彈道導彈高能粒子輻射環境適應性研究

高著秀，孫 健，王玉林，李羅鋼，張耀磊

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彈道導彈高能粒子輻射環境適應性研究

高著秀，孫 健，王玉林，李羅鋼，張耀磊

（中國運載火箭技術研究院研究與發展中心，北京，100076）

導彈飛行環境中包含多種高能帶電粒子，會對敏感電子器件產生輻射環境效應影響。針對3個典型的彈道獲取高能粒子能譜分布情況，開展輻射環境及效應的分析，探討導彈對高能粒子輻射環境的適應性，提出防護設計建議，以改善其適應性。

彈道導彈；輻射效應；環境適應性

0 引 言

彈道導彈飛行任務環境中包含輻射帶電子、輻射帶質子、太陽宇宙線質子等[1~3]多種高能帶電粒子。相對于長期在軌的衛星，導彈飛行時間較短，一般忽略輻射環境的影響，因此，也鮮有對彈道導彈輻射環境影響的相關分析和報道。隨著對各類飛行器空間輻射環境效應研究的深入，發現即使飛行任務時間短，軌道相對較低，也會受到高能粒子的輻射影響。尤其是單粒子效應，是一種概率事件，飛行過程中敏感器件受到高能粒子入射時，達到其單粒子效應閾值即有可能發生故障，影響任務安全。另外，導彈結構及材料更加多樣化，電子器件特征尺寸不斷減小、集成度不斷提高，加劇了發生單粒子事件的風險[4~6]。因此，有必要針對彈道導彈開展輻射環境適應性的研究，為導彈研制提供輻射環境效應防護方面的參考。本文針對3條飛行軌跡經過相對惡劣的輻射環境的典型彈道導彈任務開展分析，獲取高能粒子能譜分布情況，計算在軌吸收劑量及翻轉頻次，總結影響輻射環境效應的因素及相關規律，提出防護設計建議。

1 輻射環境能譜分析

在彈道導彈飛行過程中經過的輻射環境中的帶電粒子主要包括：地球輻射帶質子及電子，太陽宇宙射線質子及重離子以及銀河宇宙射線質子和重離子。其中，對單粒子效應起作用的帶電粒子包括：地球輻射帶質子，太陽宇宙線質子和重離子，銀河宇宙線重離子；對總劑量效應起作用的帶電粒子包括：地球輻射帶質子和電子、太陽宇宙線質子。

彈道導彈飛行一般經過內輻射帶區域，對于輻射帶高能粒子，大于10 MeV的高能質子基本分布于磁緯度絕對值小于50°的空間[7]。高度在2 000 km以下時，輻射帶質子主要分布于南大西洋異常區，輻射帶電子主要分布于南大西洋異常區和緯度約60°的兩個帶狀區域。對于太陽宇宙線和銀河宇宙線高能粒子主要集中于地磁屏蔽作用相對較弱的極區，因此，本文選取3條彈道進行分析：a）彈道一，飛行軌跡基本處于南大西洋覆蓋范圍內；b）彈道二，飛行軌跡在北緯60o附近；c）彈道三，穿過極區。3條彈道高度最高點均在2 000 km附近，飛行時間均約40 min。以上3條彈道均為輻射環境相對惡劣的區域，針對以上3條典型彈道開展分析，基本可以說明彈道導彈在輻射環境中的適應性。

下文給出3條彈道輻射環境中地球輻射帶電子、輻射帶質子、太陽宇宙線及銀河宇宙線質子和重離子積分能譜，如圖1~7所示。

圖1為3條彈道輻射環境中地球輻射帶電子微分能譜分布。輻射帶電子環境模型采用工程中常用的AE8模型，考慮最惡劣情況，采用太陽活動高年模式 AE8MAX，由于構造AE8模型時所用的地磁場模型為IGRF國際參考地磁場模式，因此本文中選用IGRF作為地磁場模式[8]，該模型是一系列描述地球主磁場及其變化規律的數學模型[9,10]。

圖1 地球輻射帶電子微分能譜

從圖1中分析可知，對于能量小于3 MeV的輻射帶電子，經過南大西洋的彈道一中的輻射帶電子通量遠高于其它兩條彈道。對于能量大于3 MeV的高能輻射帶電子，穿過高緯區域的彈道二中的電子通量最高。

圖2為3條彈道的地球輻射帶質子微分能譜分布。輻射帶質子環境模型采用AP8MIN，輻射帶質子通量在太陽活動低年時較大，因此選太陽活動低年時模型作為輻射惡劣情況，地磁場模型選用IGRF國際參考地磁場模式。

