王會(huì)斌，呼延奇，鄭 悅，王 華

（1. 中國(guó)空間技術(shù)研究院； 2. 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部； 3. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所：北京 100094）

0 引言

航天器軌道空間輻射環(huán)境不僅具有復(fù)雜的空間分布，而且隨時(shí)間不斷變化，包括空間分布位置的改變和粒子通量強(qiáng)弱程度的劇烈變化，這些變化與太陽(yáng)爆發(fā)性活動(dòng)及其引發(fā)的近地空間環(huán)境擾動(dòng)事件有關(guān)。在強(qiáng)烈的太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)期間，能量超過(guò)1 MeV/u 的重離子和大于100 keV 的電子的通量可能出現(xiàn)幾個(gè)數(shù)量級(jí)的增加，且持續(xù)時(shí)間可達(dá)幾小時(shí)到數(shù)天。在地磁暴發(fā)生后的數(shù)天內(nèi)，地球輻射帶外帶電子通量的變化可能在5 個(gè)數(shù)量級(jí)以上。另外，在強(qiáng)地磁暴發(fā)生時(shí)，地球磁層頂受到高速太陽(yáng)風(fēng)的擠壓甚至?xí)粔嚎s到地球同步軌道高度，導(dǎo)致地球同步軌道上的航天器發(fā)生磁層頂穿越事件，磁場(chǎng)方向可能發(fā)生偏轉(zhuǎn)。航天器探測(cè)數(shù)據(jù)也顯示，在太陽(yáng)爆發(fā)性活動(dòng)及其引發(fā)的地磁擾動(dòng)事件期間，地球輻射帶環(huán)境存在顯著的動(dòng)態(tài)變化，可能產(chǎn)生新的質(zhì)子帶和電子帶。

航天器空間輻射效應(yīng)是各種空間輻射環(huán)境要素與航天器上應(yīng)用的材料、電子器件、設(shè)備乃至整星等對(duì)象相互作用的結(jié)果。對(duì)于不同的航天器，其面臨的空間輻射效應(yīng)狀況不僅與實(shí)時(shí)環(huán)境、航天器軌道位置有關(guān)，還與具體元器件類型及電路特性密切相關(guān)。因此，航天器空間輻射效應(yīng)分析需要針對(duì)特定的航天器任務(wù)及其設(shè)計(jì)狀態(tài)開(kāi)展具體分析。從航天器工程研制設(shè)計(jì)的角度，我們所需關(guān)注的是對(duì)航天器產(chǎn)生不可忽略的不利影響的空間輻射環(huán)境及效應(yīng)。航天器空間輻射效應(yīng)分析工作的目標(biāo)是根據(jù)當(dāng)前對(duì)空間輻射環(huán)境基本科學(xué)規(guī)律的認(rèn)識(shí)，以及各空間輻射環(huán)境要素對(duì)航天器上的元器件或材料相互作用機(jī)理的認(rèn)識(shí)，采用各種空間輻射環(huán)境模型及輻射效應(yīng)分析軟件對(duì)相關(guān)影響進(jìn)行量化表征。

本文歸納當(dāng)前航天器總體設(shè)計(jì)中開(kāi)展的空間輻射效應(yīng)分析工作的要素、分析方法及相應(yīng)的模型工具，并結(jié)合國(guó)際上空間輻射效應(yīng)模型的最新進(jìn)展，對(duì)國(guó)內(nèi)航天器空間輻射效應(yīng)分析技術(shù)的后續(xù)發(fā)展提出建議。

1 總體設(shè)計(jì)中的輻射環(huán)境分析與建模方法

所有的航天器，只要其軌道高度在白天超過(guò)60 km 或夜間超過(guò)80 km，都將暴露在空間粒子輻射環(huán)境中?？臻g帶電粒子能譜是連續(xù)譜，低能帶電粒子與航天器表面材料相互作用并被表面收集，會(huì)改變航天器表面及其鄰域內(nèi)電場(chǎng)，產(chǎn)生表面充放電效應(yīng)，同時(shí)也會(huì)與材料相互作用導(dǎo)致材料性能退化；高能帶電粒子能穿透航天器結(jié)構(gòu)屏蔽，通過(guò)電離相互作用、非電離相互作用、核相互作用等不同的能量傳遞物理過(guò)程，將粒子自身的能量及電荷傳遞給航天器上的元器件、材料等對(duì)象，造成電離總劑量效應(yīng)、位移效應(yīng)或單粒子效應(yīng)。

