航天器空间辐射效应分析技术现状与思考

王会斌，呼延奇，郑 悦，王 华

（1. 中国空间技术研究院； 2. 北京空间飞行器总体设计部； 3. 北京卫星环境工程研究所：北京 100094）

0 引言

航天器轨道空间辐射环境不仅具有复杂的空间分布，而且随时间不断变化，包括空间分布位置的改变和粒子通量强弱程度的剧烈变化，这些变化与太阳爆发性活动及其引发的近地空间环境扰动事件有关。在强烈的太阳爆发活动期间，能量超过1 MeV/u 的重离子和大于100 keV 的电子的通量可能出现几个数量级的增加，且持续时间可达几小时到数天。在地磁暴发生后的数天内，地球辐射带外带电子通量的变化可能在5 个数量级以上。另外，在强地磁暴发生时，地球磁层顶受到高速太阳风的挤压甚至会被压缩到地球同步轨道高度，导致地球同步轨道上的航天器发生磁层顶穿越事件，磁场方向可能发生偏转。航天器探测数据也显示，在太阳爆发性活动及其引发的地磁扰动事件期间，地球辐射带环境存在显著的动态变化，可能产生新的质子带和电子带。

航天器空间辐射效应是各种空间辐射环境要素与航天器上应用的材料、电子器件、设备乃至整星等对象相互作用的结果。对于不同的航天器，其面临的空间辐射效应状况不仅与实时环境、航天器轨道位置有关，还与具体元器件类型及电路特性密切相关。因此，航天器空间辐射效应分析需要针对特定的航天器任务及其设计状态开展具体分析。从航天器工程研制设计的角度，我们所需关注的是对航天器产生不可忽略的不利影响的空间辐射环境及效应。航天器空间辐射效应分析工作的目标是根据当前对空间辐射环境基本科学规律的认识，以及各空间辐射环境要素对航天器上的元器件或材料相互作用机理的认识，采用各种空间辐射环境模型及辐射效应分析软件对相关影响进行量化表征。

本文归纳当前航天器总体设计中开展的空间辐射效应分析工作的要素、分析方法及相应的模型工具，并结合国际上空间辐射效应模型的最新进展，对国内航天器空间辐射效应分析技术的后续发展提出建议。

1 总体设计中的辐射环境分析与建模方法

所有的航天器，只要其轨道高度在白天超过60 km 或夜间超过80 km，都将暴露在空间粒子辐射环境中。空间带电粒子能谱是连续谱，低能带电粒子与航天器表面材料相互作用并被表面收集，会改变航天器表面及其邻域内电场，产生表面充放电效应，同时也会与材料相互作用导致材料性能退化；高能带电粒子能穿透航天器结构屏蔽，通过电离相互作用、非电离相互作用、核相互作用等不同的能量传递物理过程，将粒子自身的能量及电荷传递给航天器上的元器件、材料等对象，造成电离总剂量效应、位移效应或单粒子效应。

图1给出内磁层不同值（为磁壳参数，是地球空间某点的磁力线与赤道面交点处的地心距离与地球半径之比）高度上的典型能量的等离子体及高能带电粒子的数密度，整体而言，空间中低能等离子体的密度远大于高能粒子的密度。

图1 地球空间等离子体和高能带电粒子的数密度分布[3]Fig. 1 Distributions of number density of plasma and high energy charged particles in GEO space[3]

1.1 航天器轨道辐射环境分析

航天器轨道上的高能粒子的来源包括地球辐射带、银河宇宙线和太阳粒子事件，其中地球辐射带和银河宇宙线是时刻存在的辐射环境，而太阳粒子事件只出现在太阳爆发活动期间，是一种突发性的粒子辐射扰动事件，其强度与太阳爆发活动强度有关。航天器轨道上的等离子体环境也存在显著的空间分布和时间变化特征。

对轨道空间辐射环境的量化分析依赖于各种空间辐射环境模型，包括地球辐射带模型、太阳粒子事件模型、银河宇宙线模型及等离子体环境模型等。由于外来带电粒子在地球空间中运动时，会受到地球磁场的偏转作用，即地磁屏蔽效应，故需要采用合理的地磁场屏蔽模型来分析太阳高能粒子达到地球空间某轨道的可能性。

