空間輻射環境誘發航天器故障或異常分析

薛玉雄，楊生勝，把得東，安 恒，柳 青，石 紅，曹 洲

(蘭州空間技術物理研究所真空低溫技術與物理重點實驗室，甘肅蘭州730000)

1 引言

世界上第一顆人造地球衛星自1957年10月4日發射成功以來，目前已發射各類航天器7 000多顆。這些衛星包括通信衛星、廣播電視衛星、氣象衛星、導航衛星、偵察衛星、地球資源衛星、預警衛星、科學試驗衛星、天文衛星、空間物理探測衛星等。從衛星的發展歷史可以看出，衛星的壽命不斷增加，故障在不斷減少。1960～1964年期間，衛星平均壽命只有0.5年，1965～1969年期間，衛星平均壽命已超過1年，但發射后2～5年衛星元部件陸續損壞，損壞的主要部件有:蓄電池、行波管及其電源、磁帶記錄器、太陽電池翼驅動裝置和姿控機構等。隨著時間的推移，衛星技術日臻成熟，從70年代以后，衛星故障明顯降低，并表現為“隨機性”，衛星的壽命超過了8年，隨著衛星部件質量和可靠性的不斷提高，現在衛星的壽命已超過了15年。據國外相關組織機構統計數據顯示2001～2003年間國際上總共發射了300多顆衛星，平均每年約有18顆衛星損壞或出現了故障，其中2003年出現故障的在軌航天器為24個(出現故障的航天器中以衛星居多)。在這些衛星在軌故障或異常中，空間輻射環境仍然是衛星在軌故障的主要原因之一，居各種故障因素之首。

隨著航天技術的日益發展，新型材料、高性能新型微電子器件和新技術越來越多地被應用，這些新材料和器件對空間輻射效應更加敏感，使得空間輻射環境誘發故障的可能性增加，空間輻射環境對衛星在軌長壽命、高可靠運行帶來的危險更加嚴峻。本文主要是借鑒國外航天器在軌異常分析與對策經驗，吸取教訓，促進我國空間環境研究與在軌運行管理的緊密結合，提高空間環境引起航天器在軌異常的原因分析與判斷的水平。

2 在軌航天器故障概況

2.1 通信衛星故障

文中收集了國際通信衛星(Intelsat)、阿克尼(Anik)、歐空局通信衛星及美國空軍等22通信衛星發生故障的情況，見表1所列。

表1 國外通信衛星輻射故障情況收集

針對典型通信衛星故障情況，進行原因及影響對策分析:

(1)Anik-AF1國內通信衛星故障

1)故障情況:1972年11月9日，Anik-AF1衛星由德爾它1914運載火箭發射升空。在靜止軌道日陰時刻，地球敏感器輸出的脈沖列(在太陽脈沖附近)出現不規則的沖擊(約兩個小時)。在此期間，地球敏感器的數據不能用于衛星姿態確定。

1978年10月4日，星上部分電子設備，編碼器在無地面指令的情況下亂真切換。

2)故障原因:太陽敏感器的模擬脈沖序列中存在不規則的沖擊是由于沒有接地的圓筒周期性充電和放電引起。

1978年10月4日，星上部分電子設備、編碼器在無地面指令情況下亂真切換是由于單粒子翻轉所致。

3)影響及對策:太陽敏感器的模擬脈沖序列中存在不規則的沖擊。以后在AF3衛星上的圓筒經一個電阻接地后，消除了這種瞬變過程。地球敏感器輸出發生瞬變的故障，沒有對飛行任務帶來較大的影響，后續的AF3衛星進行了改進，增加了一個電阻使圓筒接地，這一故障得以排除。

1978年10月4日，星上部分電子設備、編碼器在無地面指令情況下亂真切換對飛行任務沒有重大影響。

(2)Anik-AF2通信衛星故障

1)故障情況:1973年4月20日，Anik-AF2衛星由德爾它1914運載火箭發射升空。1975年12月9日，1號遙測編碼器出現部分故障，換向器的輸入選通脈沖中有一個短路。

地球敏感器出現故障。在對地靜止軌道上，日陰階段地球敏感器輸出的脈沖列(在太陽脈沖附近)出現不規則的沖擊(約兩個小時)。在此期間，地球敏感器的數據不能用于衛星姿態確定。

