航天器空間輻射效應分析技術現狀與思考

王會斌，呼延奇，鄭 悅，王 華

（1. 中國空間技術研究院； 2. 北京空間飛行器總體設計部； 3. 北京衛星環境工程研究所：北京 100094）

0 引言

航天器軌道空間輻射環境不僅具有復雜的空間分布，而且隨時間不斷變化，包括空間分布位置的改變和粒子通量強弱程度的劇烈變化，這些變化與太陽爆發性活動及其引發的近地空間環境擾動事件有關。在強烈的太陽爆發活動期間，能量超過1 MeV/u 的重離子和大于100 keV 的電子的通量可能出現幾個數量級的增加，且持續時間可達幾小時到數天。在地磁暴發生后的數天內，地球輻射帶外帶電子通量的變化可能在5 個數量級以上。另外，在強地磁暴發生時，地球磁層頂受到高速太陽風的擠壓甚至會被壓縮到地球同步軌道高度，導致地球同步軌道上的航天器發生磁層頂穿越事件，磁場方向可能發生偏轉。航天器探測數據也顯示，在太陽爆發性活動及其引發的地磁擾動事件期間，地球輻射帶環境存在顯著的動態變化，可能產生新的質子帶和電子帶。

航天器空間輻射效應是各種空間輻射環境要素與航天器上應用的材料、電子器件、設備乃至整星等對象相互作用的結果。對于不同的航天器，其面臨的空間輻射效應狀況不僅與實時環境、航天器軌道位置有關，還與具體元器件類型及電路特性密切相關。因此，航天器空間輻射效應分析需要針對特定的航天器任務及其設計狀態開展具體分析。從航天器工程研制設計的角度，我們所需關注的是對航天器產生不可忽略的不利影響的空間輻射環境及效應。航天器空間輻射效應分析工作的目標是根據當前對空間輻射環境基本科學規律的認識，以及各空間輻射環境要素對航天器上的元器件或材料相互作用機理的認識，采用各種空間輻射環境模型及輻射效應分析軟件對相關影響進行量化表征。

本文歸納當前航天器總體設計中開展的空間輻射效應分析工作的要素、分析方法及相應的模型工具，并結合國際上空間輻射效應模型的最新進展，對國內航天器空間輻射效應分析技術的后續發展提出建議。

1 總體設計中的輻射環境分析與建模方法

所有的航天器，只要其軌道高度在白天超過60 km 或夜間超過80 km，都將暴露在空間粒子輻射環境中。空間帶電粒子能譜是連續譜，低能帶電粒子與航天器表面材料相互作用并被表面收集，會改變航天器表面及其鄰域內電場，產生表面充放電效應，同時也會與材料相互作用導致材料性能退化；高能帶電粒子能穿透航天器結構屏蔽，通過電離相互作用、非電離相互作用、核相互作用等不同的能量傳遞物理過程，將粒子自身的能量及電荷傳遞給航天器上的元器件、材料等對象，造成電離總劑量效應、位移效應或單粒子效應。

圖1給出內磁層不同值（為磁殼參數，是地球空間某點的磁力線與赤道面交點處的地心距離與地球半徑之比）高度上的典型能量的等離子體及高能帶電粒子的數密度，整體而言，空間中低能等離子體的密度遠大于高能粒子的密度。

圖1 地球空間等離子體和高能帶電粒子的數密度分布[3]Fig. 1 Distributions of number density of plasma and high energy charged particles in GEO space[3]

1.1 航天器軌道輻射環境分析

航天器軌道上的高能粒子的來源包括地球輻射帶、銀河宇宙線和太陽粒子事件，其中地球輻射帶和銀河宇宙線是時刻存在的輻射環境，而太陽粒子事件只出現在太陽爆發活動期間，是一種突發性的粒子輻射擾動事件，其強度與太陽爆發活動強度有關。航天器軌道上的等離子體環境也存在顯著的空間分布和時間變化特征。

對軌道空間輻射環境的量化分析依賴于各種空間輻射環境模型，包括地球輻射帶模型、太陽粒子事件模型、銀河宇宙線模型及等離子體環境模型等。由于外來帶電粒子在地球空間中運動時，會受到地球磁場的偏轉作用，即地磁屏蔽效應，故需要采用合理的地磁場屏蔽模型來分析太陽高能粒子達到地球空間某軌道的可能性。

