国内外空间环境模拟试验条件分析

皮桂英，石庆国

（中国电子科技集团公司第四十九所，哈尔滨 150001）

概述

自1957年10月4日人类第一颗人造地球卫星进入太空开始，空间环境对航天器影响的问题就受到空间界的关注。四十余年的航天历史表明，所涉及的空间环境对航天器是苛刻的、不可忽视的。由于空间环境变化十分剧烈，有强烈扰动的时候，也有相对宁静的时候，不同时期对航天器的影响有很大的差别。

1 国外已有的环境模拟试验条件

近地空间天然环境是复杂的、动态变化的，包括多种因素，其中的一些因素还可能由于航天器的存在和工作而受到强烈的影响。空间环境适应性是航天器系统设计中一个至关重要的环节，各种空间环境因素的相对重要性最终决定于其对航天器完成使命所造成的影响。由于空间飞行试验机会很少，而且代价昂贵，设计长寿命型号任务，还需要进行加速实验，为此国内外研制了针对不同环境因素的地面模拟实验系统来研究其对材料和电子器件的效应。

传统上，空间环境对航天器系统的效应被看作是一系列单独的实体，在进行分析和测试时每个环境因素单独对待，但随着各种航天任务及其系统变得越来越复杂，空间飞行试验和地面模拟研究发现空间环境因素综合作用比单独因素作用的简单叠加要更严重，因此建立了空间环境综合模拟设备。

1.1 原子氧地面模拟试验设备

原子氧是低地球轨道环境中含量最高、最具有活性的大气组分，会引起航天器材料的剥蚀和性能退化，因此开展原子氧效应的研究，对航天器的高可靠性和长寿命具有重要的意义。产生原子氧的装置有射频(RF)和直流(DC)等离子体源，电子回旋共振源(ECR)，离子中性化，电子激发脱附，光解离，超音速或激光暴轰源等。尽管基于以上原理的装置的主要目的是产生原子氧，但同时也不可避免的包括其它成份，例如紫外辐射(UV)，离子，电子，过热分子和激发原子等。

1.2 放电模拟实验设备

充放电模拟设备国外比较多，小型设备是专门研制的，大型设备一般在热真空设备的基础上研制而成。主要分为两类同步轨道地磁亚暴模拟设备和低轨道等离子体模拟设备。

1.3 器件和材料总剂量效应模拟设备

总剂量效应模拟最常用的模拟源是电子和光子，后者包括X射线和放射源Co-60，Cs-137，Co-60的半衰期是5.26年，γ射线能量为1.17MeV和1.33MeV，Cs-137的半衰期为30.2年，γ射线能量为0.66MeV。质子也可以用作总剂量检测，但质子除产生电离效应之外，还有位移效应，所以必须把两者分开。

1.4 单粒子效应模拟设备

单粒子效应(SEE)是指空间辐射环境中高能粒子与电子器件或电路相互作用，使后者产生逻辑错误、功能异常乃至器件或电路损毁的现象。单粒子效应是诱发航天器电子系统故障和异常的主要因素之一，已成为航天器设计师们关注的焦点。

1.4.1 用于单粒子效应实验的重离子加速器

美国长岛BNL的单粒子效应测试装置(SEUTF)是由NASA，NRL以及BNL联合为单粒子效应实验研制的终端设备，也是目前美国主要的单粒子效应模拟设备。特点是离子束纯度高，束流均匀性好而且测量精确，具备先进的微小束流获得技术，深受美国和欧洲用户的欢迎。BNL是端电压为15MeV的Van de Graff型串列静电加速器。LBL88英寸回旋加速器采用了混合离子加速器技术，克服了回旋加速器更换离子种类慢的缺点，束流强度变化范围可达9个数量级，束斑直径可达10cm，LET值在0.01-98MeV/cm2/mg之间，同时也能够输出质子。