航天器在轨面临的主要辐射源——地球辐射带存在复杂的动态变化，表现为时间、空间分布及粒子特性等的显著不均匀性。图2 为不同高度轨道在地球辐射带中的相对位置示意，可以看出，不同轨道上捕获粒子的通量及成分存在显著的差异。

图2 不同高度轨道在地球辐射带中的相对位置Fig. 2 Relative position of orbits at different altitudes in the Earth’s radiation belt

对于同一次太阳质子事件，不同的航天器轨道由于其所受到的地磁场屏蔽作用程度不同，其遭遇的太阳质子通量和能谱可能存在显著差异。图3 给出了1989 年10 月特大太阳质子事件期间，在行星际空间以及GEO、MEO、SSO、LEO 等典型航天器轨道上的太阳质子能谱。从中可以看出：行星际空间处于地球磁层之外，没有地球磁场的屏蔽作用，太阳质子可以不经任何衰减地到达，因此遭遇的太阳质子通量最高；对于高度较高的GEO、MEO，地磁场强度比较微弱，可以提供的有效屏蔽很弱，因此太阳质子尤其是高能太阳质子较易到达此类轨道；对于高度较低、但倾角较高的SSO，由于在两极区地球磁力线是开放的，太阳质子容易沿着磁力线到达高度较低的位置，故此类轨道遭遇的太阳质子通量也较高；对于低高度、低倾角的LEO，由于地磁场可以提供很好的屏蔽作用，大部分太阳质子被地磁场偏转向两极，故此类轨道受太阳质子事件的影响很小，甚至不受影响。

图3 行星际空间及典型航天器轨道的太阳质子能谱Fig. 3 Solar proton spectra in interplanetary space and typical spacecraft orbits

地球磁尾热等离子体（能量大于100 eV 的等离子体）注入现象是指磁层亚暴期间磁尾不同能量段的等离子体通量的突然增加。粒子注入被认为是磁层亚暴的基本特征之一，几乎所有的磁层亚暴都伴随着等离子体注入过程。磁层亚暴注入的热等离子体在地磁场的复杂作用下，经过漂移运动后可到达距地球10以内甚至地球MEO/GEO 高度区域，对于MEO、GEO、大椭圆轨道和近地极轨航天器有重要影响，是引发航天器表面充放电效应的主要因素。图4 所示为磁层亚暴热等离子体注入过程。

图4 磁层亚暴热等离子体注入过程示意Fig. 4 Schematic diagram of hot plasma injection during magnetospheric substorm

1.2 航天器质量屏蔽建模与分析

目前针对空间带电粒子的辐射防护主要采用质量屏蔽的方法，其原理是，当屏蔽物质的厚度大于带电粒子在该物质中的射程时，入射粒子将被阻止在屏蔽物质中；一定厚度的物质能够屏蔽一定能量范围（取决于粒子的种类）的空间粒子，并使贯穿粒子的能量有所衰减。

图5 给出了航天器典型部位的质量屏蔽状态，其中：表面涂层的屏蔽厚度仅为几百μm(Al)；航天器舱壁提供的屏蔽厚度为1～2 mm(Al)；设备内部元器件周围的屏蔽状态相当于3～20 mm(Al)。图中同时给出了不同能量的质子和电子在铝材料中的射程曲线。

图5 航天器典型部位的质量屏蔽状态Fig. 5 Mass shielding states for different parts on the spacecraft

在工程实际应用中，为了尽量减少总体与单机研制方的信息交互，提高工程分析的效率，往往采用简化的质量屏蔽模型，最常用的屏蔽模型为实心球或平板模型，即把航天器等效为一定厚度的球壳或平板，见图6。

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

上述质量屏蔽模型不能体现航天器实际复杂结构和布局所导致的质量屏蔽各向异性。故必要时应在航天器总体布局大致确定以后，建立航天器质量屏蔽的三维分析模型，面向整星主结构、太阳电池阵、储箱、舱内设备等组件，对不同设备周围的质量屏蔽状态通过射线追踪法进行细致分析。