航天器在軌面臨的主要輻射源——地球輻射帶存在復雜的動態變化，表現為時間、空間分布及粒子特性等的顯著不均勻性。圖2 為不同高度軌道在地球輻射帶中的相對位置示意，可以看出，不同軌道上捕獲粒子的通量及成分存在顯著的差異。

圖2 不同高度軌道在地球輻射帶中的相對位置Fig. 2 Relative position of orbits at different altitudes in the Earth’s radiation belt

對于同一次太陽質子事件，不同的航天器軌道由于其所受到的地磁場屏蔽作用程度不同，其遭遇的太陽質子通量和能譜可能存在顯著差異。圖3 給出了1989 年10 月特大太陽質子事件期間，在行星際空間以及GEO、MEO、SSO、LEO 等典型航天器軌道上的太陽質子能譜。從中可以看出：行星際空間處于地球磁層之外，沒有地球磁場的屏蔽作用，太陽質子可以不經任何衰減地到達，因此遭遇的太陽質子通量最高；對于高度較高的GEO、MEO，地磁場強度比較微弱，可以提供的有效屏蔽很弱，因此太陽質子尤其是高能太陽質子較易到達此類軌道；對于高度較低、但傾角較高的SSO，由于在兩極區地球磁力線是開放的，太陽質子容易沿著磁力線到達高度較低的位置，故此類軌道遭遇的太陽質子通量也較高；對于低高度、低傾角的LEO，由于地磁場可以提供很好的屏蔽作用，大部分太陽質子被地磁場偏轉向兩極，故此類軌道受太陽質子事件的影響很小，甚至不受影響。

圖3 行星際空間及典型航天器軌道的太陽質子能譜Fig. 3 Solar proton spectra in interplanetary space and typical spacecraft orbits

地球磁尾熱等離子體（能量大于100 eV 的等離子體）注入現象是指磁層亞暴期間磁尾不同能量段的等離子體通量的突然增加。粒子注入被認為是磁層亞暴的基本特征之一，幾乎所有的磁層亞暴都伴隨著等離子體注入過程。磁層亞暴注入的熱等離子體在地磁場的復雜作用下，經過漂移運動后可到達距地球10以內甚至地球MEO/GEO 高度區域，對于MEO、GEO、大橢圓軌道和近地極軌航天器有重要影響，是引發航天器表面充放電效應的主要因素。圖4 所示為磁層亞暴熱等離子體注入過程。

圖4 磁層亞暴熱等離子體注入過程示意Fig. 4 Schematic diagram of hot plasma injection during magnetospheric substorm

1.2 航天器質量屏蔽建模與分析

目前針對空間帶電粒子的輻射防護主要采用質量屏蔽的方法，其原理是，當屏蔽物質的厚度大于帶電粒子在該物質中的射程時，入射粒子將被阻止在屏蔽物質中；一定厚度的物質能夠屏蔽一定能量范圍（取決于粒子的種類）的空間粒子，并使貫穿粒子的能量有所衰減。

圖5 給出了航天器典型部位的質量屏蔽狀態，其中：表面涂層的屏蔽厚度僅為幾百μm(Al)；航天器艙壁提供的屏蔽厚度為1～2 mm(Al)；設備內部元器件周圍的屏蔽狀態相當于3～20 mm(Al)。圖中同時給出了不同能量的質子和電子在鋁材料中的射程曲線。

圖5 航天器典型部位的質量屏蔽狀態Fig. 5 Mass shielding states for different parts on the spacecraft

在工程實際應用中，為了盡量減少總體與單機研制方的信息交互，提高工程分析的效率，往往采用簡化的質量屏蔽模型，最常用的屏蔽模型為實心球或平板模型，即把航天器等效為一定厚度的球殼或平板，見圖6。

圖6 實心球和平板屏蔽模型Fig. 6 Spherical and planar shielding model

上述質量屏蔽模型不能體現航天器實際復雜結構和布局所導致的質量屏蔽各向異性。故必要時應在航天器總體布局大致確定以后，建立航天器質量屏蔽的三維分析模型，面向整星主結構、太陽電池陣、儲箱、艙內設備等組件，對不同設備周圍的質量屏蔽狀態通過射線追蹤法進行細致分析。