圖2 地球輻射帶質子微分能譜

從圖2中分析可知，對于能量大于1 MeV的輻射帶質子，經過南大西洋的彈道一中的輻射帶質子通量遠高于其它兩條彈道。對于能量小于1 MeV的輻射帶質子，穿過高緯區域的彈道二中的質子通量最高。總體上，穿過極區的彈道三輻射環境中輻射帶質子和電子通量均較小。

圖3為彈道二和彈道三輻射環境中太陽宇宙線質子微分能譜。圖3a環境模型選用1989峰通量模式，地磁條件為非地影區、地磁風暴模式；圖3b環境模型選用國際通用的ESP平均統計模型，該模型可用于總劑量和最劣事件劑量的預測[11]。地磁條件為非地影區、地磁風暴模式。穿過南大西洋的彈道一輻射環境中太陽宇宙線質子通量在平均模式和峰通量模式下均為零。穿過極區的彈道三輻射環境中太陽宇宙線質子通量略高于穿過60°高緯地區的彈道二輻射環境中太陽宇宙線質子通量。對比可知，峰通量模式下太陽宇宙線質子積分通量比平均模式下約高3個量級，可見不同的太陽活動情況下，太陽質子的通量變化顯著。

a）峰通量模式

b）平均模式

圖3 太陽宇宙線質子微分能譜

圖4~6為3條彈道輻射環境中太陽宇宙線重離子積分能譜，其中峰通量模式采取的環境模型為CREME96最壞5 min模式，地磁條件為非地影區、風暴模式。平均模式采取的環境模型為PSYCHIC模式，該模型具有較寬的能量范圍[12]。地磁條件為非地影區、地磁風暴模式。其中彈道一輻射環境中太陽宇宙線重離子只有峰通量模式下存在少量通量。3條彈道中，經過極區的太陽宇宙線重離子通量最大。對比可知，峰通量模式下太陽宇宙線重離子積分通量比平均模式下高約2個數量級。

圖4 彈道一太陽宇宙線重離子積分能譜（峰通量模式）

a）峰通量模式

b）平均模式

圖5 彈道二太陽宇宙線重離子積分能譜

a）峰通量模式

b）平均模式

續圖6

圖7為3條彈道輻射環境中銀河宇宙線重離子積分能譜（=2~28）。

a）彈道一

b）彈道二

c）彈道三

由圖7可知，分析中采用的環境模型為CREME96模式[13]，是目前國內外廣泛采用的銀河宇宙線統計模型，該模型利用解析表達式描述銀河宇宙線粒子的強度變化。地磁條件為非地影區、地磁平靜模式（該模式下銀河宇宙線通量較大）。穿過極區的銀河宇宙線重離子通量最高，穿過南大西洋異常區的銀河宇宙線重離子通量最低。銀河宇宙線重離子通量比以上各種粒子均低，其對飛行器的輻射環境效應影響相對較小。

總結上述對3條彈道輻射環境中高能帶電粒子的分析結果，彈道一考核輻射帶質子和輻射帶電子的影響，彈道二考核能量和通量均相對較高的各種粒子輻射環境的影響，彈道三重點考核太陽宇宙線和銀河宇宙線輻射環境的影響。具體特性見表1。

表1 彈道輻射環境特性統計

2 輻射環境適應性分析

2.1 總劑量效應適應性分析

輻射環境中吸收的劑量主要來源于地球輻射帶質子、輻射帶電子和太陽宇宙線質子。根據第1節對3條彈道輻射環境中獲得的帶電粒子能譜的分析結果，可以獲得3條彈道的吸收劑量-深度分布曲線。

圖8為3條彈道飛行任務中的吸收劑量-深度分布曲線，分析時采用實心球模型。由圖8可知，穿過南大西洋異常區的彈道一輻射劑量遠高于其它兩條彈道，且彈道一輻射劑量主要來源于輻射帶質子，彈道二、彈道三的輻射劑量主要來源與輻射帶電子和太陽宇宙線質子。假設只有電子設備殼體對電子器件提供防護，設備殼體厚度為2 mm，材料為鋁合金。對照 圖8中的劑量深度曲線，3條彈道中電子設備內部在經歷彈道輻射環境后總的吸收劑量分別為15.1 rad（Si）、2.26 rad（Si）和0.33 rad（Si），常規電子器件抗總劑量閾值大于1 000 rad（Si），可以滿足任務要求，電子設備發生總劑量效應的風險極低，無需采取專門的總劑量效應防護措施。

a）彈道一

b）彈道二

c）彈道三

2.2 單粒子效應適應性分析

為開展電子設備內部敏感電子器件單粒子效應計算分析，首先應基于空間高能帶電粒子能譜及LET譜的計算。針對空間高能帶電重離子需計算其LET譜，而高能質子需計算微分能譜，下面給出3條彈道輻射環境高能粒子穿過防護層后的能譜及LET譜。

