空间环境对航天器的影响及其对策研究(续)

2 .2　高能带电粒子环境对航天器的影响2 .2 .1　我国各类航天器高能带电粒子环境实测结果我国于 1971年 3月 3日发射第一颗科学卫星———“实践一号”(ＳＪ 1) ,其后又相继发射ＳＪ 2～ＳＪ 5 ,进行了空间物理和环境探测 ;在“风云一号”(ＦＹ 1)、“风云二号”(ＦＹ 2 )气象卫星、“资源一号”(ＺＹ 1)、“资源二号”(ＺＹ 2 )等应用卫星上也安装了空间环境监测仪器 ,取得了大量高能带电粒子环境及其效应的实测资料 ,极大地提高了对高能带电粒子环境的感性认识 ,促进了有关高能带电粒子机理和防护对策的研究。主要探测结果如下 :　　ａ .…     

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。     

空间电子产品辐照被动防护技术

空间环境中充满了大量的高能带电粒子,导致多种辐射效应,包括单粒子效应和总剂量效应等,严重影响航天器的可靠服役.针对空间辐射环境的特点及防护需求,对高能粒子的屏蔽防护方法进行探讨.介绍了空间辐射环境被动防护材料,包括金属材料、碳氢材料和多层材料,并对空间辐射环境被动防护技术发展进行展望.防辐射涂层由含有低原子序数(Z)元素的粘结剂和高Z元素及低Z元素填料组成,利用低Z材料和高Z材料的防护互补,可以实现良好的屏蔽效果.     

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。     

高超飞行器表面热效应地面模拟实验研究

文章深入分析高超飞行器与临近空间大气相互作用的基本物理过程,激波加热及粒子碰撞产生等离子体的物理机制,并利用磁热屏蔽效应在高超飞行器模拟器与高速定向流间建立磁化等离子体鞘层,大幅降低中性激波气体向飞行器的能流传递,从而为高超飞行器提供有效的热防护作用。通过两次比对实验验证了磁热屏蔽效应的有效性及工程实施的可行性,为今后研制高韧性、超轻质、可重复使用热防护复合材料提供了实验数据,奠定了技术基础。实验中利用层流等离子体源作为高能流密度热源是热防护实验装备上的创新,层流等离子体源能流截面大、能流密度高,可以针对高超飞行器表面热效应进行全尺寸的模拟实验。     

PWM型电压调节器单粒子效应及加固技术研究

机理分析和地面重离子试验显示,受高能粒子影响,脉宽调制型（Pulse\|Width Modulation,PWM）电压调节器容易产生单粒子瞬态（Single Event Transient,SET）和功能失效。文章分析了可能产生上述异常的原因,提出了一些抗单粒子效应改进设计建议,最后给出了一种基于器件冗余的系统级SEE防护设计方案,在实验室环境下模拟验证了此方案对单粒子效应防护的有效性。该方案可以为有关航天电子设备设计提供参考。
     

卫星磁力矩器磁场效应仿真分析

磁力矩器是卫星上磁性较大的部件之一,局部的强磁场是影响卫星周围带电粒子分布的主要原因。为了定量分析磁力矩器与等离子体相互作用,文章基于磁场与运动粒子的耦合模型,利用有限元数值分析软件仿真了典型轨道航天器上磁力矩器工作时周围带电粒子入射轨迹变化及电荷(粒子数)分布。结果表明,受磁场作用,带电粒子在接近磁力矩器本体时会发生偏转,且偏转幅度随电子能量降低而增大;由磁场引起的这种偏转效应导致带电粒子不均匀入射到卫星内。     

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。     

科技动态

美韩研发新型太阳风暴预警系统一个国际科研团队日前研发出一种新型太阳风暴预警系统,该系统能分析太阳风暴中飞向地球的高能、高速带电粒子流强度,并根据其中的质子能量提前166min发出预警。由美国特拉华大学、韩国忠南大学和汉阳     

屏蔽度仿真在航天器电磁兼容性分析中的应用

提出了一种采用s参数法结合CST-MS软件进行航天器屏蔽度仿真分析和预测的方法。在航天器舱体结构内的发射天线和舱体结构外的接收天线处分别设置端口,通过计算端口间的s参数来分析计算舱体结构的屏蔽度,并将仿真分析结果与实测结果进行对比。对比结果表明,仿真计算结果与实测验证结果基本上是一致的,充分验证了采用s参数法结合CST-MS软件对屏蔽度仿真分析,具有很好的实用性和计算精度。这种方法应用于航天器设备级和系统级,能够显著降低航天器电磁兼容性(EMC)分析的难度,并能在一定程度上简化航天器前期设计中EMC试验验证的需求。     

