王 健，郭 康，李 媛，高 欣，馮展祖，王亞龍

（1.蘭州空間技術物理研究所，蘭州 730000；2.中國航天科技集團有限公司，北京 100048；3.北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094）

0 引言

空間環(huán)境是指影響人類活動的、距地面幾十km高度以上直至太陽的廣闊空間內(nèi)的環(huán)境，涵蓋的區(qū)域包括地球高層大氣、電離層、磁層、行星際空間以及太陽活動區(qū)域，其中含有各種成分的帶電粒子和中性粒子、各個波段的電磁輻射、電磁場、微流星體和空間碎片等，是衛(wèi)星、飛船和空間站等航天器的運行環(huán)境，也是導航、定位、通信等衛(wèi)星業(yè)務的路徑環(huán)境。

空間各種環(huán)境因素對在軌航天器的安全運行以及航天員的身體健康構成嚴重威脅，同時對依賴于天基手段的人類活動造成不同程度的影響。例如，一次太陽爆發(fā)事件輸出的能量可能使得地球空間環(huán)境狀態(tài)發(fā)生劇烈變化，引發(fā)災害性空間環(huán)境事件，如太陽質(zhì)子事件、高能電子暴等，嚴重影響航天、航空、通信等行業(yè)技術系統(tǒng)，造成重大損失。據(jù)統(tǒng)計，航天器約40%的在軌故障是由空間環(huán)境引起的[1]。因此，認識空間環(huán)境不僅是人類對自身生存空間認知的需要，也是以航天器為依托的經(jīng)濟活動及科技活動的安全保障基礎。

空間環(huán)境科學探測與空間環(huán)境工程密切相關、相互促進：空間科學衛(wèi)星有明確的研究目的，為實現(xiàn)科學目標而設計的科學探測載荷的探測結果可以滿足空間環(huán)境建模、空間天氣預報等業(yè)務需求，促進空間環(huán)境經(jīng)驗模型的建立、地面環(huán)境評估技術與航天器環(huán)境防護技術的發(fā)展；同時，通過空間環(huán)境工程實施，可以保障空間環(huán)境科學探測活動的安全與可靠性。

本文通過調(diào)研各國在空間環(huán)境領域的政策、計劃、研究成果及發(fā)展趨勢，對比、分析、總結存在的差距，總結我國空間環(huán)境工程長期發(fā)展的關鍵技術和亟需解決的瓶頸技術，提出我國空間環(huán)境領域可持續(xù)發(fā)展路線和相應對策建議，旨在為我國航天發(fā)展戰(zhàn)略從“認識空間、進入空間”向“利用空間、控制空間”轉變提供必要的支撐。

1 空間環(huán)境領域政策和技術發(fā)展趨勢

1.1 空間環(huán)境領域相關政策

空間環(huán)境研究作為和人類生存發(fā)展密切相關、能夠引領密集技術創(chuàng)新的前沿交叉學科，在國家科技發(fā)展中發(fā)揮的作用越來越重要，成為世界強國高度重視和爭相支持的重要學科領域。政府支持的空間探索活動的科學內(nèi)涵開始逐步增加，對空間環(huán)境研究的投入在航天領域研究總投入中的占比逐年提高。

美國政府認為，鑒于可靠的太空資產(chǎn)對國防和經(jīng)濟安全的重要性與日俱增，構建能提高國家乃至國際間對空間天氣事件潛在災害影響的保護、減緩、響應和恢復能力的戰(zhàn)略至關重要。2014 年11 月，由美國國家科學技術委員會組織跨部門成立了“空間天氣觀測、研究與減緩”小組，對應對空間天氣事件的戰(zhàn)略與行動計劃進行研究，并于2015 年10 月發(fā)布《國家空間天氣戰(zhàn)略》（National Space Weather Strategy，簡稱《戰(zhàn)略》）與《國家空間天氣行動計劃》（National Space Weather Action Plan，簡稱《行動計劃》）[2-3]。這2 份文件詳述極端空間天氣事件對國家關鍵基礎設施的潛在危害，并就空間環(huán)境探測研究、產(chǎn)品服務與影響應對等提出戰(zhàn)略目標和行動計劃。

