空间辐射环境工程的发展趋势范文

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《航天器环境工程杂志》2014年第三期

1研究现状

1.1空间辐射环境及模型空间辐射环境主要包括星体俘获辐射环境、太阳宇宙射线、银河宇宙射线以及人工辐射环境等。其中，星体俘获辐射环境包括地球辐射带、木星辐射带、土星辐射带等。空间辐射环境受太阳活动的调制明显，太阳活动峰年对空间辐射环境的影响主要表现为太阳质子事件增多和太阳电磁辐射增强等。经过多年的发展，以美国NASA为代表的航天大国或机构建立了一系列空间辐射环境模型，极大地推动了空间辐射环境工程的发展。地球辐射带质子辐射环境模型主要有NASA开发的AP系列模型[3]、CRRESPRO质子模型[4]、基于SAMPEX/PET数据开发的低纬度太阳平静期质子模型[5]等；电子辐射环境模型则包括AE系列模型[6]、CRRESELE电子模型[7]、由Vampola改进的AE-8min升级版模型[8]和IGE-2006/POLE电子模型[9-11]。此外，ESA开发的AE和AP模型[12]、俄罗斯的辐射带模型SINP电子质子模型（1991版）[13]和LOWALT电子模型[14]等。目前，广泛使用的地球辐射带模型为AE8和AP8模型。但由于AE8、AP8模型的最新探测数据已超过40年，且未覆盖低能区域，加上模型本身存在较大不确定性，因此，以NASA为代表的航天机构正在开发下一代空间辐射环境模型AE9、AP9[15]，目前可应用于科学研究，但还没有用于工程设计。模型将在以下两方面进行改进：扩展能量覆盖范围（包括热等离子体、相对论电子和高能质子等）和空间覆盖范围；给出由于仪器的不确定性和空间天气波动带来的模型不确定度（如AE9电子模型给出了不同置信度下的能谱变化曲线）。太阳宇宙射线是太阳耀斑爆发期间发射的大量高能质子、电子、重核离子流，其中质子占绝大部分，因此又被称为太阳质子事件。用于太阳宇宙射线的统计模型主要有3个，分别是King模型[16]、JPL模型系列[17]和ESP模型[18]，其中：King模型可用于预示任务周期内太阳质子注量；JPL模型系列有JPL85和JPL91模型，目前常用的是JPL91模型，被推荐用于任务规划；ESP模型可用于总剂量和最劣事件剂量的预测。此外，常用的还有October89模型。银河宇宙射线是来自太阳系以外的带电粒子，是由能量很高、通量很低的带电粒子组成，其中质子成分占85%，α粒子成分占14%，重离子成分占1%。银河宇宙射线模型主要包括Badhwar-O’Neill模型[19]、CREME86/CREME96模型[20]和Nymmik模型[21]等。国际标准化委员会针对太阳宇宙射线和银河宇宙射线分别给出了ISO-15391[22]和ISO-15390[23]国际标准，对太阳宇宙射线和银河宇宙射线的成分、能量、通量等进行了详细的描述。在深空辐射环境及模型方面，目前，国际上主要对月球、火星、木星和土星等的辐射环境进行了研究，并建立了相关的模型。尤其是木星和土星，由于它们具有强磁场，因而有自己的辐射带。其中，对木星辐射环境研究得最多，获得的空间探测数据也最多，木星质子模型主要为D&G83模型和Salammbo模型，电子模型主要包括D&G83模型、GIRE模型和Salammbo模型[24]，此外，还有JOSE模型（包含电子、质子、碳、氧、硫等）[25]、IEM星际电子模型[26]、HIC重离子模型[27]等。太阳电磁辐射环境及其模型主要采用美国NASA的数据和世界气象组织（WHO）的数据，其中太阳常数分别取(1353±21)W/m2和1368W/m2，多数文献上采用1367W/m2。目前虽然建立了一系列空间辐射环境模型并应用于科研和型号研制任务中，但就空间辐射带模型而言主要为长期的静态环境模型，也没有考虑各向异性对航天器的影响，模型的不确定性相对较大。

