空間輻射環(huán)境工程的發(fā)展趨勢范文

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《航天器環(huán)境工程雜志》2014年第三期

1研究現(xiàn)狀

1.1空間輻射環(huán)境及模型空間輻射環(huán)境主要包括星體俘獲輻射環(huán)境、太陽宇宙射線、銀河宇宙射線以及人工輻射環(huán)境等。其中，星體俘獲輻射環(huán)境包括地球輻射帶、木星輻射帶、土星輻射帶等。空間輻射環(huán)境受太陽活動的調(diào)制明顯，太陽活動峰年對空間輻射環(huán)境的影響主要表現(xiàn)為太陽質(zhì)子事件增多和太陽電磁輻射增強等。經(jīng)過多年的發(fā)展，以美國NASA為代表的航天大國或機構(gòu)建立了一系列空間輻射環(huán)境模型，極大地推動了空間輻射環(huán)境工程的發(fā)展。地球輻射帶質(zhì)子輻射環(huán)境模型主要有NASA開發(fā)的AP系列模型[3]、CRRESPRO質(zhì)子模型[4]、基于SAMPEX/PET數(shù)據(jù)開發(fā)的低緯度太陽平靜期質(zhì)子模型[5]等；電子輻射環(huán)境模型則包括AE系列模型[6]、CRRESELE電子模型[7]、由Vampola改進的AE-8min升級版模型[8]和IGE-2006/POLE電子模型[9-11]。此外，ESA開發(fā)的AE和AP模型[12]、俄羅斯的輻射帶模型SINP電子質(zhì)子模型（1991版）[13]和LOWALT電子模型[14]等。目前，廣泛使用的地球輻射帶模型為AE8和AP8模型。但由于AE8、AP8模型的最新探測數(shù)據(jù)已超過40年，且未覆蓋低能區(qū)域，加上模型本身存在較大不確定性，因此，以NASA為代表的航天機構(gòu)正在開發(fā)下一代空間輻射環(huán)境模型AE9、AP9[15]，目前可應(yīng)用于科學(xué)研究，但還沒有用于工程設(shè)計。模型將在以下兩方面進行改進：擴展能量覆蓋范圍（包括熱等離子體、相對論電子和高能質(zhì)子等）和空間覆蓋范圍；給出由于儀器的不確定性和空間天氣波動帶來的模型不確定度（如AE9電子模型給出了不同置信度下的能譜變化曲線）。太陽宇宙射線是太陽耀斑爆發(fā)期間發(fā)射的大量高能質(zhì)子、電子、重核離子流，其中質(zhì)子占絕大部分，因此又被稱為太陽質(zhì)子事件。用于太陽宇宙射線的統(tǒng)計模型主要有3個，分別是King模型[16]、JPL模型系列[17]和ESP模型[18]，其中：King模型可用于預(yù)示任務(wù)周期內(nèi)太陽質(zhì)子注量；JPL模型系列有JPL85和JPL91模型，目前常用的是JPL91模型，被推薦用于任務(wù)規(guī)劃；ESP模型可用于總劑量和最劣事件劑量的預(yù)測。此外，常用的還有October89模型。銀河宇宙射線是來自太陽系以外的帶電粒子，是由能量很高、通量很低的帶電粒子組成，其中質(zhì)子成分占85%，α粒子成分占14%，重離子成分占1%。銀河宇宙射線模型主要包括Badhwar-O’Neill模型[19]、CREME86/CREME96模型[20]和Nymmik模型[21]等。國際標(biāo)準(zhǔn)化委員會針對太陽宇宙射線和銀河宇宙射線分別給出了ISO-15391[22]和ISO-15390[23]國際標(biāo)準(zhǔn)，對太陽宇宙射線和銀河宇宙射線的成分、能量、通量等進行了詳細(xì)的描述。在深空輻射環(huán)境及模型方面，目前，國際上主要對月球、火星、木星和土星等的輻射環(huán)境進行了研究，并建立了相關(guān)的模型。尤其是木星和土星，由于它們具有強磁場，因而有自己的輻射帶。其中，對木星輻射環(huán)境研究得最多，獲得的空間探測數(shù)據(jù)也最多，木星質(zhì)子模型主要為D&G83模型和Salammbo模型，電子模型主要包括D&G83模型、GIRE模型和Salammbo模型[24]，此外，還有JOSE模型（包含電子、質(zhì)子、碳、氧、硫等）[25]、IEM星際電子模型[26]、HIC重離子模型[27]等。太陽電磁輻射環(huán)境及其模型主要采用美國NASA的數(shù)據(jù)和世界氣象組織（WHO）的數(shù)據(jù)，其中太陽常數(shù)分別取(1353±21)W/m2和1368W/m2，多數(shù)文獻上采用1367W/m2。目前雖然建立了一系列空間輻射環(huán)境模型并應(yīng)用于科研和型號研制任務(wù)中，但就空間輻射帶模型而言主要為長期的靜態(tài)環(huán)境模型，也沒有考慮各向異性對航天器的影響，模型的不確定性相對較大。

