王 穎，張 熇，任德鵬，韓承志，劉飛標(biāo)，田百義，李衍存

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

0 引言

我國深空探測項(xiàng)目啟動較晚，但進(jìn)步迅速、具有明顯的中國特色、在部分領(lǐng)域也已取得了長足的發(fā)展，為適應(yīng)未來空間探測的發(fā)展、進(jìn)一步提升綜合探測能力和科技創(chuàng)新牽引力，我國將計(jì)劃開展太陽系邊際探測工程［1］，這不僅具有推進(jìn)人類探索疆域的深遠(yuǎn)意義，還將有助于推動空間科學(xué)、空間技術(shù)和空間應(yīng)用的全面發(fā)展［2-4］，在服務(wù)人類文明可持續(xù)發(fā)展的同時，提升我國在空間科學(xué)探索領(lǐng)域的地位。

太陽系邊際探測任務(wù)飛往日球?qū)禹攨^(qū)域（即太陽風(fēng)與局部星際介質(zhì)壓力平衡的地方）進(jìn)行探測，距離太陽70～150 AU（1 AU是指地球與太陽之間的平均距離，1 AU=1.496×108km）。由于太陽輻射能量密度與距離平方成反比，100 AU 處的太陽光通量僅為地球軌道的10-4倍，因此對于超遠(yuǎn)距離的深空探測任務(wù)而言，太陽能已不能繼續(xù)作為主能源，選擇核能源能夠滿足探測器的能源動力需求，但是會對探測器產(chǎn)生核輻射及其他影響，需開展系統(tǒng)論證和分析。

太陽系邊際探測器在軌運(yùn)行期間，除了會經(jīng)受傳統(tǒng)探測器所面臨的空間環(huán)境外，特別是木星強(qiáng)輻射環(huán)境，核電源本身產(chǎn)生的高能γ射線、高能中子也會對探測器系統(tǒng)的運(yùn)行產(chǎn)生輻射效應(yīng)。這兩種輻射環(huán)境的疊加會對探測器所使用的電子產(chǎn)品和原材料等產(chǎn)生輻射綜合效應(yīng)，對探測器造成一定程度的損傷與危害，甚至威脅探測器安全，而核電源的輻射劑量是整器開展輻射防護(hù)工作的重要輸入，因此在任務(wù)論證的初期就需要對輻射環(huán)境及其各種效應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的分析，從而對產(chǎn)生的輻射效應(yīng)進(jìn)行有效防護(hù)，確保探測器在軌運(yùn)行安全可靠。本文將系統(tǒng)分析太陽系邊際探測任務(wù)所經(jīng)歷的空間輻射環(huán)境及效應(yīng)、核電源輻射及效應(yīng)以及兩者的綜合影響。

1 空間輻射環(huán)境分析

太陽系邊際探測任務(wù)分為鼻尖探測和尾部探測兩次任務(wù)，任務(wù)周期為23 年左右，太陽系邊際探測器脫離太陽系進(jìn)入宇宙空間對地球發(fā)射特征能量C3（Characteristic energy，發(fā)射雙曲線軌道剩余速度的平方）需求高達(dá)150 km2/s2以上，遠(yuǎn)超過運(yùn)載能力，為降低能量需求，探測器必須采取天體借力。木星是太陽系內(nèi)引力常數(shù)最大的行星，且是距離地球最近的一顆可以1次借力即可使探測器飛離太陽系的行星，是太陽系邊際探測任務(wù)必選的借力天體。木星軌道以外的太陽系大天體為土星、天王星、海王星及冥王星，其運(yùn)行相對位置決定了能否繼續(xù)為探測器提供借力飛行。尾部探測任務(wù)中，木星借力后探測器可繼續(xù)飛掠海王星，再次實(shí)現(xiàn)借力加速。借力的同時還可進(jìn)行木星和海王星的觀測，獲取更多科學(xué)目標(biāo)。

鼻尖探測任務(wù)從地球出發(fā)，途經(jīng)木星飛掠借力后，飛向日球?qū)颖羌夥较?；尾部探測任務(wù)從地球出發(fā)，途經(jīng)木星飛掠借力后，飛向海王星，借力后飛向日球?qū)游膊糠较?。兩次任?wù)飛行路徑存在差異，因此將遭遇不同的空間輻射效應(yīng)影響。兩次任務(wù)涉及到的空間輻射環(huán)境為：①地球輻射環(huán)境，②太陽宇宙線輻射環(huán)境，③銀河宇宙線輻射環(huán)境，④木星輻射環(huán)境，⑤海王星輻射環(huán)境。各種輻射環(huán)境和主要粒子如圖1 所示。根據(jù)兩次任務(wù)的飛行特點(diǎn)，對兩次任務(wù)的輻射環(huán)境及效應(yīng)進(jìn)行分析。

