地球同步轨道系列卫星自主空间辐射环境监测及应用

对地球同步轨道空间辐射环境监测及应用进行了研究。给出了持续开展的国外GOES系列卫星和国内FY-2系列卫星的地球同步轨道空间粒子辐射探测介绍,以及AE8和AP8、AE9和AP9、POLE、FLUMIC等用于地球同步轨道带电粒子辐射环境评估的经验模型发展。我国自主高能带电粒子辐射监测自20世纪90年代中后期开始,FY-2系列卫星上的带电粒子探测仪器经过了两代卫星的技术巩固和第三代卫星的创新发展,实现了更精细的能道划分并拓宽了对带电粒子辐射能谱的探测。介绍了用FY-2系列卫星获得的不同扰动状态下高能电子能谱特性,兆电子伏特级高能电子快速、缓慢增强事件,以及与GOES-13,15卫星联合应用分析高能电子不同地方时动态与太阳质子事件动态演化结果。用FY-2系列卫星获得的观测数据能准确、灵敏反映轨道空间高能带电粒子的动态变化;与GOES系列卫星的同期观测结果比较既反映出相对平静时的趋于一致性,又反映了强扰动下的显著短时局地差异,这为开展该轨道粒子辐射实测数据多星联合分析,发展磁层对扰动响应更全面、更复杂的图像,为带电粒子起源、重新分布、损失机制等深入研究提供了可能。在最新的第一代静止气象卫星FY-4卫星上,带电粒子探测仪器兼顾了能谱和方向的设计,既具备FY-2系列卫星平台高能电子、质子全能谱的探测,又增加了高能电子的多方向探测。目前除GOES系列卫星以外,仅有我国地球同步轨道系列卫星可提供持续的轨道空间粒子辐射环境长期实测记录,数据的长时间积累和信息丰富将促进地球同步轨道空间粒子辐射经验模型向更精细化的方向发展,并推动我国空间粒子辐射环境理论和自主建模研究,更好地服务于我国空间天气监测预警业务。     

FY—1C卫星空间粒子成分监测器及其探测结果

简要介绍了FY－1C星空间粒子成分监测器的任务目标、工作原理、创新特色及在轨探测结果。空间粒子成分监测器用于卫星轨道空间的带电粒子辐射监测，为卫星的在轨安全和抗辐射加固设计服务。监测器在世界上实现用1套传感器完成对高能电子、质子、α粒子至铁离子的全成分监测，使我国首次获得了870km高太阳同步轨道全空间的各种重离子分布、质子能谱分布和电子通量分布，捕捉到大量的地磁暴和太阳质子事件，获得了批重要的探测成果。     

不同内边界条件下SEP事件实例的集合数值模拟及其在SEP事件预报中的应用

太阳高能粒子（SEP）事件的定量数值预报是空间态势感知的重要方面之一。SEP事件主要来自于日冕物质抛射（CME）所驱动的激波扩散加速（DSA）。文章在三个有关模型的基础上,结合1 AU处卫星的太阳风观测参数和日冕仪的CME观测参数,建立了一套可用于预报SEP事件的数值方法。利用该方法对一次SEP实例进行数值模拟,并将模拟结果与GOES卫星观测结果进行比较。结果表明:数值模拟得到的＞10 MeV的高能粒子的通量和观测较为吻合,＞100 MeV的高能粒子的通量高于观测值。针对此事件进一步开展了不同CME抛射速度和不同内边界背景太阳风温度条件下的集合模拟试验,结果表明:CME抛射速度对SEP事件中高能粒子通量和能谱影响较大,而内边界背景太阳风温度的改变对于高能粒子通量和能谱的影响几乎可以忽略不计。     

暗物质粒子空间间接探测

空间间接探测是暗物质探测的重要手段。我国暗物质粒子探测卫星"悟空号"通过测量电子能谱结构、伽马射线谱线等对暗物质进行间接探测。为了满足空间实验要求,精确测量电子、核素及伽马射线的能谱结构,暗物质粒子探测卫星采用4个子探测器,从上到下分别是塑料闪烁体阵列探测器、硅微条径迹探测器、锗酸铋晶体量能器和中子探测器。它们协同工作,保证了探测效率、本底抑制能力和粒子分辨力。卫星各性能参数符合设计要求,部分指标处于世界同类探测器先进水平。根据运行前530天的数据,得到了能量高达5 TeV的电子能谱精细结构,并首次在空间发现了电子能谱在0.9 TeV的拐折行为。     