1.2空間輻射環(huán)境效應(yīng)及機理空間輻射環(huán)境將對材料和器件帶來嚴(yán)重的輻射損傷效應(yīng)（見圖1）。輻射損傷效應(yīng)根據(jù)其類型可以分為單粒子效應(yīng)（SEE）、電離總劑量效應(yīng)（TID）、位移損傷效應(yīng)（DD）（又稱為非電離總劑量效應(yīng)，TNID）、充放電效應(yīng)、輻射生物學(xué)效應(yīng)、輻射誘導(dǎo)傳感器背景噪聲效應(yīng)等。其中，單粒子效應(yīng)比較復(fù)雜，按照損傷程度又可以分為：1）破壞性效應(yīng)。如單粒子鎖定（SEL）、單粒子快速反向（SESB）、單粒子絕緣擊穿（SEDR）、單粒子?xùn)艙舸⊿EGR）和單粒子燒毀（SEB）；2）非破壞性效應(yīng)。如單粒子暫態(tài)（SET）、單粒子擾動（SED）、單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）、多位翻轉(zhuǎn)（MCU）、單粒子多位翻轉(zhuǎn)（SMU）和單粒子功能中斷（SEFI）。輻射損傷效應(yīng)根據(jù)影響時間不同，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性能的長期改變或退化，瞬態(tài)效應(yīng)是指材料或器件所發(fā)生的性能改變或退化在短時間內(nèi)可恢復(fù)。根據(jù)損傷模式可分為電離損傷和位移損傷。電離損傷的長期效應(yīng)主要包括電荷激活、電荷傳輸、價鍵變化及分解等；電離損傷的瞬態(tài)效應(yīng)包括光電流導(dǎo)致的終端瞬態(tài)電壓變化、雙穩(wěn)電路鎖定等。位移損傷的長期效應(yīng)包括缺陷密度增加、載流子壽命降低、載流子密度降低等；位移損傷的瞬態(tài)效應(yīng)包括少數(shù)載流子壽命的快速退火等，見圖2。世界各國已經(jīng)充分認(rèn)識到空間輻射損傷對航天器在軌安全的影響，并開展了大量的研究工作，總體而言還有以下不足：1）開展了大量的空間輻射效應(yīng)試驗研究，而空間輻射損傷機理研究相對較少，有些輻射效應(yīng)機制仍不清楚。2）空間輻射效應(yīng)數(shù)據(jù)缺乏，一些關(guān)鍵器件或材料的空間輻射效應(yīng)有待評估，例如高性能、高集成度的電子器件單粒子效應(yīng)或者CCD等光電器件的位移損傷效應(yīng)等。3）多種輻射環(huán)境因素的協(xié)同效應(yīng)或者輻射環(huán)境與其他環(huán)境要素的協(xié)同效應(yīng)有待研究。

1.3空間輻射環(huán)境及效應(yīng)試驗的評價標(biāo)準(zhǔn)國際化標(biāo)準(zhǔn)組織和航天大國紛紛制定了一系列國際標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以指導(dǎo)本領(lǐng)域或本國家的航天活動。半個多世紀(jì)以來的航天實踐活動表明，空間輻射環(huán)境及效應(yīng)試驗的評價標(biāo)準(zhǔn)（或規(guī)范）已經(jīng)在航天器設(shè)計和運行中發(fā)揮了重要的作用。關(guān)于空間輻射環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)，有ISO標(biāo)準(zhǔn)（如ISO15391、ISO15390、ISO21348等），美國軍用標(biāo)準(zhǔn)如MIL-STD-1890，歐洲標(biāo)準(zhǔn)ECSS-E-10-04C等。關(guān)于空間輻射效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，有如ECSS-E-ST-10-12C等[31]綜合性標(biāo)準(zhǔn)，ECSS-Q-ST-70-06C[32]和ASTM-E-512[33]等材料性能退化試驗標(biāo)準(zhǔn)，MIL-STD-750[34]和ESCC25100[35]等單粒子效應(yīng)試驗標(biāo)準(zhǔn)，MIL-STD-883[36]、ASTMF1892-06[37]和ESCC22900[38]等總劑量效應(yīng)試驗標(biāo)準(zhǔn)，ESCC23800[39]、ECSS-E-20-06[40]、NASATP-2361[41]等表面充放電效應(yīng)試驗標(biāo)準(zhǔn)，NASA-HDBK-4002A[42]內(nèi)帶電效應(yīng)試驗規(guī)范，ISO23038[43]、ASTME1854-2007[44]和JPLpublication96-9[45]等位移損傷效應(yīng)試驗標(biāo)準(zhǔn)。我國在空間輻射環(huán)境及效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)方面也開展了大量工作，正逐步建立和完善以GJB/Z24—1991[46]、GJB2502[47]、GJB6777—2009[48]、GJB7242—2011[49]、GJB762.2—1989[50]等為代表的國家軍用標(biāo)準(zhǔn)，和以QJ10005—2008[51]、QJ10004—2008[52]等為代表的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。但相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要集中在單粒子效應(yīng)和總劑量效應(yīng)領(lǐng)域，而表面充放電效應(yīng)、內(nèi)帶電效應(yīng)和位移損傷效應(yīng)等標(biāo)準(zhǔn)仍然匱乏。