圖1 太陽系邊際探測兩次任務(wù)涉及到的空間輻射環(huán)境Fig.1 Space radiation environment involved in two missions to probe the boundary of the Solar System

太陽系邊際探測器經(jīng)歷的空間環(huán)境較復(fù)雜，除常規(guī)空間輻射環(huán)境外，與其他航天器相比需重點(diǎn)考慮木星環(huán)境及其影響，下面具體分析探測任務(wù)涉及的5種輻射環(huán)境。

1.1 地球輻射環(huán)境

地球輻射帶是指近地空間被地磁場捕獲的高強(qiáng)度帶電粒子區(qū)域，常稱為地磁捕獲輻射帶。太陽系邊際鼻尖探測器采用化學(xué)推進(jìn)艙在地球近地點(diǎn)點(diǎn)火，很快脫離地球，因此地球輻射環(huán)境影響較小。太陽系邊際尾部探測器采用全電推，為了增加C3，需要進(jìn)行一次地球借力，飛行約一年，因此需考慮地球輻射環(huán)境，將尾部探測器軌道上捕獲電子和捕獲質(zhì)子的積分能譜（采用AE8 和AP8 模型計(jì)算，是工程上常用的地球輻射帶電子和質(zhì)子模型，各自包括太陽活動高年和低年兩個模式）與800 km 高度、66°軌道傾角的典型低地球軌道（LEO）衛(wèi)星能譜進(jìn)行對比，從圖2 和圖3 的能譜中可以看出：探測器地球借力段捕獲電子通量與LEO 相當(dāng)，質(zhì)子通量高于LEO，約一個數(shù)量級。

圖2 捕獲電子軌道積分能譜Fig.2 Orbital integral spectrum of trapped electrons

圖3 捕獲質(zhì)子軌道積分能譜Fig.3 Orbital integral spectrum of trapped protons

1.2 太陽宇宙線輻射環(huán)境

太陽宇宙線是太陽耀斑爆發(fā)期間，從太陽表面活動區(qū)噴射出來的帶電粒子流，主要由H、He 以及其他重離子組成。

距離太陽越遠(yuǎn)，太陽宇宙線越弱，目前航天器的粒子模型都是地球附近（1 AU）的數(shù)據(jù)，按照“Space engineering-Space environment”（ECSS-E-ST-10-04C）標(biāo)準(zhǔn)，1 AU 以內(nèi)的太陽宇宙線通量按照1/r2進(jìn)行估計(jì)，1 AU 以外的太陽宇宙線通量按照1/r進(jìn)行估計(jì)，其中r為到太陽的距離。太陽系邊際探測器飛行過程中，與太陽的距離變化較大，但均大于1 AU，考慮設(shè)計(jì)余量可按照1 AU附近的數(shù)據(jù)進(jìn)行估計(jì)。

1.3 銀河宇宙線環(huán)境

銀河宇宙線來源于太陽以外的宇宙空間，主要由H、He 以及其他重離子組成。銀河宇宙線受到太陽磁場調(diào)制作用，距離太陽越遠(yuǎn)，銀河宇宙線通量越大，太陽活動越弱，銀河宇宙線通量越大。

太陽系邊際探測器與太陽的距離遠(yuǎn)大于1 AU，其遭遇的銀河宇宙線粒子通量大于地球附近的通量。在工程應(yīng)用中，可近似認(rèn)為在整個日球?qū)臃秶ò霃郊s120 AU）內(nèi)，銀河宇宙線均勻分布，因此太陽系邊際探測器遭遇的銀河宇宙線可采用地球附近的銀河宇宙線模型。

銀河宇宙線通量較低，主要對探測器形成單粒子效應(yīng)，圖4 給出了90%最惡劣情況的LET（線性能量傳輸）譜，LET譜可用于單粒子效應(yīng)的影響評估。

圖4 銀河宇宙線90%最惡劣情況的LET譜Fig.4 LET spectrum of galactic cosmic rays under the 90% worst case

1.4 木星輻射環(huán)境

1) 木星輻射環(huán)境特點(diǎn)