空間環(huán)境帶來的安全威脅是人類利用太空資源的重要障礙。2020 年加拿大等國聯(lián)合出版了《太空安全索引》，將太空安全描述為“能夠安全、可持續(xù)地進入和利用太空資源，避免受到來自深空環(huán)境的威脅”；《中華人民共和國國家安全法》（2015 年）闡述了太空安全相關內(nèi)容：“國家堅持和平利用外層空間，增強安全進出、科學考察開發(fā)利用的能力，加強國際合作，維護我國在外層空間的活動、資產(chǎn)和其他利益的安全?！币虼?，空間環(huán)境工程的技術發(fā)展是保障未來國家太空安全的技術基礎之一。

1.2 空間環(huán)境領域技術發(fā)展趨勢

1）商業(yè)航天及空間4.0 發(fā)展趨勢

2016 年歐空局召開的部長級會議提出“空間4.0 時代”的概念[4]，形成了《為歐洲統(tǒng)一的空間戰(zhàn)略邁向空間4.0 時代》的決議?！翱臻g4.0”是一種互動式的、商業(yè)化、國際化的模式，有助于回應未來人類社會發(fā)展的多種需求。近年來，美國以SpaceX 公司為代表的商業(yè)航天公司的快速發(fā)展很好地詮釋了“空間4.0”對于未來航天發(fā)展的劃時代意義。中國亦積極布局商業(yè)航天領域的技術發(fā)展規(guī)劃與建設，改變傳統(tǒng)航天產(chǎn)業(yè)格局，形成傳統(tǒng)國有大型航天機構與股份制商業(yè)航天公司良好的競爭與互補發(fā)展局面，推動航天技術發(fā)展與創(chuàng)新進入快車道。

2）一體化的空間環(huán)境技術發(fā)展趨勢

過去的航天發(fā)展主要是面向?qū)ο笕蝿盏陌l(fā)展模式，根據(jù)任務組織總體技術、分系統(tǒng)指標及產(chǎn)品保證技術，型號任務更偏重于研制，產(chǎn)品化能力較差。一體化的空間環(huán)境技術發(fā)展趨勢要求空間技術的主體提升，通過空間技術的一體化設計使航天器達到空間環(huán)境的使用要求，未來實現(xiàn)搭積木式空間技術發(fā)展路線，進一步提高應對空間環(huán)境的保障能力。

通過對國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀進行深入分析發(fā)現(xiàn)，未來“天地一體化空間環(huán)境及效應研究”將成為空間環(huán)境工程技術的發(fā)展趨勢，即：應用先進的微納技術開發(fā)小型化空間環(huán)境探測及效應監(jiān)測載荷，在未來發(fā)射的覆蓋不同軌道、多種類型的航天器上進行搭載，實現(xiàn)真實空間環(huán)境下的原位測量，并將空間獲取數(shù)據(jù)與地面理論研究、模擬試驗、仿真分析等數(shù)據(jù)融合共享，從而達到拓展空間環(huán)境認識、系統(tǒng)地研究空間環(huán)境與航天器相互作用以及有效利用空間環(huán)境資源的目的，以全面提升空間環(huán)境科學與應用技術水平，為空間科學、空間技術和空間應用提供有力的支撐。

3）“更高”“更遠”的空間探索發(fā)展趨勢

深空探測是航天領域的一個制高點，無論從技術難度、規(guī)模還是科學貢獻來看，其都處于前沿位置。中國一直大力支持深空探測，未來的深空探測計劃擬在2030 年之前實現(xiàn)火星采樣返回，后續(xù)還準備進行太陽系邊際探測。太陽距離地球約1.5 億km（1 AU），而我國計劃于2049 年實現(xiàn)“雙百”目標，即在新中國成立100 年之際，完成100 AU（150 億km）遠的深空探測。此外，深空探測還包括近地小天體探測等任務。