月球表面次级中子辐射环境仿真研究

由于缺少磁场和大气,宇宙线高能粒子轰击月壤可以形成月球特有的强中子辐射环境,并对航天员和电子设备造成潜在威胁。文章采用蒙特卡罗方法仿真研究宇宙线高能粒子辐射与月壤成分核反应产生的次级中子能谱特征,给出不同太阳活动、不同月壤深度下月球中子能谱特征和空间分布特征。仿真结果表明,宇宙线高能粒子导致的次级中子随着月壤深度的增加先增大后减小,大约在1 m深度达到最大值,深度越深银河宇宙线诱发的中子贡献越大。相关结果可为我国后续载人月球探测任务的辐射防护设计提供参考。     

基于小孔成像技术的中能电子成像谱仪及其空间观测结果

中能电子测量对空间辐射环境的理论研究和空间航天器的防护设计具有重要意义。北京大学研制的中能电子成像谱仪(BD-IES)利用小孔成像技术实现多方向中能电子的能谱测量。地面标定试验结果表明,BD-IES具有良好的能量线性度和较小的系统噪声,能够有效实现对中能电子的能谱测量。该仪器已成功应用在我国导航卫星上。最新测量结果表明BD-IES对中能电子的测量是成功的,其结果对于研究如亚暴注入、波-粒子相互作用等空间物理热点问题具有重要意义。BD-IES未来将被应用到"风云"等空间环境探测平台上。     

影响GEO卫星长寿命高可靠的空间环境因素及其评估、验证和保障技术研究

文章叙述了空间环境与卫星长寿命高可靠的关系,着重分析了影响GEO卫星长寿命高可靠的各种空间环境效应,如:地磁亚暴电子造成的卫星表面带电及诱导的二次放电、辐射带高能电子引起卫星内带电、太阳耀斑质子和银河宇宙射线造成的单粒子效应、空间带电粒子和太阳电磁辐照造成的辐照总剂量效应以及空间环境下敏感表面的污染效应等.文章最后给出GEO卫星空间环境效应的评估、验证和保障技术研究的必要性及其主要研究方向.     

地球同步轨道卫星在轨异常与空间环境相关性分析

利用中国FY和美国GOES卫星探测数据,对中国某同步轨道卫星发生在2010年至2015年的44次可能与空间环境相关的异常进行了研究,重点分析了异常发生的时间分布、伴随的空间环境现象和空间粒子分布特征,并利用DICTAT模拟计算了卫星异常期间介质内部最大电场强度,结果表明:(1)内部充电是造成"3·17"卫星异常的主要原因。(2)79.5%卫星异常发生在日侧,这与能量2Me V的高能电子通量随地方时分布非常一致。(3)多达25次(57%)的异常事件伴随高能电子暴。能量2Me V电子通量的50%位数在异常前3-4天开始出现明显增强,内部充电危险商数ZIC在异常前2天进入黄色风险等级;能量2Me V电子通量的75%位数在异常前4天开始出现明显增强,ZIC在异常前2天先后2次进入红色风险等级。(4)在II类、III类和IV类情形下,DICTAT模拟计算得到的介质内部最大电场分别在19.2、50.4和9.8小时之后超过并维持在106V.m-1以上,该范围的内部电场强度存在潜在的放电危险,高能电子诱发的内部充电是造成我国同步轨道卫星异常的主要原因。     

深空条件下航天器内的辐射环境研究

深空存在具有各种能量分布的粒子,这些能量分布范围很宽的粒子构成了深空环境下航天器外部的空间辐射环境。深空条件下的高能粒子会穿透航天器舱壁材料,通过射线与物质材料的相互作用,在航天器内产生二次粒子,形成由初级粒子、次级粒子叠加的混合辐射场的辐射环境。文章分析研究了高能α粒子及Fe离子在屏蔽材料中的输运过程,得到了在这些介质中的射程与能量关系及产生的二次粒子产额,为控制航天器内的辐射环境提供支撑。     

激光测距技术在空间的应用

随着空间技术和航天工业的发展,空间距离测量已成为空间领域的重要研究内容。传统雷达测距在太空中极易受到高能粒子和电磁波的干扰,测量精度低,无法满足高精度测量的要求。宇宙空间空气稀薄、温度变化剧烈,无法进行超声波测距。因此,测量空间距离需要一种适合空间环境、抗干扰能力强和测量精度高的测距方法。     

我环月卫星完成首轮联试

我国将于2006年发射的绕月卫星的全部探测仪器目前已经研制成功,1月6日完成了首轮联合测试。该卫星将对月球资源和空间环境进行为期1年的探测。绕月卫星的主要任务是获取月表三维立体影像、分析月表有用元素含量和物质类型的分布特点以及探测月壤厚度和地球到月球之间的空间环境。此次测试的探测仪器共有24件,都是为实现这些目标而设计的。它们包括伽马射线谱仪、X射线谱仪、专用相机、成像光谱仪、太阳高能粒子探测器和太阳风离子探测器等。下一步科学家们将重点解决这些仪器在火箭发射时的振动、冲击以及空间真空、高低温和辐射环境中正…     