同樣針對2 mm等效鋁防護層開展分析，由于只有穿過南大西洋異常區的彈道一輻射環境中存在能量較高的輻射帶質子，因此，只有彈道一輻射帶質子穿過2 mm防護層，其它兩條彈道輻射環境中輻射帶質子能量較小，其未能穿過2 mm防護層。圖9為彈道一輻射帶質子穿過防護層后能譜。

圖9 彈道一輻射帶質子穿過防護層后能譜

圖10為彈道二和彈道三輻射環境中太陽宇宙線質子穿過2 mm厚防護層后微分能譜圖（彈道一無太陽宇宙線質子通量）。圖10a環境模型采用平均統計模型ESP模式；圖10b環境模型采用1989峰通量模式。

a）平均模式

b）峰通量模式

圖10 太陽宇宙線質子穿過防護層后能譜

由圖10分析結果可知，太陽宇宙線質子穿過2 mm等效鋁防護層后，在通量峰通量模式下比平均統計模式約高3個數量級。

圖11為彈道二和彈道三輻射環境中太陽宇宙線重離子穿過2 mm厚防護層后LET譜。其中，圖11a離子模型采用PSYCHIC模式；圖11b離子模型采用CREME96 最壞5 min模式。由圖11的分析結果可知，太陽宇宙線重離子穿過2 mm等效鋁防護層后，在峰通量模式下比平均統計模式高約3個數量級。彈道一輻射環境中只有在峰通量模式下有少量太陽宇宙線重離子穿過防護層。

a）平均模式

b）峰通量模式

圖11 太陽宇宙線重離子穿過防護層后LET譜

圖12為3條彈道輻射環境中銀河宇宙線重離子穿過2 mm厚防護層后LET譜圖。其中，離子環境模型采用CREME96模式。彈道二和彈道三輻射環境中銀河宇宙線重離子穿過防護層后LET譜基本一致，且遠高于穿過南大西洋異常區的彈道一輻射環境中銀河宇宙線重離子穿過防護層后LET譜。

圖12 銀河宇宙線重離子穿過防護層后LET譜

為了對電子器件抗輻射加固選型提供參考，本文以兩款SRAM型FPGA器件為代表，對其任務期間發生單粒子效應的頻次進行分析。在軌單粒子翻轉概率的計算結果見表2，分析時采取太陽活動峰年時模式，考慮發生太陽耀斑時的粒子情況，太陽宇宙線質子與重離子都采取平均統計模型和“5 min峰通量”模式進行比較。

表2 單粒子翻轉概率分析

依據工程設計經驗，為確保任務安全，在單粒子效應防護中應進行3倍冗余設計，所分析的3個彈道的飛行任務中器件發生單粒子效應的頻次應小于12次/（器件·天）。器件1在3個彈道的飛行任務中，發生單粒子翻轉的次數均大于12次/（器件·天）。器件2在彈道二、彈道三飛行任務中，平均統計模式下在軌翻轉次數小于12次/（器件·天），峰通量模式下在軌翻轉次數均大于12次/（器件·天）。彈道一飛行任務中，無論平均統計模式還是峰通量模式在軌發生單粒子翻轉次數均大于12次/（器件·天）。可見器件2的抗輻射性能優于器件1，這兩款器件單粒子翻轉概率均過高，不滿足抗輻射要求。

對比分析結果可知：

a）對于輻射帶質子，應主要考慮彈道是否穿過南大西洋異常區，穿過該區域時，如果防護層厚度較小，有發生單粒子效應的風險,其它情況下輻射帶質子能量較小，穿過防護層后能量及通量更小，基本不會造成單粒子翻轉。

b）對于太陽宇宙線及銀河宇宙線，在極區的通量相對較高。另外，發生單粒子效應的概率取決于是否爆發太陽活動及爆發太陽活動的強度，發生太陽耀斑時比平均模型下的計算結果約高3個數量級。

c）由表1中對兩款器件的分析結果比較可知，器件的抗輻射水平直接影響著單粒子效應的風險，應選擇滿足任務抗輻射指標要求的電子器件。

3 輻射防護設計建議

綜合以上分析結果，結合衛星常規輻射防護工程經驗，針對彈道導彈總劑量效應和單粒子效應防護提出以下設計建議：

a）總劑量效應防護設計建議。

對于彈道導彈，即使單機外部沒有其他防護結構，僅有單機自身約2 mm殼體的屏蔽情況下，單機在軌吸收的輻射劑量即達到非常小的量級，目前的結構設計可以滿足防護要求，不需要進行額外的總劑量效應防護設計。

b）單粒子效應防護設計建議。

對于彈道導彈單粒子效應的防護可參照衛星常用單粒子效應防護設計要求。結合器件的抗輻射指標及環境參數，對彈道導彈電子器件抗單粒子效應提出防護設計要求如下：

1）器件抗SEU（單粒子翻轉）的LET閾值大于15 （MeV·cm2）/mg時可直接使用，器件抗SEL（單粒子鎖定）閾值大于75 （MeV·cm2）/mg時可直接使用；