1.2空间辐射环境效应及机理空间辐射环境将对材料和器件带来严重的辐射损伤效应（见图1）。辐射损伤效应根据其类型可以分为单粒子效应（SEE）、电离总剂量效应（TID）、位移损伤效应（DD）（又称为非电离总剂量效应，TNID）、充放电效应、辐射生物学效应、辐射诱导传感器背景噪声效应等。其中，单粒子效应比较复杂，按照损伤程度又可以分为：1）破坏性效应。如单粒子锁定（SEL）、单粒子快速反向（SESB）、单粒子绝缘击穿（SEDR）、单粒子栅击穿（SEGR）和单粒子烧毁（SEB）；2）非破坏性效应。如单粒子暂态（SET）、单粒子扰动（SED）、单粒子翻转（SEU）、多位翻转（MCU）、单粒子多位翻转（SMU）和单粒子功能中断（SEFI）。辐射损伤效应根据影响时间不同，可以分为长期效应和瞬态效应。长期效应是指造成材料或器件性能的长期改变或退化，瞬态效应是指材料或器件所发生的性能改变或退化在短时间内可恢复。根据损伤模式可分为电离损伤和位移损伤。电离损伤的长期效应主要包括电荷激活、电荷传输、价键变化及分解等；电离损伤的瞬态效应包括光电流导致的终端瞬态电压变化、双稳电路锁定等。位移损伤的长期效应包括缺陷密度增加、载流子寿命降低、载流子密度降低等；位移损伤的瞬态效应包括少数载流子寿命的快速退火等，见图2。世界各国已经充分认识到空间辐射损伤对航天器在轨安全的影响，并开展了大量的研究工作，总体而言还有以下不足：1）开展了大量的空间辐射效应试验研究，而空间辐射损伤机理研究相对较少，有些辐射效应机制仍不清楚。2）空间辐射效应数据缺乏，一些关键器件或材料的空间辐射效应有待评估，例如高性能、高集成度的电子器件单粒子效应或者CCD等光电器件的位移损伤效应等。3）多种辐射环境因素的协同效应或者辐射环境与其他环境要素的协同效应有待研究。

1.3空间辐射环境及效应试验的评价标准国际化标准组织和航天大国纷纷制定了一系列国际标准、国家标准和行业标准，以指导本领域或本国家的航天活动。半个多世纪以来的航天实践活动表明，空间辐射环境及效应试验的评价标准（或规范）已经在航天器设计和运行中发挥了重要的作用。关于空间辐射环境的标准，有ISO标准（如ISO15391、ISO15390、ISO21348等），美国军用标准如MIL-STD-1890，欧洲标准ECSS-E-10-04C等。关于空间辐射效应的标准，有如ECSS-E-ST-10-12C等[31]综合性标准，ECSS-Q-ST-70-06C[32]和ASTM-E-512[33]等材料性能退化试验标准，MIL-STD-750[34]和ESCC25100[35]等单粒子效应试验标准，MIL-STD-883[36]、ASTMF1892-06[37]和ESCC22900[38]等总剂量效应试验标准，ESCC23800[39]、ECSS-E-20-06[40]、NASATP-2361[41]等表面充放电效应试验标准，NASA-HDBK-4002A[42]内带电效应试验规范，ISO23038[43]、ASTME1854-2007[44]和JPLpublication96-9[45]等位移损伤效应试验标准。我国在空间辐射环境及效应标准方面也开展了大量工作，正逐步建立和完善以GJB/Z24—1991[46]、GJB2502[47]、GJB6777—2009[48]、GJB7242—2011[49]、GJB762.2—1989[50]等为代表的国家军用标准，和以QJ10005—2008[51]、QJ10004—2008[52]等为代表的行业标准。但相关标准主要集中在单粒子效应和总剂量效应领域，而表面充放电效应、内带电效应和位移损伤效应等标准仍然匮乏。

