve of the typical Kapton film commonly used on satellites

圖7 空間站太陽能電池陣表面聚酰亞胺原子氧侵蝕情況［14］Fig.7 Atomic-oxygen erosion of the Kapton blanket cover on the photovoltaic arrays surface of International Space Station［14］

大氣攝動與衰減效應(yīng)：大氣造成的衛(wèi)星軌道攝動與衰減同樣是超低軌道衛(wèi)星面臨的環(huán)境效應(yīng)之一［15-16］。200 km 超低軌道衛(wèi)星的軌道高度受大氣影響而產(chǎn)生的衰減情況如圖8 所示。若不進行軌道維持，在半個軌道周期內(nèi)大氣阻力可使軌道衰減約1.2 km。在設(shè)計壽命為50 d 的情況下，為維持軌道位置，需要額外燃料約173 kg，表明軌道攝動與衰減效應(yīng)對衛(wèi)星攜帶燃料影響很大［17］。

圖8 200 km 軌道衛(wèi)星高度受大氣影響的衰減情況［17］Fig.8 Orbit attenuation of satellite affected by atmosphere at the altitude of 200 km［17］

1.3 地面環(huán)境模擬試驗

目前，美國、加拿大等主要采用激光誘發(fā)原子氧源模擬裝置進行原子氧試驗，原子氧純度最高可達99%以上。與國外相比，我國在高品質(zhì)原子氧源研制方面還存在差距，原子氧設(shè)備主要采用微波電離原子氧源模擬裝置，原子氧純度一般在95%左右。

現(xiàn)有原子氧試驗標準（ASTM E2089—00、QJ 20285—2014）規(guī)定的地面模擬原子氧試驗加速倍數(shù)在1 000 倍左右。而超低軌道原子氧通量較LEO軌道約高2 個數(shù)量級，地面模擬試驗加速倍數(shù)需要達到10 萬倍左右，目前高加速試驗因子下原子氧侵蝕機理尚不清晰，等效加速試驗方法有待研究和建立。

2 橢圓軌道環(huán)境因素分析及對衛(wèi)星的影響

2.1 主要環(huán)境特征

橢圓軌道一般遠地點高至36 000 km、近地點低至400 km，具有監(jiān)視范圍廣、探測視場大、跟蹤持續(xù)性強等優(yōu)勢，已成為軍事偵察衛(wèi)星重點部署軌道。橢圓軌道衛(wèi)星在運行過程中頻繁穿越地球輻射帶（如圖9 所示），衛(wèi)星經(jīng)歷的輻射帶粒子環(huán)境呈現(xiàn)周期性變化。1960 年，蘇聯(lián)發(fā)射了閃電型通信衛(wèi)星，其軌道傾角達到63.4°，開啟了橢圓軌道的開發(fā)應(yīng)用，然而早期衛(wèi)星設(shè)計壽命僅1～2 a［18］。1990 年，美國專門發(fā)射了一顆名為“釋放與輻射綜合效應(yīng)”的試驗衛(wèi)星（Combined Release and Radiation Effects Satellite，CRRES），通過搭載的電子譜儀（Medium Electron Sensor A，MEA）、內(nèi)部放電測試儀器（Internal Discharge Monitor，IDM）探測了軌道電子環(huán)境并對內(nèi)部充放電進行測量，驗證了空間電子輻射環(huán)境引起的內(nèi)部充放電效應(yīng)，為其橢圓軌道導(dǎo)彈預(yù)警體系的部署提供了支撐。隨著我國對橢圓軌道應(yīng)用研究的深入，在其環(huán)境效應(yīng)方面也取得了一些研究成果［19-20］。

圖9 衛(wèi)星橢圓軌道穿越地球輻射帶示意圖Fig.9 Schematic diagram of elliptical orbital satellite passing through the earth radiation belt