1.3 粒子輻射輸運分析

航天器艙外空間帶電粒子輻射進入艙板材料時與材料發生復雜的相互作用，部分初級粒子及其產生的次級粒子穿透艙板，最終形成艙內的輻射環境，該過程本質上為帶電粒子與材料的相互作用過程。

精確的空間輻射輸運模型對于航天器空間輻射效應分析至關重要。艙外空間輻射環境中包含大量的低能粒子，它們不能穿透航天器自身的屏蔽進入航天器內部；高能帶電粒子在航天器艙板材料內輸運時，其能量會隨路徑的延伸而逐漸降低；重離子會發生核反應裂變為原子序數更小的輕核，同時會產生各種次級粒子輻射（如中子、二次電子、γ 射線等）。上述過程均會造成航天器艙內與艙外輻射環境的顯著差異，而這種差異還受艙外輻射環境特性及航天器屏蔽材料特性的影響。

下面介紹目前空間輻射輸運分析中常用的幾種方法。

1.3.1 蒙特卡羅模擬方法

近40 年來，蒙特卡羅方法被廣泛應用于模擬帶電粒子在材料中的輸運問題。該方法直接追蹤粒子，采用隨機抽樣的方法，較真切地模擬粒子輸運的過程，反應統計漲落的規律。蒙特卡羅方法的主要缺點是收斂速度較慢，因而其計算過程比較耗時。在以往蒙特卡羅模擬的實際工程應用中，常采用一維簡化的屏蔽模型來處理空間輻射輸運問題；近年來，隨著計算機硬件的飛速發展，基于實際三維構型的蒙特卡羅模擬程序已經被廣泛應用于航天器工程設計中。表1 歸納了常用的空間輻射輸運蒙特卡羅模擬程序特點。

表1 空間輻射輸運模擬中常用的蒙特卡羅模擬程序Table 1 Monte Carlo simulation procedure commonly used in space radiation transport simulation

1.3.2 基于玻耳茲曼方程的連續輸運分析方法

與蒙特卡羅方法基于粒子相互作用隨機過程不同，確定性方法不考慮單個粒子與材料相互作用的微觀過程，而是從宏觀上考慮材料對粒子通量的整體衰減作用，其基礎是利用守恒律推導出的玻耳茲曼輸運方程。基于粒子貫穿小體積元中因核碰撞引起粒子增加或損失所產生的粒子通量變化的守恒關系，在粒子前向直線輸運近似下，可得到簡化的玻耳茲曼輸運方程，即

其中：φ(,,) 為第類粒子的通量；A為該粒子的原子質量；σ() 為該粒子的宏觀反應截面；S()為靶材料阻止本領；σ(,′,,′) 為產生第類粒子的反應截面；φ(,′,′)為第類粒子的通量。方程中含有S() 的一項是連續慢化近似后的結果，反應截面數據主要基于試驗結果及核反應模型等得到。

基于玻耳茲曼輸運方程的確定性方法求解粒子在材料中的輸運問題的優點在于，對于較厚屏蔽的粒子輸運問題其運算時間很短。這在工程實際中是非常有利的，可以在較短的時間內對不同的屏蔽模型進行比較分析；但由于確定性方法基于更多的近似，其計算結果的系統誤差較大。盡管如此，NASA 在進行空間輻射效應分析時，仍傾向于采用此類方法。

基于確定性方法的典型程序有NASA 蘭利研究中心開發的HZETRN 和BRYNTRN，均可處理各種強子（包括質子和重離子）與不同屏蔽材料的相互作用，得到初級粒子經過屏蔽材料后產生的次級輻射（如中子、電子、光子等），還可以把艙內輻射產生的電離總劑量轉化為航天員遭受的生物當量劑量，因此被NASA 應用于載人航天器的空間輻射效應分析。

1.3.3 基于粒子能量-射程關系的前向近似解析方法

Burrel基于前向近似模型建立了質子輸運的解析計算方法。前向近似模型認為質子在屏蔽材料中輸運時近似沿直線前進，質子在其路徑上任意一點上殘余的能量與其射程一一對應。Sorenson 等基于Weber 電子平均射程公式，建立了電子在屏蔽材料中的解析輸運分析方法。Messenger將解析輸運分析方法的分析結果與蒙特卡羅模擬結果進行對比，顯示此類解析方法具有很好的精度，可以應用于空間連續能譜帶電粒子的輸運分析。由于解析輸運分析方法方便快捷，目前國際上很多空間輻射效應分析軟件，如OMERE 等均采用此類方法。