圖1給出內(nèi)磁層不同值（為磁殼參數(shù)，是地球空間某點(diǎn)的磁力線與赤道面交點(diǎn)處的地心距離與地球半徑之比）高度上的典型能量的等離子體及高能帶電粒子的數(shù)密度，整體而言，空間中低能等離子體的密度遠(yuǎn)大于高能粒子的密度。

圖1 地球空間等離子體和高能帶電粒子的數(shù)密度分布[3]Fig. 1 Distributions of number density of plasma and high energy charged particles in GEO space[3]

1.1 航天器軌道輻射環(huán)境分析

航天器軌道上的高能粒子的來(lái)源包括地球輻射帶、銀河宇宙線和太陽(yáng)粒子事件，其中地球輻射帶和銀河宇宙線是時(shí)刻存在的輻射環(huán)境，而太陽(yáng)粒子事件只出現(xiàn)在太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)期間，是一種突發(fā)性的粒子輻射擾動(dòng)事件，其強(qiáng)度與太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)強(qiáng)度有關(guān)。航天器軌道上的等離子體環(huán)境也存在顯著的空間分布和時(shí)間變化特征。

對(duì)軌道空間輻射環(huán)境的量化分析依賴于各種空間輻射環(huán)境模型，包括地球輻射帶模型、太陽(yáng)粒子事件模型、銀河宇宙線模型及等離子體環(huán)境模型等。由于外來(lái)帶電粒子在地球空間中運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)受到地球磁場(chǎng)的偏轉(zhuǎn)作用，即地磁屏蔽效應(yīng)，故需要采用合理的地磁場(chǎng)屏蔽模型來(lái)分析太陽(yáng)高能粒子達(dá)到地球空間某軌道的可能性。

航天器在軌面臨的主要輻射源——地球輻射帶存在復(fù)雜的動(dòng)態(tài)變化，表現(xiàn)為時(shí)間、空間分布及粒子特性等的顯著不均勻性。圖2 為不同高度軌道在地球輻射帶中的相對(duì)位置示意，可以看出，不同軌道上捕獲粒子的通量及成分存在顯著的差異。

圖2 不同高度軌道在地球輻射帶中的相對(duì)位置Fig. 2 Relative position of orbits at different altitudes in the Earth’s radiation belt

對(duì)于同一次太陽(yáng)質(zhì)子事件，不同的航天器軌道由于其所受到的地磁場(chǎng)屏蔽作用程度不同，其遭遇的太陽(yáng)質(zhì)子通量和能譜可能存在顯著差異。圖3 給出了1989 年10 月特大太陽(yáng)質(zhì)子事件期間，在行星際空間以及GEO、MEO、SSO、LEO 等典型航天器軌道上的太陽(yáng)質(zhì)子能譜。從中可以看出：行星際空間處于地球磁層之外，沒(méi)有地球磁場(chǎng)的屏蔽作用，太陽(yáng)質(zhì)子可以不經(jīng)任何衰減地到達(dá)，因此遭遇的太陽(yáng)質(zhì)子通量最高；對(duì)于高度較高的GEO、MEO，地磁場(chǎng)強(qiáng)度比較微弱，可以提供的有效屏蔽很弱，因此太陽(yáng)質(zhì)子尤其是高能太陽(yáng)質(zhì)子較易到達(dá)此類軌道；對(duì)于高度較低、但傾角較高的SSO，由于在兩極區(qū)地球磁力線是開(kāi)放的，太陽(yáng)質(zhì)子容易沿著磁力線到達(dá)高度較低的位置，故此類軌道遭遇的太陽(yáng)質(zhì)子通量也較高；對(duì)于低高度、低傾角的LEO，由于地磁場(chǎng)可以提供很好的屏蔽作用，大部分太陽(yáng)質(zhì)子被地磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)向兩極，故此類軌道受太陽(yáng)質(zhì)子事件的影響很小，甚至不受影響。

圖3 行星際空間及典型航天器軌道的太陽(yáng)質(zhì)子能譜Fig. 3 Solar proton spectra in interplanetary space and typical spacecraft orbits