本文利用ESA 的FLUMIC 模型［21］及NASA 的AP8 模型［22-23］，分別仿真分析了橢圓軌道衛(wèi)星在一個軌道周期（12 h）內(nèi)運行時的電子及質(zhì)子積分通量，計算結(jié)果如圖10 和圖11 所示?？梢钥闯?，橢圓軌道衛(wèi)星在1 個軌道周期（12 h）內(nèi)2 次穿越內(nèi)、外輻射帶區(qū)域。橢圓軌道衛(wèi)星經(jīng)過外輻射帶中心區(qū)域時，能量大于0.2 MeV 的高能電子積分通量達到峰值3.23×107cm?2·s?1·sr?1，比GEO軌道高10倍左右，平均電子通量也達到GEO 軌道的1.2 倍；當(dāng)其經(jīng)過內(nèi)輻射帶中心區(qū)域時，能量大于20 MeV 的高能質(zhì)子積分通量達到峰值5.40×103cm?2·s?1，平均質(zhì)子通量與800 km 高度SSO 軌道接近。由此可見，衛(wèi)星在橢圓軌道運行時反復(fù)穿越內(nèi)外輻射帶，經(jīng)歷的是一個典型的動態(tài)交變輻射環(huán)境，高的瞬時電子通量和高的瞬時質(zhì)子通量交替變化，造成橢圓軌道與其他軌道不同的環(huán)境效應(yīng)。

圖10 橢圓軌道及GEO 軌道1 周期內(nèi)電子積分通量（E＞0.2 MeV）與時間關(guān)系圖Fig.10 Electron integrated flux（E>0.2 MeV）of elliptical orbit and GEO during 1 period

圖11 橢圓軌道及SSO 軌道1 周期內(nèi)質(zhì)子積分通量（E＞20 MeV）與時間關(guān)系圖Fig.11 Proton integrated flux（E>20 MeV）of elliptical orbit and SSO during 1 period

2.2 環(huán)境效應(yīng)及影響分析

深層充放電效應(yīng)：通常認為空間高能電子穿透衛(wèi)星表層，在衛(wèi)星的PCB 介質(zhì)板、接插件絕緣體等介質(zhì)材料內(nèi)部沉積并建立電場，當(dāng)電場增大并超過介質(zhì)材料的擊穿閾值時，將會誘發(fā)靜電放電（Electrostatic Discharge，ESD），對衛(wèi)星內(nèi)部電子產(chǎn)品產(chǎn)生影響［24-25］。

本文以衛(wèi)星常用聚四氟乙烯（Poly Tetra Fluoroethylene，PTFE）介質(zhì)材料為研究對象，采用交替、恒定的電子束流密度分別進行輻照放電試驗。以 6×107cm?2·s?1束流密度輻照2 h 和關(guān)閉束流后靜置4 h 交替的形式模擬動態(tài)電子輻照環(huán)境；以2×107cm?2·s?1束流密度連續(xù)輻照模擬恒定電子輻照環(huán)境，該束流密度為交替輻照的平均電子束流密度。試驗結(jié)果分別如圖12 和圖13 所示。

圖12 聚四氟乙烯在交替電子束流密度下充放電情況Fig.12 Charging and discharging of PTFE under dynamic beam current

圖13 聚四氟乙烯在恒定電子束流密度下介質(zhì)充放電情況（束流密度2×107 cm?2·s?1）Fig.13 Charging and discharging of PTFE under constant beam current（2×107 cm?2·s?1）

由圖12 可見，交替電子束流輻照條件下，介質(zhì)表面電位隨循環(huán)次數(shù)增加交替升高，到第3 個循環(huán)周期時，在13.9 h 出現(xiàn)了放電脈沖。由圖13 可見，恒定電子束流輻照條件下，介質(zhì)表面電位持續(xù)上升，當(dāng)輻照進行到21.1 h 出現(xiàn)放電脈沖。圖中表明：在平均通量相同的情況下介質(zhì)在交替電子輻照環(huán)境下相對于恒定環(huán)境更易產(chǎn)生充放電，這可能是由于聚四氟乙烯在第一次短時高電子束流密度輻照下，介質(zhì)被充電造成表面電位升高，介質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)、微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化；隨后的第2 次短時高電子束流密度輻照，充電進一步加劇了這些變化，介質(zhì)表面電位仍呈現(xiàn)升高趨勢；直到第3 次短時高電子束流輻照，介質(zhì)的化學(xué)鍵產(chǎn)生斷裂，出現(xiàn)開裂等損傷缺陷，表面電位持續(xù)升高到一定程度時產(chǎn)生放電。然而，在平均束流密度恒定輻照環(huán)境下，介質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)、微觀結(jié)構(gòu)變化是逐漸累積遞增的，當(dāng)表面電位升高至放電閾值時產(chǎn)生放電。由于橢圓軌道環(huán)境下介質(zhì)的深層充放電的影響因素非常復(fù)雜，對介質(zhì)材料的深層充放電評估難度較大，需要深入研究該軌道交替電子輻照環(huán)境下充放電機理與試驗方法。