1.4空间辐射环境及效应地面模拟试验方法航天器材料及器件的在轨性能退化情况可通过飞行试验和地面模拟试验来获得。其中，地面模拟试验由于具有周期短、花费少、方便等优点而被广泛用来评估航天器敏感材料及器件的空间环境适应性。空间辐射环境及效应比较复杂，地面模拟很难再现真实的空间环境，主要原因包括以下几个方面：一是空间带电粒子辐射是连续能谱分布，带电粒子涵盖了从几个eV到GeV的范围，地面模拟很难实现多能量带电粒子的同时模拟；二是高能带电粒子地面模拟难度较高，尤其是对电子元器件的高能带电粒子效应模拟；三是航天器在轨寿命长，从经济角度考虑，地面模拟试验通常很难实现全寿命周期的环境或效应的模拟。因此，针对航天器敏感材料与器件，通常采用地面加速试验和效应等效相结合的方法，开展航天器空间辐射环境及效应的地面模拟试验[2]。在航天器材料空间辐射环境效应地面模拟试验方面主要采用剂量-深度分布法、等效能谱法和金属薄膜散射法等。在航天器电子元器件模拟方面，主要是采用一种或几种辐射源，利用效应等效原理来开展模拟。单粒子效应是利用重离子、质子、脉冲激光等作为模拟源，采用敏感度-LET值响应曲线的方法，总剂量效应采用辐射损伤等效法，位移损伤效应采用等效注量法、位移损伤剂量法、劳申巴赫法等[53-55]，表面充放电效应采用正向电位梯度法或反向电位梯度法，内带电效应采用高能电子注入法，紫外辐射效应采用曝辐量等效法或能量等效法[2]。虽然世界各国在空间辐射环境效应试验方法方面做了大量的工作，但在有些方面仍有相当大的差距，主要表现在以下几个方面：1）在材料性能退化评价方面，目前采用最多的是剂量-深度分布方法，而效应等效的能谱等效法和金属薄膜散射法的有效性有待进一步研究。同时，加速因子对材料性能的退化影响有待进一步研究。2）在紫外辐射材料性能退化方面，目前世界各国开展的近紫外辐射效应较多，而真空紫外辐射效应研究相对较少，尤其是对10～115nm波段的影响，由于地面模拟手段比较复杂而开展得较少；此外，温度和加速因子等参数的影响有待进一步探讨。3）单粒子效应试验通常采用重离子和锎源开展，而利用质子和脉冲激光等辐射源开展单粒子效应的试验方法有待进一步研究。4）电子元器件总剂量效应试验通常利用钴源开展，而高能带电粒子、X射线等总剂量效应试验方法有待进一步研究。5）空间多因素环境协同效应地面模拟试验开展较少，其协同机理和协同效应模拟方法有待进一步研究。

1.5空间辐射环境及效应地面模拟试验设备目前主要从环境模拟和效应等效模拟两个角度研制了一系列地面模拟试验设备。在太阳电磁辐射环境模拟方面，主要是以紫外辐射环境为代表的地面模拟试验设备，相应的紫外源主要包括氙灯、汞氙灯、氘灯、射流式气体喷射源等。在带电粒子和中子等辐射环境及效应地面模拟方面，由于空间粒子的复杂性，地面试验主要采用效应等效模拟的方式，利用地面加速器或者辐射源来开展地面模拟试验。单粒子效应主要通过重离子加速器、锎源或者脉冲激光作为模拟源，其中重离子加速器又可以分为串列静电加速器和回旋加速器。电子元器件的总剂量效应模拟试验设备主要使用60Coγ射线源，材料方面的总剂量效应模拟试验一般用电子加速器和质子加速器进行。表面充放电效应地面模拟试验设备主要采用低能电子束作为模拟源，而内带电效应地面模拟则主要采用中高能电子束来模拟。我国空间辐射环境与效应地面模拟试验设备采用的模拟方式与国外基本相似，但存在以下不足：第一，已有空间辐射效应地面模拟设备的性能指标落后，模拟试验水平较低；第二，新的模拟试验由于缺少设备不能开展；第三，加速器终端用于模拟试验的配套设备不具备或不完善。目前，航天大国建立了相对完整的空间辐射环境及效应地面模拟试验设备体系，体现出以下特点：1）材料级空间辐射效应地面模拟试验设备向多因素综合环境方向发展，如SEMIRAMIS总剂量综合模拟试验设备同时具备电子、质子、紫外、真空、温度等环境要素，见图3[2]；2）器件级辐射环境效应通常采用高能加速器开展地面模拟试验，尤其是单粒子效应、位移损伤效应、总剂量效应等；3）部分实现了性能的原位测试。但在设备指标上有待进一步改进，主要表现：带电粒子能量仍然较低，不能有效开展地面模拟试验；性能原位测试手段缺乏；微观原位测试和监测手段较少。由于空间辐射环境与效应地面模拟试验设备建设投资大、周期长，试验技术本身涉及的关键技术需要突破，因此地面模拟试验设备的建设应该有相当的预见性和前瞻性，要充分预计若干年以后的模拟试验需求。

