國內(nèi)外空間環(huán)境模擬試驗(yàn)條件分析

皮桂英，石慶國

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十九所，哈爾濱 150001）

概述

自1957年10月4日人類第一顆人造地球衛(wèi)星進(jìn)入太空開始，空間環(huán)境對(duì)航天器影響的問題就受到空間界的關(guān)注。四十余年的航天歷史表明，所涉及的空間環(huán)境對(duì)航天器是苛刻的、不可忽視的。由于空間環(huán)境變化十分劇烈，有強(qiáng)烈擾動(dòng)的時(shí)候，也有相對(duì)寧靜的時(shí)候，不同時(shí)期對(duì)航天器的影響有很大的差別。

1 國外已有的環(huán)境模擬試驗(yàn)條件

近地空間天然環(huán)境是復(fù)雜的、動(dòng)態(tài)變化的，包括多種因素，其中的一些因素還可能由于航天器的存在和工作而受到強(qiáng)烈的影響。空間環(huán)境適應(yīng)性是航天器系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，各種空間環(huán)境因素的相對(duì)重要性最終決定于其對(duì)航天器完成使命所造成的影響。由于空間飛行試驗(yàn)機(jī)會(huì)很少，而且代價(jià)昂貴，設(shè)計(jì)長壽命型號(hào)任務(wù)，還需要進(jìn)行加速實(shí)驗(yàn)，為此國內(nèi)外研制了針對(duì)不同環(huán)境因素的地面模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來研究其對(duì)材料和電子器件的效應(yīng)。

傳統(tǒng)上，空間環(huán)境對(duì)航天器系統(tǒng)的效應(yīng)被看作是一系列單獨(dú)的實(shí)體，在進(jìn)行分析和測試時(shí)每個(gè)環(huán)境因素單獨(dú)對(duì)待，但隨著各種航天任務(wù)及其系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，空間飛行試驗(yàn)和地面模擬研究發(fā)現(xiàn)空間環(huán)境因素綜合作用比單獨(dú)因素作用的簡單疊加要更嚴(yán)重，因此建立了空間環(huán)境綜合模擬設(shè)備。

1.1 原子氧地面模擬試驗(yàn)設(shè)備

原子氧是低地球軌道環(huán)境中含量最高、最具有活性的大氣組分，會(huì)引起航天器材料的剝蝕和性能退化，因此開展原子氧效應(yīng)的研究，對(duì)航天器的高可靠性和長壽命具有重要的意義。產(chǎn)生原子氧的裝置有射頻(RF)和直流(DC)等離子體源，電子回旋共振源(ECR)，離子中性化，電子激發(fā)脫附，光解離，超音速或激光暴轟源等。盡管基于以上原理的裝置的主要目的是產(chǎn)生原子氧，但同時(shí)也不可避免的包括其它成份，例如紫外輻射(UV)，離子，電子，過熱分子和激發(fā)原子等。

1.2 放電模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備

充放電模擬設(shè)備國外比較多，小型設(shè)備是專門研制的，大型設(shè)備一般在熱真空設(shè)備的基礎(chǔ)上研制而成。主要分為兩類同步軌道地磁亞暴模擬設(shè)備和低軌道等離子體模擬設(shè)備。

1.3 器件和材料總劑量效應(yīng)模擬設(shè)備

總劑量效應(yīng)模擬最常用的模擬源是電子和光子，后者包括X射線和放射源Co-60，Cs-137，Co-60的半衰期是5.26年，γ射線能量為1.17MeV和1.33MeV，Cs-137的半衰期為30.2年，γ射線能量為0.66MeV。質(zhì)子也可以用作總劑量檢測，但質(zhì)子除產(chǎn)生電離效應(yīng)之外，還有位移效應(yīng)，所以必須把兩者分開。

1.4 單粒子效應(yīng)模擬設(shè)備

單粒子效應(yīng)(SEE)是指空間輻射環(huán)境中高能粒子與電子器件或電路相互作用，使后者產(chǎn)生邏輯錯(cuò)誤、功能異常乃至器件或電路損毀的現(xiàn)象。單粒子效應(yīng)是誘發(fā)航天器電子系統(tǒng)故障和異常的主要因素之一，已成為航天器設(shè)計(jì)師們關(guān)注的焦點(diǎn)。

1.4.1 用于單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的重離子加速器

美國長島BNL的單粒子效應(yīng)測試裝置(SEUTF)是由NASA，NRL以及BNL聯(lián)合為單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研制的終端設(shè)備，也是目前美國主要的單粒子效應(yīng)模擬設(shè)備。特點(diǎn)是離子束純度高，束流均勻性好而且測量精確，具備先進(jìn)的微小束流獲得技術(shù)，深受美國和歐洲用戶的歡迎。BNL是端電壓為15MeV的Van de Graff型串列靜電加速器。LBL88英寸回旋加速器采用了混合離子加速器技術(shù)，克服了回旋加速器更換離子種類慢的缺點(diǎn)，束流強(qiáng)度變化范圍可達(dá)9個(gè)數(shù)量級(jí)，束斑直徑可達(dá)10cm，LET值在0.01-98MeV/cm2/mg之間，同時(shí)也能夠輸出質(zhì)子。