2.3 地面環(huán)境模擬試驗

目前，深層充放電試驗設(shè)備主要采用能量范圍0.5～2.0 MeV 的高能電子束裝置作為模擬源［26］。現(xiàn)有的深層充放電試驗標準（NASA-HDBK-4002A、QJ 20703—2018）均采用平均束流密度模擬空間電子輻照的方式，由于橢圓軌道衛(wèi)星運行時反復(fù)穿越內(nèi)外輻射帶，經(jīng)歷高的瞬時電子通量和高的瞬時質(zhì)子通量交替變化，沿用現(xiàn)有的試驗標準不能充分考核該軌道下電子產(chǎn)品等的可靠性及壽命。目前對于星上帶有孔洞、尖角等異型結(jié)構(gòu)的深層充放電效應(yīng)主要采用仿真分析的手段進行考核，相應(yīng)的NASCAP-2K、DICTAT 等國外軟件處于禁運狀態(tài)。近年來，我國自主開發(fā)的相關(guān)軟件、模型與國外相比存在一定的差距，還需要進一步深化和在軌驗證。

3 7 000～8 500 km 中軌道環(huán)境因素分析及對衛(wèi)星的影響

3.1 主要環(huán)境特征

中軌道高度通常為2 000～20 000 km，其中，7 000～8 500 km 軌道區(qū)域具有覆蓋范圍廣、通信延時較低等優(yōu)勢，已成為各航天大國競相爭奪的軌道區(qū)域。典型的衛(wèi)星星座有歐洲的O3b，其運行軌道位于8 062 km，目前已形成4 組16 顆衛(wèi)星。由于早期衛(wèi)星故障頻發(fā)，第二代O3b 衛(wèi)星采取了專門的輻射防護措施，保證服務(wù)能力。我國7 000～8 500 km中軌道應(yīng)用剛剛起步，該區(qū)域位于地球內(nèi)輻射帶邊緣，惡劣的質(zhì)子輻射環(huán)境是最顯著的環(huán)境特征，成為威脅在軌衛(wèi)星安全的重要因素。

本文利用NASA的AP8和AE8模型，選取8062km（0°傾角）中軌道參數(shù)，計算了該軌道下的質(zhì)子和電子積分通量，并與GEO、LEO、SSO 軌道進行對比，如圖14 和圖15 所示。

圖14 4 類軌道質(zhì)子積分通量對比Fig.14 Comparison of proton integrated flux of four orbits

圖15 4 類軌道電子積分通量對比Fig.15 Comparison of electron integrated flux of four orbits

由圖14 和圖15 可見，8 062 km 中軌道質(zhì)子積分通量在目前常用軌道中最高，且電子積分通量也相對較高。其中，能量0.1～50.0 MeV 質(zhì)子積分通量達到5.66×107cm?2·s?1，高于其他軌道1～4 個數(shù)量級，通常認為是8 062 km 中軌道總劑量效應(yīng)顯著的主要原因；能量大于50 MeV 質(zhì)子積分通量與SSO相近，被認為是8 062 km 中軌道單粒子效應(yīng)與SSO相當(dāng)?shù)闹饕颉?/p>

3.2 環(huán)境效應(yīng)及影響分析

總劑量效應(yīng)：空間高能質(zhì)子、電子入射到電子元器件內(nèi)部，與器件材料的原子核外電子發(fā)生電離作用產(chǎn)生額外的電荷，這些電荷的堆積，會引起較為嚴重的總劑量效應(yīng)，造成材料加速退化、器件性能衰退等問題，如熱控涂層開裂變色、MOS 器件閾電壓漂移、光電器件背景噪聲增加等。帶電粒子特別是高能質(zhì)子入射材料與器件后，除通過電離作用產(chǎn)生總劑量效應(yīng)外，還會通過非彈性碰撞的方式產(chǎn)生位移損傷，將對衛(wèi)星太陽電池、CCD 器件、光纖器件等產(chǎn)生不利影響，造成太陽電池斷路電流和開路電壓下降、CCD 暗電流增大等故障［27］。

本文利用NASA 的SHIELDOSE-2 模型計算了不同等效鋁屏蔽厚度下8 062 km 中軌道在軌1 a質(zhì)子沉積劑量，并與SSO 軌道下的相關(guān)數(shù)據(jù)進行對比，如圖16 所示。