1.4空間輻射環(huán)境及效應(yīng)地面模擬試驗方法航天器材料及器件的在軌性能退化情況可通過飛行試驗和地面模擬試驗來獲得。其中，地面模擬試驗由于具有周期短、花費少、方便等優(yōu)點而被廣泛用來評估航天器敏感材料及器件的空間環(huán)境適應(yīng)性。空間輻射環(huán)境及效應(yīng)比較復(fù)雜，地面模擬很難再現(xiàn)真實的空間環(huán)境，主要原因包括以下幾個方面：一是空間帶電粒子輻射是連續(xù)能譜分布，帶電粒子涵蓋了從幾個eV到GeV的范圍，地面模擬很難實現(xiàn)多能量帶電粒子的同時模擬；二是高能帶電粒子地面模擬難度較高，尤其是對電子元器件的高能帶電粒子效應(yīng)模擬；三是航天器在軌壽命長，從經(jīng)濟角度考慮，地面模擬試驗通常很難實現(xiàn)全壽命周期的環(huán)境或效應(yīng)的模擬。因此，針對航天器敏感材料與器件，通常采用地面加速試驗和效應(yīng)等效相結(jié)合的方法，開展航天器空間輻射環(huán)境及效應(yīng)的地面模擬試驗[2]。在航天器材料空間輻射環(huán)境效應(yīng)地面模擬試驗方面主要采用劑量-深度分布法、等效能譜法和金屬薄膜散射法等。在航天器電子元器件模擬方面，主要是采用一種或幾種輻射源，利用效應(yīng)等效原理來開展模擬。單粒子效應(yīng)是利用重離子、質(zhì)子、脈沖激光等作為模擬源，采用敏感度-LET值響應(yīng)曲線的方法，總劑量效應(yīng)采用輻射損傷等效法，位移損傷效應(yīng)采用等效注量法、位移損傷劑量法、勞申巴赫法等[53-55]，表面充放電效應(yīng)采用正向電位梯度法或反向電位梯度法，內(nèi)帶電效應(yīng)采用高能電子注入法，紫外輻射效應(yīng)采用曝輻量等效法或能量等效法[2]。雖然世界各國在空間輻射環(huán)境效應(yīng)試驗方法方面做了大量的工作，但在有些方面仍有相當(dāng)大的差距，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：1）在材料性能退化評價方面，目前采用最多的是劑量-深度分布方法，而效應(yīng)等效的能譜等效法和金屬薄膜散射法的有效性有待進一步研究。同時，加速因子對材料性能的退化影響有待進一步研究。2）在紫外輻射材料性能退化方面，目前世界各國開展的近紫外輻射效應(yīng)較多，而真空紫外輻射效應(yīng)研究相對較少，尤其是對10～115nm波段的影響，由于地面模擬手段比較復(fù)雜而開展得較少；此外，溫度和加速因子等參數(shù)的影響有待進一步探討。3）單粒子效應(yīng)試驗通常采用重離子和锎源開展，而利用質(zhì)子和脈沖激光等輻射源開展單粒子效應(yīng)的試驗方法有待進一步研究。4）電子元器件總劑量效應(yīng)試驗通常利用鈷源開展，而高能帶電粒子、X射線等總劑量效應(yīng)試驗方法有待進一步研究。5）空間多因素環(huán)境協(xié)同效應(yīng)地面模擬試驗開展較少，其協(xié)同機理和協(xié)同效應(yīng)模擬方法有待進一步研究。

1.5空間輻射環(huán)境及效應(yīng)地面模擬試驗設(shè)備目前主要從環(huán)境模擬和效應(yīng)等效模擬兩個角度研制了一系列地面模擬試驗設(shè)備。在太陽電磁輻射環(huán)境模擬方面，主要是以紫外輻射環(huán)境為代表的地面模擬試驗設(shè)備，相應(yīng)的紫外源主要包括氙燈、汞氙燈、氘燈、射流式氣體噴射源等。在帶電粒子和中子等輻射環(huán)境及效應(yīng)地面模擬方面，由于空間粒子的復(fù)雜性，地面試驗主要采用效應(yīng)等效模擬的方式，利用地面加速器或者輻射源來開展地面模擬試驗。單粒子效應(yīng)主要通過重離子加速器、锎源或者脈沖激光作為模擬源，其中重離子加速器又可以分為串列靜電加速器和回旋加速器。電子元器件的總劑量效應(yīng)模擬試驗設(shè)備主要使用60Coγ射線源，材料方面的總劑量效應(yīng)模擬試驗一般用電子加速器和質(zhì)子加速器進行。表面充放電效應(yīng)地面模擬試驗設(shè)備主要采用低能電子束作為模擬源，而內(nèi)帶電效應(yīng)地面模擬則主要采用中高能電子束來模擬。我國空間輻射環(huán)境與效應(yīng)地面模擬試驗設(shè)備采用的模擬方式與國外基本相似，但存在以下不足：第一，已有空間輻射效應(yīng)地面模擬設(shè)備的性能指標(biāo)落后，模擬試驗水平較低；第二，新的模擬試驗由于缺少設(shè)備不能開展；第三，加速器終端用于模擬試驗的配套設(shè)備不具備或不完善。目前，航天大國建立了相對完整的空間輻射環(huán)境及效應(yīng)地面模擬試驗設(shè)備體系，體現(xiàn)出以下特點：1）材料級空間輻射效應(yīng)地面模擬試驗設(shè)備向多因素綜合環(huán)境方向發(fā)展，如SEMIRAMIS總劑量綜合模擬試驗設(shè)備同時具備電子、質(zhì)子、紫外、真空、溫度等環(huán)境要素，見圖3[2]；2）器件級輻射環(huán)境效應(yīng)通常采用高能加速器開展地面模擬試驗，尤其是單粒子效應(yīng)、位移損傷效應(yīng)、總劑量效應(yīng)等；3）部分實現(xiàn)了性能的原位測試。但在設(shè)備指標(biāo)上有待進一步改進，主要表現(xiàn)：帶電粒子能量仍然較低，不能有效開展地面模擬試驗；性能原位測試手段缺乏；微觀原位測試和監(jiān)測手段較少。由于空間輻射環(huán)境與效應(yīng)地面模擬試驗設(shè)備建設(shè)投資大、周期長，試驗技術(shù)本身涉及的關(guān)鍵技術(shù)需要突破，因此地面模擬試驗設(shè)備的建設(shè)應(yīng)該有相當(dāng)?shù)念A(yù)見性和前瞻性，要充分預(yù)計若干年以后的模擬試驗需求。