2 我國空間環(huán)境及效應技術發(fā)展需求分析

空間環(huán)境及效應技術作為航天工程的基礎支撐技術之一，其主要技術及基礎為環(huán)境模型及數(shù)據(jù)、可靠性數(shù)據(jù)、空間環(huán)境及效應評估技術（試驗標準及規(guī)范、環(huán)境及效應預示）、地面試驗平臺、防護技術及防護產(chǎn)品等。對我國空間環(huán)境領域技術發(fā)展需求的簡要分析如下：

1）長期在軌空間環(huán)境效應技術發(fā)展需求

隨著航天商業(yè)化的發(fā)展，無論是軍事、科學研究還是商業(yè)任務都越來越依賴于空間系統(tǒng)。而高性能設備和系統(tǒng)的應用要求更多采用空間環(huán)境綜合管理技術[5]，例如，使用耐輻射組件，進行專門的屏蔽和系統(tǒng)冗余設計，開展臨界性分析和故障模式分析，實現(xiàn)環(huán)境效應減緩和規(guī)避等。為了滿足這一新趨勢需求，需要充分利用長期以來在空間環(huán)境效應、模擬試驗方面積累的技術基礎，提前策劃并注意跟隨國家產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢，為未來航天產(chǎn)業(yè)化的可持續(xù)發(fā)展奠定堅實基礎。

隨著我國航天技術的發(fā)展，航天器性能不斷提高，大量的先進技術及高性能新材料、新器件得到應用。而這些采用先進技術的高性能航天器對空間環(huán)境更加敏感，其空間環(huán)境適應性研究將成為重要的考量，對空間環(huán)境效應研究提出新挑戰(zhàn)，迫切需要開展相關的地面評價和防護技術研究。一方面，要加快空間環(huán)境地面模擬試驗平臺的建設，加速相關基礎理論和關鍵技術的研究；另一方面，空間環(huán)境因素多，空間環(huán)境效應研究面向的對象多，因此在一些專項領域還應加強專門平臺和基礎設施建設，如針對新型電子元器件的輻射效應研究平臺和設備仍需加強。

當前我國所處的外部環(huán)境對航天等高技術行業(yè)影響較大，在空間環(huán)境技術領域，相關軟件缺乏自主知識產(chǎn)權，加之耐空間環(huán)境的高等級材料、器件的短缺，對空間環(huán)境效應的評估及航天器在軌壽命的保障構成更大壓力。

2）天地一體化空間環(huán)境探測及應用技術發(fā)展需求

美國的空間環(huán)境探測具有明確的科學目標牽引，探測計劃完備、持續(xù)時間長、覆蓋范圍廣，探測數(shù)據(jù)的綜合利用水平高?？臻g環(huán)境探測覆蓋LEO、MEO、HEO、GEO 及深空環(huán)境，具備對帶電粒子、等離子體、電磁場、中性大氣、大氣輻射、極光、全球大氣溫/濕度、災害性天氣監(jiān)測及預報、全球氣候變化等環(huán)境的綜合監(jiān)測能力。擁有自主的各類空間環(huán)境模型[6-11]，并且部分模型對全世界開放。建立了空間環(huán)境及效應有關的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，在體系保障下對數(shù)據(jù)進行分級分層次的開放和系統(tǒng)應用。相比而言，我國的空間環(huán)境探測數(shù)據(jù)來源均位于LEO，對于中、高軌道空間環(huán)境僅在“北斗”一期中進行了少量探測，其探測數(shù)據(jù)根本無法滿足對全空間環(huán)境進行研究的要求。雖然通過科學衛(wèi)星和業(yè)務衛(wèi)星的搭載，在部分軌道開展了帶電粒子環(huán)境、等離子體環(huán)境、單粒子效應、輻射劑量等監(jiān)測工作，還開展了月球形貌、月球塵埃、月球表面物質(zhì)成分等深空環(huán)境探測，但是探測載荷大多功能單一，僅能探測高能帶電粒子及某類效應，難以實現(xiàn)較寬范圍空間輻射效應監(jiān)測功能。此外國內(nèi)的空間探測載荷技術長期處在跟蹤研究的水平，沒有形成技術體系，且載荷的性能指標和探測精度與國外產(chǎn)品存在差距，產(chǎn)品種類單一，未實現(xiàn)工程化、系列化，且新技術應用和轉化不足。此外，國內(nèi)尚無數(shù)據(jù)共享機制，數(shù)據(jù)綜合應用水平低：一方面，在軌數(shù)據(jù)少，主要集中在軍方或研制方手中；另一方面，地面試驗研究數(shù)據(jù)分散于各高校和研究所，研究缺乏系統(tǒng)性，試驗設備和裝置的標準化不足，加之空間環(huán)境十分復雜（環(huán)境因素多，環(huán)境參數(shù)的范圍大），地面模擬方法多樣，模擬試驗的等效性、加速倍率等差異較大，難以實現(xiàn)試驗條件與參數(shù)標準化，影響了數(shù)據(jù)的共享和利用。同時，由于體系缺失，在軌數(shù)據(jù)和地面數(shù)據(jù)得不到充分的共享、融合和分析，已有數(shù)據(jù)的作用和價值沒有得到充足的發(fā)揮，至今仍未建立起自主適用的空間環(huán)境模型。

