空間電子輻射風(fēng)險(xiǎn)及其防護(hù)策略研究

摘 要：對(duì)于處于外輻射帶運(yùn)行的衛(wèi)星來說，會(huì)在很大程度上遭遇空間天氣變化的影響。為了使衛(wèi)星處于長(zhǎng)期穩(wěn)定及安全的運(yùn)行狀態(tài)，了解空間電子輻射風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)一步采取有效防護(hù)策略非常關(guān)鍵。文章在分析空間電子輻射風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)而提出了有關(guān)空間電子輻射的防護(hù)策略，希望以此為衛(wèi)星穩(wěn)定、安全運(yùn)行的實(shí)現(xiàn)提供具有價(jià)值的參考憑據(jù)。

關(guān)鍵詞：空間電子；輻射風(fēng)險(xiǎn)；防護(hù)策略

衛(wèi)星在運(yùn)行過程中，可能會(huì)因?yàn)樵庥隹臻g輻射的影響，進(jìn)而發(fā)生在軌故障。就現(xiàn)狀而言，做好衛(wèi)星長(zhǎng)期穩(wěn)定、安全運(yùn)行是工程部門的一項(xiàng)重點(diǎn)工作。對(duì)于衛(wèi)星軌道空間輻射來說，其環(huán)境復(fù)雜，包括了內(nèi)輻射帶與外輻射帶，并且內(nèi)、外輻射帶的電子動(dòng)態(tài)分布規(guī)律存在差異[1]。基于整體層面分析，為了使衛(wèi)星處于長(zhǎng)期穩(wěn)定、安全運(yùn)行狀態(tài)，文章對(duì)“空間電子輻射風(fēng)險(xiǎn)及其防護(hù)策略”進(jìn)行分析與探究極具意義。

1 空間電子輻射風(fēng)險(xiǎn)分析

基于在軌運(yùn)行過程中，衛(wèi)星所受的空間輻射主要分布在地磁捕獲輻射帶，電子與質(zhì)子是主要的兩種成分，此外還存在少量的高能重離子。而對(duì)于地磁捕獲輻射帶來說，又進(jìn)一步細(xì)分為內(nèi)輻射帶與外輻射帶。從區(qū)域角度層面分析，內(nèi)輻射帶與外輻射帶之間存在1個(gè)低輻射強(qiáng)度區(qū)域。

1.1 內(nèi)輻射帶分析

對(duì)于內(nèi)輻射帶來說，所處的捕獲帶電粒子區(qū)域和地球保持的距離非常近，電子與質(zhì)子是該輻射帶主要的組成成分。內(nèi)輻射帶基于赤道上空大約600千米到1000千米，南北唯獨(dú)邊界為45°。因地球磁場(chǎng)存在不對(duì)稱的特點(diǎn)，所以內(nèi)輻射帶基于東半球、西半球也是不對(duì)稱的。基于西半球內(nèi)帶下，其邊界偏低；而東半球內(nèi)帶下的邊界則偏高[2]。

1.2 外輻射帶分析

對(duì)于外輻射帶來說，主要出于赤道上空104千米到6×104千米。基于高緯度為55°到77°的區(qū)域，外輻射帶的下邊界降低到300千米。電子與低能質(zhì)子是組成外輻射帶的兩大主要成分。對(duì)于外輻射帶來說，其電子分布會(huì)在磁層改變的情況下產(chǎn)生較大程度的影響。基于衛(wèi)星當(dāng)中運(yùn)行，易出現(xiàn)輻射損傷。因此，需對(duì)外輻射帶電子的動(dòng)態(tài)分布規(guī)律充分了解。