與地球范艾倫輻射帶一樣，木星輻射帶也呈殼層分布。從空間分布的角度來看，赤道平面上的粒子通量隨著木星距離變遠(yuǎn)而逐漸衰減。但是與地球的范艾倫輻射帶不同，木星內(nèi)外輻射帶的分界線不存在明顯特征。木星輻射帶與地球輻射帶能量大于10 MeV 質(zhì)子和大于1 MeV 電子的積分通量［5-6］相比，空間覆蓋范圍更大，且俘獲粒子的能量更高，通量更大。

2) 木星輻射帶與探測器軌道的影響分析

木星輻射帶取決于其磁場分布，目前采用的GIRE 輻射帶模型所用的磁場模型為偶極子模型，偶極子軸與木星自轉(zhuǎn)軸有大約11°夾角?？紤]到木星自轉(zhuǎn)周期約為9 h 55 min 30 s，因此空間中同一位置的帶電粒子也存在5 h 左右的變化周期。探測器與木星距離相同時，在偶極子模型下，磁緯度越小，磁場的L值（磁殼參數(shù)，指一根磁力線與磁赤道面交點(diǎn)到行星中心的距離，與行星半徑的比值）越大，輻射帶越強(qiáng)。從探測器軌道角度來看，在相同的借力高度下，不同的軌道傾角會遭遇不同的輻射帶區(qū)域。

探測器軌道沿著木星赤道方向時，由于木星磁場的轉(zhuǎn)動，此時探測器會反復(fù)穿越輻射帶最強(qiáng)區(qū)域，此種軌道形成的輻射影響最大。探測器軌道與赤道平面垂直，即沿著極軌軌道運(yùn)行時，只有運(yùn)動到赤道附近時才會遭遇輻射帶最強(qiáng)區(qū)域，其余情況下輻射帶較弱，此種軌道輻射影響最小。探測器軌道與赤道平面有一定角度時，電離總劑量處于上述兩種情況之間。

在軌道設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)采取設(shè)計(jì)主動避開木星輻射帶的高強(qiáng)度區(qū)域。

1.5 海王星輻射環(huán)境

海王星探測數(shù)據(jù)目前均來自旅行者2 號，1989年8 月，旅行者2 號飛掠海王星，實(shí)現(xiàn)人類歷史上第一次近距離觀察海王星，由于是飛掠探測，探測數(shù)據(jù)十分有限。海王星輻射模型（NMOD）的帶電粒子成分是基于旅行者2 號宇宙射線光譜儀（CRS）的測量結(jié)果，海王星上的高能電子模型是基于CRS 的電子望遠(yuǎn)鏡上兩個傳感器獲得的數(shù)據(jù)。該儀器提供了1.0 MeV 到2.5 MeV 之間的粒子通量數(shù)據(jù)，受限于探測精度，會有一定的探測和數(shù)據(jù)處理誤差。根據(jù)海王星捕獲電子和質(zhì)子通量模型，就可以計(jì)算相應(yīng)的總劑量值，海王星捕獲電子微分能譜來自Selesnick等［7］和Stone等［8］的研究工作，能譜數(shù)據(jù)和擬合結(jié)果如圖5所示。

圖5 海王星輻射帶電子微分能譜Fig.5 Electron differential spectrum of the Neptune’s radiation belt

海王星輻射模型涵蓋了電子從0.022 MeV 到5 MeV，質(zhì)子從0.028 MeV 到5 MeV 的范圍。海王星1 MeV 的電子和5 MeV 的質(zhì)子隨L值的通量分布［9］類似于地球輻射帶，海王星的輻射帶也呈殼狀分布。然而，海王星的電子輻射帶內(nèi)部和外部沒有明顯的區(qū)別。根據(jù)上述5 種空間輻射環(huán)境，下面具體分析相應(yīng)的輻射效應(yīng)及防護(hù)方法。

2 空間輻射效應(yīng)

2.1 電離總劑量效應(yīng)

對于探測器的輻射效應(yīng)影響，電離總劑量是重點(diǎn)考慮的輻射效應(yīng)之一。

1) 地球借力和太陽宇宙線產(chǎn)生的總劑量計(jì)算

尾部探測器地球借力段總劑量仿真結(jié)果如圖6 所示，2.54 mm 等效鋁厚度處電離總劑量為8.7 krad（Si），8 mm 處總劑量約為0.68 krad（Si）；鼻尖探測器由于地球附近飛行時間較短，總劑量較小，2.54 mm 等效鋁厚度處約為0.5 krad（Si），8 mm處總劑量約為0.04 krad（Si），遠(yuǎn)小于尾部探測。

