空间辐射环境诱发航天器故障或异常分析

薛玉雄，杨生胜，把得东，安 恒，柳 青，石 红，曹 洲

(兰州空间技术物理研究所真空低温技术与物理重点实验室，甘肃兰州730000)

1 引言

世界上第一颗人造地球卫星自1957年10月4日发射成功以来，目前已发射各类航天器7 000多颗。这些卫星包括通信卫星、广播电视卫星、气象卫星、导航卫星、侦察卫星、地球资源卫星、预警卫星、科学试验卫星、天文卫星、空间物理探测卫星等。从卫星的发展历史可以看出，卫星的寿命不断增加，故障在不断减少。1960～1964年期间，卫星平均寿命只有0.5年，1965～1969年期间，卫星平均寿命已超过1年，但发射后2～5年卫星元部件陆续损坏，损坏的主要部件有:蓄电池、行波管及其电源、磁带记录器、太阳电池翼驱动装置和姿控机构等。随着时间的推移，卫星技术日臻成熟，从70年代以后，卫星故障明显降低，并表现为“随机性”，卫星的寿命超过了8年，随着卫星部件质量和可靠性的不断提高，现在卫星的寿命已超过了15年。据国外相关组织机构统计数据显示2001～2003年间国际上总共发射了300多颗卫星，平均每年约有18颗卫星损坏或出现了故障，其中2003年出现故障的在轨航天器为24个(出现故障的航天器中以卫星居多)。在这些卫星在轨故障或异常中，空间辐射环境仍然是卫星在轨故障的主要原因之一，居各种故障因素之首。

随着航天技术的日益发展，新型材料、高性能新型微电子器件和新技术越来越多地被应用，这些新材料和器件对空间辐射效应更加敏感，使得空间辐射环境诱发故障的可能性增加，空间辐射环境对卫星在轨长寿命、高可靠运行带来的危险更加严峻。本文主要是借鉴国外航天器在轨异常分析与对策经验，吸取教训，促进我国空间环境研究与在轨运行管理的紧密结合，提高空间环境引起航天器在轨异常的原因分析与判断的水平。

2 在轨航天器故障概况

2.1 通信卫星故障

文中收集了国际通信卫星(Intelsat)、阿克尼(Anik)、欧空局通信卫星及美国空军等22通信卫星发生故障的情况，见表1所列。

表1 国外通信卫星辐射故障情况收集

针对典型通信卫星故障情况，进行原因及影响对策分析:

(1)Anik-AF1国内通信卫星故障

1)故障情况:1972年11月9日，Anik-AF1卫星由德尔它1914运载火箭发射升空。在静止轨道日阴时刻，地球敏感器输出的脉冲列(在太阳脉冲附近)出现不规则的冲击(约两个小时)。在此期间，地球敏感器的数据不能用于卫星姿态确定。

1978年10月4日，星上部分电子设备，编码器在无地面指令的情况下乱真切换。

2)故障原因:太阳敏感器的模拟脉冲序列中存在不规则的冲击是由于没有接地的圆筒周期性充电和放电引起。

1978年10月4日，星上部分电子设备、编码器在无地面指令情况下乱真切换是由于单粒子翻转所致。

3)影响及对策:太阳敏感器的模拟脉冲序列中存在不规则的冲击。以后在AF3卫星上的圆筒经一个电阻接地后，消除了这种瞬变过程。地球敏感器输出发生瞬变的故障，没有对飞行任务带来较大的影响，后续的AF3卫星进行了改进，增加了一个电阻使圆筒接地，这一故障得以排除。

1978年10月4日，星上部分电子设备、编码器在无地面指令情况下乱真切换对飞行任务没有重大影响。

(2)Anik-AF2通信卫星故障

1)故障情况:1973年4月20日，Anik-AF2卫星由德尔它1914运载火箭发射升空。1975年12月9日，1号遥测编码器出现部分故障，换向器的输入选通脉冲中有一个短路。

地球敏感器出现故障。在对地静止轨道上，日阴阶段地球敏感器输出的脉冲列(在太阳脉冲附近)出现不规则的冲击(约两个小时)。在此期间，地球敏感器的数据不能用于卫星姿态确定。

