基于專利視角的空間站設備抗輻照加固技術發展分析

◎ 王 瓊 丁 潔 黨麗芳

（1.中國航天系統科學與工程研究院；2.北京航天情報與信息研究所）

來源于地球輻射帶、銀河宇宙線和太陽宇宙線的天然粒子輻射，會產生航天器材料性能退化甚至功能喪失、電子元器件性能漂移和衰退、電路產生邏輯錯誤等問題，抗輻射加固技術就是為提高航天器承受天然或人工粒子輻射壞境能力，避免其運行期間遭受輻射損傷而采取的防護措施。期主要源于美國波音公司進行了新一輪的全球專利部署，尤其是在抗輻照結構方面申請了大量的專利，以及21世紀初期世界航天強國紛紛參與國際空間站建設，產生了眾多研究成果；2009—2012年的階段性高峰期主要受霍尼韋爾公司專利申請量迅速增長的影響，該公司在這段時期為即將上市的不同系列輻射加固靜態隨機存取存儲器（SRAM）進行了大量專利布局。

一、 技術發展趨勢分析

空間站設備抗輻照加固技術的相關專利申請最早出現在20世紀七八十年代（如圖1所示），起因是美國在該時期發生的70%衛星異常事件都與空間環境有關，技術人員開始逐漸進行空間設備抗輻照加固技術研究。在該技術發展過程中，專利申請數量經歷了2002—2006年的技術快速爬升期和2009—2012年的階段性高峰期。2002—2006年的專利申請快速爬升進入2012年以后，空間站設備抗輻照加固技術逐步發展成熟，全球專利申請總量開始下降。

圖1 空間站設備抗輻照加固技術發展趨勢分析

從圖1中還可以看出，美國、日本在該領域起步較早，我國的發展則滯后10年左右；在2012年前，美國的申請量與全球申請總量的發展趨勢保持一致，并且申請總量能夠直接影響全球趨勢，可見美國在該領域的絕對領先地位；而在2012年后，美國專利申請數量開始下降，我國由于開始實施空間站等工程，在該技術領域取得顯著成果且相關專利申請數量越來越多。

二、 專利申請情況分析

本文選取抗單粒子翻轉、抗輻照結構、單粒子效應測試、抗輻照電路板設計、抗瞬態干擾和抗單粒子閂鎖等六大抗輻照加固關鍵技術作為分析對象，對抗輻照的具體技術構成和各技術分支的發展趨勢進行分析。

圖2為1991—2017年空間站環境設備抗輻照加固技術領域申請的專利情況，從圖2可以看出，抗單粒子翻轉方向申請的專利量遠遠大于其他分支技術，是空間站設備抗輻照加固技術的研究重點，同時印證了單粒子翻轉是空間站設備單粒子效應的主要來源?？箚瘟Ｗ臃D的專利申請數量在2011年到達高峰后逐漸下降，說明該技術逐步發展成熟。查閱相關資料顯示，抗單粒子翻轉專利申請人主要來自美國，說明美國在抗單粒子翻轉技術上逐漸發展成熟，投入越來越小。

從圖2可以看出，抗輻照結構方向的專利申請量排在第2位，該技術主要關注空間站設備的殼體、材料和結構布局，是空間站抗總劑量輻照防護的主要技術手段，專利申請量較高是可以預見的。抗輻照結構方向的專利申請量在2007年后保持穩定，說明抗輻照結構一直是抗輻照加固技術領域研究的熱點和重點。

從21世紀初開始，每年都有人申請單粒子效應測試方向的專利。查閱相關資料顯示，單粒子效應測試的專利申請人主要來自我國，這是因為我國航天領域用的多數芯片和設備主要依靠進口，技術應用多集中在芯片和設備的單粒子效應測試方面。

抗輻照電路板設計、抗瞬態干擾和抗單粒子閂鎖方向的專利申請量較少，基本呈零星分布。通過查閱相關資料發現，抗輻照電路板設計多屬于一些特定的電氣規則和公司操作規范，并不適宜申請專利，而且部分電路設計申請了集成電路布圖設計保護，所以專利申請量較少。空間的瞬態干擾和單粒子閂鎖現象很少發生，相應的抑制手段研究也較少，不屬于本領域研究熱點。

圖2 1991—2017年空間站環境設備抗輻照加固技術領域申請的專利情況

三、 主要國家和主要申請人分析

根據相關資料可知，美國在空間站環境設備抗輻照加固技術領域申請的專利數量最多，是該領域技術最先進的國家，也是可以作為技術引進、學習和跟蹤的參考國家。另外，俄羅斯雖然是航天強國，但由于受其自身知識產權制度的影響，并沒有將更多的研究成果以專利的形式呈現，所以俄羅斯的專利申請量較少。20世紀80年代至今，各國空間設備抗輻照加固主要技術領域申請專利情況，見表1。