圖16 不同屏蔽厚度下的8 062 km 與SSO 軌道質(zhì)子年沉積劑量對比Fig.16 Comparison of annual deposition dose on the medium earth orbit with the altitude of 8 062 km with SSO under different shielding thickness

由圖16可知，3 mm 等效鋁屏蔽條件下，8 062 km中軌道質(zhì)子年沉積劑量為81.1 krad，遠高于SSO 軌道0.69 krad 質(zhì)子年沉積劑量。以電子器件抗輻射指標50 krad、設(shè)計壽命8 a 為例，SSO 軌道采用3 mm 厚度等效鋁屏蔽防護可滿足抗輻射指標，而8 062 km 中軌道則需采用8 mm 以上厚度的等效鋁才滿足抗輻射指標。以SAST3000 平臺為例，屏蔽厚度從3 mm 增加至8 mm 會造成衛(wèi)星整體增重約5%（防護面積按10 m2計算）。因此，采用常規(guī)等效鋁屏蔽的方法，將會給衛(wèi)星帶來較大附加質(zhì)量問題。

為此，俄羅斯航天系統(tǒng)公司（RKS）已經(jīng)開發(fā)了組合屏蔽輻射防護涂層，防護效果是鋁的2.0～2.5倍［28］。上海衛(wèi)星裝備研究所基于帶電粒子在納米復(fù)合材料界面處極化和激發(fā)的感應(yīng)電場對入射粒子能量損失增強作用原理，研究開發(fā)了針對中軌道質(zhì)子環(huán)境的復(fù)合輻射防護薄膜，主要屏蔽指標與俄羅斯組合屏蔽輻射防護涂層相當(dāng)，防護膜的主要性能參數(shù)見表1。

表1 復(fù)合輻射防護薄膜主要性能參數(shù)Tab.1 Main performance parameters of composite radiation protective film

單粒子效應(yīng)：高能質(zhì)子和重離子是誘發(fā)單粒子效應(yīng)的主要因素，當(dāng)空間高能粒子擊中半導(dǎo)體器件的敏感節(jié)點，粒子導(dǎo)致的電離會在器件里形成一個電流脈沖，接著可能導(dǎo)致邏輯軟錯誤，發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)或燒毀等。

本文以衛(wèi)星上常用的Xilinx公司VirtexII系列100萬門FPGA為對象，利用ESA開發(fā)的SPENVIS［29］軟件進行單粒子翻轉(zhuǎn)率計算，獲得該器件在8 062 km中軌道的單粒子翻轉(zhuǎn)率為8.27×10?7次/（bi·ts），而在SSO 的翻轉(zhuǎn)率為5.90×10?7次/（bit·s）。仿真結(jié)果表明，8 062 km 軌道單粒子翻轉(zhuǎn)概率與SSO 軌道相當(dāng)，因此，8 062 km 中軌道器件抗單粒子效應(yīng)指標設(shè)計時通常參考SSO 軌道。

3.3 地面環(huán)境模擬試驗

通常認為LEO、GEO、SSO 等軌道總劑量效應(yīng)主要是以電離損傷為主（位移損傷較弱）［30］，目前材料器件總劑量效應(yīng)地面模擬試驗主要采用60Co γ 射線作為模擬源，主要是基于γ 射線對材料器件的電離損傷原理。但在7 000～8 500 km 軌道，材料器件總劑量效應(yīng)主要由高通量質(zhì)子引起，除了電離損傷外，位移損傷也不容忽視，沿用現(xiàn)有的試驗標準（MIL-STD-883、QJ 10004—2008）不能充分考核該軌道下的電子產(chǎn)品等的可靠性及壽命，模擬電離損傷、位移損傷協(xié)同作用的地面試驗設(shè)備與評估方法已成為國內(nèi)外研究熱點。

單粒子效應(yīng)模擬試驗設(shè)備主要采用重離子加速器作為輻照源，由重離子引起的單粒子效應(yīng)的模擬試驗方法相對成熟，已形成相應(yīng)標準（GJB 7242—2011、QJ 10005—2008）。但 在7 000～8 500 km 軌道，由質(zhì)子引起的單粒子效應(yīng)也逐漸引起關(guān)注，模擬試驗方法還不成熟，相關(guān)試驗標準正在制定中。