3)故障原因:卫星控制系统电子线路和编码器3度出现乱真切换故障是由于卫星带电影响所致。

1975年12月9日，1号遥测编码器出现部分故障，是由于卫星带电所致。

地球敏感器出现故障是由于没有接地的圆筒充放电所致，情况与Anik-AF1卫星相同。

影响及对策:卫星控制系统电子线路卫星出现3次乱真切换对飞行任务影响不大。

1975年12月9日，1号遥测编码器出现部分故障后地面发指令接通了2号编码器，问题得到解决。

地球敏感器出现故障对飞行任务影响不大，没有采取措施。

针对卫星通信频带出现的问题，改变了Anik-AF3设计，解决了这样的问题。

(3)Anik-AF3通信卫星故障

1)故障情况:1975年5月8日，Anik-AF3卫星由德尔它1914运载火箭发射升空。出现问题:星上编码器出现乱真切换。

2)故障原因:星上编码器出现乱真切换是由于卫星带电造成的。

3)影响及对策:星上编码器出现乱真切换对飞行任务影响不大。

(4)Anik-E1与Anik-E2通信卫星故障

1)故障情况:1994年1月20日，Anik-E1和Anik-E2国内通信卫星的陀螺定向系统在8 h内先后发生故障。

2)故障原因:太阳大耀斑的带电粒子使E1和E2卫星的控制电路损坏(单粒子事件)，造成E2卫星在轨道上每分钟翻滚2次，无法接收和传播广播信号。

3)影响及对策:启用了E1卫星的备份定向系统，卫星工作正常。E2卫星采用启动备份的动量轮控制系统，挽救E2卫星。

(5)欧洲海事通信卫星1故障

1)故障情况:1981年12月20日，欧洲海事通信卫星1由阿里安运载火箭发射。

1982年2月，卫星定点预定轨道不久，星上的电子设备出现一系列报警信号，错误地告知卫星通信部件失灵。

2)故障原因:1982年2月出现的故障是由于太阳活动干扰了卫星上的部件，使星上部件积累了静电电荷，静电电荷放电使卫星内部复杂的电子设备受到严重影响。

3)影响及对策:1982年2月，静电问题影响了卫星顺利执行飞行任务。采取一系列措施，抵消了危险的乱真信号，控制卫星回到了原来的轨道位置，使卫星恢复正常运行。

2.2 气象卫星故障

文中收集了8颗通信卫星发生故障的情况，见表2所列。

表2 国外气象卫星辐射故障情况收集

针对典型气象卫星故障情况，进行原因及影响对策分析:

(1)NOAA-8气象卫星故障

1)故障情况:1983年3月28日，NOAA-8气象卫星发射升空。卫星入轨后发生了一系列故障。1984年6月，卫星失去控制。

2)故障原因:1984年6月，卫星失去控制是由于星上振荡器工作不正常，发出了混乱的频率与定时信号，导致卫星姿态失控。

3)影响及对策:卫星于1984年6月失控，开始翻转，并终止了向地面传送气象数据。地面控制人员利用地球引力，使卫星的转动逐渐减慢，最终达到了稳定状态。并经过地面检查测试，启动了星上备份振荡器控制电源，卫星重新投入工作。

(2)GOES-4故障

1)故障情况:1980年9月9日，地球静止环境业务卫星4(GOES-4)发射升空，同年10月15日开始工作，1982年11月26日失效。

卫星在轨期间，成像仪器失效。可见光/红外自旋扫描辐射计大气探测器22次停止工作。卫星在轨期间还发生过太阳电池阵输出功率突然下降的故障。

2)故障原因:卫星在轨期间，成像仪器失效的原因是由于电源中的印刷线路板出现开路故障。

可见光/红外自旋扫描辐射计大气探测器22次停止工作是由于静电放电造成的。

卫星在轨期间太阳电池阵输出功率突然下降的故障是由于空间粒子辐射环境的影响造成的。太阳电池阵的电池片尽管有覆盖层保护，但由于粒子辐射剂量超过了设计时的预测值，造成太阳电池损伤，从而使输出功率下降。

3)影响及对策:针对卫星静电故障采取以下措施:

①卫星外表面所有装置进行屏蔽，在指令和其他敏感器件采用备份;

②采用卫星带电主动控制技术，即通过向空间辐射卫星电位以平衡输入环境通量，以此来控制卫星电位;

③采取卫星均匀电荷分布技术方案，即利用导线或其他导电栅将星体电介质表面分解成一块、一小块的电介质。每小块电介质接地平面耦合起来。这样可以大大降低表面积，缩短了从任一点电介质到结构地的距离，从而降低了单独放电的强度;

④采取新型抗静电热涂层材料，降低电荷的积累。

另外，美国 JPL实验室对GEOS-4，5，6，7卫星在轨发生的异常事件进行了统计分析，其结果见表3所列。这些卫星在轨期间共发生了195次异常事件，诱发这些异常的因素主要是单粒子翻转(SEU)、静电放电(ESD)和不确定因素(UNK)。

