近极轨道区域空间辐射环境仿真

蒋虎 胡海鹰 龚文斌

摘 要：文章以98度轨道倾角为例，考虑的轨道高度分别为300km和600km两种情况，对这两组该空间区域内的辐射环境指标进行了仿真分析，主要指标包括：质子能谱，电子能谱及辐射剂量等。基于这些指标的仿真结果，对该区域的卫星设计提出了设计要求。

关键词：太阳同步轨道；空间辐射；仿真

1 概述

飞行器在空间运行时，受到多种因素的影响，飞行器轨道会发生衰减，甚至会造成飞行器内部单机或某个分系统失去正常工作功能，从而引起飞行器失效而被迫终止飞行。空间辐射环境就是其中的关键因素之一[1，2，3]。这里主要针对近极轨道区域空间辐射环境进行仿真，即以98度轨道倾角为例，考虑的轨道高度分别为300和600km。所考察的辐射环境指标主要包括：质子能谱，电子能谱及辐射剂量等。这些指标的仿真结果将对该区域的卫星设计提出一定的设计要求。

2 仿真平台介绍

文章仿真平台是基于ESA的空间环境信息系统SPENVIS[4]。该软件包可以生成飞行器轨道或飞行器坐标网格点等信息；基于这些信息，利用内置的空间环境模型，可以对用户自己感兴趣的空间环境指标进行仿真，该软件的主要功能包括：地磁场坐标生成；被俘获质子及电子的輻射通量、太阳质子影响；简单几何结构模型下的等离子或非等离子辐射剂量；复杂几何结构模型下的分区辐射剂量分析；太阳电池片损害等效影响分析；等离子LET、流量谱、单粒子事件翻转率；俘获质子流量的各项异性；大气、电离层密度及温度等；原子氧腐蚀深度；空间碎片仿真等。

3 仿真结果

文章仿真了倾角为98度情况下，卫星高度分别为300km，600km时的空间辐射环境（质子能谱，电子能谱及辐射剂量等）。空间辐射环境仿真结果如下。

3.1 300km时的空间辐射环境仿真（如图1、2、3）

3.2 600km时的空间辐射环境仿真（如图4、5、6）

4 结束语

从仿真结果可以初步得出以下几点结论：（1）对于98度倾角情况，辐射剂量随屏蔽材料厚度变化的趋势是：在厚度处于小于9mm区间时，随屏蔽材料厚度增加，辐射剂量迅速减少；当厚度处于大于9mm而小于20mm区间时，随屏蔽材料厚度增加，辐射剂量减少十分有限；（2）600km轨道高度比300km轨道高度的质子积分通量高1-2个量级，而电子积分通量则在同量级范围内。

根据以上仿真结果，我们可以在98度左右轨道倾角的卫星设计时选取厚度为9mm左右的铝板壳体，即可有效减少300、600km高度区间内的空间辐射剂量，从而保障星内单机工作稳定性；另外，质子通量高往往更容易引起卫星器件单粒子事件发生，因而对98度倾角卫星而言600km轨道高度的卫星设计比300km高度的卫星设计更应注重防范单粒子故障处理机制；电子通量高更容易引起卫星深层充电现象，由于600km轨道高度比300km轨道高度的电子积分通量在同量级范围内，因而就防范卫星深层充电方面，600km轨道高度的卫星抗深层充电措施设计与300km高度的卫星抗深层充电措施设计不必采用差别化设计。

参考文献

[1]http：//baike.baidu.com/view/415069.htm[DB].

[2]中国科学院空间科学与应用研究中心.宇航空间环境手册[M].中国科学技术出版社，2000.

[3]沈自才.空间辐射环境工程[M].中国宇航出版社，2013.

[4]https：//www.spenvis.oma.be/[DB].

作者简介：蒋虎（1969-），男，汉族，浙江省东阳市，现为上海微小卫星工程中心研究员、博士，研究方向：卫星总体设计及导航卫星应用。