地球磁尾熱等離子體（能量大于100 eV 的等離子體）注入現(xiàn)象是指磁層亞暴期間磁尾不同能量段的等離子體通量的突然增加。粒子注入被認(rèn)為是磁層亞暴的基本特征之一，幾乎所有的磁層亞暴都伴隨著等離子體注入過(guò)程。磁層亞暴注入的熱等離子體在地磁場(chǎng)的復(fù)雜作用下，經(jīng)過(guò)漂移運(yùn)動(dòng)后可到達(dá)距地球10以內(nèi)甚至地球MEO/GEO 高度區(qū)域，對(duì)于MEO、GEO、大橢圓軌道和近地極軌航天器有重要影響，是引發(fā)航天器表面充放電效應(yīng)的主要因素。圖4 所示為磁層亞暴熱等離子體注入過(guò)程。

圖4 磁層亞暴熱等離子體注入過(guò)程示意Fig. 4 Schematic diagram of hot plasma injection during magnetospheric substorm

1.2 航天器質(zhì)量屏蔽建模與分析

目前針對(duì)空間帶電粒子的輻射防護(hù)主要采用質(zhì)量屏蔽的方法，其原理是，當(dāng)屏蔽物質(zhì)的厚度大于帶電粒子在該物質(zhì)中的射程時(shí)，入射粒子將被阻止在屏蔽物質(zhì)中；一定厚度的物質(zhì)能夠屏蔽一定能量范圍（取決于粒子的種類）的空間粒子，并使貫穿粒子的能量有所衰減。

圖5 給出了航天器典型部位的質(zhì)量屏蔽狀態(tài)，其中：表面涂層的屏蔽厚度僅為幾百μm(Al)；航天器艙壁提供的屏蔽厚度為1～2 mm(Al)；設(shè)備內(nèi)部元器件周圍的屏蔽狀態(tài)相當(dāng)于3～20 mm(Al)。圖中同時(shí)給出了不同能量的質(zhì)子和電子在鋁材料中的射程曲線。

圖5 航天器典型部位的質(zhì)量屏蔽狀態(tài)Fig. 5 Mass shielding states for different parts on the spacecraft

在工程實(shí)際應(yīng)用中，為了盡量減少總體與單機(jī)研制方的信息交互，提高工程分析的效率，往往采用簡(jiǎn)化的質(zhì)量屏蔽模型，最常用的屏蔽模型為實(shí)心球或平板模型，即把航天器等效為一定厚度的球殼或平板，見(jiàn)圖6。

圖6 實(shí)心球和平板屏蔽模型Fig. 6 Spherical and planar shielding model

上述質(zhì)量屏蔽模型不能體現(xiàn)航天器實(shí)際復(fù)雜結(jié)構(gòu)和布局所導(dǎo)致的質(zhì)量屏蔽各向異性。故必要時(shí)應(yīng)在航天器總體布局大致確定以后，建立航天器質(zhì)量屏蔽的三維分析模型，面向整星主結(jié)構(gòu)、太陽(yáng)電池陣、儲(chǔ)箱、艙內(nèi)設(shè)備等組件，對(duì)不同設(shè)備周圍的質(zhì)量屏蔽狀態(tài)通過(guò)射線追蹤法進(jìn)行細(xì)致分析。

1.3 粒子輻射輸運(yùn)分析

航天器艙外空間帶電粒子輻射進(jìn)入艙板材料時(shí)與材料發(fā)生復(fù)雜的相互作用，部分初級(jí)粒子及其產(chǎn)生的次級(jí)粒子穿透艙板，最終形成艙內(nèi)的輻射環(huán)境，該過(guò)程本質(zhì)上為帶電粒子與材料的相互作用過(guò)程。

精確的空間輻射輸運(yùn)模型對(duì)于航天器空間輻射效應(yīng)分析至關(guān)重要。艙外空間輻射環(huán)境中包含大量的低能粒子，它們不能穿透航天器自身的屏蔽進(jìn)入航天器內(nèi)部；高能帶電粒子在航天器艙板材料內(nèi)輸運(yùn)時(shí)，其能量會(huì)隨路徑的延伸而逐漸降低；重離子會(huì)發(fā)生核反應(yīng)裂變?yōu)樵有驍?shù)更小的輕核，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生各種次級(jí)粒子輻射（如中子、二次電子、γ 射線等）。上述過(guò)程均會(huì)造成航天器艙內(nèi)與艙外輻射環(huán)境的顯著差異，而這種差異還受艙外輻射環(huán)境特性及航天器屏蔽材料特性的影響。