1.6空間輻射效應(yīng)飛行試驗技術(shù)利用航天器進行的空間科學(xué)試驗，基本上可以分為密封艙內(nèi)試驗，非密封艙內(nèi)試驗和艙外（暴露）試驗3大類。暴露試驗是指把試驗裝置或被試樣品（材料、元器件或設(shè)備）放置于航天器的桁架或外表面，使之直接暴露于空間環(huán)境之中所進行的各種試驗。與密封艙和非密封艙內(nèi)試驗相比，具有空間環(huán)境更加真實、性能研究更加準(zhǔn)確的優(yōu)點。航天大國非常重視空間飛行試驗，針對空間輻射環(huán)境下的航天器敏感材料、電子元器件的性能退化規(guī)律開展了大量的空間飛行試驗研究。一方面是為了獲得航天器材料與電子元器件在軌的真實環(huán)境效應(yīng)數(shù)據(jù)，以指導(dǎo)地面設(shè)計；另一方面，也對航天器材料與電子元器件的地面模擬試驗進行比較，為地面模擬試驗方法與設(shè)備改進提供參考。從20世紀(jì)70年代開始，美國利用STS-5回收了已進行材料空間暴露試驗的返回式衛(wèi)星，各航天大國開展了大量的空間暴露試驗。從空間環(huán)境特性監(jiān)測平臺LDEF到國際空間站上搭載平臺，國外先后發(fā)射了20多種監(jiān)測平臺，主要分為三類：一是以LDEF[56]和MISSE為代表的材料空間暴露平臺，主要研究空間環(huán)境對材料的影響，通過暴露平臺研究空間環(huán)境對材料的累積效應(yīng)；二是以MEDET為代表的在軌環(huán)境因素監(jiān)測平臺，主要是對空間環(huán)境因素進行監(jiān)測；三是以O(shè)PM[57]為代表的在軌空間環(huán)境效應(yīng)綜合監(jiān)測平臺，可同時研究空間環(huán)境及其對材料的環(huán)境效應(yīng)，見圖4。OPM的核心設(shè)備為反射計、真空紫外分光光度計、總積分散射計（TIS）、分子污染監(jiān)測器、原子氧監(jiān)測器、輻射監(jiān)測器等。不但可以實現(xiàn)對材料性能（光學(xué)透射率、吸收率、反射率、熱發(fā)射率）的真空環(huán)境下原位測試，同時也可以探測空間環(huán)境，如原子氧、分子污染、太陽輻射等。單粒子效應(yīng)主要通過衛(wèi)星（如CRRES衛(wèi)星）在軌飛行數(shù)據(jù)而獲得。美國和歐洲、俄羅斯等國家合作開展了總劑量效應(yīng)在軌飛行試驗，先后進行了多次大型的長時間空間環(huán)境暴露下材料性能退化試驗。主要有長期實驗暴露裝置（LDEF）、光學(xué)性能監(jiān)測器（OPM）、“和平號”空間站環(huán)境效應(yīng)載荷（MEEP）和國際空間站材料試驗（MISSE）[59]。表面充放電飛行試驗包括SAMPIE[60]、PIX-Ⅰ、PIX-Ⅱ[62]、SFU、IPRE、科學(xué)探測衛(wèi)星P78-2（SCATHA）[63]等。內(nèi)帶電效應(yīng)飛行試驗典型代表如集約環(huán)境異常傳感器（CEASE）[64]等。太陽電池飛行試驗包括Hipparcos衛(wèi)星[65]、ETS-V衛(wèi)星和MDS-1衛(wèi)星[67]等。我國自1971年3月發(fā)射“實踐一號”科學(xué)試驗衛(wèi)星開始空間輻射環(huán)境天基探測以來，以搭載方式或通過專門的探測衛(wèi)星開展了空間輻射環(huán)境及效應(yīng)的飛行試驗。在40多年的時間內(nèi)，先后發(fā)射了用于空間環(huán)境探測的專業(yè)衛(wèi)星和搭載星船30余顆（艘），包括“東方紅二號”衛(wèi)星、“風(fēng)云”系列衛(wèi)星、“資源”系列衛(wèi)星、“神舟”系列飛船、“北斗”衛(wèi)星、“遙感”系列衛(wèi)星以及“嫦娥”系列衛(wèi)星等搭載多種空間輻射環(huán)境探測儀器。目前開展的天基空間輻射環(huán)境及效應(yīng)探測主要包括高能帶電粒子、低能帶電粒子、太陽X射線、單粒子效應(yīng)、衛(wèi)星表面充電、輻射劑量等。尤其是“實踐”系列衛(wèi)星和“神舟”飛船的探測，促進了對空間輻射環(huán)境及效應(yīng)的了解，獲得了寶貴的數(shù)據(jù)。目前，世界各國開展空間輻射環(huán)境及效應(yīng)飛行試驗呈現(xiàn)以下特點：1）專用試驗衛(wèi)星和衛(wèi)星搭載相結(jié)合；2）環(huán)境探測通常采用專業(yè)探測器，效應(yīng)探測通常用航天器飛行數(shù)據(jù)來分析；3）飛行試驗平臺向著環(huán)境探測與效應(yīng)探測一體化方向發(fā)展。