3）“更高”“更遠”的空間科學任務帶來的“乏數(shù)據(jù)”軌道空間環(huán)境技術需求

隨著我國航天探測領域的不斷拓展，已發(fā)展到從深空至超低軌道整個空間。而我國的空間環(huán)境效應研究目前仍主要集中在典型地球軌道范圍，在超低軌道、機動變軌、輻射帶槽區(qū)等范圍內(nèi)的環(huán)境效應研究工作雖已取得一定進展，但距離滿足我國航天技術發(fā)展的需求還有較大差距。

未來對深空如木星、太陽邊際等的探測，以及對行星及其衛(wèi)星進行密集和更長時間的科學觀測都需要對有關環(huán)境進行深入分析。例如：以太陽、水星探測為代表的極端高溫環(huán)境、高紫外線輻照、極高通量密度的高能質(zhì)子輻射環(huán)境[12-15]；以火星探測為代表的多塵環(huán)境 （巨大而漫長的風暴）、中等強度光照條件、低溫條件、低輻射環(huán)境[16-20]；以木星系、土星系探測為代表的低光照強度、低溫環(huán)境、高能電子輻射環(huán)境、微流星環(huán)境等[21-26]。

根據(jù)已有深空探測器的經(jīng)驗，各個行星及其衛(wèi)星的空間環(huán)境差異較大[27-30]。具有全球磁場的行星，當其偶極子磁矩足夠大時有可能存在輻射帶，在粒子到達行星大氣層頂部之前阻止太陽風的流動，輻射帶內(nèi)的粒子將失去其碰撞產(chǎn)生的能量[31-33]。眾所周知，木星、土星和天王星具有高能輻射環(huán)境，研究人員認為這些環(huán)境類似于地球俘獲的輻射帶[34-35]。探測數(shù)據(jù)顯示，火星也有輻射環(huán)境，火星、土星和天王星的輻射環(huán)境強度遠低于地球，不會對電子設備構成威脅，而木星的輻射環(huán)境比地球的要強烈得多。因此，航天器的任務規(guī)劃中應針對木星的俘獲區(qū)域予以足夠的關注，包括對其輻射環(huán)境的詳細定義。例如，必須對能量＞100 MeV 的電子進行建模以進行準確的劑量計算，而木衛(wèi)一（Io）上的火山活動會注入氧氣和硫離子，從而構成顯著的單粒子效應危害[36-38]。

相對于地球空間環(huán)境，深空探測場景中的環(huán)境數(shù)據(jù)相對缺乏，例如，相對數(shù)據(jù)較豐的木星輻射數(shù)據(jù)，NASA“伽利略”任務使用的基線輻射環(huán)境模型是Divine-Garrett（D-G）模型[39]，其數(shù)據(jù)基礎來源于20 世紀70 年代的“先驅(qū)者10 號/11 號”以及“旅行者一號/二號”的飛越任務；基于“伽利略”任務中高能粒子探測器（EPD）的捕獲電子數(shù)據(jù)，NASA 開發(fā)了伽利略臨時電子環(huán)境（GIRE）模型[40-41]。然而，這些模型只基于少量的軌道探測數(shù)據(jù)建立，因而存在較大不確定性。