1.6空间辐射效应飞行试验技术利用航天器进行的空间科学试验，基本上可以分为密封舱内试验，非密封舱内试验和舱外（暴露）试验3大类。暴露试验是指把试验装置或被试样品（材料、元器件或设备）放置于航天器的桁架或外表面，使之直接暴露于空间环境之中所进行的各种试验。与密封舱和非密封舱内试验相比，具有空间环境更加真实、性能研究更加准确的优点。航天大国非常重视空间飞行试验，针对空间辐射环境下的航天器敏感材料、电子元器件的性能退化规律开展了大量的空间飞行试验研究。一方面是为了获得航天器材料与电子元器件在轨的真实环境效应数据，以指导地面设计；另一方面，也对航天器材料与电子元器件的地面模拟试验进行比较，为地面模拟试验方法与设备改进提供参考。从20世纪70年代开始，美国利用STS-5回收了已进行材料空间暴露试验的返回式卫星，各航天大国开展了大量的空间暴露试验。从空间环境特性监测平台LDEF到国际空间站上搭载平台，国外先后发射了20多种监测平台，主要分为三类：一是以LDEF[56]和MISSE为代表的材料空间暴露平台，主要研究空间环境对材料的影响，通过暴露平台研究空间环境对材料的累积效应；二是以MEDET为代表的在轨环境因素监测平台，主要是对空间环境因素进行监测；三是以OPM[57]为代表的在轨空间环境效应综合监测平台，可同时研究空间环境及其对材料的环境效应，见图4。OPM的核心设备为反射计、真空紫外分光光度计、总积分散射计（TIS）、分子污染监测器、原子氧监测器、辐射监测器等。不但可以实现对材料性能（光学透射率、吸收率、反射率、热发射率）的真空环境下原位测试，同时也可以探测空间环境，如原子氧、分子污染、太阳辐射等。单粒子效应主要通过卫星（如CRRES卫星）在轨飞行数据而获得。美国和欧洲、俄罗斯等国家合作开展了总剂量效应在轨飞行试验，先后进行了多次大型的长时间空间环境暴露下材料性能退化试验。主要有长期实验暴露装置（LDEF）、光学性能监测器（OPM）、“和平号”空间站环境效应载荷（MEEP）和国际空间站材料试验（MISSE）[59]。表面充放电飞行试验包括SAMPIE[60]、PIX-Ⅰ、PIX-Ⅱ[62]、SFU、IPRE、科学探测卫星P78-2（SCATHA）[63]等。内带电效应飞行试验典型代表如集约环境异常传感器（CEASE）[64]等。太阳电池飞行试验包括Hipparcos卫星[65]、ETS-V卫星和MDS-1卫星[67]等。我国自1971年3月发射“实践一号”科学试验卫星开始空间辐射环境天基探测以来，以搭载方式或通过专门的探测卫星开展了空间辐射环境及效应的飞行试验。在40多年的时间内，先后发射了用于空间环境探测的专业卫星和搭载星船30余颗（艘），包括“东方红二号”卫星、“风云”系列卫星、“资源”系列卫星、“神舟”系列飞船、“北斗”卫星、“遥感”系列卫星以及“嫦娥”系列卫星等搭载多种空间辐射环境探测仪器。目前开展的天基空间辐射环境及效应探测主要包括高能带电粒子、低能带电粒子、太阳X射线、单粒子效应、卫星表面充电、辐射剂量等。尤其是“实践”系列卫星和“神舟”飞船的探测，促进了对空间辐射环境及效应的了解，获得了宝贵的数据。目前，世界各国开展空间辐射环境及效应飞行试验呈现以下特点：1）专用试验卫星和卫星搭载相结合；2）环境探测通常采用专业探测器，效应探测通常用航天器飞行数据来分析；3）飞行试验平台向着环境探测与效应探测一体化方向发展。