1.4.2 單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)室模擬設(shè)備

微束和脈沖激光是近年來發(fā)展起來的單粒子效應(yīng)模擬設(shè)備，尤其適合于單粒子效應(yīng)機(jī)理的研究。美國海軍實(shí)驗(yàn)室(NRL)和宇航公司自8O年代以來開展的研究工作奠定了激光模擬SEE的基礎(chǔ)，近年來激光模擬在歐洲得到了廣泛的重視。例如俄羅斯建立的用于單粒子翻轉(zhuǎn)測試的PICO-2E，用于單粒子鎖定的RADON-5E激光器，意大利佩魯甲大學(xué)基于IR半導(dǎo)體激光器的單粒子效應(yīng)自動(dòng)測試裝置，英國Matra BAe Dynamic輻射效應(yīng)研究組用于大批量器件單粒子效應(yīng)敏感度篩選的SEREEL等。

1.5 污染環(huán)境模擬平臺(tái)

與污染有關(guān)的地面模擬主要分為兩類，一類測試航天器在軌工作期間污染環(huán)境的來源，例如測試航天器回流的組成，成分及分子能量，測量材料出氣動(dòng)力學(xué)特性，真空環(huán)境下材料出氣率的測定等。一種研究特定污染對(duì)敏感部件的影響，污染一般用蒸發(fā)器等裝置產(chǎn)生。

2 國內(nèi)設(shè)備模擬設(shè)備

2.1 國內(nèi)等離子體模擬設(shè)備

航天科技集團(tuán)510所航天器地面綜合模擬實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置配置了等離子體源，極光電子環(huán)境模擬源，地磁亞暴環(huán)境模擬電子槍三套模擬源，并配有實(shí)驗(yàn)過程圖解監(jiān)控。計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以及放電參數(shù)測量儀器。可完成衛(wèi)星表面材料和部件在地球同步軌道，極軌和低軌帶電環(huán)境模擬評(píng)價(jià)試驗(yàn)以及等離子體環(huán)境效應(yīng)模擬試驗(yàn)。已完成多種衛(wèi)星表面材料及太陽電池陣，天線板等部件表面充電性能試驗(yàn)評(píng)價(jià)及等離子體環(huán)境效應(yīng)研究。

2.2 單粒子效應(yīng)測試裝置

用于單粒子效應(yīng)測試的主要包括各種類型的重離子加速器、高能質(zhì)子加速器，Case(锎源)輻照裝置，脈沖激光模擬實(shí)驗(yàn)裝置以及重離子微束裝置。國內(nèi)的重離子加速器主要有蘭州重離子加速器(HIRFL)，HI-13串列靜電加速器，北大HI-6串列加速器也被用于單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究；目前能量較高的質(zhì)子加速器是高能所的35MeV質(zhì)子加速器，此外HI-13也能提供等能質(zhì)子束流，國內(nèi)有多家單位建立了Cf—252單粒子效應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)裝置，航科技團(tuán)510所引起了脈沖激光單粒子效應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)裝置，中科院空間中心利用中科院物理所的激光裝置建立一套類似的裝置。中科院等離子體所建立用于生物輻射效應(yīng)研究的微束裝置，中國原子能研究院研制基于HI-13的重離子微束裝置。

2.3 太陽紫外輻射模擬設(shè)備

太陽紫外輻射按波長可以劃分為近紫外(380-310nm)。中紫外(310-170nm)和遠(yuǎn)紫外(170nm以下)。盡管真空紫外輻射(波長在170nm以下的遠(yuǎn)紫外輻射)在太陽總輻射能中所占比例很小，但其作用卻十分顯著，對(duì)于聚合物材料的損傷作用尤其顯著。真空紫外輻射模擬主要采用低氣壓氪，氪-氦混合氣體放電燈(波長123.6nm)；氫燈(波長170～220nm);氦燈(波長30.4nm和58.4nm)。真空紫外模擬包括在前面介紹的空間環(huán)境綜合模擬設(shè)備中，此外原子氧模擬設(shè)備中也包括了真空紫外的成份。

2.4 微流星和空間碎片撞擊模擬設(shè)備

研究空間碎片效應(yīng)的主要設(shè)備為地面超高速碰撞實(shí)驗(yàn)設(shè)備。目前國內(nèi)外的超高速碰撞試驗(yàn)設(shè)備有很多。加速大尺寸粒子，目前主要使用二級(jí)輕氣炮，其設(shè)備龐大，技術(shù)相對(duì)成熟。它的主要優(yōu)點(diǎn)是彈速連續(xù)可調(diào)，對(duì)彈丸形狀沒有要求，而且容易保持彈丸的完整性，彈丸的溫升也不高，最高彈速可達(dá)到10km/s以上。目前，國內(nèi)中科院力學(xué)所、中國工程物理研究院、中國空氣動(dòng)力發(fā)展研究中心、西北核技術(shù)研究所、中國科技大學(xué)和哈工大等單位都有二級(jí)輕氣炮在運(yùn)行。

3 結(jié)論

隨著載人航天、深空探測、及國防和科學(xué)研究等需要和空間技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)空間模擬試驗(yàn)提出了更高要求，本文通過對(duì)國內(nèi)外空間環(huán)境模擬試驗(yàn)的分析論述，使讀者更清楚的了解國內(nèi)外空間環(huán)境模擬試驗(yàn)的差距，對(duì)科研工作者和試驗(yàn)人員完善空間模擬環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備的建設(shè)和開展試驗(yàn)技術(shù)的研究和空間模擬環(huán)境試驗(yàn)的理念上的轉(zhuǎn)變起到一定的指導(dǎo)作用。

[1] 柯受全.中國宇航出版社衛(wèi)星環(huán)境工程和模擬實(shí)驗(yàn)[M].北京：中國宇航出版社，1996.

[2] 陳必忠，王吉輝，孫剛.論空間環(huán)境模擬試驗(yàn)和研究[J].航天器環(huán)境工程，2002（1）：10-13.