2）器件抗SEU的LET閾值小于15 （MeV·cm2）/mg或無LET閾值數據的，應進行抗SEU防護設計，并對其防護效果進行評估，確認滿足要求方可使用；器件抗SEL閾值在37~75 （MeV·cm2）/mg時，需進行防護設計，對其防護效果評估后，方可使用；

3）器件抗SEL閾值小于37 （MeV·cm2）/mg時，不得使用。

4 結束語

本文針對3個典型的彈道任務開展了輻射環境及效應的分析，這3條彈道分別穿過輻射環境中各種高能粒子相對惡劣的環境，分析結果基本可以說明彈道導彈在輻射環境中的適應性。依據分析結果，在對彈道導彈輻射防護設計中，基本可以不考慮總劑量效應對電子器件及材料的影響；對于單粒子效應，當防護層厚度有限時，應選用抗輻射性能滿足要求的電子器件，以確保在爆發大的太陽活動事件條件下，也不會因產生單粒子效應而發生故障。

[1] 焦維新, 田天. 空間環境研究的現狀與展望[J]. 航天器環境工程, 2007, 24(6): 337-340.

[2] 劉必鎏, 楊平會, 蔣孟龍, 等. 航天器單粒子效應的防護研究[J]. 航天器環境工程, 2010, 27(6): 693-697.

[3] 黃本城, 童靖宇. 空間環境工程學[M]. 北京: 中國科學技術出版社, 2010.

[4] 蔡震波. 新型航天器抗輻射加固技術的研究重點[J]. 航天器環境工程, 2010, 27(2): 173-176.

[5] 丁義剛. 空間輻射環境單粒子效應研究[J]. 航天器環境工程, 2007, 24(5): 283-290.

[6] 馮穎, 劉忠健. 單粒子效應對飛行器的影響分析及防護技術[J]. 強度與環境, 2011, 38(1): 26-30.

[7] 陶宏任, 林瑞淋, 師立勤, 劉四清, 張效信, 龔建村. 質子輻射帶輻射中心區域模型[J]. 空間科學學報, 2015, 35(3): 293-305.

[8] 謝倫, 濮祖蔭, 焦維新, 傅綏燕. 南大西洋異常區內輻射帶高能質子輻射環境長期變化的研究[J]. 中國科學D輯地球科學, 35(7): 658-663.

[9] 郭才發. 空間地磁場應用的若干關鍵技術研究[D]. 長沙: 國防科學技術大學, 2014.

[10] 白春華, 徐文耀, 康國發. 地球主磁場模型[J]. 地球物理學進展, 2008, 23(4): 1045-1057.

[11] 沈自才, 閆德葵. 空間輻射環境工程的現狀及發展趨勢[J]. 航天器環境工程, 2014, 31(3): 229-240.

[12] 余迎慶, 王詠梅, 付利平, 孔春陽, 李小銀, 王月. 太陽同步軌道真空紫外光電倍增管的高能粒子屏蔽方法研究[J]. 空間科學學報, 2012, 32(4): 532-536.

[13] 馮彥君, 華更新, 劉淑芬. 航天電子抗輻射研究綜述[J]. 宇航學報, 2007, 28(5): 1071-1080.

Research of Energetic Particles Environment Adaptability of Ballistic Missile

Gao Zhu-xiu, Sun Jian, Wang Yu-lin, Li Luo-gang, Zhang Yao-lei

(R&D Center, China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing, 100076)

There are various energetic particles in flight environment of missile. They will affect the sensitive electronic apparatus. Based on the energy spectrum of energetic particles along three trajectories, the radiation environment and effects are analyzed in this article. Also, the energetic particles environment adaptability of ballistic missiles is studied, and correlative protection design suggestions are proposed.

Ballistic missile; Radiation effects; Environmental adaptability

1004-7182(2017)06-0106-07

10.7654/j.issn.1004-7182.20170623

V412.1

A

2016-12-20；

2017-06-08

高著秀（1977-），女，博士，工程師，主要研究方向為空間環境總體設計