3)故障原因:衛星控制系統電子線路和編碼器3度出現亂真切換故障是由于衛星帶電影響所致。

1975年12月9日，1號遙測編碼器出現部分故障，是由于衛星帶電所致。

地球敏感器出現故障是由于沒有接地的圓筒充放電所致，情況與Anik-AF1衛星相同。

影響及對策:衛星控制系統電子線路衛星出現3次亂真切換對飛行任務影響不大。

1975年12月9日，1號遙測編碼器出現部分故障后地面發指令接通了2號編碼器，問題得到解決。

地球敏感器出現故障對飛行任務影響不大，沒有采取措施。

針對衛星通信頻帶出現的問題，改變了Anik-AF3設計，解決了這樣的問題。

(3)Anik-AF3通信衛星故障

1)故障情況:1975年5月8日，Anik-AF3衛星由德爾它1914運載火箭發射升空。出現問題:星上編碼器出現亂真切換。

2)故障原因:星上編碼器出現亂真切換是由于衛星帶電造成的。

3)影響及對策:星上編碼器出現亂真切換對飛行任務影響不大。

(4)Anik-E1與Anik-E2通信衛星故障

1)故障情況:1994年1月20日，Anik-E1和Anik-E2國內通信衛星的陀螺定向系統在8 h內先后發生故障。

2)故障原因:太陽大耀斑的帶電粒子使E1和E2衛星的控制電路損壞(單粒子事件)，造成E2衛星在軌道上每分鐘翻滾2次，無法接收和傳播廣播信號。

3)影響及對策:啟用了E1衛星的備份定向系統，衛星工作正常。E2衛星采用啟動備份的動量輪控制系統，挽救E2衛星。

(5)歐洲海事通信衛星1故障

1)故障情況:1981年12月20日，歐洲海事通信衛星1由阿里安運載火箭發射。

1982年2月，衛星定點預定軌道不久，星上的電子設備出現一系列報警信號，錯誤地告知衛星通信部件失靈。

2)故障原因:1982年2月出現的故障是由于太陽活動干擾了衛星上的部件，使星上部件積累了靜電電荷，靜電電荷放電使衛星內部復雜的電子設備受到嚴重影響。

3)影響及對策:1982年2月，靜電問題影響了衛星順利執行飛行任務。采取一系列措施，抵消了危險的亂真信號，控制衛星回到了原來的軌道位置，使衛星恢復正常運行。

2.2 氣象衛星故障

文中收集了8顆通信衛星發生故障的情況，見表2所列。

表2 國外氣象衛星輻射故障情況收集

針對典型氣象衛星故障情況，進行原因及影響對策分析:

(1)NOAA-8氣象衛星故障

1)故障情況:1983年3月28日，NOAA-8氣象衛星發射升空。衛星入軌后發生了一系列故障。1984年6月，衛星失去控制。

2)故障原因:1984年6月，衛星失去控制是由于星上振蕩器工作不正常，發出了混亂的頻率與定時信號，導致衛星姿態失控。

3)影響及對策:衛星于1984年6月失控，開始翻轉，并終止了向地面傳送氣象數據。地面控制人員利用地球引力，使衛星的轉動逐漸減慢，最終達到了穩定狀態。并經過地面檢查測試，啟動了星上備份振蕩器控制電源，衛星重新投入工作。

(2)GOES-4故障

1)故障情況:1980年9月9日，地球靜止環境業務衛星4(GOES-4)發射升空，同年10月15日開始工作，1982年11月26日失效。

衛星在軌期間，成像儀器失效。可見光/紅外自旋掃描輻射計大氣探測器22次停止工作。衛星在軌期間還發生過太陽電池陣輸出功率突然下降的故障。

2)故障原因:衛星在軌期間，成像儀器失效的原因是由于電源中的印刷線路板出現開路故障。

可見光/紅外自旋掃描輻射計大氣探測器22次停止工作是由于靜電放電造成的。

衛星在軌期間太陽電池陣輸出功率突然下降的故障是由于空間粒子輻射環境的影響造成的。太陽電池陣的電池片盡管有覆蓋層保護，但由于粒子輻射劑量超過了設計時的預測值，造成太陽電池損傷，從而使輸出功率下降。

3)影響及對策:針對衛星靜電故障采取以下措施:

①衛星外表面所有裝置進行屏蔽，在指令和其他敏感器件采用備份;

②采用衛星帶電主動控制技術，即通過向空間輻射衛星電位以平衡輸入環境通量，以此來控制衛星電位;

③采取衛星均勻電荷分布技術方案，即利用導線或其他導電柵將星體電介質表面分解成一塊、一小塊的電介質。每小塊電介質接地平面耦合起來。這樣可以大大降低表面積，縮短了從任一點電介質到結構地的距離，從而降低了單獨放電的強度;

④采取新型抗靜電熱涂層材料，降低電荷的積累。

另外，美國 JPL實驗室對GEOS-4，5，6，7衛星在軌發生的異常事件進行了統計分析，其結果見表3所列。這些衛星在軌期間共發生了195次異常事件，誘發這些異常的因素主要是單粒子翻轉(SEU)、靜電放電(ESD)和不確定因素(UNK)。