1.7空間輻射環(huán)境及效應(yīng)數(shù)值模擬數(shù)值模擬方法則是飛行試驗和地面模擬試驗的有效補充，既可以對航天器遭遇的空間輻射環(huán)境及航天器內(nèi)部的輻射環(huán)境進行預(yù)示，也可以對航天器材料與器件的性能退化進行預(yù)示。空間輻射環(huán)境的模擬采用直接建立環(huán)境模型的方法，而經(jīng)過材料等屏蔽后的環(huán)境則采用蒙特卡羅方法或確定性方法來數(shù)值模擬。根據(jù)蒙特卡羅方法設(shè)計的程序很多，如GEANT、EGS4、MCNP、ITS、FLUCK、ETRAN等程序。空間輻射效應(yīng)數(shù)值模擬軟件主要由歐美航天大國開發(fā)設(shè)計，分為綜合性仿真軟件和專用軟件，其中：綜合性數(shù)值模擬軟件如SpaceRadiation，SYSTEMA、SPENVIS、FASTRAD等；專用軟件主要針對不同的效應(yīng)開發(fā)，如總劑量分析軟件ITS、SRIM等，表面充放電軟件NASCAP、NASCAP-2K、SPIS、MUSCAT、SENSIT等，內(nèi)帶電效應(yīng)軟件DICTAT、ESADDC、NUMIT、ATICS等，位移損傷軟件SAVANT、SCREAM等。下面對空間輻射環(huán)境及效應(yīng)數(shù)值仿真的幾款典型軟件進行簡要介紹。SpaceRadiation軟件[68]的主要功能在于空間環(huán)境參數(shù)及空間輻射效應(yīng)的計算，可以模擬分析航天器在范•艾倫輻射帶、太陽耀斑、銀河宇宙射線、中子、人工輻射等環(huán)境下的輻射損傷效應(yīng)，用于對單粒子翻轉(zhuǎn)、總劑量、位移損傷、生物學(xué)等效劑量和太陽電池?fù)p傷進行預(yù)示。SYSTEMA軟件包括Dosrad、Earthrad、Matcharge、Perturbation、Plume、Thermica、Outgassing、Atomox等分析模塊，可以用來對空間輻射環(huán)境、航天器艙內(nèi)的輻射劑量、太陽電池輻射損傷等進行模擬預(yù)示。FASTRAD是用于航天器三維輻射分析與防護設(shè)計的CAD軟件，可用于分析各種類型的元器件、面板、設(shè)備和衛(wèi)星內(nèi)任意一點的輻射劑量，不但可用于輻射劑量分析，而且可以用于輻射設(shè)計分析。SPENVIS是由ESA開發(fā)的一個用戶界面友好的在線網(wǎng)絡(luò)程序，可以開展銀河宇宙射線、太陽高能粒子、地球輻射帶、磁場、空間等離子體、高層大氣、微流星體和空間碎片、光照等空間環(huán)境的分析。其RadiationSourcesandEffects模塊包括輻射源（俘獲帶電子和質(zhì)子、太陽宇宙射線、銀河宇宙射線）、單粒子效應(yīng)、總劑量效應(yīng)、太陽電池?fù)p傷效應(yīng)等等。SpacecraftCharging模塊則可以對深層介質(zhì)帶電、航天器表面帶電、太陽陣和航天器結(jié)構(gòu)電勢、低軌道環(huán)境參數(shù)及航天器帶電數(shù)據(jù)設(shè)置等進行分析和設(shè)計。NASCAP-2K是一個三維的航天器等離子體環(huán)境效應(yīng)模擬軟件，可以廣泛模擬各種等離子體現(xiàn)象。其具備的能力包括：定義航天器表面、幾何形狀、結(jié)構(gòu)；計算航天器表面與時間相關(guān)的電位；計算航天器的靜電電位，柔性邊界條件和空間電荷；產(chǎn)生并追蹤電子和離子，計算表面和體電流與電荷密度；表面電位、空間電位、粒子徑跡、時間相關(guān)電位與電流的可視化。DICTAT是用于衛(wèi)星內(nèi)帶電效應(yīng)仿真分析的軟件，其建立了平面或柱體簡單幾何體結(jié)構(gòu)的一維模型，采用FLUMIC的惡劣電子環(huán)境模型，利用解析方程描述電子在屏蔽物上的運動和沉積。介質(zhì)體最大電場根據(jù)歐姆定律獲得。最終，將程序代碼計算得到的最大電場強度和材料擊穿閾值進行比較來判定結(jié)構(gòu)是否會發(fā)生放電。如果最大電場強度超過材料的擊穿閾值，那么該程序?qū)⒔ㄗh修改航天器的防護層和厚度，直至達到材料的安全閾值為止。SAVANT是由NASA格林研究中心開發(fā)的基于位移損傷劑量模型的太陽電池陣驗證分析工具，可以方便地評估太陽電池陣在軌壽命末期的性能，對于不同太陽電池工藝的地面模擬試驗的開發(fā)和設(shè)計也有著重要的指導(dǎo)意義。SAVANT軟件不但可以對單結(jié)太陽電池進行性能退化模擬分析，而且能夠?qū)Χ嘟Y(jié)太陽電池和薄膜太陽電池的性能退化進行預(yù)示。我國在空間輻射環(huán)境及效應(yīng)數(shù)值仿真領(lǐng)域也取得了一定的成績，但與歐美航天強國相比，不論在輻射環(huán)境模型，還是在核心算法上，均存在著一定的差距，在型號工程的普及使用或商業(yè)化方面還需進一步努力。