2 航天器輻射效應量化分析方法

2.1 電離總劑量分析

2.1.1 一維分析方法

Shieldose 程序是航天器工程中經典的電離總劑量計算工具，主要針對空間質子、電子在實心球模型、有限平板模型及半無窮大平板模型中的輸運狀況進行分析，可以給出任意輸入的空間高能粒子能譜經過上述屏蔽模型之后的輻射劑量。

Shieldose 程序對質子按射程-能量關系處理（即前向近似），忽略其核反應；對電子則采用查表法完成分析，事先建立基于蒙特卡羅方法的數據集，包括了以鋁屏蔽層厚度和粒子能量為變量的單位入射注量的吸收劑量，再通過對每個粒子能量分布相加，并考慮在相應能量和時間間隔下的入射通量，可以得出給定入射粒子能譜在給定厚度屏蔽層上所沉積的總劑量。將航天器質量屏蔽簡化為一定半徑的實心球，對球心處的輻射劑量與半徑（屏蔽厚度）間的關系進行輻射劑量一維分析，得到劑量-深度分布曲線。

2.1.2 三維分析方法

一維分析方法沒有考慮整星質量屏蔽的不均勻性，更為詳細的分析是整星輻射劑量三維分析。該方法利用CAD 三維實體軟件，建立航天器輻射屏蔽三維CAD 模型。模型提供航天器構型和質量特性，可對航天器內外任意一點進行空間不同方向的屏蔽質量分布的三維分析，從而計算出該點的輻射劑量值。由于航天器總體布局在不同方向上提供的固有屏蔽質量存在差異，其結果在工程應用上比一維劑量分析結果更貼近實際。

按照圖7 中對全向空間的剖分方法，分別計算每條射線方向所代表的立體角Ω以及每條射線上的累積質量面密度數值d，并依據劑量-深度分布曲線獲得相應等效鋁屏蔽厚度對應的全向空間輻射劑量(d)，則劑量分析點接受的總輻射劑量為

圖7 基于整星質量屏蔽三維模型的射線追蹤方法Fig. 7 Ray tracing method based on 3D satellite mass shielding model

其中：4π 為全空間立體角；為全向空間剖分的單元數。

國際上具備開展輻射劑量三維分析能力的軟件包括采用射線追蹤法的SYSTEMA、FASTRAD，以及完全采用蒙特卡羅模擬方法的GRAS、NOVICE、FASTRAD 等。

2.2 位移效應分析

2.2.1 等效注量分析方法

為定量評估太陽電池在軌遭受的位移損傷，20世紀80 年代，美國NASA 噴氣推進實驗室（JPL）發展了等效注量法。該方法通過采用不同能量的質子和電子進行輻照試驗，利用獲得的試驗數據將不同能量的空間帶電粒子對太陽電池造成的位移損傷與一定通量的1 MeV 電子對太陽電池的損傷進行等效，獲得不同能量和種類的粒子與1 MeV 電子產生同樣損傷的等效系數，以便把太陽電池在軌期間由連續能譜的空間帶電粒子輻射導致的位移損傷等效為1 MeV 電子損傷通量。JPL等效注量法的具體分析流程見圖8。

圖8 JPL 等效注量法流程Fig. 8 Schematic diagram of JPL equivalent flux method

自20 世紀80 年代以來，JPL 等效注量法已經被廣泛應用于評估太陽電池壽命末期的退化程度，許多空間輻射環境及效應分析軟件，如SPENVIS、Space Radiation、OMERE 等都包含了這一功能。

2.2.2 位移損傷劑量分析方法

1994 年，美國海軍實驗室（NRL）的Summers 等提出了一種新的位移損傷劑量分析方法。圖9 所示為該方法的基本流程。

圖9 NRL 位移損傷劑量法流程Fig. 9 Schematic diagram of displacement damage dose method used by NRL

實際空間輻射環境中的高能帶電粒子的能量不同，位移損傷能力也不同。對于特定的航天器，首先計算航天器軌道帶電粒子能譜，經過輸運分析獲得星內器件表面處的微分能譜()，此步驟與JPL等效注量法中計算入射粒子能譜的步驟是相同的。對于得到的連續能譜的空間輻射粒子，與電離總劑量類似，可以定義位移損傷劑量為