1.3 風(fēng)險(xiǎn)分析

空間電子輻射風(fēng)險(xiǎn)諸多，其主要會(huì)影響衛(wèi)星在運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性及安全性，具體風(fēng)險(xiǎn)包括：（1）地磁暴風(fēng)險(xiǎn)。在內(nèi)、外輻射帶的作用下，可能引發(fā)太陽爆現(xiàn)象。基于爆發(fā)過程中，會(huì)有大量的等離子體結(jié)構(gòu)噴射出來，進(jìn)而在南向行星際磁場(chǎng)和磁層共同作用的情況下，會(huì)導(dǎo)致地尺長(zhǎng)發(fā)生很大的擾動(dòng)，進(jìn)而引發(fā)地磁暴。（2）高能電子通量劇烈增多風(fēng)險(xiǎn)。基于太陽爆發(fā)過程中，會(huì)有大規(guī)模的激波對(duì)地球造成激烈的撞擊，進(jìn)而導(dǎo)致地球地磁發(fā)生大量的脈動(dòng)。在大量脈動(dòng)的作用下，地球磁力線會(huì)發(fā)生振蕩，最終使超低頻波出現(xiàn)。對(duì)于所出現(xiàn)的超低頻波來說，其性質(zhì)為駐波，會(huì)跟隨磁力線運(yùn)動(dòng)的電子而加快速度，如此便導(dǎo)致太陽風(fēng)能量可以向基于磁層當(dāng)中的高能電子傳遞過去[3]。在通過上述演變之后，會(huì)導(dǎo)致高能電子通量升高，當(dāng)這些電子從衛(wèi)星外屏蔽層穿透的情況下，會(huì)基于電解質(zhì)內(nèi)部沉積。而由上述電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)可能會(huì)出現(xiàn)比介質(zhì)擊穿閾值高的情況，在靜電放電產(chǎn)生的情況下，便會(huì)使衛(wèi)星的一些部件遭遇損壞，最終致使衛(wèi)星難以穩(wěn)定且安全地運(yùn)行。（3）輻射效應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于空間電子來說，其輻射風(fēng)險(xiǎn)種類諸多，涵蓋了表面劑量效應(yīng)、總劑量效應(yīng)、表面充放電效應(yīng)以及深層充放電效應(yīng)等。這些輻射效應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)造成的影響包括：其一，造成相關(guān)數(shù)據(jù)的擴(kuò)充或丟失；其二使衛(wèi)星的運(yùn)行壽命縮短；其三，使衛(wèi)星器件永久性損傷，進(jìn)而使衛(wèi)星無法正常、安全地運(yùn)行。

2 空間電子輻射防護(hù)策略探究

在上述分析過程中，認(rèn)識(shí)到了空間電子輻射的種類以及風(fēng)險(xiǎn)，為了使衛(wèi)星處于長(zhǎng)期穩(wěn)定、安全運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)空間電子輻射采取有效的防護(hù)策略非常關(guān)鍵。具體策略如下。

2.1 合理應(yīng)用輻射防護(hù)技術(shù)

現(xiàn)如今，針對(duì)高能電子采取的防護(hù)技術(shù)諸多。為此，合理應(yīng)用輻射防護(hù)技術(shù)非常關(guān)鍵：（1）衛(wèi)星變軌技術(shù)。對(duì)中能電子的分布情況進(jìn)行探測(cè)，以此獲取高能電子的空間分布情況。基于高能電子滿4π空間之前，對(duì)衛(wèi)星運(yùn)行的軌道加以改變，以此使衛(wèi)星穿越高能電子帶的時(shí)間縮短，進(jìn)一步使空間輻射損傷減小。（2）抗輻射加固技術(shù)。因空間存在輻射，而抗輻射加固技術(shù)能夠從衛(wèi)星系統(tǒng)的整體出發(fā)，應(yīng)用鋁金屬在敏感器件附近增加保護(hù)層[4]。當(dāng)磁暴高的情況下，應(yīng)用抗輻射加固技術(shù)，使高能電子得到有效防護(hù)。（3）軌道處理技術(shù)。在發(fā)生高空核爆的情況下，會(huì)導(dǎo)致輻射帶電子變強(qiáng)，為了確保所形成的人工強(qiáng)輻射帶能夠及時(shí)地恢復(fù)到正常的輻射強(qiáng)度，進(jìn)而使損害衛(wèi)星能夠獲得及時(shí)的修復(fù)，便可使用軌道處理技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)主要對(duì)低頻無線電波加以應(yīng)用，進(jìn)一步把高空核爆所產(chǎn)生的電子及時(shí)地處理出軌道。