1.8抗輻射加固技術(shù)針對航天器在軌的惡劣輻射環(huán)境，航天器材料、元器件、分系統(tǒng)等往往不能滿足航天器在軌壽命期間的抗輻射要求。因此，需要對其進行抗輻射加固。通常，抗輻射加固一般針對元器件和電子線路等，從硬件、軟件和結(jié)構(gòu)設(shè)計角度進行，而很少針對航天器材料開展工作。單粒子效應(yīng)抗輻射加固設(shè)計主要通過選用對單粒子效應(yīng)敏感度低的器件，在電路防護設(shè)計方面采用硬件看門狗、冗余設(shè)計和降額設(shè)計，對將操作系統(tǒng)內(nèi)核和與有效載荷安全以及飛行成敗有關(guān)的程序存放在ROM區(qū)，采用對特定工作信號進行監(jiān)視的軟件“看門狗”，以及EDAC技術(shù)、三模冗余等技術(shù)來實現(xiàn)。總劑量效應(yīng)抗輻射加固設(shè)計主要通過加強電子元器件和材料的選用、給予電子元器件和材料一定的設(shè)計余量、加強電子元器件的總劑量局部屏蔽防護以及對航天器內(nèi)部的設(shè)備布局進行抗輻射優(yōu)化設(shè)計等措施來實現(xiàn)。表面充放電效應(yīng)抗輻射加固設(shè)計主要通過嚴(yán)格控制航天器表面材料的選擇與應(yīng)用、加強接地系統(tǒng)的設(shè)計、嚴(yán)格控制關(guān)鍵材料及材料到結(jié)構(gòu)地的電阻、充分利用濾波技術(shù)以及加強污染控制等措施來實現(xiàn)。內(nèi)帶電效應(yīng)抗輻射加固設(shè)計主要通過選用合適的星內(nèi)介質(zhì)材料、加強內(nèi)帶電效應(yīng)的屏蔽設(shè)計、加強結(jié)構(gòu)地的設(shè)計等來實現(xiàn)。這有賴于對內(nèi)帶電效應(yīng)的機理、試驗與評價技術(shù)進行深入研究。位移損傷效應(yīng)抗輻射加固設(shè)計則通過加強抗輻射光電材料的選用與研制、對光電材料的位移損傷性能給予充分考慮并留有設(shè)計余量、加強位移損傷效應(yīng)評估和開展輻射損傷修復(fù)技術(shù)等來實現(xiàn)。雖然抗輻射加固技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，取得了一系列重要成果，并在型號中得到了應(yīng)用，但在抗單粒子效應(yīng)的防護設(shè)計，光電器件（尤其是CCD等器件）抗位移損傷效應(yīng)加固技術(shù)，內(nèi)帶電效應(yīng)的工程分析與評估、模擬試驗與測量技術(shù)，以及人工核輻射與激光輻射在軌加固技術(shù)方面仍需加強研究。

2發(fā)展趨勢

2.1空間輻射環(huán)境及模型空間輻射環(huán)境及模型的研究，對航天器的設(shè)計、防護及在軌故障的分析具有非常重要的意義。現(xiàn)有空間輻射環(huán)境模型具有較高的不確定性，因此，需要在以下方面開展工作：1）開發(fā)動態(tài)輻射環(huán)境模型。目前使用的輻射環(huán)境主要是長期平均的靜態(tài)輻射環(huán)境模型，需要進一步開發(fā)能夠反映太陽活動影響、地磁擾動和長期地磁漂移的動態(tài)環(huán)境模型。2）開發(fā)各向異性空間輻射環(huán)境模型。對于在軌航天器尤其是高軌道航天器及其內(nèi)部環(huán)境，各向同性模型并不能真實反映其輻射效應(yīng)，有必要開發(fā)具有工程應(yīng)用性的各向異性空間輻射環(huán)境模型。3）開發(fā)更加準(zhǔn)確的空間輻射環(huán)境模型。世界各國開發(fā)的空間輻射環(huán)境模型存在較大差異，尤其是在低能能譜段，需要開發(fā)更加準(zhǔn)確的空間輻射環(huán)境模型，提供低能譜段的數(shù)據(jù)，并提高置信度。