4 墳?zāi)管壍拉h(huán)境因素分析及對衛(wèi)星的影響

4.1 主要環(huán)境特征

墳?zāi)管壍捞幱谳^GEO 高300 km 左右的位置。墳?zāi)管壍雷畛醯膽?yīng)用主要是針對壽命末期的高軌衛(wèi)星，利用剩余燃料將衛(wèi)星推送至GEO 軌道300 km以上，以減少軌道資源占用和降低空間垃圾的不利影響。近年來，隨著在軌維護技術(shù)的發(fā)展，美國諾格公司在2020 年2 月26 日成功“復(fù)活”了“國際通信衛(wèi)星901”［31］，把它從墳?zāi)管壍缼Щ亓遂o止軌道。因此，墳?zāi)管壍啦粌H可用于存放退役衛(wèi)星，在隱蔽軍用衛(wèi)星方面也顯示出巨大潛力。這既是空間在軌維護技術(shù)的進步，也為空間攻防衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展提供了新的軌道選擇。墳?zāi)管壍赖能壍绤?shù)與GEO接近，因此，兩者環(huán)境十分接近，該軌道粒子輻射環(huán)境與GEO 軌道基本相同。

4.2 環(huán)境效應(yīng)及影響分析

由于墳?zāi)管壍拉h(huán)境與GEO 類似，故產(chǎn)生的效應(yīng)程度也相同，主要有總劑量效應(yīng)、充放電效應(yīng)等，可參照GEO 抗輻射措施進行設(shè)計。但由于墳?zāi)管壍绤?shù)的獨特性，會發(fā)生星下點漂移。同時，隨著該軌道衛(wèi)星數(shù)量的增多，其帶來的空間碎片問題不容忽視。

星下點西漂：墳?zāi)管壍栏叨容^GEO 高300 km，本文通過計算二體假設(shè)的軌道方程可獲得兩軌道的軌道周期和角速度。墳?zāi)管壍琅cGEO 軌道周期和角速度對比見表2，墳?zāi)管壍佬l(wèi)星較GEO 軌道衛(wèi)星星下點每日西漂3.82（°）/d，約94 d 后退1 圈，故墳?zāi)管壍缿?yīng)用時應(yīng)考慮衛(wèi)星星下點位置變化對其功能的影響，需采取軌道維持控制措施，保障實時位置滿足衛(wèi)星應(yīng)用需求。

表2 墳?zāi)管壍琅cGEO 軌道周期和角速度對比Tab.2 Comparisons of period and angular velocity between tomb orbit and GEO orbit

空間碎片撞擊：隨著GEO 軌道廢棄衛(wèi)星進入墳?zāi)管壍罃?shù)量的增多，墳?zāi)管壍赖目臻g碎片問題日趨嚴重?？臻g碎片撞擊衛(wèi)星會造成其太陽能電池表面損傷、電子部件受損、載荷分系統(tǒng)徹底毀壞，甚至造成衛(wèi)星解體，繼而產(chǎn)生新的碎片隱患。

4.3 地面環(huán)境模擬試驗

空間碎片撞擊地面模擬試驗主要采用氫氣炮、激光驅(qū)動碎片等方式，并形成了相關(guān)試驗標準（ISO 11227：2012、QJ 20129—2012、Q/QJA 525—2018）。氫氣炮方式驅(qū)動毫米級彈丸，速度可以達到7 km/s 左右；激光方式驅(qū)動微米級碎片，速度可達10 km/s 左右。目前針對大于厘米級空間碎片的高速撞擊等效試驗方法和設(shè)備尚未建立。

5 拉格朗日點環(huán)境因素分析及對衛(wèi)星的影響

拉格朗日點是存在于兩個天體間的5 個相對平衡點。日-地拉格朗日點（L1～L5）具有相對太陽和地球靜止的特點，如圖17 所示，其中，L1 和L2 點距離地球1.5×106km，已成為太陽觀測、天文探測、宇宙觀察等領(lǐng)域的應(yīng)用熱點。歐美已在拉格朗日點上部署了多顆科學(xué)研究衛(wèi)星，并開展空間天氣預(yù)報及天文探測活動［32-33］。

圖17 日-地系拉格朗日點示意圖Fig.17 Schematic diagram of Lagrange points in the solarearth system

拉格朗日點衛(wèi)星處于行星際空間，面對的環(huán)境主要包括太陽宇宙射線和銀河宇宙射線［34］。本文分別利用JPL模型［35-36］和CREME96模型［37-38］計算了拉格朗日點的平均太陽宇宙線及銀河宇宙線粒子能譜，結(jié)果如圖18 和圖19 所示。