3 空間環(huán)境及效應技術發(fā)展要點

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國在空間環(huán)境工程領域取得了巨大成就，一系列重要成果成功應用于航天器的研制過程中，對航天器的在軌可靠性給予了有力支撐；但仍有很多領域和方向有待進一步發(fā)展。根據(jù)近年來國內(nèi)外空間環(huán)境工程技術的發(fā)展趨勢與需求，本文提出我國未來空間環(huán)境領域需要采取自主創(chuàng)新、集成創(chuàng)新、引進消化吸收再創(chuàng)新的技術發(fā)展路徑，要點如下：

課堂教學中教師可以利用平臺針對某個知識點或者一節(jié)課的所有知識點，做一次課堂檢測，由于平臺可以同步看到學生的答題情況，匯總統(tǒng)計答題的結果，這樣教師就能夠根據(jù)隨堂練習的反饋結果及時把握學生的掌握情況，及時對學生進行分層式的個性化指導，也便于后面教學內(nèi)容的調(diào)整。

1）空間輻射環(huán)境危害綜合監(jiān)測技術

空間輻射環(huán)境危害綜合監(jiān)測技術是通過不同環(huán)境與效應探測模塊對高能粒子的響應特征表現(xiàn)的監(jiān)測，實現(xiàn)輻射效應的綜合診斷和預警，并根據(jù)相應的應急預案進行處理。該項技術可應用于中軌、高軌衛(wèi)星預警載荷，能夠直接反映輻射環(huán)境危害程度，是航天器故障診斷和預警的重要手段，可實現(xiàn)航天器在軌故障的快速監(jiān)測與定位。為應對粒子誘發(fā)的輻射效應危害，國外研發(fā)出的多功能、一體化空間環(huán)境危害監(jiān)測器有：美國緊湊型空間環(huán)境異常監(jiān)測器，ESA 標準輻射環(huán)境監(jiān)測器，法國空間環(huán)境監(jiān)測器等。國內(nèi)未來為拓展探測對象及提升探測器功能、性能，需要通過采用模塊化設計創(chuàng)新思路，形成實時探測微電子芯片輻射效應及表面、深層充電效應監(jiān)測能力；集成多類環(huán)境效應功能模塊，形成多功能一體化空間環(huán)境危害監(jiān)測能力；針對不同衛(wèi)星平臺裝備應用，形成空間環(huán)境危害綜合感知網(wǎng)絡，具備甄別環(huán)境破壞和人為干擾危害的監(jiān)測能力。

2）新型高性能器件輻射效應及加固技術

高性能智能數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可應用于遙感等實時、智能處理應用場景。隨著機器深度學習技術的逐步成熟，智能衛(wèi)星處理系統(tǒng)將會采用多核CPU+多核GPU 等高性能計算平臺，在大數(shù)據(jù)、云計算技術的支持下，為衛(wèi)星智能圖像、多傳感器數(shù)據(jù)實時處理提供技術支撐。因此，基于高性能智能數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的空間輻射效應研究成為一個全新的領域，為了加快智能數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)在空間的應用，需要掌握其輻射效應特征規(guī)律與加固技術。美國高性能空間飛行計算（HPSC）項目基于ARM 處理器架構下一代抗輻射多核處理器，將在專用航天飛行計算機及飛行子系統(tǒng)中使用。賽靈思（Xilinx）全新20 nm抗輻射XQRKU060 FPGA 提供無限在軌重組能力，數(shù)字信號處理（DSP）效能提升10 倍，實現(xiàn)了高效能機器學習功能的首次空間應用，為星上即時處理提供神經(jīng)網(wǎng)路推論加速[42]。國內(nèi)科研院所在國產(chǎn)SoC 多核處理器輻射加固技術上也取得了大量成果，尚需在高性能多核SoC 系統(tǒng)輻射損傷特征機理、表征方法及仿真方面開展深入研究，進行高性能多核SoC 系統(tǒng)的輻射效應芯片級、系統(tǒng)級加固設計與驗證，積極推進實現(xiàn)高性能多核抗輻射SoC 系統(tǒng)的空間在軌應用驗證。

