木星系粒子辐射环境效应及防护关键技术

木星系辐射环境包括高能电子和质子、重离子、等离子体、极光粒子等。另外,Galileo卫星的辐射环境也是木星探测任务的关注重点。文章基于木星特殊的高辐射、低光照、超低温环境特点,分析了包括总电离剂量、内带电、单粒子、位移损伤等辐射效应,识别出了木星辐射环境效应中的研究重点,并针对总剂量效应讨论了木星系探测器屏蔽材料的选择和屏蔽结构的设计。     

木星辐射环境不确定性对总剂量风险的影响

以木星探测任务为背景,针对木星辐射带粒子能量高、通量大的强辐射特点,基于器件总剂量辐照试验数据、木星辐射带模型、太阳质子通量模型,将器件失效点剂量不确定性与辐射环境不确定性应用到总剂量设计中,可定量评估特定任务一定屏蔽下的器件失效概率、辐射设计余量(RDM)的置信度及影响因素,可实现木星任务中器件指标、屏蔽厚度和失效概率之间的权衡和优化。首先,根据商业器件TL084辐照试验数据,发现其失效概率分布符合威布尔分布。对于10个木星半径的赤道面轨道,辐射带质子通量比太阳质子大3个数量级,随着屏蔽厚度的增加和任务期的减小,TL084器件所受剂量和失效概率减小。当屏蔽厚度为 10 mm 铝时,器件平均寿命小于2星期。另外,定义并考察了器件的失效速率,失效速率随屏蔽厚度的减小和在轨时间的增加而增加。对于传统的RDM为2的设计方法,1 mm铝屏蔽下对应的置信度为89%。     

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.     

地球内辐射带核心区环境特征分析及质子屏蔽的蒙特卡罗模拟

辐射带粒子是近地空间卫星总剂量辐射的主要来源。文章分析了内辐射带不同高度轨道的辐射环境特性;并利用Geant4程序,针对内辐射带质子环境进行不同材料的屏蔽效能计算。结果表明:虽然传统的低?高?低原子序数材料三明治屏蔽结构对电子具有较高的屏蔽效能,却并不适用于以质子环境为主的轨道;对于工作在3000 km圆轨道、5年寿命的卫星,若要将总剂量降至30 krad(Si)以下,使用PE屏蔽材料可比Al屏蔽减重28%。     

基于不同动力引力辅助模型的木星转移轨道设计

针对木星转移轨道设计中动力引力辅助模型选择问题展开了研究。首先,介绍了近心点机动和甩摆后机动2种动力引力辅助模型,给出了2种模型下最优脉冲机动速度增量的解算方法;然后,基于动力引力辅助模型,提出了包含引力辅助的行星际转移轨迹初始设计方法;最后,以木星探测任务转移轨迹设计为例,对比了不同动力引力辅助模型下探测器的燃料消耗情况。仿真结果表明:相比于甩摆后机动方式,近心点轨道机动方式更加节省燃料。基于近心点机动引力辅助模型,最终完成了金星-地球-地球引力辅助序列的木星转移轨迹初始设计,为我国未来采用引力辅助方式的深空探测任务提供了一定的参考。     

面向木星卫星交会任务的探测器飞行路径规划

针对探测器在木星系统内多次借力的飞行路径和轨道优化设计问题,提出了一种基于三层优化思想的飞行路径规划方法,该方法可根据给定的任务约束和交会目标,自动搜索探测器在木星系统内的借力飞行序列,同时完成标称飞行轨道的优化设计。首先,文章在给定轨道动力学模型和木卫借力模型基础上,建立了面向木卫交会任务的两次借力飞行轨道优化设计模型和求解方法;然后,采用结合遗传算法、全局遍历和贪婪算法的三层优化设计思路,给出了一种环木飞行路径规划方法;最后,以木星四颗卫星的交会任务为例进行了仿真分析。仿真结果表明：针对木卫的交会任务,探测器速度增量需求随木卫借力次数的增多,呈现先显著减小后逐渐增大的现象;探测器采用多次木卫借力的策略,可显著降低探测器的速度增量需求;探测器速度增量达到最优之后,借力目标收敛于交会目标,且速度增量随借力次数的进一步增多而逐渐增大。     

国外木星系环绕飞行任务规划研究

调研了国外3项典型的木星系环绕任务(伽利略号、朱诺号和木星冰卫星探测器(JUICE)),归纳总结了行星借力飞行、利用天体摄动演化轨道、高精度导航、限制近木点高度以及利用飞越实现任务拓展等任务规划方法。最后,提出了我国木星系环绕探测任务规划的初步设想,即以木星和木卫二为主要探测目标,采用金星-地球-地球的地木转移借力序列,以及基于木卫二、木卫三和木卫四借力方式开展木星系探测任务规划,实现飞掠、环绕和穿透多种方式的木星系探测任务。     

木星系多目标探测轨道设计研究

针对木星系多目标探测任务,对木星及其卫星系统的探测目标及工程约束进行了梳理和分析,在此基础上提出了3种候选轨道设计方案,以实现对木星极区、木星表面精细结构以及木星伽利略卫星的探测。利用改进的协作进化算法对木星系内引力辅助转移轨道进行了设计与优化,最终得到3种轨道方案的总速度增量分别为3.47km/s、2.95km/s和2.48km/s,其中:方案一能够满足所有探测目标,方案二具有更低的辐射总剂量,方案三能够实现对木星极区及伽利略卫星的多次飞掠探测。上述3种候选轨道设计方案可为未来我国首次木星系探测任务的实施提供参考。     

模拟载人探月中航天员空间辐射风险评估

空间辐射是长期载人航天飞行任务中影响航天员健康的重要风险因素。为了探求载人探月过程中对空间辐射的合理防护方式,文章借助空间辐射场模型对"嫦娥三号"飞行任务在不同质量厚度材料屏蔽下的舱内空间辐射环境进行了仿真计算,并确定了航天员各器官接受的空间辐射剂量、剂量当量以及有效剂量等辐射防护量以进行辐射风险评估。结果表明,随着屏蔽厚度的增加,航天员的各组织或器官的吸收剂量和剂量当量以及有效剂量均明显降低;采用质量屏蔽的方法对低于100 Me V的质子具有很好的防护效果,但对高能质子或重离子的防护效果不明显。计算和分析显示,载人探月过程中,只要采取适当的防护措施,航天员的空间辐射风险是可控的。     

基于SIP的Ka频段高集成度有源相控阵天线设计

卫星有效载荷系统逐渐开始采用相控阵天线作为收发装置,由于卫星的体积和重量受限,星载相控阵天线必须朝小型化、轻量化方向发展。传统砖块式架构的ka频段64元相控阵天线的剖面高度约60~80mm,重量约2kg。近年来,研究人员从设计、工艺和加工等不同方向探索和研究了瓦片式的相控阵天线,期望能从设计和加工方法上减小相控阵天线体积和重量,从设计方法入手,研究了一种基于系统集成封装技术的有源相控阵天线,该天线的辐射单元材料采用微带介质板,相较于其它形式的辐射单元具有更低的剖面高度,微波射频电路被封装到低温共烧陶瓷基板内部,射频走线与辐射单元平行布局,通过高集成化设计将微波电路和天线辐射单元进行一体化组装,与传统砖块式架构的相控阵天线相比,在具有相同辐射口径的前提下,设计的天线剖面高度缩减到30mm,重量减小到1kg,工作在Ka频段,波束扫描宽度达到±60°。满足了减小相控阵天线体积和重量的要求。