近極軌道區(qū)域空間輻射環(huán)境仿真

蔣虎 胡海鷹 龔文斌

摘 要：文章以98度軌道傾角為例，考慮的軌道高度分別為300km和600km兩種情況，對這兩組該空間區(qū)域內(nèi)的輻射環(huán)境指標進行了仿真分析，主要指標包括：質(zhì)子能譜，電子能譜及輻射劑量等。基于這些指標的仿真結果，對該區(qū)域的衛(wèi)星設計提出了設計要求。

關鍵詞：太陽同步軌道；空間輻射；仿真

1 概述

飛行器在空間運行時，受到多種因素的影響，飛行器軌道會發(fā)生衰減，甚至會造成飛行器內(nèi)部單機或某個分系統(tǒng)失去正常工作功能，從而引起飛行器失效而被迫終止飛行?？臻g輻射環(huán)境就是其中的關鍵因素之一[1，2，3]。這里主要針對近極軌道區(qū)域空間輻射環(huán)境進行仿真，即以98度軌道傾角為例，考慮的軌道高度分別為300和600km。所考察的輻射環(huán)境指標主要包括：質(zhì)子能譜，電子能譜及輻射劑量等。這些指標的仿真結果將對該區(qū)域的衛(wèi)星設計提出一定的設計要求。

2 仿真平臺介紹

文章仿真平臺是基于ESA的空間環(huán)境信息系統(tǒng)SPENVIS[4]。該軟件包可以生成飛行器軌道或飛行器坐標網(wǎng)格點等信息；基于這些信息，利用內(nèi)置的空間環(huán)境模型，可以對用戶自己感興趣的空間環(huán)境指標進行仿真，該軟件的主要功能包括：地磁場坐標生成；被俘獲質(zhì)子及電子的輻射通量、太陽質(zhì)子影響；簡單幾何結構模型下的等離子或非等離子輻射劑量；復雜幾何結構模型下的分區(qū)輻射劑量分析；太陽電池片損害等效影響分析；等離子LET、流量譜、單粒子事件翻轉(zhuǎn)率；俘獲質(zhì)子流量的各項異性；大氣、電離層密度及溫度等；原子氧腐蝕深度；空間碎片仿真等。

3 仿真結果

文章仿真了傾角為98度情況下，衛(wèi)星高度分別為300km，600km時的空間輻射環(huán)境（質(zhì)子能譜，電子能譜及輻射劑量等）。空間輻射環(huán)境仿真結果如下。

3.1 300km時的空間輻射環(huán)境仿真（如圖1、2、3）

3.2 600km時的空間輻射環(huán)境仿真（如圖4、5、6）

4 結束語

從仿真結果可以初步得出以下幾點結論：（1）對于98度傾角情況，輻射劑量隨屏蔽材料厚度變化的趨勢是：在厚度處于小于9mm區(qū)間時，隨屏蔽材料厚度增加，輻射劑量迅速減少；當厚度處于大于9mm而小于20mm區(qū)間時，隨屏蔽材料厚度增加，輻射劑量減少十分有限；（2）600km軌道高度比300km軌道高度的質(zhì)子積分通量高1-2個量級，而電子積分通量則在同量級范圍內(nèi)。

根據(jù)以上仿真結果，我們可以在98度左右軌道傾角的衛(wèi)星設計時選取厚度為9mm左右的鋁板殼體，即可有效減少300、600km高度區(qū)間內(nèi)的空間輻射劑量，從而保障星內(nèi)單機工作穩(wěn)定性；另外，質(zhì)子通量高往往更容易引起衛(wèi)星器件單粒子事件發(fā)生，因而對98度傾角衛(wèi)星而言600km軌道高度的衛(wèi)星設計比300km高度的衛(wèi)星設計更應注重防范單粒子故障處理機制；電子通量高更容易引起衛(wèi)星深層充電現(xiàn)象，由于600km軌道高度比300km軌道高度的電子積分通量在同量級范圍內(nèi)，因而就防范衛(wèi)星深層充電方面，600km軌道高度的衛(wèi)星抗深層充電措施設計與300km高度的衛(wèi)星抗深層充電措施設計不必采用差別化設計。

參考文獻

[1]http：//baike.baidu.com/view/415069.htm[DB].

[2]中國科學院空間科學與應用研究中心.宇航空間環(huán)境手冊[M].中國科學技術出版社，2000.

[3]沈自才.空間輻射環(huán)境工程[M].中國宇航出版社，2013.

[4]https：//www.spenvis.oma.be/[DB].

作者簡介：蔣虎（1969-），男，漢族，浙江省東陽市，現(xiàn)為上海微小衛(wèi)星工程中心研究員、博士，研究方向：衛(wèi)星總體設計及導航衛(wèi)星應用。