圖6 地球借力和太陽宇宙線產(chǎn)生的總劑量-深度曲線（尾部任務(wù)）Fig.6 Curve of the total dose versus depth caused by the Earth fly-by and solar cosmic rays（in a tail mission）

2) 木星借力產(chǎn)生的總劑量估算結(jié)果

木星借力產(chǎn)生的總劑量根據(jù)伽利略號探測數(shù)據(jù)獲得［10］。假設(shè)鼻尖和尾部兩次任務(wù)借力高度為9.5Rj，木星借力時間約為3～10 天，選取和伽利略號相近的軌道，通過等效時間折算出不同屏蔽厚度下的總劑量值，圖7 是9.5Rj處的積分電子和質(zhì)子能譜獲得的劑量值。通過估算，屏蔽厚度為2.54 mm等效鋁厚度處總劑量約為105 krad（Si），8 mm 處總劑量約為27 krad（Si）。

圖7 木星借力產(chǎn)生的總劑量-深度曲線Fig.7 Curve of the total dose versus depth caused by Jupiter fly-by

3) 海王星借力產(chǎn)生的總劑量計(jì)算結(jié)果

美國JPL 實(shí)驗(yàn)室根據(jù)旅行者2 號探測數(shù)據(jù)并結(jié)合分析模型獲得了總劑量率數(shù)據(jù)，結(jié)合具體探測任務(wù)就可得到探測器的總劑量值。

假設(shè)任務(wù)借力海王星時間約3～5 天，根據(jù)圖8中給出的總劑量率，在環(huán)繞距離L值為7 處，總劑量約為0.04 krad（Si），比起木星借力的總劑量要小很多，約千分之一。

圖8 海王星借力產(chǎn)生的總劑量-深度曲線（2.54 mm等效鋁厚度）Fig.8 Curve of the total dose versus depth caused by the Neptune’s gravity assistant（2.54 mm Al）

4) 整個任務(wù)期的總劑量

鼻尖探測任務(wù)從地球出發(fā)，途經(jīng)木星飛掠借力后，飛向日球?qū)颖羌夥较颍晃膊刻綔y任務(wù)從地球出發(fā)，途經(jīng)木星飛掠借力后，飛向海王星，借力后飛向日球?qū)游膊糠较?。兩次任?wù)飛行路徑存在差異，因此將遭遇不同的空間輻射效應(yīng)影響，兩次任務(wù)總劑量計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 鼻尖和尾部任務(wù)空間環(huán)境產(chǎn)生的總劑量Table 1 Total dose generated by space environment of nose and tail missions

太陽系邊際探測任務(wù)由木星借力帶來的總劑量影響要遠(yuǎn)大于地球輻射帶、太陽和宇宙射線、海王星輻射帶影響，考慮目前航天器選用的器件大多數(shù)抗總劑量閾值低于100 krad（Si），從表1 中可以看出，如果屏蔽從2.54 mm 等效鋁厚度增加到8 mm，鼻尖總劑量可以從105.5 krad（Si）降低到27.04 krad（Si），尾部總劑量從113.74 krad（Si）降低到27.68 krad（Si），因此增大屏蔽是降低總劑量效應(yīng)的有效手段之一。

2.2 其他輻射效應(yīng)

1) 單粒子效應(yīng)

引發(fā)單粒子效應(yīng)的輻射源，來自于地球和木星輻射帶高能質(zhì)子、太陽宇宙線和銀河宇宙線的高能重離子和質(zhì)子。

探測器上的電子元器件是否發(fā)生單粒子效應(yīng)，不但與所遭遇的高能粒子LET（線性能量傳輸）值及通量有關(guān)系，而且與其自身耐受單粒子效應(yīng)的能力（用LET 閾值和單粒子事件截面描述）密切相關(guān)。因此，在太陽系邊際探測器的工程研制中，需重點(diǎn)考慮木星高能質(zhì)子，采取系統(tǒng)級抗單粒子設(shè)計(jì)措施等，以確保探測器不受單粒子效應(yīng)的影響。

2) 內(nèi)帶電效應(yīng)