1.3 粒子辐射输运分析

航天器舱外空间带电粒子辐射进入舱板材料时与材料发生复杂的相互作用，部分初级粒子及其产生的次级粒子穿透舱板，最终形成舱内的辐射环境，该过程本质上为带电粒子与材料的相互作用过程。

精确的空间辐射输运模型对于航天器空间辐射效应分析至关重要。舱外空间辐射环境中包含大量的低能粒子，它们不能穿透航天器自身的屏蔽进入航天器内部；高能带电粒子在航天器舱板材料内输运时，其能量会随路径的延伸而逐渐降低；重离子会发生核反应裂变为原子序数更小的轻核，同时会产生各种次级粒子辐射（如中子、二次电子、γ 射线等）。上述过程均会造成航天器舱内与舱外辐射环境的显著差异，而这种差异还受舱外辐射环境特性及航天器屏蔽材料特性的影响。

下面介绍目前空间辐射输运分析中常用的几种方法。

1.3.1 蒙特卡罗模拟方法

近40 年来，蒙特卡罗方法被广泛应用于模拟带电粒子在材料中的输运问题。该方法直接追踪粒子，采用随机抽样的方法，较真切地模拟粒子输运的过程，反应统计涨落的规律。蒙特卡罗方法的主要缺点是收敛速度较慢，因而其计算过程比较耗时。在以往蒙特卡罗模拟的实际工程应用中，常采用一维简化的屏蔽模型来处理空间辐射输运问题；近年来，随着计算机硬件的飞速发展，基于实际三维构型的蒙特卡罗模拟程序已经被广泛应用于航天器工程设计中。表1 归纳了常用的空间辐射输运蒙特卡罗模拟程序特点。

表1 空间辐射输运模拟中常用的蒙特卡罗模拟程序Table 1 Monte Carlo simulation procedure commonly used in space radiation transport simulation

1.3.2 基于玻耳兹曼方程的连续输运分析方法

与蒙特卡罗方法基于粒子相互作用随机过程不同，确定性方法不考虑单个粒子与材料相互作用的微观过程，而是从宏观上考虑材料对粒子通量的整体衰减作用，其基础是利用守恒律推导出的玻耳兹曼输运方程。基于粒子贯穿小体积元中因核碰撞引起粒子增加或损失所产生的粒子通量变化的守恒关系，在粒子前向直线输运近似下，可得到简化的玻耳兹曼输运方程，即

其中：φ(,,) 为第类粒子的通量；A为该粒子的原子质量；σ() 为该粒子的宏观反应截面；S()为靶材料阻止本领；σ(,′,,′) 为产生第类粒子的反应截面；φ(,′,′)为第类粒子的通量。方程中含有S() 的一项是连续慢化近似后的结果，反应截面数据主要基于试验结果及核反应模型等得到。

基于玻耳兹曼输运方程的确定性方法求解粒子在材料中的输运问题的优点在于，对于较厚屏蔽的粒子输运问题其运算时间很短。这在工程实际中是非常有利的，可以在较短的时间内对不同的屏蔽模型进行比较分析；但由于确定性方法基于更多的近似，其计算结果的系统误差较大。尽管如此，NASA 在进行空间辐射效应分析时，仍倾向于采用此类方法。

基于确定性方法的典型程序有NASA 兰利研究中心开发的HZETRN 和BRYNTRN，均可处理各种强子（包括质子和重离子）与不同屏蔽材料的相互作用，得到初级粒子经过屏蔽材料后产生的次级辐射（如中子、电子、光子等），还可以把舱内辐射产生的电离总剂量转化为航天员遭受的生物当量剂量，因此被NASA 应用于载人航天器的空间辐射效应分析。

1.3.3 基于粒子能量-射程关系的前向近似解析方法

Burrel基于前向近似模型建立了质子输运的解析计算方法。前向近似模型认为质子在屏蔽材料中输运时近似沿直线前进，质子在其路径上任意一点上残余的能量与其射程一一对应。Sorenson 等基于Weber 电子平均射程公式，建立了电子在屏蔽材料中的解析输运分析方法。Messenger将解析输运分析方法的分析结果与蒙特卡罗模拟结果进行对比，显示此类解析方法具有很好的精度，可以应用于空间连续能谱带电粒子的输运分析。由于解析输运分析方法方便快捷，目前国际上很多空间辐射效应分析软件，如OMERE 等均采用此类方法。