1.7空间辐射环境及效应数值模拟数值模拟方法则是飞行试验和地面模拟试验的有效补充，既可以对航天器遭遇的空间辐射环境及航天器内部的辐射环境进行预示，也可以对航天器材料与器件的性能退化进行预示。空间辐射环境的模拟采用直接建立环境模型的方法，而经过材料等屏蔽后的环境则采用蒙特卡罗方法或确定性方法来数值模拟。根据蒙特卡罗方法设计的程序很多，如GEANT、EGS4、MCNP、ITS、FLUCK、ETRAN等程序。空间辐射效应数值模拟软件主要由欧美航天大国开发设计，分为综合性仿真软件和专用软件，其中：综合性数值模拟软件如SpaceRadiation，SYSTEMA、SPENVIS、FASTRAD等；专用软件主要针对不同的效应开发，如总剂量分析软件ITS、SRIM等，表面充放电软件NASCAP、NASCAP-2K、SPIS、MUSCAT、SENSIT等，内带电效应软件DICTAT、ESADDC、NUMIT、ATICS等，位移损伤软件SAVANT、SCREAM等。下面对空间辐射环境及效应数值仿真的几款典型软件进行简要介绍。SpaceRadiation软件[68]的主要功能在于空间环境参数及空间辐射效应的计算，可以模拟分析航天器在范•艾伦辐射带、太阳耀斑、银河宇宙射线、中子、人工辐射等环境下的辐射损伤效应，用于对单粒子翻转、总剂量、位移损伤、生物学等效剂量和太阳电池损伤进行预示。SYSTEMA软件包括Dosrad、Earthrad、Matcharge、Perturbation、Plume、Thermica、Outgassing、Atomox等分析模块，可以用来对空间辐射环境、航天器舱内的辐射剂量、太阳电池辐射损伤等进行模拟预示。FASTRAD是用于航天器三维辐射分析与防护设计的CAD软件，可用于分析各种类型的元器件、面板、设备和卫星内任意一点的辐射剂量，不但可用于辐射剂量分析，而且可以用于辐射设计分析。SPENVIS是由ESA开发的一个用户界面友好的在线网络程序，可以开展银河宇宙射线、太阳高能粒子、地球辐射带、磁场、空间等离子体、高层大气、微流星体和空间碎片、光照等空间环境的分析。其RadiationSourcesandEffects模块包括辐射源（俘获带电子和质子、太阳宇宙射线、银河宇宙射线）、单粒子效应、总剂量效应、太阳电池损伤效应等等。SpacecraftCharging模块则可以对深层介质带电、航天器表面带电、太阳阵和航天器结构电势、低轨道环境参数及航天器带电数据设置等进行分析和设计。NASCAP-2K是一个三维的航天器等离子体环境效应模拟软件，可以广泛模拟各种等离子体现象。其具备的能力包括：定义航天器表面、几何形状、结构；计算航天器表面与时间相关的电位；计算航天器的静电电位，柔性边界条件和空间电荷；产生并追踪电子和离子，计算表面和体电流与电荷密度；表面电位、空间电位、粒子径迹、时间相关电位与电流的可视化。DICTAT是用于卫星内带电效应仿真分析的软件，其建立了平面或柱体简单几何体结构的一维模型，采用FLUMIC的恶劣电子环境模型，利用解析方程描述电子在屏蔽物上的运动和沉积。介质体最大电场根据欧姆定律获得。最终，将程序代码计算得到的最大电场强度和材料击穿阈值进行比较来判定结构是否会发生放电。如果最大电场强度超过材料的击穿阈值，那么该程序将建议修改航天器的防护层和厚度，直至达到材料的安全阈值为止。SAVANT是由NASA格林研究中心开发的基于位移损伤剂量模型的太阳电池阵验证分析工具，可以方便地评估太阳电池阵在轨寿命末期的性能，对于不同太阳电池工艺的地面模拟试验的开发和设计也有着重要的指导意义。SAVANT软件不但可以对单结太阳电池进行性能退化模拟分析，而且能够对多结太阳电池和薄膜太阳电池的性能退化进行预示。我国在空间辐射环境及效应数值仿真领域也取得了一定的成绩，但与欧美航天强国相比，不论在辐射环境模型，还是在核心算法上，均存在着一定的差距，在型号工程的普及使用或商业化方面还需进一步努力。