圖18 拉格朗日L1 點的太陽宇宙線（Solar Cosmic Rays，SCR）質(zhì)子能譜（1 a 平均）Fig.18 Proton energy spectrum of solar cosmic rays at L1（annual mean）

圖19 拉格朗日L1 點的銀河宇宙線（Galactic Cosmic Rays，GCR）質(zhì)子能譜（1 a 平均）Fig.19 Particle energy spectra of galactic cosmic rays at L1（annual mean）

由圖18 和圖19 可以看出，拉格朗日點太陽宇宙線質(zhì)子通量達1.10×104cm?2·s?1，銀河宇宙線的質(zhì)子通量達3.55×10?1cm?2·s?1·sr?1，其次是He、O等成分。由此可見，拉格朗日點的質(zhì)子通量低于地球軌道。

太陽在爆發(fā)性活動期間會發(fā)射大量高能帶電粒子（絕大部分為質(zhì)子），稱為太陽質(zhì)子事件（Solar Proton Event，SPE）。運行于拉格朗日L1 點的SOHO 衛(wèi)星觀測到的一次太陽質(zhì)子事件期間的質(zhì)子通量變化如圖20 所示［39］。由圖可見，在太陽質(zhì)子事件期間，太陽宇宙線質(zhì)子瞬時通量在短時間內(nèi)急劇升高，比平靜期高2～4 個量級，需要采用抗輻加固措施。

圖20 太陽粒子事件期間質(zhì)子通量變化［39］Fig.20 Proton fluence of solar cosmic rays during a solar proton event［39］

6 結(jié)束語

綜上所述，衛(wèi)星在超低軌道、橢圓軌道、中軌道、墳?zāi)管壍赖鹊湫蛙壍肋\行時，將面臨高通量原子氧及中性大氣、交變電子輻射、高通量質(zhì)子、空間碎片等典型環(huán)境，容易造成衛(wèi)星表面材料剝蝕與大氣攝動、深層充放電、總劑量與單粒子、碎片撞擊損傷等效應(yīng)，對衛(wèi)星可靠性帶來嚴重影響。后續(xù)針對衛(wèi)星的空間環(huán)境試驗方法和防護措施，提出建議如下：

1）有針對性地加強地面等效模擬試驗方法研究，提升地面模擬試驗綜合能力。重點針對高通量原子氧侵蝕效應(yīng)、交變電子輻射環(huán)境深層充放電效應(yīng)和高通量質(zhì)子總劑量效應(yīng)，開展等效模擬試驗方法研究，形成面向多材料、多器件體系的試驗與評估標準。同時，加強空間環(huán)境綜合模擬試驗設(shè)備研制，推進先進分析測試手段和方法在試驗評估中的利用，提升地面模擬試驗的準確性和有效性。

2）加強在軌搭載試驗驗證，建立典型材料、器件及產(chǎn)品的環(huán)境效應(yīng)數(shù)據(jù)庫。目前，我國在軌搭載驗證較為分散，尚未實施系統(tǒng)、持續(xù)的空間搭載試驗研究。衛(wèi)星典型材料、器件及產(chǎn)品的環(huán)境效應(yīng)數(shù)據(jù)庫尚不完善，數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)有效性均待提升。衛(wèi)星關(guān)鍵材料和器件的空間環(huán)境效應(yīng)評估軟件多為國外進口，自主開發(fā)的軟件系統(tǒng)較少，且缺乏在軌搭載試驗數(shù)據(jù)的驗證。

3）分類開展衛(wèi)星抗輻加固設(shè)計，重視“新材料、新技術(shù)、新方法”在抗輻射產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用。針對批產(chǎn)商業(yè)衛(wèi)星、高性能長壽命衛(wèi)星等，分類開展抗輻加固措施研究。對商業(yè)衛(wèi)星，重點在于商用器件的壽命評估；對長壽命衛(wèi)星，需綜合考慮高可靠、輕量化、低成本等多目標，加強衛(wèi)星總體和抗輻加固一體化協(xié)同設(shè)計。運用新材料、新技術(shù)、新方法開展空間粒子輻射、原子氧侵蝕、碎片撞擊等防護產(chǎn)品的開發(fā)，提升衛(wèi)星多軌道環(huán)境適應(yīng)性。