2 航天器辐射效应量化分析方法

2.1 电离总剂量分析

2.1.1 一维分析方法

Shieldose 程序是航天器工程中经典的电离总剂量计算工具，主要针对空间质子、电子在实心球模型、有限平板模型及半无穷大平板模型中的输运状况进行分析，可以给出任意输入的空间高能粒子能谱经过上述屏蔽模型之后的辐射剂量。

Shieldose 程序对质子按射程-能量关系处理（即前向近似），忽略其核反应；对电子则采用查表法完成分析，事先建立基于蒙特卡罗方法的数据集，包括了以铝屏蔽层厚度和粒子能量为变量的单位入射注量的吸收剂量，再通过对每个粒子能量分布相加，并考虑在相应能量和时间间隔下的入射通量，可以得出给定入射粒子能谱在给定厚度屏蔽层上所沉积的总剂量。将航天器质量屏蔽简化为一定半径的实心球，对球心处的辐射剂量与半径（屏蔽厚度）间的关系进行辐射剂量一维分析，得到剂量-深度分布曲线。

2.1.2 三维分析方法

一维分析方法没有考虑整星质量屏蔽的不均匀性，更为详细的分析是整星辐射剂量三维分析。该方法利用CAD 三维实体软件，建立航天器辐射屏蔽三维CAD 模型。模型提供航天器构型和质量特性，可对航天器内外任意一点进行空间不同方向的屏蔽质量分布的三维分析，从而计算出该点的辐射剂量值。由于航天器总体布局在不同方向上提供的固有屏蔽质量存在差异，其结果在工程应用上比一维剂量分析结果更贴近实际。

按照图7 中对全向空间的剖分方法，分别计算每条射线方向所代表的立体角Ω以及每条射线上的累积质量面密度数值d，并依据剂量-深度分布曲线获得相应等效铝屏蔽厚度对应的全向空间辐射剂量(d)，则剂量分析点接受的总辐射剂量为

图7 基于整星质量屏蔽三维模型的射线追踪方法Fig. 7 Ray tracing method based on 3D satellite mass shielding model

其中：4π 为全空间立体角；为全向空间剖分的单元数。

国际上具备开展辐射剂量三维分析能力的软件包括采用射线追踪法的SYSTEMA、FASTRAD，以及完全采用蒙特卡罗模拟方法的GRAS、NOVICE、FASTRAD 等。

2.2 位移效应分析

2.2.1 等效注量分析方法

为定量评估太阳电池在轨遭受的位移损伤，20世纪80 年代，美国NASA 喷气推进实验室（JPL）发展了等效注量法。该方法通过采用不同能量的质子和电子进行辐照试验，利用获得的试验数据将不同能量的空间带电粒子对太阳电池造成的位移损伤与一定通量的1 MeV 电子对太阳电池的损伤进行等效，获得不同能量和种类的粒子与1 MeV 电子产生同样损伤的等效系数，以便把太阳电池在轨期间由连续能谱的空间带电粒子辐射导致的位移损伤等效为1 MeV 电子损伤通量。JPL等效注量法的具体分析流程见图8。

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

自20 世纪80 年代以来，JPL 等效注量法已经被广泛应用于评估太阳电池寿命末期的退化程度，许多空间辐射环境及效应分析软件，如SPENVIS、Space Radiation、OMERE 等都包含了这一功能。

2.2.2 位移损伤剂量分析方法

1994 年，美国海军实验室（NRL）的Summers 等提出了一种新的位移损伤剂量分析方法。图9 所示为该方法的基本流程。

图9 NRL 位移损伤剂量法流程Fig. 9 Schematic diagram of displacement damage dose method used by NRL

实际空间辐射环境中的高能带电粒子的能量不同，位移损伤能力也不同。对于特定的航天器，首先计算航天器轨道带电粒子能谱，经过输运分析获得星内器件表面处的微分能谱()，此步骤与JPL等效注量法中计算入射粒子能谱的步骤是相同的。对于得到的连续能谱的空间辐射粒子，与电离总剂量类似，可以定义位移损伤剂量为