1.8抗辐射加固技术针对航天器在轨的恶劣辐射环境，航天器材料、元器件、分系统等往往不能满足航天器在轨寿命期间的抗辐射要求。因此，需要对其进行抗辐射加固。通常，抗辐射加固一般针对元器件和电子线路等，从硬件、软件和结构设计角度进行，而很少针对航天器材料开展工作。单粒子效应抗辐射加固设计主要通过选用对单粒子效应敏感度低的器件，在电路防护设计方面采用硬件看门狗、冗余设计和降额设计，对将操作系统内核和与有效载荷安全以及飞行成败有关的程序存放在ROM区，采用对特定工作信号进行监视的软件“看门狗”，以及EDAC技术、三模冗余等技术来实现。总剂量效应抗辐射加固设计主要通过加强电子元器件和材料的选用、给予电子元器件和材料一定的设计余量、加强电子元器件的总剂量局部屏蔽防护以及对航天器内部的设备布局进行抗辐射优化设计等措施来实现。表面充放电效应抗辐射加固设计主要通过严格控制航天器表面材料的选择与应用、加强接地系统的设计、严格控制关键材料及材料到结构地的电阻、充分利用滤波技术以及加强污染控制等措施来实现。内带电效应抗辐射加固设计主要通过选用合适的星内介质材料、加强内带电效应的屏蔽设计、加强结构地的设计等来实现。这有赖于对内带电效应的机理、试验与评价技术进行深入研究。位移损伤效应抗辐射加固设计则通过加强抗辐射光电材料的选用与研制、对光电材料的位移损伤性能给予充分考虑并留有设计余量、加强位移损伤效应评估和开展辐射损伤修复技术等来实现。虽然抗辐射加固技术经过多年的发展，取得了一系列重要成果，并在型号中得到了应用，但在抗单粒子效应的防护设计，光电器件（尤其是CCD等器件）抗位移损伤效应加固技术，内带电效应的工程分析与评估、模拟试验与测量技术，以及人工核辐射与激光辐射在轨加固技术方面仍需加强研究。

2发展趋势

2.1空间辐射环境及模型空间辐射环境及模型的研究，对航天器的设计、防护及在轨故障的分析具有非常重要的意义。现有空间辐射环境模型具有较高的不确定性，因此，需要在以下方面开展工作：1）开发动态辐射环境模型。目前使用的辐射环境主要是长期平均的静态辐射环境模型，需要进一步开发能够反映太阳活动影响、地磁扰动和长期地磁漂移的动态环境模型。2）开发各向异性空间辐射环境模型。对于在轨航天器尤其是高轨道航天器及其内部环境，各向同性模型并不能真实反映其辐射效应，有必要开发具有工程应用性的各向异性空间辐射环境模型。3）开发更加准确的空间辐射环境模型。世界各国开发的空间辐射环境模型存在较大差异，尤其是在低能能谱段，需要开发更加准确的空间辐射环境模型，提供低能谱段的数据，并提高置信度。

2.2空间辐射效应及机理研究在空间辐射效应及机理的研究方面，以下两个方向需要重点关注：1）开展不同的空间辐射环境要素或地面模拟源对航天器材料与器件性能退化微观机制的异同性研究，并进一步完善空间辐射环境效应退化模型和试验方法。2）航天器在轨环境是多种因素并存的环境，正确开展航天器敏感材料和器件的空间辐射效应评价就要关注多种因素对航天器的协合效应。3.3空间辐射环境及效应试验评价标准目前，世界各航天大国均非常重视空间辐射环境及效应试验评价标准的研究与制定工作。其中，对空间辐射环境效应地面模拟试验方法标准的制定与修订工作仍需进一步加强，主要包含以下几个方面：一是制修订和完善空间辐射环境标准与规范。在现有空间辐射环境标准与规范的基础上，针对科学研究和工程应用，制修订更加完备和精确的空间辐射环境标准与规范。二是完善空间辐射效应标准与规范。1）建立质子单粒子效应和脉冲激光单粒子效应地面模拟试验的相关标准规范；2）针对利用60Co来代替高能粒子开展总剂量效应可能存在过试验的问题，建立高能带电粒子的总剂量效应试验标准；3）建立表面充放电效应的国际通用标准和规范，开展航天器材料、器件与充放电效应相关的关键设计参数的验证和研究；4）建立内带电效应的标准和规范；5）建立光电器件的位移损伤效应通用的标准或规范；6）建立普适的航天器空间材料紫外辐射效应的标准，尤其是10～115nm波段，其试验方法和标准有待进一步探讨。