其中NIEL為地面評估試驗所用的粒子能量對應的非電離能損。最后，采用該能量進行地面輻照試驗，輻照的粒子通量取為上述等效注量。輻照后，測試器件的性能參數。圖10 給出5 類常用軌道上1 MeV 中子等效注量與等效鋁屏蔽厚度的關系。

圖10 不同軌道上光電器件1 MeV 中子等效注量與屏蔽厚度的關系Fig. 10 1 MeV equivalent neutron flux of optoelectronic devices vs shielding thickness on different orbits

國際上，基于非電離能損理論，NASA 和ESA相繼發展了針對光電器件位移損傷評估的軟件。其中，NASA 主導開發的位移損傷分析軟件主要包括SAVANT 和SCREAM，ESA 則利用其發展的空間環境集成信息系統SPENVIS 集成SCREAM 軟件，開發了蒙特卡羅版的MC-SCREAM 軟件。

2.3 單粒子效應分析

對于特定器件單粒子事件發生率的預示，通常需要進行如下的工作：

首先，需要根據航天器任務特點以及器件的具體應用狀態，包括航天器軌道、設備位置及器件周圍質量屏蔽狀態等信息，利用空間帶電粒子輻射環境模型分析經過一定質量屏蔽后入射到器件表面的空間帶電粒子LET 譜，作為空間單粒子事件發生率評估時的環境條件輸入。圖11 給出了考慮遭遇1989 年10 月特大太陽耀斑事件時，不同軌道上的最惡劣重離子LET 積分譜。

圖11 不同航天器軌道的太陽重離子LET 積分譜Fig. 11 The LET integral spectra of solar heavy ions on different orbits

其次，對于缺乏單粒子效應敏感參數的微電子器件，需要利用重離子及質子加速器，開展單粒子效應地面模擬試驗，獲取器件分別由重離子和質子引發的單粒子效應特性參數。對于重離子，特性參數包括LET 閾值、單粒子事件飽和截面以及單粒子事件截面與重離子LET 的關系曲線；對于質子，特性參數包括質子能量閾值、單粒子事件飽和截面以及單粒子事件截面與質子能量的關系曲線。

最后，利用重離子LET 譜（或質子能譜）與器件單粒子效應特性曲線，建立器件單粒子效應相互作用模型并進行分析，得到器件在軌的單粒子事件發生率。

國內目前基本上沿用國外的預示方法或成熟軟件（CRèME96、Space Radiation、SPENVIS、OMERE等），根據國內進行的器件單粒子效應特性測試數據，進行器件的在軌單粒子事件發生率預示。

3 國內發展現狀與存在的問題

1）輻射環境模型更新緩慢，對設計指導不夠全面準確

航天器在設計階段開展的空間輻射效應分析往往基于空間環境模型，而航天器在軌面臨的真實環境狀態與空間環境模型給出的結果間可能存在顯著偏差。受限于缺乏廣泛空間覆蓋和長期持續的空間輻射環境探測數據，國內自主研發空間輻射環境模型的進展緩慢，除在太陽質子事件模型、特定軌道捕獲粒子環境模型等方面有初步研究成果以外，缺乏國際認可的空間輻射環境模型，進行空間環境分析時仍普遍采用20 世紀90 年代以前的靜態輻射帶模型AP8 和AE8，只考慮輻射帶的平均狀態加設計余量，造成設計階段依靠空間環境效應模型分析得到的結果與航天器在軌實際輻射效應可能有出入。

值得注意的是，近年來國際上的空間輻射環境建模有了顯著進展，如：美國和歐洲合作開發了新一代輻射帶模型IRENE（原名AP9/AE9）；Badhwar和O’Neill 建立的系列銀河宇宙線模型已發展至2020 版本；為評估數天至數年不同周期任務面臨的太陽質子事件風險，美國的Robinson 等新開發了MSSREM 太陽粒子事件模型。這些空間輻射環境模型，可以對航天器在軌面臨的動態輻射環境進行更為準確的描述，國內學者應及時跟進追蹤。