其中NIEL为地面评估试验所用的粒子能量对应的非电离能损。最后，采用该能量进行地面辐照试验，辐照的粒子通量取为上述等效注量。辐照后，测试器件的性能参数。图10 给出5 类常用轨道上1 MeV 中子等效注量与等效铝屏蔽厚度的关系。

图10 不同轨道上光电器件1 MeV 中子等效注量与屏蔽厚度的关系Fig. 10 1 MeV equivalent neutron flux of optoelectronic devices vs shielding thickness on different orbits

国际上，基于非电离能损理论，NASA 和ESA相继发展了针对光电器件位移损伤评估的软件。其中，NASA 主导开发的位移损伤分析软件主要包括SAVANT 和SCREAM，ESA 则利用其发展的空间环境集成信息系统SPENVIS 集成SCREAM 软件，开发了蒙特卡罗版的MC-SCREAM 软件。

2.3 单粒子效应分析

对于特定器件单粒子事件发生率的预示，通常需要进行如下的工作：

首先，需要根据航天器任务特点以及器件的具体应用状态，包括航天器轨道、设备位置及器件周围质量屏蔽状态等信息，利用空间带电粒子辐射环境模型分析经过一定质量屏蔽后入射到器件表面的空间带电粒子LET 谱，作为空间单粒子事件发生率评估时的环境条件输入。图11 给出了考虑遭遇1989 年10 月特大太阳耀斑事件时，不同轨道上的最恶劣重离子LET 积分谱。

图11 不同航天器轨道的太阳重离子LET 积分谱Fig. 11 The LET integral spectra of solar heavy ions on different orbits

其次，对于缺乏单粒子效应敏感参数的微电子器件，需要利用重离子及质子加速器，开展单粒子效应地面模拟试验，获取器件分别由重离子和质子引发的单粒子效应特性参数。对于重离子，特性参数包括LET 阈值、单粒子事件饱和截面以及单粒子事件截面与重离子LET 的关系曲线；对于质子，特性参数包括质子能量阈值、单粒子事件饱和截面以及单粒子事件截面与质子能量的关系曲线。

最后，利用重离子LET 谱（或质子能谱）与器件单粒子效应特性曲线，建立器件单粒子效应相互作用模型并进行分析，得到器件在轨的单粒子事件发生率。

国内目前基本上沿用国外的预示方法或成熟软件（CRÈME96、Space Radiation、SPENVIS、OMERE等），根据国内进行的器件单粒子效应特性测试数据，进行器件的在轨单粒子事件发生率预示。

3 国内发展现状与存在的问题

1）辐射环境模型更新缓慢，对设计指导不够全面准确

航天器在设计阶段开展的空间辐射效应分析往往基于空间环境模型，而航天器在轨面临的真实环境状态与空间环境模型给出的结果间可能存在显著偏差。受限于缺乏广泛空间覆盖和长期持续的空间辐射环境探测数据，国内自主研发空间辐射环境模型的进展缓慢，除在太阳质子事件模型、特定轨道捕获粒子环境模型等方面有初步研究成果以外，缺乏国际认可的空间辐射环境模型，进行空间环境分析时仍普遍采用20 世纪90 年代以前的静态辐射带模型AP8 和AE8，只考虑辐射带的平均状态加设计余量，造成设计阶段依靠空间环境效应模型分析得到的结果与航天器在轨实际辐射效应可能有出入。

值得注意的是，近年来国际上的空间辐射环境建模有了显著进展，如：美国和欧洲合作开发了新一代辐射带模型IRENE（原名AP9/AE9）；Badhwar和O’Neill 建立的系列银河宇宙线模型已发展至2020 版本；为评估数天至数年不同周期任务面临的太阳质子事件风险，美国的Robinson 等新开发了MSSREM 太阳粒子事件模型。这些空间辐射环境模型，可以对航天器在轨面临的动态辐射环境进行更为准确的描述，国内学者应及时跟进追踪。