下面介紹目前空間輻射輸運(yùn)分析中常用的幾種方法。

1.3.1 蒙特卡羅模擬方法

近40 年來(lái)，蒙特卡羅方法被廣泛應(yīng)用于模擬帶電粒子在材料中的輸運(yùn)問(wèn)題。該方法直接追蹤粒子，采用隨機(jī)抽樣的方法，較真切地模擬粒子輸運(yùn)的過(guò)程，反應(yīng)統(tǒng)計(jì)漲落的規(guī)律。蒙特卡羅方法的主要缺點(diǎn)是收斂速度較慢，因而其計(jì)算過(guò)程比較耗時(shí)。在以往蒙特卡羅模擬的實(shí)際工程應(yīng)用中，常采用一維簡(jiǎn)化的屏蔽模型來(lái)處理空間輻射輸運(yùn)問(wèn)題；近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)硬件的飛速發(fā)展，基于實(shí)際三維構(gòu)型的蒙特卡羅模擬程序已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航天器工程設(shè)計(jì)中。表1 歸納了常用的空間輻射輸運(yùn)蒙特卡羅模擬程序特點(diǎn)。

表1 空間輻射輸運(yùn)模擬中常用的蒙特卡羅模擬程序Table 1 Monte Carlo simulation procedure commonly used in space radiation transport simulation

1.3.2 基于玻耳茲曼方程的連續(xù)輸運(yùn)分析方法

與蒙特卡羅方法基于粒子相互作用隨機(jī)過(guò)程不同，確定性方法不考慮單個(gè)粒子與材料相互作用的微觀過(guò)程，而是從宏觀上考慮材料對(duì)粒子通量的整體衰減作用，其基礎(chǔ)是利用守恒律推導(dǎo)出的玻耳茲曼輸運(yùn)方程?；诹Ｗ迂灤┬◇w積元中因核碰撞引起粒子增加或損失所產(chǎn)生的粒子通量變化的守恒關(guān)系，在粒子前向直線輸運(yùn)近似下，可得到簡(jiǎn)化的玻耳茲曼輸運(yùn)方程，即

其中：φ(,,) 為第類粒子的通量；A為該粒子的原子質(zhì)量；σ() 為該粒子的宏觀反應(yīng)截面；S()為靶材料阻止本領(lǐng)；σ(,′,,′) 為產(chǎn)生第類粒子的反應(yīng)截面；φ(,′,′)為第類粒子的通量。方程中含有S() 的一項(xiàng)是連續(xù)慢化近似后的結(jié)果，反應(yīng)截面數(shù)據(jù)主要基于試驗(yàn)結(jié)果及核反應(yīng)模型等得到。

基于玻耳茲曼輸運(yùn)方程的確定性方法求解粒子在材料中的輸運(yùn)問(wèn)題的優(yōu)點(diǎn)在于，對(duì)于較厚屏蔽的粒子輸運(yùn)問(wèn)題其運(yùn)算時(shí)間很短。這在工程實(shí)際中是非常有利的，可以在較短的時(shí)間內(nèi)對(duì)不同的屏蔽模型進(jìn)行比較分析；但由于確定性方法基于更多的近似，其計(jì)算結(jié)果的系統(tǒng)誤差較大。盡管如此，NASA 在進(jìn)行空間輻射效應(yīng)分析時(shí)，仍傾向于采用此類方法。

基于確定性方法的典型程序有NASA 蘭利研究中心開(kāi)發(fā)的HZETRN 和BRYNTRN，均可處理各種強(qiáng)子（包括質(zhì)子和重離子）與不同屏蔽材料的相互作用，得到初級(jí)粒子經(jīng)過(guò)屏蔽材料后產(chǎn)生的次級(jí)輻射（如中子、電子、光子等），還可以把艙內(nèi)輻射產(chǎn)生的電離總劑量轉(zhuǎn)化為航天員遭受的生物當(dāng)量劑量，因此被NASA 應(yīng)用于載人航天器的空間輻射效應(yīng)分析。

1.3.3 基于粒子能量-射程關(guān)系的前向近似解析方法

Burrel基于前向近似模型建立了質(zhì)子輸運(yùn)的解析計(jì)算方法。前向近似模型認(rèn)為質(zhì)子在屏蔽材料中輸運(yùn)時(shí)近似沿直線前進(jìn)，質(zhì)子在其路徑上任意一點(diǎn)上殘余的能量與其射程一一對(duì)應(yīng)。Sorenson 等基于Weber 電子平均射程公式，建立了電子在屏蔽材料中的解析輸運(yùn)分析方法。Messenger將解析輸運(yùn)分析方法的分析結(jié)果與蒙特卡羅模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，顯示此類解析方法具有很好的精度，可以應(yīng)用于空間連續(xù)能譜帶電粒子的輸運(yùn)分析。由于解析輸運(yùn)分析方法方便快捷，目前國(guó)際上很多空間輻射效應(yīng)分析軟件，如OMERE 等均采用此類方法。