1.4.2 单粒子效应实验室模拟设备

微束和脉冲激光是近年来发展起来的单粒子效应模拟设备，尤其适合于单粒子效应机理的研究。美国海军实验室(NRL)和宇航公司自8O年代以来开展的研究工作奠定了激光模拟SEE的基础，近年来激光模拟在欧洲得到了广泛的重视。例如俄罗斯建立的用于单粒子翻转测试的PICO-2E，用于单粒子锁定的RADON-5E激光器，意大利佩鲁甲大学基于IR半导体激光器的单粒子效应自动测试装置，英国Matra BAe Dynamic辐射效应研究组用于大批量器件单粒子效应敏感度筛选的SEREEL等。

1.5 污染环境模拟平台

与污染有关的地面模拟主要分为两类，一类测试航天器在轨工作期间污染环境的来源，例如测试航天器回流的组成，成分及分子能量，测量材料出气动力学特性，真空环境下材料出气率的测定等。一种研究特定污染对敏感部件的影响，污染一般用蒸发器等装置产生。

2 国内设备模拟设备

2.1 国内等离子体模拟设备

航天科技集团510所航天器地面综合模拟实验装置，该装置配置了等离子体源，极光电子环境模拟源，地磁亚暴环境模拟电子枪三套模拟源，并配有实验过程图解监控。计算机数据处理系统以及放电参数测量仪器。可完成卫星表面材料和部件在地球同步轨道，极轨和低轨带电环境模拟评价试验以及等离子体环境效应模拟试验。已完成多种卫星表面材料及太阳电池阵，天线板等部件表面充电性能试验评价及等离子体环境效应研究。

2.2 单粒子效应测试装置

用于单粒子效应测试的主要包括各种类型的重离子加速器、高能质子加速器，Case(锎源)辐照装置，脉冲激光模拟实验装置以及重离子微束装置。国内的重离子加速器主要有兰州重离子加速器(HIRFL)，HI-13串列静电加速器，北大HI-6串列加速器也被用于单粒子效应实验研究；目前能量较高的质子加速器是高能所的35MeV质子加速器，此外HI-13也能提供等能质子束流，国内有多家单位建立了Cf—252单粒子效应模拟实验装置，航科技团510所引起了脉冲激光单粒子效应模拟实验装置，中科院空间中心利用中科院物理所的激光装置建立一套类似的装置。中科院等离子体所建立用于生物辐射效应研究的微束装置，中国原子能研究院研制基于HI-13的重离子微束装置。

2.3 太阳紫外辐射模拟设备

太阳紫外辐射按波长可以划分为近紫外(380-310nm)。中紫外(310-170nm)和远紫外(170nm以下)。尽管真空紫外辐射(波长在170nm以下的远紫外辐射)在太阳总辐射能中所占比例很小，但其作用却十分显著，对于聚合物材料的损伤作用尤其显著。真空紫外辐射模拟主要采用低气压氪，氪-氦混合气体放电灯(波长123.6nm)；氢灯(波长170～220nm);氦灯(波长30.4nm和58.4nm)。真空紫外模拟包括在前面介绍的空间环境综合模拟设备中，此外原子氧模拟设备中也包括了真空紫外的成份。

2.4 微流星和空间碎片撞击模拟设备

研究空间碎片效应的主要设备为地面超高速碰撞实验设备。目前国内外的超高速碰撞试验设备有很多。加速大尺寸粒子，目前主要使用二级轻气炮，其设备庞大，技术相对成熟。它的主要优点是弹速连续可调，对弹丸形状没有要求，而且容易保持弹丸的完整性，弹丸的温升也不高，最高弹速可达到10km/s以上。目前，国内中科院力学所、中国工程物理研究院、中国空气动力发展研究中心、西北核技术研究所、中国科技大学和哈工大等单位都有二级轻气炮在运行。

3 结论

随着载人航天、深空探测、及国防和科学研究等需要和空间技术的不断发展，对空间模拟试验提出了更高要求，本文通过对国内外空间环境模拟试验的分析论述，使读者更清楚的了解国内外空间环境模拟试验的差距，对科研工作者和试验人员完善空间模拟环境试验设备的建设和开展试验技术的研究和空间模拟环境试验的理念上的转变起到一定的指导作用。

[1] 柯受全.中国宇航出版社卫星环境工程和模拟实验[M].北京：中国宇航出版社，1996.

[2] 陈必忠，王吉辉，孙刚.论空间环境模拟试验和研究[J].航天器环境工程，2002（1）：10-13.