3）基于機器學習的輻射效應智能檢測與糾錯技術

機器學習可應用于新一代高性能星載信號處理平臺的單粒子效應監(jiān)測與糾錯領域，其本質(zhì)是對數(shù)據(jù)分類的過程，從單粒子翻轉效應（SEU）角度看就是利用模型預測一個bit 是否正確，并通過數(shù)據(jù)翻轉使其恢復正確值。隨著CMOS 芯片技術的發(fā)展，對于新型納米器件，主要輻射損傷因素已不是單粒子鎖定（SEL）等硬錯誤，而是單粒子翻轉（包括多位、多字節(jié)翻轉等）、單粒子瞬態(tài)（SET）效應等。此外，超大規(guī)模納米集成電路的單粒子效應異常復雜，很難掌握其輻射特征與機理，因此基于機器學習的單粒子效應糾錯技術通過模型訓練發(fā)現(xiàn)并糾正翻轉錯誤成為新的研究熱點，結合系統(tǒng)級單粒子效應加固設計方法，有望解決超大規(guī)模集成電路空間應用受單粒子效應制約的問題。2014 年Hooten首次使用機器學習分析SET 數(shù)據(jù)[43]。2019 年Patel使用二維線性判別模型，結合電離輻射效應光譜圖，正確分類了振蕩器和鎖相環(huán)電路的工作電壓與總劑量關系，可用于電子器件的原位健康監(jiān)測[44]。2021 年Loveless 采用K 最鄰近分類算法k-NN 正確分類了鎖相環(huán)電路的單粒子瞬態(tài)[45]。2022 年Ildefonso 在美國海軍項目支持下研究了基于機器學習減緩射頻電路系統(tǒng)單粒子效應的方法，結果表明機器學習對受單粒子瞬態(tài)影響的數(shù)據(jù)是否發(fā)生翻轉現(xiàn)象的分辨準確率可達99.2%[46]。

我國的智能糾錯研究有待提高，需要基于現(xiàn)有的大量單粒子效應試驗數(shù)據(jù)開展機器訓練研究，建立輻射效應機器學習模型；開展適應于器件資源需求的模型優(yōu)化研究，建立超大規(guī)模器件輻射效應機器學習訓練模型，研制兼容輻射效應機器學習的宇航級智能系統(tǒng)。

4）空間環(huán)境效應系統(tǒng)級仿真分析軟件

5）空間環(huán)境效應矩陣數(shù)據(jù)庫

國外空間環(huán)境效應試驗研究已有較為長期而豐厚的積累。我國空間環(huán)境效應地面模擬實驗研究雖然受到相關航天部門和單位的重視，高校、科研院所也開展了一定的研究，但由此得到的空間環(huán)境效應地面模擬數(shù)據(jù)相對分散。針對這樣的現(xiàn)狀，需要全面收集、整理和提煉各環(huán)境試驗數(shù)據(jù)，建立航天用、商用基于試驗數(shù)據(jù)質(zhì)量分析的電子元器件輻射效應數(shù)據(jù)庫；利用大科學工程綜合環(huán)境模擬試驗裝置等開展協(xié)同效應研究，建立空間環(huán)境全因素數(shù)據(jù)庫和器件/系統(tǒng)應用環(huán)境的完備數(shù)據(jù)體系，結合在軌實驗數(shù)據(jù)，分析各個維度下的數(shù)據(jù)內(nèi)涵信息，提煉普適性規(guī)律，并建立綜合效應試驗分析方法。

4 發(fā)展對策思考及措施建議

針對我國空間環(huán)境工程領域相關技術發(fā)展需求分析，應該首先建立空間環(huán)境工程相關技術的體系化發(fā)展思路，首先是現(xiàn)有發(fā)展成果的固化：無論是空間環(huán)境探測數(shù)據(jù)、評估技術、標準、規(guī)范以及防護技術手段，我們均有一定的積累，部分領域技術已較完善，亟需在這些積累基礎上，加強頂層設計，使空間環(huán)境技術成為一個完善的體系，以支持我國空間技術發(fā)展，同時借助航天事業(yè)的快速發(fā)展機遇，不斷完善空間環(huán)境技術。