2 航天器輻射效應(yīng)量化分析方法

2.1 電離總劑量分析

2.1.1 一維分析方法

Shieldose 程序是航天器工程中經(jīng)典的電離總劑量計(jì)算工具，主要針對(duì)空間質(zhì)子、電子在實(shí)心球模型、有限平板模型及半無(wú)窮大平板模型中的輸運(yùn)狀況進(jìn)行分析，可以給出任意輸入的空間高能粒子能譜經(jīng)過(guò)上述屏蔽模型之后的輻射劑量。

Shieldose 程序?qū)|(zhì)子按射程-能量關(guān)系處理（即前向近似），忽略其核反應(yīng)；對(duì)電子則采用查表法完成分析，事先建立基于蒙特卡羅方法的數(shù)據(jù)集，包括了以鋁屏蔽層厚度和粒子能量為變量的單位入射注量的吸收劑量，再通過(guò)對(duì)每個(gè)粒子能量分布相加，并考慮在相應(yīng)能量和時(shí)間間隔下的入射通量，可以得出給定入射粒子能譜在給定厚度屏蔽層上所沉積的總劑量。將航天器質(zhì)量屏蔽簡(jiǎn)化為一定半徑的實(shí)心球，對(duì)球心處的輻射劑量與半徑（屏蔽厚度）間的關(guān)系進(jìn)行輻射劑量一維分析，得到劑量-深度分布曲線。

2.1.2 三維分析方法

一維分析方法沒(méi)有考慮整星質(zhì)量屏蔽的不均勻性，更為詳細(xì)的分析是整星輻射劑量三維分析。該方法利用CAD 三維實(shí)體軟件，建立航天器輻射屏蔽三維CAD 模型。模型提供航天器構(gòu)型和質(zhì)量特性，可對(duì)航天器內(nèi)外任意一點(diǎn)進(jìn)行空間不同方向的屏蔽質(zhì)量分布的三維分析，從而計(jì)算出該點(diǎn)的輻射劑量值。由于航天器總體布局在不同方向上提供的固有屏蔽質(zhì)量存在差異，其結(jié)果在工程應(yīng)用上比一維劑量分析結(jié)果更貼近實(shí)際。

按照?qǐng)D7 中對(duì)全向空間的剖分方法，分別計(jì)算每條射線方向所代表的立體角Ω以及每條射線上的累積質(zhì)量面密度數(shù)值d，并依據(jù)劑量-深度分布曲線獲得相應(yīng)等效鋁屏蔽厚度對(duì)應(yīng)的全向空間輻射劑量(d)，則劑量分析點(diǎn)接受的總輻射劑量為

圖7 基于整星質(zhì)量屏蔽三維模型的射線追蹤方法Fig. 7 Ray tracing method based on 3D satellite mass shielding model

其中：4π 為全空間立體角；為全向空間剖分的單元數(shù)。

國(guó)際上具備開(kāi)展輻射劑量三維分析能力的軟件包括采用射線追蹤法的SYSTEMA、FASTRAD，以及完全采用蒙特卡羅模擬方法的GRAS、NOVICE、FASTRAD 等。

2.2 位移效應(yīng)分析

2.2.1 等效注量分析方法

為定量評(píng)估太陽(yáng)電池在軌遭受的位移損傷，20世紀(jì)80 年代，美國(guó)NASA 噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）發(fā)展了等效注量法。該方法通過(guò)采用不同能量的質(zhì)子和電子進(jìn)行輻照試驗(yàn)，利用獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)將不同能量的空間帶電粒子對(duì)太陽(yáng)電池造成的位移損傷與一定通量的1 MeV 電子對(duì)太陽(yáng)電池的損傷進(jìn)行等效，獲得不同能量和種類的粒子與1 MeV 電子產(chǎn)生同樣損傷的等效系數(shù)，以便把太陽(yáng)電池在軌期間由連續(xù)能譜的空間帶電粒子輻射導(dǎo)致的位移損傷等效為1 MeV 電子損傷通量。JPL等效注量法的具體分析流程見(jiàn)圖8。