2）在轨实测环境数据不足，实时分析技术有待提高

要了解航天器在轨运行时真正遭遇的空间环境效应，必须依赖于实时的空间环境监测数据，并结合不同航天器自身设计状态的特点，开展具体的分析。

在航天器执行关键任务前，需要对整器在轨健康状态进行全面的分析。由于空间磁层和地球辐射带存在复杂的动态变化，航天器在不同时间和空间位置处遭遇的辐射环境可能有数量级差异，在轨空间辐射效应也随之存在类别和程度不同；同时，航天器在轨遭遇的辐射风险与自身的设计状态紧密相关。因此，如何有效表征处于不同时空位置和不同设计状态的航天器面临的辐射风险，是航天器长期运行管理必须要解决的问题。

当航天器发生异常时，除了需要掌握异常发生前一段时间的空间环境状态参数外，更重要的是分析即时的空间环境因素对航天器的作用机理，获得航天器的响应参数，从而为航天器异常原因识别提供重要参考。

4 后续发展建议

1）提升对轨道辐射环境动态特性的分析能力

新一代辐射带模型IRENE 首次给出了对粒子通量不确定性的定量描述。NASA、ESA 和法国空间研究中心（CNES）等均针对IRENE 模型安排有大量的研究项目，对航天器不同部位元器件的辐射效应开展分析对比研究。可以肯定的是，未来IRENE模型必将替代当前的AP8/AE8 模型，成为航天器辐射环境设计的辐射带环境标准模型。基于IRENE模型对捕获粒子环境动态变化范围的描述，研究国内常用航天器轨道上捕获粒子环境的动态变化范围，分析IRENE 模型与AP8/AE8 模型对捕获粒子环境预示以及不同置信水平的捕获粒子通量的差异，通过对航天器在轨辐射环境涨落范围的分析，可以实现对航天器遭受的辐射效应的不确定度评估，进而为不同轨道航天器抗辐射设计余量选择提供依据。

2）加强对在轨辐射风险辨识与表征方法的研究

对航天器在轨道空间辐射环境中的响应与状态，更关注航天器在特定时间所处空域的局地辐射环境，而大空间和时间尺度的轨道辐射环境，对于航天器的抗辐射总体设计、评估以及在轨管理已显得过于粗放，不能描述小时间尺度范围的航天器在轨行为或响应。因此，有必要推进空间环境实时监测数据应用于在轨航天器空间环境效应分析，利用现有已业务化的GEO、MEO、SSO 等轨道的空间粒子辐射环境监测能力，紧密结合航天器的具体设计状态，实现对运行于上述轨道的航天器面临的电离总剂量、单粒子、表面充放电和内带电4 类主要空间环境危害的实时分析和风险预警。

3）重点关注中轨道等陌生区域辐射环境影响

当前我国航天器的轨道多集中于GEO、MEO、SSO、LEO 等范围，长期运行的区域主要在地球辐射带的外带中心及偏外以及内带下边缘偏上的两个重要区域，对这些轨道区域的空间辐射环境特征及其影响具备较为成熟的分析结论及工程实践经验。而近年来，对于1000～2000 km、7000～10 000 km以及大椭圆轨道、全电推连续变轨等新型轨道面临的相对陌生的轨道辐射环境特性缺乏深入了解，后续应重点关注这些轨道区域的辐射环境影响，为相应航天器的辐射防护设计提供更为合理的辐射环境条件输入。

5 结束语

本文从航天器轨道辐射环境分析、航天器质量屏蔽建模分析、空间粒子经航天器质量屏蔽的输运分析以及航天器空间辐射效应量化分析4 个方面归纳了航天器总体设计中开展的空间辐射环境效应分析的基本方法和工作内容。

近年来，国际上的空间辐射环境模型不断更新发展，对轨道辐射环境的描述和表征方法不断进步；与此同时，常用航天器轨道上的粒子辐射环境实测数据能量覆盖范围明显提升，几乎囊括了航天工程关注的所有能谱，辐射效应实测数据也在不断丰富完善。对这些数据的合理分析应用，将为不断提升航天器空间辐射效应量化分析的准确性提供最直接的检验手段，从而为改进总体辐射防护设计（分析方法、设计规范）提供技术基础。