在空間環(huán)境中使用電子設(shè)備，由高能電子引起的深層介質(zhì)充電/放電是一個重要的考慮因素，因?yàn)榭赡軐?dǎo)致航天器異常和故障。類木行星中，包括土星、天王星、海王星和木星的衛(wèi)星，相關(guān)研究［5］稱具有相對論能量的電子輻射帶。木星被認(rèn)為在旅行者1 號飛越期間造成了至少42 次內(nèi)部靜電放電事件。需采取更厚的屏蔽層或更高的介電導(dǎo)電性，采用雙金屬層接地的電介質(zhì)和更薄的電介質(zhì)可以降低放電的可能性。

3) 位移損傷效應(yīng)

地球輻射帶捕獲質(zhì)子、太陽耀斑質(zhì)子、木星捕獲質(zhì)子是對探測器電子元器件和材料產(chǎn)生位移損傷效應(yīng)的主要輻射環(huán)境，會對光電器件、雙極器件和太陽電池片等器件的性能產(chǎn)生影響，設(shè)計(jì)時需考慮余量。

2.3 小結(jié)

影響太陽系邊際探測器的輻射效應(yīng)主要有總劑量效應(yīng)、單粒子效應(yīng)、內(nèi)帶電效應(yīng)和位移損傷效應(yīng)。表2中梳理了任務(wù)涉及的輻射效應(yīng)及工程上典型的防護(hù)設(shè)計(jì)。

表2 探測任務(wù)涉及的輻射效應(yīng)及防護(hù)方法Table 2 Radiation effects and protection methods in such mission

3 核電源輻射及效應(yīng)分析

3.1 空間核電源系統(tǒng)概述

空間用的核能主要有兩種，一種是核衰變能（Pu-238），另一種是核裂變能（U-235）。本文主要考慮后者——核裂變能的空間核反應(yīng)堆電源系統(tǒng)。

空間核反應(yīng)堆電源主要由幾部分組成：核反應(yīng)堆本體、輻射屏蔽、熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、廢熱排放系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)［11-12］。

太陽系邊際探測任務(wù)對空間核反應(yīng)堆電源需要解決長壽命問題，而核反應(yīng)堆工作二十幾年會持續(xù)對探測器平臺輻射γ 射線和中子，對探測器平臺的輻射防護(hù)提出了挑戰(zhàn)。

3.2 核電源輻射粒子

核反應(yīng)堆采用U-235 作為燃料，釋放輻射粒子種類較多，包括中子、電子、X 射線、γ 射線；由于中子和γ射線的穿透能力強(qiáng)，反應(yīng)堆采取必要的屏蔽，將中子和γ 射線強(qiáng)度降低到適當(dāng)?shù)乃?，而其他粒子的輻射可忽略。因此反?yīng)堆產(chǎn)生的外部輻射環(huán)境主要考慮中子和γ射線。

1) γ射線

γ 射線本質(zhì)為電磁輻射，在與物質(zhì)原子一次碰撞中損失大部分或全部能量，在材料相互作用過程與帶電粒子和中子不同，在30 MeV 能量以下，γ 射線與物質(zhì)的相互作用主要為光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)（散射）和電子對效應(yīng)。γ 射線通過相互作用，會產(chǎn)生次級能量較低的γ 光子、電子等。次級γ 光子射程較長，會繼續(xù)在物質(zhì)中傳播；電子射程較短，會在物質(zhì)中停留并沉積能量，形成電離總劑量。

2) 中子

中子在物質(zhì)中損失能量的主要機(jī)制是中子與物質(zhì)中原子核之間的相互作用，其作用過程基本上可以分為兩類：散射（包括彈性散射和非彈性散射）和吸收（包括輻射俘獲、核裂變、（n，ɑ）、（n，p）反應(yīng)等）。

3.3 核電源輻射量計(jì)算方法

反應(yīng)堆通過設(shè)計(jì)給出了不同條件下到達(dá)探測器表面的γ射線和中子譜，依據(jù)這兩種射線的數(shù)據(jù)，分析了對探測器的影響。其中γ射線對探測器形成總劑量效應(yīng)，中子對探測器主要形成位移效應(yīng)。

1) γ射線

γ 射線主要產(chǎn)生總劑量效應(yīng)，采用下面的公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：D為電離總劑量，單位為rad（Si）；E為γ 光子能量，單位為MeV；?(E)為單位面積上的γ 光子微分通量，單位為cm-2?MeV-1；μen(E)/ρ為γ 光子在硅中的質(zhì)能吸收系數(shù)，單位為cm2/g，質(zhì)能吸收系數(shù)采用美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（NIST）數(shù)據(jù)。