表3 GOES-4，5，6和7的異常統計

1989年8、9、10月期間特大太陽耀斑對GOES-5、GOES-6、GEOS-7的太陽電池輸出參數都產生影響。9月和10月兩次質子事件對在軌30個月的GOES-7衛星的太陽電池損傷如圖1所示。兩次事件使電池輸出電流從15.78 A快速降到15.1 A。通常在標稱輻射環境中，太陽電池每年衰退約0.1 A。太陽質子事件使GOES-7衛星太陽電池電流輸出呈現陡峭的下降，造成太陽電池衰退相當于在5年正常輻射環境中引起的損傷。

圖1 GOES－7衛星的太陽電池損傷

2.3 其他衛星

除上述衛星因為空間輻射環境發生了在軌異常和故障之外，近年來，還有多顆衛星的在軌異常被確認為空間輻射環境而引起。表4簡要統計了1989年3月太陽耀斑所引起的部分衛星在軌異常。

表4 1989年3月太陽大耀斑對衛星的影響

從表4中可以看出，在這個很短的時間里，太陽活動產生了遠大于正常數量的異常，特大太陽耀斑對衛星在軌安全運行構成的危險極大。

我國6顆地球靜止衛星在軌故障原因統計(見表5)表明，空間環境影響引起的故障數占據總故障數的40%。

表5 我國地球靜止軌道衛星故障原因統計

國內外多顆衛星的在軌異常資料表明，單粒子效應(尤其是單粒子翻轉)和衛星充/放電效應是誘發衛星在軌異常的主要因素。這些異常并沒有與大的環境擾動(如太陽耀斑爆發、日冕物質拋射、地磁暴等)同時發生，而是多半在這些大擾動發生一段時間之后，出現1～2周時間內電子通量增強事件后才發生。多個衛星的在軌異常或故障經查明確認是由于空間高能電子在衛星內部的深層介質中引發的內帶電效應所造成。這種內帶電效應在地球靜止軌道衛星上更易發生，研究指出，由介質深層放電造成的衛星在軌異常或故障，約占GEO衛星放電異常或故障總數的50%以上。

3 航天器抗輻射防護對策及建議

隨著航天技術的發展，一些新技術、新型材料和電子器件在航天器上越來越多地應用，導致航天器對空間輻射環境越來越敏感，空間帶電粒子更易誘發輻射效應，沒有良好的防護措施，輻射效應會嚴重影響航天器在軌高可靠、長壽命運行，嚴重時將造成飛行任務過早地結束。

通過以上對國外衛星在軌故障的分析，為此提出如下建議:

(1)加強防止重大事故的研究

一般小事故對飛行影響較小，且一般能通過措施調整過來，但重大事故一般無法挽回，因此，要特別引起重視。要加強對關鍵元器件及材料的質量控制，加強航天器系統級可靠性研究。

(2)加強對空間環境的研究，減少空間環境對衛星的干擾

空間環境對衛星的干擾包括宇宙輻射、太陽輻射、地球輻射、磁場和磁層亞暴等對衛星的影響。要加強對衛星充放電效應、單粒子效應研究，重點考慮對輻射敏感器件和關鍵分系統進行抗輻射優化設計，提高抗輻射能力。

(3)提高計算機系統的可靠性

計算機系統是衛星的神經系統，對衛星正常運行起決定性作用。而衛星在軌正常操作和故障排除均需靠遙測和指令系統，因此，特別要提高計算機系統的可靠性。

(4)提高衛星排除故障的能力

提高衛星的可靠性固然重要，排除故障也是衛星正常運行的有效方法。經過分析可以看出，備用設備和可靠的指令系統及地面站應變能力對衛星的故障排除是很關鍵的。

在獲得空間輻射環境數據、星用材料、器件輻射效應試驗數據的基礎上，結合建立的輻射效應軟件模型和數據庫，建立衛星輻射效應異常專家系統，為確保航天器在軌安全運行提供技術保障。

(5)加強飛行驗收試驗技術研究

在充分進行地面試驗的基礎上，在我國未來發射的長壽命衛星上，搭載空間環境及效應試驗載荷，旨在獲得真實的第一手資料，驗證防護技術，為以后的設計提供依據。

(6)重視地面驗證試驗

對采取輻射效應加固措施的電路、分系統，其地面驗證試驗是最直觀和最具有說服力的證據。在地面試驗條件允許的條件下，應盡可能開展試驗驗證工作，確保防護措施真實有效。

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