國內(nèi)外航天實踐表明空間環(huán)境與航天器的相互作用是影響航天器在軌安全、可靠運行的重要因素。伴隨著航天活動的持續(xù)深入開展，空間環(huán)境與航天器的相互作用將是永恒的研究主題。過去幾十年，地面開展的單因素或多因素空間環(huán)境效應研究，為航天器研制和運行提供了有力保障，積累了大量的數(shù)據(jù)，但地面研究只能在材料、器件和部組件層面開展，不能對系統(tǒng)的空間環(huán)境適應性和可靠性給出有效評價。

通過對國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀進行深入分析后，對于我國空間環(huán)境及效應研究，本文提出基于天地一體化的空間環(huán)境及效應研究新思路，即：應用先進的微納技術、商業(yè)宇航產(chǎn)品設計技術等開發(fā)小型化、低成本空間環(huán)境探測及效應監(jiān)測載荷，在未來發(fā)射的覆蓋不同軌道、多種類型的航天器上進行搭載，實現(xiàn)真實空間環(huán)境下的原位測量，并將空間獲取數(shù)據(jù)與地面理論研究、模擬試驗、仿真分析等數(shù)據(jù)融合共享形成大數(shù)據(jù)，從而拓展空間環(huán)境認識，系統(tǒng)地研究空間環(huán)境與航天器相互作用和有效利用空間環(huán)境資源，全面提升我國空間環(huán)境科學與應用技術水平，為空間科學、空間技術和空間應用提供有力的支撐，如圖1 所示。

圖1 基于天地一體化的空間環(huán)境及效應研究新思路Fig.1 A new approach to the study of space-ground integrated space environment and effects

1）加強空間環(huán)境探測及空間環(huán)境效應感知理論與技術基礎研究

從空間環(huán)境探測對象和目標層面講，要求既開展宏觀大尺度的空間物理層面的空間環(huán)境現(xiàn)象研究和探測，又特別要加強空間各種環(huán)境因素的精準探測和動態(tài)探測。

從探測技術上講，要求加強空間環(huán)境與效應理論研究，設計新型在軌空間環(huán)境探測與環(huán)境效應感知探測器和試驗平臺，以便獲得集成化、小型化和高通量的探測能力，實現(xiàn)大參數(shù)范圍、高精度的環(huán)境因素探測。

從國內(nèi)各領域已落實的航天器規(guī)劃來看，“十四五”及后續(xù)，將有數(shù)百顆航天器運行于各空間軌道，空間環(huán)境探測在不同空間位置的布局、探測內(nèi)容的豐富、探測時間的持續(xù)穩(wěn)定，將助力我國空間環(huán)境探測技術的新飛躍，使空間環(huán)境探測有條件進入全面應用階段。隨著科學認識的不斷發(fā)展和微電子、新型材料等基礎技術的發(fā)展，空間大尺度探測和精細探測的目標都趨于明確，探測設備也逐步向輕小型化、長壽命、高可靠、高集成度方向發(fā)展，載荷種類和功能在不斷增加，而重量和功耗逐步減小。

2）持續(xù)開展天地一體化的空間環(huán)境效應理論與技術研究

近年來在互動式的、商業(yè)化、國際化的航天發(fā)展趨勢下，更多主體參與進入空間任務的提出、設計、實施環(huán)節(jié)，需要天地一體化的空間環(huán)境效應理論與技術支持，加強空間環(huán)境地面和在軌模擬試驗研究，獲取規(guī)范、系統(tǒng)的材料/器件空間環(huán)境效應數(shù)據(jù)，為空間環(huán)境與效應大數(shù)據(jù)平臺提供持續(xù)的數(shù)據(jù)支持，并保證這些數(shù)據(jù)在多元化的空間任務參與者之間實現(xiàn)有效、可靠和商業(yè)化的傳遞，從而促進空間任務一體化的設計。