2) 中子

中子主要產(chǎn)生位移效應(yīng)，將各能量中子的非電離能相加，并與1 MeV 中子的非電離能系數(shù)進(jìn)行比較，獲得等效1 MeV中子通量，計(jì)算公式為：

式中：F為等效1 MeV 中子通量，單位為cm-2；?(E)為單位面積上的中子微分通量，單位為cm-2·MeV-1；NNIEL（E）為非電離能系數(shù)，采用“Space engineering—Calculation of radiation and its effects and margin policy handbook”（ECSS-E-HB-10-12A）標(biāo)準(zhǔn)中的數(shù)據(jù)；NNIEL(1 MeV)是1 MeV 中子的非電離能系數(shù)，將ECSS-E-HB-10-12A中數(shù)據(jù)采用線性插值方法得到。

3.4 核電源輻射效應(yīng)分析

U-235燃料產(chǎn)生的γ射線主要產(chǎn)生總劑量效應(yīng)，中子主要產(chǎn)生位移損傷效應(yīng)。核電源輻射效應(yīng)主要分析思路是：

1) 根據(jù)堆芯設(shè)計(jì)計(jì)算獲得γ 射線和中子的能譜；

2) 根據(jù)屏蔽結(jié)構(gòu)計(jì)算輻射劑量，考慮器件或者載荷距離得到該位置的輻射劑量；

3) 結(jié)合任務(wù)期壽命計(jì)算防護(hù)效果。

兩種輻射粒子產(chǎn)生的輻射效應(yīng)計(jì)算方法如下：

1) γ射線產(chǎn)生總劑量效應(yīng)估算方法

采用窄束模型，可以獲得不同屏蔽材料和厚度下核電源產(chǎn)生總劑量值，單能γ 射線在物質(zhì)中的減弱是遵從指數(shù)規(guī)律，即：

式中：N0和N分別表示穿過物質(zhì)層前、后的光子數(shù)；d是物質(zhì)層的厚度，單位是m-1；ρ是吸收體的密度，單位是g/cm3；μ是γ射線在該物質(zhì)中的線減弱系數(shù)；μ/ρ是質(zhì)量減弱系數(shù)，單位是cm2·g-1。γ 射線經(jīng)過屏蔽后的劑量變化符合如下規(guī)律：

其中，E是光子能量，單位eV；φ是光子注量，單位為cm-2。

2) 中子產(chǎn)生位移損傷效應(yīng)估算方法

目前對中子注量的要求參考NASA 的新千年計(jì)劃（New millennium program，NMP），對各個軌道包括低中高地球軌道（LEO/MEO/GEO）、火星軌道、木星軌道等設(shè)定了位移損傷效應(yīng)的中子注量值，見表3。作為參考，可以初步判斷核電源到達(dá)平臺的中子注量是否滿足任務(wù)要求。

表3 不同軌道任務(wù)對等效1 MeV的中子注量要求Table 3 Neutron fluence requirements of equivalent 1 MeV for missions in different orbits

4 空間環(huán)境與核電源綜合輻射效應(yīng)

4.1 綜合輻射效應(yīng)分析

太陽系邊際探測在整個任務(wù)過程中將經(jīng)受5類空間輻射影響及核輻射影響，電離總劑量效應(yīng)是累加所有輻射影響。參考木星探測項(xiàng)目JIMO（Jupiter icy moons orbiter），核電源到達(dá)探測器平臺的輻射指標(biāo)為50 krad（Si）［13］，核電源輻射的γ 射線穿透能力很強(qiáng)，因此2.54 mm等效鋁厚度屏蔽后衰減很小，近似仍為50 krad（Si），結(jié)合表1計(jì)算的空間環(huán)境引起的總劑量值，2.54 mm Al 厚度處鼻尖和尾部兩次任務(wù)的總劑量分別為155.5 krad（Si）和163.74 krad（Si）。

由此可見，整個探測任務(wù)所遭受的電離總劑量影響很嚴(yán)峻，需要采取常規(guī)航天器抗輻射設(shè)計(jì)之外的方法，開展針對性的防護(hù)設(shè)計(jì)。

4.2 防護(hù)方法

1) 總劑量效應(yīng)防護(hù)