圖8 JPL 等效注量法流程Fig. 8 Schematic diagram of JPL equivalent flux method

自20 世紀(jì)80 年代以來(lái)，JPL 等效注量法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于評(píng)估太陽(yáng)電池壽命末期的退化程度，許多空間輻射環(huán)境及效應(yīng)分析軟件，如SPENVIS、Space Radiation、OMERE 等都包含了這一功能。

2.2.2 位移損傷劑量分析方法

1994 年，美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室（NRL）的Summers 等提出了一種新的位移損傷劑量分析方法。圖9 所示為該方法的基本流程。

圖9 NRL 位移損傷劑量法流程Fig. 9 Schematic diagram of displacement damage dose method used by NRL

實(shí)際空間輻射環(huán)境中的高能帶電粒子的能量不同，位移損傷能力也不同。對(duì)于特定的航天器，首先計(jì)算航天器軌道帶電粒子能譜，經(jīng)過(guò)輸運(yùn)分析獲得星內(nèi)器件表面處的微分能譜()，此步驟與JPL等效注量法中計(jì)算入射粒子能譜的步驟是相同的。對(duì)于得到的連續(xù)能譜的空間輻射粒子，與電離總劑量類似，可以定義位移損傷劑量為

其中NIEL為地面評(píng)估試驗(yàn)所用的粒子能量對(duì)應(yīng)的非電離能損。最后，采用該能量進(jìn)行地面輻照試驗(yàn)，輻照的粒子通量取為上述等效注量。輻照后，測(cè)試器件的性能參數(shù)。圖10 給出5 類常用軌道上1 MeV 中子等效注量與等效鋁屏蔽厚度的關(guān)系。

圖10 不同軌道上光電器件1 MeV 中子等效注量與屏蔽厚度的關(guān)系Fig. 10 1 MeV equivalent neutron flux of optoelectronic devices vs shielding thickness on different orbits

國(guó)際上，基于非電離能損理論，NASA 和ESA相繼發(fā)展了針對(duì)光電器件位移損傷評(píng)估的軟件。其中，NASA 主導(dǎo)開(kāi)發(fā)的位移損傷分析軟件主要包括SAVANT 和SCREAM，ESA 則利用其發(fā)展的空間環(huán)境集成信息系統(tǒng)SPENVIS 集成SCREAM 軟件，開(kāi)發(fā)了蒙特卡羅版的MC-SCREAM 軟件。

2.3 單粒子效應(yīng)分析

對(duì)于特定器件單粒子事件發(fā)生率的預(yù)示，通常需要進(jìn)行如下的工作：

首先，需要根據(jù)航天器任務(wù)特點(diǎn)以及器件的具體應(yīng)用狀態(tài)，包括航天器軌道、設(shè)備位置及器件周圍質(zhì)量屏蔽狀態(tài)等信息，利用空間帶電粒子輻射環(huán)境模型分析經(jīng)過(guò)一定質(zhì)量屏蔽后入射到器件表面的空間帶電粒子LET 譜，作為空間單粒子事件發(fā)生率評(píng)估時(shí)的環(huán)境條件輸入。圖11 給出了考慮遭遇1989 年10 月特大太陽(yáng)耀斑事件時(shí)，不同軌道上的最惡劣重離子LET 積分譜。

圖11 不同航天器軌道的太陽(yáng)重離子LET 積分譜Fig. 11 The LET integral spectra of solar heavy ions on different orbits

其次，對(duì)于缺乏單粒子效應(yīng)敏感參數(shù)的微電子器件，需要利用重離子及質(zhì)子加速器，開(kāi)展單粒子效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)，獲取器件分別由重離子和質(zhì)子引發(fā)的單粒子效應(yīng)特性參數(shù)。對(duì)于重離子，特性參數(shù)包括LET 閾值、單粒子事件飽和截面以及單粒子事件截面與重離子LET 的關(guān)系曲線；對(duì)于質(zhì)子，特性參數(shù)包括質(zhì)子能量閾值、單粒子事件飽和截面以及單粒子事件截面與質(zhì)子能量的關(guān)系曲線。

最后，利用重離子LET 譜（或質(zhì)子能譜）與器件單粒子效應(yīng)特性曲線，建立器件單粒子效應(yīng)相互作用模型并進(jìn)行分析，得到器件在軌的單粒子事件發(fā)生率。

國(guó)內(nèi)目前基本上沿用國(guó)外的預(yù)示方法或成熟軟件（CRèME96、Space Radiation、SPENVIS、OMERE等），根據(jù)國(guó)內(nèi)進(jìn)行的器件單粒子效應(yīng)特性測(cè)試數(shù)據(jù)，進(jìn)行器件的在軌單粒子事件發(fā)生率預(yù)示。

