摘 要:对于处于外辐射带运行的卫星来说,会在很大程度上遭遇空间天气变化的影响。为了使卫星处于长期稳定及安全的运行状态,了解空间电子辐射风险,进一步采取有效防护策略非常关键。文章在分析空间电子辐射风险的基础上,进而提出了有关空间电子辐射的防护策略,希望以此为卫星稳定、安全运行的实现提供具有价值的参考凭据。
关键词:空间电子;辐射风险;防护策略
卫星在运行过程中,可能会因为遭遇空间辐射的影响,进而发生在轨故障。就现状而言,做好卫星长期稳定、安全运行是工程部门的一项重点工作。对于卫星轨道空间辐射来说,其环境复杂,包括了内辐射带与外辐射带,并且内、外辐射带的电子动态分布规律存在差异[1]。基于整体层面分析,为了使卫星处于长期稳定、安全运行状态,文章对“空间电子辐射风险及其防护策略”进行分析与探究极具意义。
1 空间电子辐射风险分析
基于在轨运行过程中,卫星所受的空间辐射主要分布在地磁捕获辐射带,电子与质子是主要的两种成分,此外还存在少量的高能重离子。而对于地磁捕获辐射带来说,又进一步细分为内辐射带与外辐射带。从区域角度层面分析,内辐射带与外辐射带之间存在1个低辐射强度区域。
1.1 内辐射带分析
对于内辐射带来说,所处的捕获带电粒子区域和地球保持的距离非常近,电子与质子是该辐射带主要的组成成分。内辐射带基于赤道上空大约600千米到1000千米,南北唯独边界为45°。因地球磁场存在不对称的特点,所以内辐射带基于东半球、西半球也是不对称的。基于西半球内带下,其边界偏低;而东半球内带下的边界则偏高[2]。
1.2 外辐射带分析
对于外辐射带来说,主要出于赤道上空104千米到6×104千米。基于高纬度为55°到77°的区域,外辐射带的下边界降低到300千米。电子与低能质子是组成外辐射带的两大主要成分。对于外辐射带来说,其电子分布会在磁层改变的情况下产生较大程度的影响。基于卫星当中运行,易出现辐射损伤。因此,需对外辐射带电子的动态分布规律充分了解。
1.3 风险分析
空间电子辐射风险诸多,其主要会影响卫星在运行过程中的稳定性及安全性,具体风险包括:(1)地磁暴风险。在内、外辐射带的作用下,可能引发太阳爆现象。基于爆发过程中,会有大量的等离子体结构喷射出来,进而在南向行星际磁场和磁层共同作用的情况下,会导致地尺长发生很大的扰动,进而引发地磁暴。(2)高能电子通量剧烈增多风险。基于太阳爆发过程中,会有大规模的激波对地球造成激烈的撞击,进而导致地球地磁发生大量的脉动。在大量脉动的作用下,地球磁力线会发生振荡,最终使超低频波出现。对于所出现的超低频波来说,其性质为驻波,会跟随磁力线运动的电子而加快速度,如此便导致太阳风能量可以向基于磁层当中的高能电子传递过去[3]。在通过上述演变之后,会导致高能电子通量升高,当这些电子从卫星外屏蔽层穿透的情况下,会基于电解质内部沉积。而由上述电荷产生的电场可能会出现比介质击穿阈值高的情况,在静电放电产生的情况下,便会使卫星的一些部件遭遇损坏,最终致使卫星难以稳定且安全地运行。(3)辐射效应风险。对于空间电子来说,其辐射风险种类诸多,涵盖了表面剂量效应、总剂量效应、表面充放电效应以及深层充放电效应等。这些辐射效应风险造成的影响包括:其一,造成相关数据的扩充或丢失;其二使卫星的运行寿命缩短;其三,使卫星器件永久性损伤,进而使卫星无法正常、安全地运行。
2 空间电子辐射防护策略探究
在上述分析过程中,认识到了空间电子辐射的种类以及风险,为了使卫星处于长期稳定、安全运行状态,对空间电子辐射采取有效的防护策略非常关键。具体策略如下。