表3 GOES-4，5，6和7的异常统计

1989年8、9、10月期间特大太阳耀斑对GOES-5、GOES-6、GEOS-7的太阳电池输出参数都产生影响。9月和10月两次质子事件对在轨30个月的GOES-7卫星的太阳电池损伤如图1所示。两次事件使电池输出电流从15.78 A快速降到15.1 A。通常在标称辐射环境中，太阳电池每年衰退约0.1 A。太阳质子事件使GOES-7卫星太阳电池电流输出呈现陡峭的下降，造成太阳电池衰退相当于在5年正常辐射环境中引起的损伤。

图1 GOES－7卫星的太阳电池损伤

2.3 其他卫星

除上述卫星因为空间辐射环境发生了在轨异常和故障之外，近年来，还有多颗卫星的在轨异常被确认为空间辐射环境而引起。表4简要统计了1989年3月太阳耀斑所引起的部分卫星在轨异常。

表4 1989年3月太阳大耀斑对卫星的影响

从表4中可以看出，在这个很短的时间里，太阳活动产生了远大于正常数量的异常，特大太阳耀斑对卫星在轨安全运行构成的危险极大。

我国6颗地球静止卫星在轨故障原因统计(见表5)表明，空间环境影响引起的故障数占据总故障数的40%。

表5 我国地球静止轨道卫星故障原因统计

国内外多颗卫星的在轨异常资料表明，单粒子效应(尤其是单粒子翻转)和卫星充/放电效应是诱发卫星在轨异常的主要因素。这些异常并没有与大的环境扰动(如太阳耀斑爆发、日冕物质抛射、地磁暴等)同时发生，而是多半在这些大扰动发生一段时间之后，出现1～2周时间内电子通量增强事件后才发生。多个卫星的在轨异常或故障经查明确认是由于空间高能电子在卫星内部的深层介质中引发的内带电效应所造成。这种内带电效应在地球静止轨道卫星上更易发生，研究指出，由介质深层放电造成的卫星在轨异常或故障，约占GEO卫星放电异常或故障总数的50%以上。

3 航天器抗辐射防护对策及建议

随着航天技术的发展，一些新技术、新型材料和电子器件在航天器上越来越多地应用，导致航天器对空间辐射环境越来越敏感，空间带电粒子更易诱发辐射效应，没有良好的防护措施，辐射效应会严重影响航天器在轨高可靠、长寿命运行，严重时将造成飞行任务过早地结束。

通过以上对国外卫星在轨故障的分析，为此提出如下建议:

(1)加强防止重大事故的研究

一般小事故对飞行影响较小，且一般能通过措施调整过来，但重大事故一般无法挽回，因此，要特别引起重视。要加强对关键元器件及材料的质量控制，加强航天器系统级可靠性研究。

(2)加强对空间环境的研究，减少空间环境对卫星的干扰

空间环境对卫星的干扰包括宇宙辐射、太阳辐射、地球辐射、磁场和磁层亚暴等对卫星的影响。要加强对卫星充放电效应、单粒子效应研究，重点考虑对辐射敏感器件和关键分系统进行抗辐射优化设计，提高抗辐射能力。

(3)提高计算机系统的可靠性

计算机系统是卫星的神经系统，对卫星正常运行起决定性作用。而卫星在轨正常操作和故障排除均需靠遥测和指令系统，因此，特别要提高计算机系统的可靠性。

(4)提高卫星排除故障的能力

提高卫星的可靠性固然重要，排除故障也是卫星正常运行的有效方法。经过分析可以看出，备用设备和可靠的指令系统及地面站应变能力对卫星的故障排除是很关键的。

在获得空间辐射环境数据、星用材料、器件辐射效应试验数据的基础上，结合建立的辐射效应软件模型和数据库，建立卫星辐射效应异常专家系统，为确保航天器在轨安全运行提供技术保障。

(5)加强飞行验收试验技术研究

在充分进行地面试验的基础上，在我国未来发射的长寿命卫星上，搭载空间环境及效应试验载荷，旨在获得真实的第一手资料，验证防护技术，为以后的设计提供依据。

(6)重视地面验证试验

对采取辐射效应加固措施的电路、分系统，其地面验证试验是最直观和最具有说服力的证据。在地面试验条件允许的条件下，应尽可能开展试验验证工作，确保防护措施真实有效。

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