3 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀與存在的問(wèn)題

1）輻射環(huán)境模型更新緩慢，對(duì)設(shè)計(jì)指導(dǎo)不夠全面準(zhǔn)確

航天器在設(shè)計(jì)階段開(kāi)展的空間輻射效應(yīng)分析往往基于空間環(huán)境模型，而航天器在軌面臨的真實(shí)環(huán)境狀態(tài)與空間環(huán)境模型給出的結(jié)果間可能存在顯著偏差。受限于缺乏廣泛空間覆蓋和長(zhǎng)期持續(xù)的空間輻射環(huán)境探測(cè)數(shù)據(jù)，國(guó)內(nèi)自主研發(fā)空間輻射環(huán)境模型的進(jìn)展緩慢，除在太陽(yáng)質(zhì)子事件模型、特定軌道捕獲粒子環(huán)境模型等方面有初步研究成果以外，缺乏國(guó)際認(rèn)可的空間輻射環(huán)境模型，進(jìn)行空間環(huán)境分析時(shí)仍普遍采用20 世紀(jì)90 年代以前的靜態(tài)輻射帶模型AP8 和AE8，只考慮輻射帶的平均狀態(tài)加設(shè)計(jì)余量，造成設(shè)計(jì)階段依靠空間環(huán)境效應(yīng)模型分析得到的結(jié)果與航天器在軌實(shí)際輻射效應(yīng)可能有出入。

值得注意的是，近年來(lái)國(guó)際上的空間輻射環(huán)境建模有了顯著進(jìn)展，如：美國(guó)和歐洲合作開(kāi)發(fā)了新一代輻射帶模型IRENE（原名AP9/AE9）；Badhwar和O’Neill 建立的系列銀河宇宙線模型已發(fā)展至2020 版本；為評(píng)估數(shù)天至數(shù)年不同周期任務(wù)面臨的太陽(yáng)質(zhì)子事件風(fēng)險(xiǎn)，美國(guó)的Robinson 等新開(kāi)發(fā)了MSSREM 太陽(yáng)粒子事件模型。這些空間輻射環(huán)境模型，可以對(duì)航天器在軌面臨的動(dòng)態(tài)輻射環(huán)境進(jìn)行更為準(zhǔn)確的描述，國(guó)內(nèi)學(xué)者應(yīng)及時(shí)跟進(jìn)追蹤。

2）在軌實(shí)測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)不足，實(shí)時(shí)分析技術(shù)有待提高

要了解航天器在軌運(yùn)行時(shí)真正遭遇的空間環(huán)境效應(yīng)，必須依賴于實(shí)時(shí)的空間環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并結(jié)合不同航天器自身設(shè)計(jì)狀態(tài)的特點(diǎn)，開(kāi)展具體的分析。

在航天器執(zhí)行關(guān)鍵任務(wù)前，需要對(duì)整器在軌健康狀態(tài)進(jìn)行全面的分析。由于空間磁層和地球輻射帶存在復(fù)雜的動(dòng)態(tài)變化，航天器在不同時(shí)間和空間位置處遭遇的輻射環(huán)境可能有數(shù)量級(jí)差異，在軌空間輻射效應(yīng)也隨之存在類別和程度不同；同時(shí)，航天器在軌遭遇的輻射風(fēng)險(xiǎn)與自身的設(shè)計(jì)狀態(tài)緊密相關(guān)。因此，如何有效表征處于不同時(shí)空位置和不同設(shè)計(jì)狀態(tài)的航天器面臨的輻射風(fēng)險(xiǎn)，是航天器長(zhǎng)期運(yùn)行管理必須要解決的問(wèn)題。

當(dāng)航天器發(fā)生異常時(shí)，除了需要掌握異常發(fā)生前一段時(shí)間的空間環(huán)境狀態(tài)參數(shù)外，更重要的是分析即時(shí)的空間環(huán)境因素對(duì)航天器的作用機(jī)理，獲得航天器的響應(yīng)參數(shù)，從而為航天器異常原因識(shí)別提供重要參考。