SRAM HM—65642的单粒子闩锁特性

由空间高能带电粒子引起的CMOS器件单粒子闩锁效就(SEL),在卫星工程中已日益受到重视。本文对试验获得的SRAM HM—65642的各种SEL特性进行了详细分析,希望对卫星电子系统设计师们在进行CMOS器件的防闩锁设计中能有所帮助。     

实践四号卫星高能质子重离子探测器探测数据初步分析

在简要介绍卫星和探测仪器之后,着重介绍内外辐射带高能质子重离子通量、能谱等初步的和较为直观的部分处理结果。     

太阳高能粒子在行星际中的扩散过程

当太阳活动频繁,特别是有耀斑爆发或者日冕物质抛射驱动的激波时,经常能够观察到高能粒子(能量从几十keV到几十MeV)通量突然增加,这种由太阳活动产生的高能粒子事件被称为太阳高能粒子事件。文章研究了耀斑和日冕物质抛射产生的两类高能粒子事件,重点讨论了高能粒子横越磁力线的扩散对粒子在行星际空间传播过程中所起到的作用,给出了对于不同扩散系数条件的数值模拟结果。     

望远镜式空间带电粒子探测系统研制

为满足空间高能粒子环境探测要求,研制了一套数字化空间电子、质子注量率能谱探测系统原理样机。该探测系统采用了半导体探测器组成的望远镜式结构,并应用了数字化的信号处理方法,能探测0.5 Me V以上的电子和5~300 Me V的质子;具有能够实时测量、体积小、重量轻、功耗低及可靠性高等优点。对该系统的各探测器的能量分辨率进行了实验测试,结果表明:TSi半导体探测器的能量分辨率可达0.5%,Si(Li)探测器的能量分辨率约为1.02%,均在可接受范围(小于5%)内。     

空间等离子体环境中的高能带电粒子加速机制

空间环境中充满能量从几十keV到几MeV的高能带电粒子,这些粒子可导致在轨航天器表面和内部带电甚至单粒子效应,从而引发航天器故障。高能粒子的产生和日地空间环境中的爆发现象如耀斑、磁层亚暴等密切相关。文章综述了与这些爆发现象相关的磁重联、激波和等离子体波动等加速带电粒子的物理过程。     

高能带电粒子威胁着空间飞行器

高能带电粒子威胁着空间飞行器最近美国洛斯·阿拉莫斯国家实验室的科学家发现了环绕地球的高能带电粒子与太阳活动周期之间的关系，并为卫星设计人员提供了有关数据。高能带电粒子的数目对于卫星能否成功运行起着很重要的作用。活跃在地球磁层的高能带电粒子是威胁卫星无...     

空间质子直接和非直接电离引发单粒子效应的地面等效评估试验方法

以40 nm和65 nm CMOS工艺SRAM为样品,进行质子辐照单粒子效应试验研究,以建立空间质子引起单粒子效应的地面等效评估试验方法。分别进行低能质子直接电离、高能质子核反应和重离子直接电离引起的单粒子翻转试验;根据获得的试验数据,分析讨论给出空间质子引起半导体器件单粒子效应的地面等效评估试验方法:对低能质子直接电离引起的单粒子效应,基于LET等效采用重离子进行试验;对高能质子非直接电离引起的单粒子效应,采用高能质子进行试验;根据地面质子和重离子辐照试验数据,结合空间辐射环境模型,预计由空间质子辐射引起的器件在轨单粒子翻转率。     

小卫星：太空童子军

今年５月１０日我国第一颗采用公用平台思想设计的小型科学试验卫星——实践５号小卫星顺利升空了。该卫星质量为２９８公斤，尺寸约为１．１０米×１．２０米×１．０４米，主要用于空间单粒子事件测量及对策研究、空间流体科学试验和小卫星公用平台技术试验等。清华大学...     

空间高能质子对航天器材料损伤的仿真分析

近地空间是各种载人飞船、应用卫星、空间站的主要活动区域,区域内存在大量由地磁场捕获的高能带电粒子,严重影响航天器和航天员的安全。为此,需要对内辐射带低高度空间的高能带电粒子环境及其通量分布进行研究。如何对质子进行有效屏蔽对空间辐射防护有重要的研究意义。文章针对粒子在空间环境中的辐射,简要介绍了质子在空间环境中的分布情况及在物质中的传输问题。利用SRIM软件模拟质子在不同材料(铝、聚乙烯)中输运过程。根据得到的射程与能量关系及对阻止本领的分析,从理论上提出航天器防护的合理方案。