傳統(tǒng)航天器在軌自然環(huán)境產(chǎn)生的電離總劑量主要通過鋁屏蔽、提高元器件的抗輻照指標(biāo)等途經(jīng)進(jìn)行防護(hù)。太陽系邊際探測任務(wù)需考慮自然環(huán)境和反應(yīng)堆衍生的中子和γ射線產(chǎn)生的總劑量綜合效應(yīng)，應(yīng)對其進(jìn)行分析和防護(hù)。

整器總劑量效應(yīng)防護(hù)目標(biāo)也由兩部分組成，其中空間自然環(huán)境的劑量相對穩(wěn)定，核反應(yīng)堆作用在平臺產(chǎn)品上的輻射劑量主要依賴于反應(yīng)堆的屏蔽設(shè)計(jì)、反應(yīng)堆與平臺產(chǎn)品之間的距離以及平臺局部屏蔽方案3個方面的因素，因此應(yīng)在開展距離、反應(yīng)堆屏蔽重量、構(gòu)型優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，確定防護(hù)劑量。

2) 位移損傷效應(yīng)防護(hù)

對于光電器件、光耦器件等，非電離能量損失會對其產(chǎn)生位移效應(yīng)，其劑量與防護(hù)設(shè)計(jì)方法與總劑量效應(yīng)基本相同，也要依賴于反應(yīng)堆的屏蔽設(shè)計(jì)、反應(yīng)堆與平臺產(chǎn)品之間的距離以及平臺局部屏蔽方案3 個方面的因素來確定，繼承產(chǎn)品需要開展進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證或影響分析。

3) 內(nèi)帶電效應(yīng)防護(hù)

探測器穿過木星需要考慮內(nèi)帶電效應(yīng)。內(nèi)帶電是指大量高能電子穿透探測器屏蔽層，沉積在電路板等絕緣介質(zhì)中并逐步建立電場的過程，一旦電荷累積產(chǎn)生的電場超過絕緣材料放電閾值，便可造成材料擊穿，即發(fā)生深層放電，嚴(yán)重威脅探測器的安全。介質(zhì)的內(nèi)帶電過程和空間環(huán)境、屏蔽厚度、介質(zhì)特性、接地條件等緊密相關(guān)，還取決于探測器運(yùn)行軌道的選擇，是一個復(fù)雜的時變過程。因此內(nèi)帶電仿真分析是抗輻射設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)中需要詳細(xì)考慮。

4) 單粒子效應(yīng)防護(hù)

地球和木星輻射帶高能質(zhì)子、太陽宇宙線和銀河宇宙線的高能重離子和質(zhì)子、核反應(yīng)堆高能中子等在器件中發(fā)生核反應(yīng)后產(chǎn)生的重離子會引起單粒子效應(yīng)，相對于單粒子閾值高的電子元器件，單粒子效應(yīng)影響通過傳統(tǒng)航天器防護(hù)設(shè)計(jì)就可減緩。采用現(xiàn)有成熟并經(jīng)過飛行驗(yàn)證的抗單粒子閂鎖（SEL）、抗單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）、抗單粒子燒毀（SEB）和單粒子?xùn)艙舸⊿EGR）等措施。

5 結(jié)論

任務(wù)的特殊性決定了太陽系邊際探測器同時受空間環(huán)境和核反應(yīng)堆的輻射影響，因此在探測器進(jìn)行方案論證工作時，盡早從整器角度在核反應(yīng)堆的類型、功率選取、整器布局等方面開展輻射防護(hù)設(shè)計(jì)，根據(jù)各種環(huán)境及效應(yīng)的特點(diǎn)，進(jìn)行必要的防護(hù)分析、迭代設(shè)計(jì)和輻照試驗(yàn)，并采取適當(dāng)防護(hù)措施，以保證探測器在軌安全運(yùn)行。

本文針對太陽系邊際探測任務(wù)的整個過程，分析了任務(wù)涉及的地球輻射環(huán)境、太陽宇宙線輻射環(huán)境、銀河宇宙線輻射環(huán)境、木星輻射環(huán)境和海王星輻射環(huán)境共5 類空間輻射環(huán)境的特點(diǎn)，以及探測器上核電源的輻射特性，采取模型仿真并結(jié)合國外探測數(shù)據(jù)獲得了鼻尖和尾部兩次任務(wù)期的輻射劑量估算結(jié)果，提出了系統(tǒng)級防護(hù)策略，為探測任務(wù)的后續(xù)實(shí)施提供參考和技術(shù)支持。