2.1 合理应用辐射防护技术
现如今,针对高能电子采取的防护技术诸多。为此,合理应用辐射防护技术非常关键:(1)卫星变轨技术。对中能电子的分布情况进行探测,以此获取高能电子的空间分布情况。基于高能电子满4π空间之前,对卫星运行的轨道加以改变,以此使卫星穿越高能电子带的时间缩短,进一步使空间辐射损伤减小。(2)抗辐射加固技术。因空间存在辐射,而抗辐射加固技术能够从卫星系统的整体出发,应用铝金属在敏感器件附近增加保护层[4]。当磁暴高的情况下,应用抗辐射加固技术,使高能电子得到有效防护。(3)轨道处理技术。在发生高空核爆的情况下,会导致辐射带电子变强,为了确保所形成的人工强辐射带能够及时地恢复到正常的辐射强度,进而使损害卫星能够获得及时的修复,便可使用轨道处理技术。该项技术主要对低频无线电波加以应用,进一步把高空核爆所产生的电子及时地处理出轨道。
2.2 做好重要设备的关机工作
对于空间电子辐射效应来说,致因有两种:其一,深层充放电;其二表面充放电。在受到这两大致因的影响下,会导致卫星部件造成一定的损伤。因此,做好重要设备的关机工作非常关键。也就是通过星载探测器的监测,发现存在异常的电子通量之后,可针对重要设施实施切断电路以及关闭处理器的措施。在辐射环境恢复至正常之后,再开机进行工作。在做好上述工作的情况下,便能够在一定程度上使空间电子辐射效应造成卫星重要设备损坏的情况得到有效控制。
2.3 构建有效的风险管理系统
对于外辐射带电子分布来说,容易遭遇磁暴的影响。因此,有必要构建有效的卫星辐射风险管理系统。在该系统构建过程中,需利用到静态模型与动态实测数据。基于卫星飞行之前,对空间辐射环境模型加以应用,对卫星轨道电子分布情况进行分析,同时根据卫星相关信息资料,进一步做好卫星抗辐射的设计,并针对辐射风险进行预测、评估。基于在轨飞行过程中,需对卫星搭载的空间辐射环境加以应用,同时对效应探测装置加以应用,以此做好空间辐射环境的环境差工作,并使卫星设备的故障监测能力得到有效增强。这样,便能够确保卫星在轨飞行的安全性及稳定性[5]。此外,基于卫星飞行之后,需对相关任务数据进行整理分析,这样有助于空间辐射环境以及相关防护措施的完善及优化,进一步为后续工作的有序、科学开展奠定坚实的基础。
通过研究,认识到空间电子辐射主要来源于内辐射带与外辐射带,而风险诸多,包括了地磁暴风险、高能电子通量剧烈增多风险以及辐射效应风险等。因此,有必要合理应用辐射防护技术、做好重要设备的关机工作以及构建有效的风险管理系统等。相信从以上方面加以完善,空间电子辐射防护效果将能够得到有效增强,进一步为卫星运行的稳定性及安全性奠定夯实的基础。
参考文献
[1]张小达.关于空间辐射环境标准的探讨[J].航天标准化,2011,1:5-9.
[2]闵锐.辐射危害的线性无阈(LNT)模型研究及评价[J].辐射研究与辐射工艺学报,2011,3:129-133.
[3]闵锐.辐射生物学效应基础与医源性辐射防护[J].辐射防护通讯,2011,3:12-18.
[4]李国倡,闵道敏,李盛涛,等.高能电子辐射下聚四氟乙烯深层充电特性[J].物理学报,2014,20:454-461.
[5]惠思,唐新晨,武芝慧.圆偏振周期量级激光脉冲作用下电子辐射的空间分布[J].无线互联科技,2013,5:78-82.
作者简介:吴俊(1993,2-),男,四川省宜宾人,本科生在读,研究方向:辐射防护与环境工程。