2.2空間輻射效應(yīng)及機理研究在空間輻射效應(yīng)及機理的研究方面，以下兩個方向需要重點關(guān)注：1）開展不同的空間輻射環(huán)境要素或地面模擬源對航天器材料與器件性能退化微觀機制的異同性研究，并進一步完善空間輻射環(huán)境效應(yīng)退化模型和試驗方法。2）航天器在軌環(huán)境是多種因素并存的環(huán)境，正確開展航天器敏感材料和器件的空間輻射效應(yīng)評價就要關(guān)注多種因素對航天器的協(xié)合效應(yīng)。3.3空間輻射環(huán)境及效應(yīng)試驗評價標(biāo)準(zhǔn)目前，世界各航天大國均非常重視空間輻射環(huán)境及效應(yīng)試驗評價標(biāo)準(zhǔn)的研究與制定工作。其中，對空間輻射環(huán)境效應(yīng)地面模擬試驗方法標(biāo)準(zhǔn)的制定與修訂工作仍需進一步加強，主要包含以下幾個方面：一是制修訂和完善空間輻射環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。在現(xiàn)有空間輻射環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的基礎(chǔ)上，針對科學(xué)研究和工程應(yīng)用，制修訂更加完備和精確的空間輻射環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。二是完善空間輻射效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。1）建立質(zhì)子單粒子效應(yīng)和脈沖激光單粒子效應(yīng)地面模擬試驗的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范；2）針對利用60Co來代替高能粒子開展總劑量效應(yīng)可能存在過試驗的問題，建立高能帶電粒子的總劑量效應(yīng)試驗標(biāo)準(zhǔn)；3）建立表面充放電效應(yīng)的國際通用標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，開展航天器材料、器件與充放電效應(yīng)相關(guān)的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)的驗證和研究；4）建立內(nèi)帶電效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范；5）建立光電器件的位移損傷效應(yīng)通用的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范；6）建立普適的航天器空間材料紫外輻射效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，尤其是10～115nm波段，其試驗方法和標(biāo)準(zhǔn)有待進一步探討。

2.4空間輻射環(huán)境及效應(yīng)地面模擬試驗方法空間輻射效應(yīng)試驗方法是開展地面模擬試驗的前提和基礎(chǔ)。未來需要在以下幾個方面開展工作：1）在材料性能退化評價方面，開展能譜等效法和金屬薄膜散射法的試驗方法及其有效性的研究；2）開展10～115nm波段紫外輻射效應(yīng)的試驗方法研究，同時，加強溫度和加速因子等試驗參數(shù)的探討；3）加強質(zhì)子和脈沖激光單粒子效應(yīng)的試驗方法及其等效性研究；4）研究高能帶電粒子、X射線總劑量效應(yīng)試驗方法，以及鈷源總劑量效應(yīng)試驗的等效性；5）開展空間多因素環(huán)境協(xié)合效應(yīng)地面模擬試驗方法研究。

2.5空間輻射環(huán)境及效應(yīng)地面模擬試驗設(shè)備未來研發(fā)空間環(huán)境效應(yīng)地面模擬試驗裝置應(yīng)該遵循以下幾條規(guī)則：1）包括的環(huán)境及效應(yīng)要素全。在一個或多個組合試驗腔中集成電子、質(zhì)子、近紫外、真空紫外、原子氧、空間碎片和微流星體、污染源等，從而可開展空間多因素環(huán)境的協(xié)同效應(yīng)研究。2）設(shè)計性能指標(biāo)可靠合理。既能滿足航天器材料與器件的性能退化評價，又避免不必要的高指標(biāo)帶來的經(jīng)濟浪費。3）監(jiān)測手段全，布局合理。由于地面模擬空間環(huán)境存在一定的面積均勻性問題，因此，需要對監(jiān)測手段進行合理布局，同時要盡可能多渠道進行監(jiān)控，應(yīng)該具備四極質(zhì)譜儀、石英晶體微量天平、法拉第杯、真空計、溫度控制計、紫外輻照度計、速度干涉儀等。4）充分考慮原位測試的必要性。由于異位測試帶來回復(fù)效應(yīng)的問題，因此，不論是宏觀性能如光學(xué)性能和電學(xué)性能需要進行原位測試，而且其微觀性能如成分、結(jié)構(gòu)、缺陷、形貌等也需要進行原位測試，可以配備紫外/可見/紅外分光光度計、SEM、表面電阻率測量裝置、AES/XPS等。如果需要對試件的性能退化機理作進一步深入分析，可以配備電子順磁共振波譜分析設(shè)備、光致熒光光譜分析設(shè)備、紅外光譜設(shè)備等。低地球軌道環(huán)境及效應(yīng)模擬腔見圖5。