4 后續(xù)發(fā)展建議

1）提升對(duì)軌道輻射環(huán)境動(dòng)態(tài)特性的分析能力

新一代輻射帶模型IRENE 首次給出了對(duì)粒子通量不確定性的定量描述。NASA、ESA 和法國(guó)空間研究中心（CNES）等均針對(duì)IRENE 模型安排有大量的研究項(xiàng)目，對(duì)航天器不同部位元器件的輻射效應(yīng)開(kāi)展分析對(duì)比研究?？梢钥隙ǖ氖牵磥?lái)IRENE模型必將替代當(dāng)前的AP8/AE8 模型，成為航天器輻射環(huán)境設(shè)計(jì)的輻射帶環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)模型?；贗RENE模型對(duì)捕獲粒子環(huán)境動(dòng)態(tài)變化范圍的描述，研究國(guó)內(nèi)常用航天器軌道上捕獲粒子環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化范圍，分析IRENE 模型與AP8/AE8 模型對(duì)捕獲粒子環(huán)境預(yù)示以及不同置信水平的捕獲粒子通量的差異，通過(guò)對(duì)航天器在軌輻射環(huán)境漲落范圍的分析，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)航天器遭受的輻射效應(yīng)的不確定度評(píng)估，進(jìn)而為不同軌道航天器抗輻射設(shè)計(jì)余量選擇提供依據(jù)。

2）加強(qiáng)對(duì)在軌輻射風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)與表征方法的研究

對(duì)航天器在軌道空間輻射環(huán)境中的響應(yīng)與狀態(tài)，更關(guān)注航天器在特定時(shí)間所處空域的局地輻射環(huán)境，而大空間和時(shí)間尺度的軌道輻射環(huán)境，對(duì)于航天器的抗輻射總體設(shè)計(jì)、評(píng)估以及在軌管理已顯得過(guò)于粗放，不能描述小時(shí)間尺度范圍的航天器在軌行為或響應(yīng)。因此，有必要推進(jìn)空間環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用于在軌航天器空間環(huán)境效應(yīng)分析，利用現(xiàn)有已業(yè)務(wù)化的GEO、MEO、SSO 等軌道的空間粒子輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)能力，緊密結(jié)合航天器的具體設(shè)計(jì)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行于上述軌道的航天器面臨的電離總劑量、單粒子、表面充放電和內(nèi)帶電4 類主要空間環(huán)境危害的實(shí)時(shí)分析和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。

3）重點(diǎn)關(guān)注中軌道等陌生區(qū)域輻射環(huán)境影響

當(dāng)前我國(guó)航天器的軌道多集中于GEO、MEO、SSO、LEO 等范圍，長(zhǎng)期運(yùn)行的區(qū)域主要在地球輻射帶的外帶中心及偏外以及內(nèi)帶下邊緣偏上的兩個(gè)重要區(qū)域，對(duì)這些軌道區(qū)域的空間輻射環(huán)境特征及其影響具備較為成熟的分析結(jié)論及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。而近年來(lái)，對(duì)于1000～2000 km、7000～10 000 km以及大橢圓軌道、全電推連續(xù)變軌等新型軌道面臨的相對(duì)陌生的軌道輻射環(huán)境特性缺乏深入了解，后續(xù)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注這些軌道區(qū)域的輻射環(huán)境影響，為相應(yīng)航天器的輻射防護(hù)設(shè)計(jì)提供更為合理的輻射環(huán)境條件輸入。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從航天器軌道輻射環(huán)境分析、航天器質(zhì)量屏蔽建模分析、空間粒子經(jīng)航天器質(zhì)量屏蔽的輸運(yùn)分析以及航天器空間輻射效應(yīng)量化分析4 個(gè)方面歸納了航天器總體設(shè)計(jì)中開(kāi)展的空間輻射環(huán)境效應(yīng)分析的基本方法和工作內(nèi)容。

近年來(lái)，國(guó)際上的空間輻射環(huán)境模型不斷更新發(fā)展，對(duì)軌道輻射環(huán)境的描述和表征方法不斷進(jìn)步；與此同時(shí)，常用航天器軌道上的粒子輻射環(huán)境實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)能量覆蓋范圍明顯提升，幾乎囊括了航天工程關(guān)注的所有能譜，輻射效應(yīng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)也在不斷豐富完善。對(duì)這些數(shù)據(jù)的合理分析應(yīng)用，將為不斷提升航天器空間輻射效應(yīng)量化分析的準(zhǔn)確性提供最直接的檢驗(yàn)手段，從而為改進(jìn)總體輻射防護(hù)設(shè)計(jì)（分析方法、設(shè)計(jì)規(guī)范）提供技術(shù)基礎(chǔ)。