由于歷史原因，直到空間環(huán)境地面模擬大科學平臺建設，前期研究的平臺主要以工程評價為主。因此，要加快空間環(huán)境地面模擬大科學平臺的建設，加速相關基礎理論和關鍵技術的研究，支持空間環(huán)境效應相關技術由型號保障向產(chǎn)業(yè)化保障轉變，為快速發(fā)展的空間科學、航天技術、空間環(huán)境與效應跨越式發(fā)展提供支撐。

3）建設國家級空間環(huán)境與效應數(shù)據(jù)平臺

深挖現(xiàn)有空間環(huán)境探測與效應數(shù)據(jù)，推進相關空間環(huán)境與效應的軟件和模型的開發(fā)建立，并進行持續(xù)、有序的空間環(huán)境與效應數(shù)據(jù)的補充，建設空間環(huán)境與效應數(shù)據(jù)共享平臺，制定數(shù)據(jù)共享指導原則，為數(shù)據(jù)的高效利用提供便利條件。針對電子元器件，建議盡快制定規(guī)范的研判依據(jù)、建立航天不同領域的基于試驗數(shù)據(jù)質(zhì)量分析技術的電子元器件輻射效應數(shù)據(jù)庫，一方面可以全面地收集可能影響實驗數(shù)據(jù)的過程信息，另一方面可以作為研判和檢索的依據(jù)，對于保證質(zhì)量并在一定程度上提高使用商用元器件衛(wèi)星系統(tǒng)的可靠性具有重要意義。借鑒國際上在這方面的經(jīng)驗，在這種國家級的數(shù)據(jù)平臺上，不斷優(yōu)化空間環(huán)境與效應模型，形成大量可工程實踐的在軌行為評價軟件，建立數(shù)字化空間環(huán)境與效應研究與評價系統(tǒng)。由此，將空間環(huán)境地面模擬與效應研究、在軌搭載實驗研究和環(huán)境效應計算機仿真研究相結合，成為本領域科學研究和工程評價的三駕馬車，三者相輔相成，互相補充，不可或缺。

4）實施我國自主的前沿創(chuàng)新空間環(huán)境領域科學發(fā)展計劃

制定具前沿性、探索性和原始創(chuàng)新性的空間科學計劃，積極開展空間科學探測活動，拓展人類的認知領域，牽引和帶動航天和相關高技術的快速發(fā)展，為國家安全、科技進步提供支撐和保障；同時，通過大批創(chuàng)造性的發(fā)明和技術應用，為國家經(jīng)濟社會發(fā)展、人類生活質(zhì)量改善提供源源不斷的創(chuàng)新活力。隨著我國航天器技術的高速發(fā)展，僅僅依靠原有的地面研究模式將無法解決新材料、新器件、新技術和新載荷帶來的問題，亟需利用天基資源平臺系統(tǒng)開展空間環(huán)境效應及對應空間環(huán)境的原位探測和在軌實驗等研究，踐行“地面研究—真實空間研究—再地面研究”的發(fā)展思路。

5 結束語

通過實施空間環(huán)境工程相關的科學問題與工程技術研究，解決涉及的重大基礎性科學技術問題，利用商業(yè)航天等大規(guī)模的衛(wèi)星系統(tǒng)，獲得海量的空間環(huán)境及效應原位監(jiān)測數(shù)據(jù)，與地面積累數(shù)據(jù)進行比較和融合，建立產(chǎn)業(yè)化的大數(shù)據(jù)平臺，并實現(xiàn)在衛(wèi)星設計部門、研制部門與航天原材料、元器件供應商等航天產(chǎn)業(yè)鏈參與者之間的數(shù)據(jù)共享，構建全國范圍內(nèi)一體化的空間環(huán)境工程相關的輻射效應數(shù)據(jù)、環(huán)境模型、設計標準、評價規(guī)范及標準。圍繞構建空間環(huán)境體系的目標，堅持需求牽引和創(chuàng)新驅(qū)動，推動空間環(huán)境技術發(fā)展和應用、工程技術優(yōu)化與提升。