2）在軌實測環境數據不足，實時分析技術有待提高

要了解航天器在軌運行時真正遭遇的空間環境效應，必須依賴于實時的空間環境監測數據，并結合不同航天器自身設計狀態的特點，開展具體的分析。

在航天器執行關鍵任務前，需要對整器在軌健康狀態進行全面的分析。由于空間磁層和地球輻射帶存在復雜的動態變化，航天器在不同時間和空間位置處遭遇的輻射環境可能有數量級差異，在軌空間輻射效應也隨之存在類別和程度不同；同時，航天器在軌遭遇的輻射風險與自身的設計狀態緊密相關。因此，如何有效表征處于不同時空位置和不同設計狀態的航天器面臨的輻射風險，是航天器長期運行管理必須要解決的問題。

當航天器發生異常時，除了需要掌握異常發生前一段時間的空間環境狀態參數外，更重要的是分析即時的空間環境因素對航天器的作用機理，獲得航天器的響應參數，從而為航天器異常原因識別提供重要參考。

4 后續發展建議

1）提升對軌道輻射環境動態特性的分析能力

新一代輻射帶模型IRENE 首次給出了對粒子通量不確定性的定量描述。NASA、ESA 和法國空間研究中心（CNES）等均針對IRENE 模型安排有大量的研究項目，對航天器不同部位元器件的輻射效應開展分析對比研究。可以肯定的是，未來IRENE模型必將替代當前的AP8/AE8 模型，成為航天器輻射環境設計的輻射帶環境標準模型。基于IRENE模型對捕獲粒子環境動態變化范圍的描述，研究國內常用航天器軌道上捕獲粒子環境的動態變化范圍，分析IRENE 模型與AP8/AE8 模型對捕獲粒子環境預示以及不同置信水平的捕獲粒子通量的差異，通過對航天器在軌輻射環境漲落范圍的分析，可以實現對航天器遭受的輻射效應的不確定度評估，進而為不同軌道航天器抗輻射設計余量選擇提供依據。

2）加強對在軌輻射風險辨識與表征方法的研究

對航天器在軌道空間輻射環境中的響應與狀態，更關注航天器在特定時間所處空域的局地輻射環境，而大空間和時間尺度的軌道輻射環境，對于航天器的抗輻射總體設計、評估以及在軌管理已顯得過于粗放，不能描述小時間尺度范圍的航天器在軌行為或響應。因此，有必要推進空間環境實時監測數據應用于在軌航天器空間環境效應分析，利用現有已業務化的GEO、MEO、SSO 等軌道的空間粒子輻射環境監測能力，緊密結合航天器的具體設計狀態，實現對運行于上述軌道的航天器面臨的電離總劑量、單粒子、表面充放電和內帶電4 類主要空間環境危害的實時分析和風險預警。

3）重點關注中軌道等陌生區域輻射環境影響

當前我國航天器的軌道多集中于GEO、MEO、SSO、LEO 等范圍，長期運行的區域主要在地球輻射帶的外帶中心及偏外以及內帶下邊緣偏上的兩個重要區域，對這些軌道區域的空間輻射環境特征及其影響具備較為成熟的分析結論及工程實踐經驗。而近年來，對于1000～2000 km、7000～10 000 km以及大橢圓軌道、全電推連續變軌等新型軌道面臨的相對陌生的軌道輻射環境特性缺乏深入了解，后續應重點關注這些軌道區域的輻射環境影響，為相應航天器的輻射防護設計提供更為合理的輻射環境條件輸入。

5 結束語

本文從航天器軌道輻射環境分析、航天器質量屏蔽建模分析、空間粒子經航天器質量屏蔽的輸運分析以及航天器空間輻射效應量化分析4 個方面歸納了航天器總體設計中開展的空間輻射環境效應分析的基本方法和工作內容。

近年來，國際上的空間輻射環境模型不斷更新發展，對軌道輻射環境的描述和表征方法不斷進步；與此同時，常用航天器軌道上的粒子輻射環境實測數據能量覆蓋范圍明顯提升，幾乎囊括了航天工程關注的所有能譜，輻射效應實測數據也在不斷豐富完善。對這些數據的合理分析應用，將為不斷提升航天器空間輻射效應量化分析的準確性提供最直接的檢驗手段，從而為改進總體輻射防護設計（分析方法、設計規范）提供技術基礎。