2.2 做好重要設(shè)備的關(guān)機(jī)工作

對(duì)于空間電子輻射效應(yīng)來說，致因有兩種：其一，深層充放電；其二表面充放電。在受到這兩大致因的影響下，會(huì)導(dǎo)致衛(wèi)星部件造成一定的損傷。因此，做好重要設(shè)備的關(guān)機(jī)工作非常關(guān)鍵。也就是通過星載探測(cè)器的監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)存在異常的電子通量之后，可針對(duì)重要設(shè)施實(shí)施切斷電路以及關(guān)閉處理器的措施。在輻射環(huán)境恢復(fù)至正常之后，再開機(jī)進(jìn)行工作。在做好上述工作的情況下，便能夠在一定程度上使空間電子輻射效應(yīng)造成衛(wèi)星重要設(shè)備損壞的情況得到有效控制。

2.3 構(gòu)建有效的風(fēng)險(xiǎn)管理系統(tǒng)

對(duì)于外輻射帶電子分布來說，容易遭遇磁暴的影響。因此，有必要構(gòu)建有效的衛(wèi)星輻射風(fēng)險(xiǎn)管理系統(tǒng)。在該系統(tǒng)構(gòu)建過程中，需利用到靜態(tài)模型與動(dòng)態(tài)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。基于衛(wèi)星飛行之前，對(duì)空間輻射環(huán)境模型加以應(yīng)用，對(duì)衛(wèi)星軌道電子分布情況進(jìn)行分析，同時(shí)根據(jù)衛(wèi)星相關(guān)信息資料，進(jìn)一步做好衛(wèi)星抗輻射的設(shè)計(jì)，并針對(duì)輻射風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)、評(píng)估。基于在軌飛行過程中，需對(duì)衛(wèi)星搭載的空間輻射環(huán)境加以應(yīng)用，同時(shí)對(duì)效應(yīng)探測(cè)裝置加以應(yīng)用，以此做好空間輻射環(huán)境的環(huán)境差工作，并使衛(wèi)星設(shè)備的故障監(jiān)測(cè)能力得到有效增強(qiáng)。這樣，便能夠確保衛(wèi)星在軌飛行的安全性及穩(wěn)定性[5]。此外，基于衛(wèi)星飛行之后，需對(duì)相關(guān)任務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，這樣有助于空間輻射環(huán)境以及相關(guān)防護(hù)措施的完善及優(yōu)化，進(jìn)一步為后續(xù)工作的有序、科學(xué)開展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

通過研究，認(rèn)識(shí)到空間電子輻射主要來源于內(nèi)輻射帶與外輻射帶，而風(fēng)險(xiǎn)諸多，包括了地磁暴風(fēng)險(xiǎn)、高能電子通量劇烈增多風(fēng)險(xiǎn)以及輻射效應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)等。因此，有必要合理應(yīng)用輻射防護(hù)技術(shù)、做好重要設(shè)備的關(guān)機(jī)工作以及構(gòu)建有效的風(fēng)險(xiǎn)管理系統(tǒng)等。相信從以上方面加以完善，空間電子輻射防護(hù)效果將能夠得到有效增強(qiáng)，進(jìn)一步為衛(wèi)星運(yùn)行的穩(wěn)定性及安全性奠定夯實(shí)的基礎(chǔ)。

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作者簡(jiǎn)介：吳俊（1993，2-），男，四川省宜賓人，本科生在讀，研究方向：輻射防護(hù)與環(huán)境工程。