霍尼韋爾、IBM、XILINX、波音、麥克斯韋、AARM均是美國的公司，美國在該技術領域擁有強大的科研能力，同時霍尼韋爾、IBM和麥克斯韋近幾年申請數量較多，說明這些公司近年來在該領域投入較多，發展較快，空間站設備抗輻照加固技術仍是這些公司的研發重點。我國在該領域的技術優勢主要體現在單粒子效應測試方面，對關鍵設備的設計等還缺乏布局，而美國公司的技術優勢主要體現在抗單粒子翻轉和抗輻照結構等核心技術領域，間接地說明雖然我國發展迅速，但是核心領域和核心技術與美國還有一定差距。20世紀80年代至今，國外主要公司在抗輻照加固技術領域的專利申請情況，見表2。

本文在對全球申請人分析后，對國內相關的研究機構也進行了分析。在我國相關研究機構中，中國航天科技集團有限公司和相關高校具有明顯優勢；其中申請量排名前七的機構，有4個來自國內高校，包括北京航空航天大學、北京大學、國防科技大學、哈爾濱工業大學，這些高校的主要技術實力集中在一些預研技術上，是進行產學研結合的最好平臺。

四、 抗單粒子翻轉技術功效分析

在空間站設備抗輻照加固技術領域，抗單粒子翻轉是主要技術手段，因此本文對抗單粒子翻轉技術進行重點功效分析。

抗單粒子翻轉技術手段分為檢錯糾錯、ECC編碼、三模冗余、雙模冗余、重配置、邏輯單元設計等6種方式；技術效果分為FPGA加固、CPU加固、片外存儲器加固、邏輯單元加固等4種方式1邏輯單元設計包括芯片的邏輯組成單元的設計，如D觸發器、鎖存器等內部邏輯器件。FPGA、CPU加固和片外存儲器加固指FPGA、CPU加固和片外存儲器具體應用時的加固，而不包括FPGA、CPU加固和片外存儲器研制時內部電路設計的加固。。其中，邏輯單元電路設計、三模冗余是抗單粒子翻轉領域的兩個研究熱點。邏輯單元電路設計用于提高芯片內部電路的邏輯單元的加固能力，三模冗余用于提高FPGA應用時的加固能力。此外，ECC編碼在邏輯單元、片外存儲器的抗單粒子翻轉上有一定的應用；而雙模冗余預計不再是抗單粒子翻轉的主要技術手段?？箚瘟Ｗ臃D技術功效分析如圖3所示。US20070087128A1為代表，采用高原子序列金屬結構屏蔽輻射；以英國電信集團的US8154881B2為代表，利用多層金屬和復合材料組成三明治結構來屏蔽高能輻照。2007—2016年，這個階段抗輻照的研究已經較為成熟，性能優化成為主要研究內容，以阿爾伯塔大學的US20110278058A1為代表，采用蜂窩矩陣復合材料結構屏蔽輻射。未來，由多層金屬/復合材料組成的屏蔽結構將有可能成為抗輻照的主要方式。

表1 各國空間設備抗輻照加固主要技術領域申請專利情況 （個）

表2 國外主要公司在空間站環境設備抗輻照加固技術領域的專利申請情況（個）

圖3 抗單粒子翻轉技術功效分析

五、 抗輻照結構布局發展路線分析

1995—1998年，抗輻照結構布局研究集中在通過材料研制和結構布局對抗干擾，以波音公司的US5998867A為代表，通過組合應用金屬材料及復合非金屬材料來屏蔽輻射，以及以三菱電機的JP10268088A為代表，通過增加金屬屏蔽罩、利用圓錐結構屏蔽罩、增加屏蔽層厚度來進行抗輻照。1999—2001年，抗輻照手段開始向高性能化方向邁進，主要集中在復合材料研制方面，以三菱電機的JP2001114200A為代表，應用更靈活的組合屏蔽結構及微波吸收材料來屏蔽輻射；以三菱電機的JP2001291984A為代表，利用電場干擾射線和復合材料屏蔽組合結構來抗輻射。2002—2006年，主要是高端材料的應用，以波音公司的

六、 主要結論

（1）全球空間站設備抗輻照加固技術的發展整體趨于成熟，該領域的研究重點主要集中在抗單粒子翻轉和抗輻照結構方面；通過分析該領域的重點專利和成熟技術發現，應加強以下技術方向的研究：抗單粒子翻轉技術的應用、抗輻照結構中的多層金屬/復合材料的組合結構及復合型電路板材的研制。

（2）美國作為世界航天強國，在空間站設備抗輻照加固技術上具有明顯優勢，值得國內科研單位長期跟蹤和學習；我們應堅持充分借鑒、自主研發的原則，充分發揮產學研合作優勢，通過對重點技術采取反向工程、許可及技術轉讓等手段加快技術實現和超越。