2.6空間輻射效應(yīng)飛行試驗技術(shù)未來，航天器空間輻射效應(yīng)飛行試驗技術(shù)主要朝著以下方向發(fā)展：1）空間環(huán)境與效應(yīng)飛行試驗平臺向著公用型、集成化、多功能等方向發(fā)展。要求飛行試驗裝置體積小、重量輕，能夠?qū)崿F(xiàn)在任何衛(wèi)星平臺上安放，長壽命、高可靠，可以同時實現(xiàn)多種輻射效應(yīng)的探測或監(jiān)測。2）實現(xiàn)空間環(huán)境探測及環(huán)境效應(yīng)檢測的同時性。只有這樣，才能更加準(zhǔn)確地分析空間環(huán)境效應(yīng)與空間環(huán)境之間的關(guān)系，為長期的性能演化分析提供可靠支持。3）重視空間輻射效應(yīng)的原位測試。在空間輻射環(huán)境作用后，很多航天器材料或器件的性能存在明顯的回復(fù)效應(yīng)。因此，實現(xiàn)在軌性能原位測試就顯得非常有必要。

2.7空間輻射環(huán)境及效應(yīng)數(shù)值模擬經(jīng)過多年的努力，世界各國開發(fā)了一系列空間輻射環(huán)境及效應(yīng)的數(shù)值仿真軟件，但仍待進一步完善和提高。未來，空間輻射環(huán)境及效應(yīng)數(shù)值模擬將向以下方向發(fā)展：1）涵蓋的空間輻射環(huán)境要素和空間輻射效應(yīng)要素全。未來的數(shù)值模擬平臺應(yīng)該能夠涵蓋所有的空間輻射環(huán)境和環(huán)境模型，并能夠?qū)崿F(xiàn)所有的空間輻射效應(yīng)數(shù)值模擬分析。在同一數(shù)值仿真平臺中，既包含所有的空間輻射環(huán)境要素，如地球輻射帶、太陽宇宙射線、銀河宇宙射線、X射線、中子、太陽電磁輻射等，又能實現(xiàn)所有的輻射效應(yīng)，如不同類型的單粒子效應(yīng)、總劑量效應(yīng)、位移損傷效應(yīng)、表面充放電效應(yīng)、內(nèi)帶電效應(yīng)、太陽電磁輻射效應(yīng)等。2）具有較高的模塊化、可視化和便捷的可編輯功能。未來的空間輻射環(huán)境與效應(yīng)數(shù)值模擬平臺中，空間輻射環(huán)境、空間輻射效應(yīng)、航天器三維結(jié)構(gòu)、輸入輸出應(yīng)該做到模塊化，而且能夠?qū)崿F(xiàn)互相調(diào)用；其數(shù)值模擬結(jié)果能夠?qū)崟r可視化輸出；關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)或航天器結(jié)構(gòu)參數(shù)能夠比較方便地編輯。

2.8抗輻射加固技術(shù)世界各航天大國均非常重視航天器抗輻射加固設(shè)計工作，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：1）將抗輻射加固納入到航天器研制的全流程中。從材料的設(shè)計與制備、選用與驗證，航天器結(jié)構(gòu)設(shè)計與布局、在軌故障分析與處理等各個環(huán)節(jié)，都要充分考慮抗輻射加固的重要性。2）加強新材料、新器件的抗輻射加固工作。新型高性能、高集成度電子元器件或材料往往具有較高的輻射敏感度，容易發(fā)生單粒子效應(yīng)等，需要加強其抗輻射加固工作。3）加強位移損傷效應(yīng)、內(nèi)帶電效應(yīng)的抗輻射加固研究。相較于單粒子效應(yīng)和總劑量效應(yīng)等，位移損傷和內(nèi)帶電效應(yīng)逐漸成為航天器在軌輻射損傷的重要效應(yīng)，因此亟需加強此二種效應(yīng)的抗輻射加固研究。4）開展人工輻射環(huán)境的抗輻射加固技術(shù)研究。包括航天器敏感材料或器件對空間核爆炸、激光等的抗輻射加固技術(shù)研究。5）加強抗輻射加固的效果驗證與量化評估技術(shù)研究。有些材料或器件的抗輻射加固可以進行試驗驗證，而有些無法開展具體的試驗評價工作，需要進一步探討其效果驗證與量化評估方法。

3結(jié)束語

空間輻射環(huán)境工程是一門多學(xué)科交叉的系統(tǒng)性工程科學(xué)，雖然經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，已經(jīng)取得了可喜成果，并在航天型號研制過程中發(fā)揮著重要作用；但隨著新型航天器的研制、新材料、新器件的開發(fā)以及空間探測的不斷推進，目前的研究工作及成果無論在空間輻射環(huán)境及模型、空間輻射效應(yīng)及機理，還是在試驗方法、標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范、地面模擬試驗以及數(shù)值仿真等方面，與型號需求仍然存在著一定的差距。需要廣大同行科研人員在理論上、方法上和應(yīng)用上不斷深化研究，促進空間輻射環(huán)境工程的不斷推進，以更好地滿足型號任務(wù)的需求，提高航天器的在軌安全和可靠性。致謝本文在撰寫的過程中，得到了龔自正研究員、黃建國研究員、蔡震波研究員、馮偉泉研究員、丁義剛高級工程師、劉宇明高級工程師的寶貴建議和大力幫助。同時，對文中部分引用圖的作者，在此一并表示感謝。不周之處，請予諒解并指正。

作者：沈自才閆德葵單位：北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所