多种软磁合金及金属非晶材料的磁屏蔽性能研究

针对部分航天器组件易受磁场影响的问题,文章选取了6种目前常用的软磁合金及金属非晶材料,研究了它们对于弱磁场波动、稳恒磁场以及低频交流磁场的屏蔽效果,结果表明,材料的磁导率与矫顽力对磁屏蔽性能有较大影响,其中矫顽力与磁屏蔽性能的负相关性更好,即矫顽力越低,材料的磁屏蔽性能越好。对于测试的6种材料,铁镍合金材料与钴基非晶材料的磁屏蔽性能优于其他4种,铁镍合金材料在1 kHz以下磁屏蔽性能更佳,钴基非晶材料在50 kHz以下具有一定磁屏蔽效果。     

MSC.NASTRAN子结构法在航天器结构动力学分析中的应用

航天器结构系统日趋庞大和复杂,为实现对复杂系统的高效分析和计算,同时为解决不同研制单位之间的模型传递和交互中的技术保护问题,文章介绍了一种基于MSC.NASTRAN软件的子结构分析方法（MSC.NASTRAN超单元法）,可用于复杂航天器的系统级动力学分析,并给出航天器结构分析实例。实际应用表明,该方法能够有效屏蔽结构设计参数,显著提高复杂航天器系统分析效率。     

铝合金弹丸超高速撞击玄武岩纤维布损伤分析

高强度、高模量纤维防护材料是航天器空间碎片超高速撞击防护结构材料的发展趋势之一。开展弹丸超高速撞击高强纤维材料时的损伤分析是空间碎片防护结构研究开发设计的重要环节。玄武岩纤维是近年来受到人们关注的一种高强度、高模量纤维。文章对铝合金弹丸超高速撞击玄武岩纤维布的损伤特性进行了分析研究,观察到了弹丸前部的损伤形态。根据试验结果拟合得到了铝合金弹丸后部产生初始破坏的临界破碎速度方程。分析表明:在试验范围内,铝合金弹丸撞击玄武岩纤维布的临界破碎速度低于撞击铝合金板的,即玄武岩纤维布对铝合金弹丸的破碎能力优于铝合金板。     

航天器舱内中子辐射探测技术

航天器舱内中子对于舱内电子设备和人员安全都存在潜在的巨大威胁,中子探测对于改进航天器防护层的设计,保护设备与人员安全都具有重要的意义。然而舱内中子辐射环境复杂,中子探测会受到带电粒子的干扰。文章主要调研了国外中子辐射环境及其效应探测载荷技术的发展现状,并对国外典型的中子辐射环境探测器的技术特点进行了总结。结合国外中子探测技术发展动态和我国的技术状况,对我国进一步发展载人航天器舱内中子辐射环境探测技术提出了建议。     

航天器电子产品搭接电阻的控制与测量

介绍了电磁兼容性技术在航天器电子产品中的应用,针对产品建造规范中搭接电阻和屏蔽的设计,从电气和机械设计、工艺各环节的设计以及产品实现等几个方面提出了搭接电阻的控制方法。同时,给出了为实现电阻搭接而进行的测量方法。     

空间磁环境模拟技术

空间磁环境模拟技术是航天器环境工程的重要组成部分,随着航天器研制水平的提高而逐步发展壮大,并已经服务于我国航天器的研制工作。文章重点介绍了磁环境模拟设备研制技术、磁试验技术和航天器磁洁净技术的发展历程。     

An analysis of magnetic protection of spacecraft against penetrating radiation

Negative effect of cosmic ray particles is a serious danger for astronauts and onboard equipment. When planning interplanetary flights it becomes one of the main obstacles. The aim of this work is to analyze currently available methods of protecting spacecraft against cosmic rays using magnetic fields and to choose the most effective method. Three variants of protection systems were considered, two of which had been described in scientific literature: with azimuth and axial magnetic filed. The third, more general method (with helical magnetic field) is suggested here for the first time. The first two variants are extreme special cases of the third one. The exact solution is obtained for the problem of motion of a charged relativistic particle in the helical magnetic field, and a criterion of particle reflection is determined. A comparative analysis of reflection characteristics of the chosen systems has been performed, and the conclusion about the optimal configuration of the magnetic protection is drawn.     

载人航天器密封舱内结露的原因及对策

密封舱内结露威胁在轨航天员的安全和载人航天器的性能。文章探讨了载人航天器密封舱结露的产生原因,以及防止和减小结露的设计方法,可供类似的载人航天项目进行热控设计时参考。     

卫星内部三维屏蔽计算模型

研究中构建了一些常用设备的形状模式,用来计算从不同位置、不同方向入射的粒子在设备中运行的径迹长度；另外构建了各种常见形态的卫星整体模式,可以计算不同位置上卫星舱壁和结构件所产生的屏蔽作用。这些模式构成了一个较为完整的模块,可以计算由卫星舱壁和仪器设备相互屏蔽所形成的屏蔽效果。已经利用这一软件计算了某卫星舱内某仪器内部关键元件的屏蔽情况,计算中涉及到了复杂的卫星舱壁、分布在不同位置的其他仪器、仪器盒、仪器内部的线路板等,取得了较好的效果。