2.4空间辐射环境及效应地面模拟试验方法空间辐射效应试验方法是开展地面模拟试验的前提和基础。未来需要在以下几个方面开展工作：1）在材料性能退化评价方面，开展能谱等效法和金属薄膜散射法的试验方法及其有效性的研究；2）开展10～115nm波段紫外辐射效应的试验方法研究，同时，加强温度和加速因子等试验参数的探讨；3）加强质子和脉冲激光单粒子效应的试验方法及其等效性研究；4）研究高能带电粒子、X射线总剂量效应试验方法，以及钴源总剂量效应试验的等效性；5）开展空间多因素环境协合效应地面模拟试验方法研究。

2.5空间辐射环境及效应地面模拟试验设备未来研发空间环境效应地面模拟试验装置应该遵循以下几条规则：1）包括的环境及效应要素全。在一个或多个组合试验腔中集成电子、质子、近紫外、真空紫外、原子氧、空间碎片和微流星体、污染源等，从而可开展空间多因素环境的协同效应研究。2）设计性能指标可靠合理。既能满足航天器材料与器件的性能退化评价，又避免不必要的高指标带来的经济浪费。3）监测手段全，布局合理。由于地面模拟空间环境存在一定的面积均匀性问题，因此，需要对监测手段进行合理布局，同时要尽可能多渠道进行监控，应该具备四极质谱仪、石英晶体微量天平、法拉第杯、真空计、温度控制计、紫外辐照度计、速度干涉仪等。4）充分考虑原位测试的必要性。由于异位测试带来回复效应的问题，因此，不论是宏观性能如光学性能和电学性能需要进行原位测试，而且其微观性能如成分、结构、缺陷、形貌等也需要进行原位测试，可以配备紫外/可见/红外分光光度计、SEM、表面电阻率测量装置、AES/XPS等。如果需要对试件的性能退化机理作进一步深入分析，可以配备电子顺磁共振波谱分析设备、光致荧光光谱分析设备、红外光谱设备等。低地球轨道环境及效应模拟腔见图5。

2.6空间辐射效应飞行试验技术未来，航天器空间辐射效应飞行试验技术主要朝着以下方向发展：1）空间环境与效应飞行试验平台向着公用型、集成化、多功能等方向发展。要求飞行试验装置体积小、重量轻，能够实现在任何卫星平台上安放，长寿命、高可靠，可以同时实现多种辐射效应的探测或监测。2）实现空间环境探测及环境效应检测的同时性。只有这样，才能更加准确地分析空间环境效应与空间环境之间的关系，为长期的性能演化分析提供可靠支持。3）重视空间辐射效应的原位测试。在空间辐射环境作用后，很多航天器材料或器件的性能存在明显的回复效应。因此，实现在轨性能原位测试就显得非常有必要。

2.7空间辐射环境及效应数值模拟经过多年的努力，世界各国开发了一系列空间辐射环境及效应的数值仿真软件，但仍待进一步完善和提高。未来，空间辐射环境及效应数值模拟将向以下方向发展：1）涵盖的空间辐射环境要素和空间辐射效应要素全。未来的数值模拟平台应该能够涵盖所有的空间辐射环境和环境模型，并能够实现所有的空间辐射效应数值模拟分析。在同一数值仿真平台中，既包含所有的空间辐射环境要素，如地球辐射带、太阳宇宙射线、银河宇宙射线、X射线、中子、太阳电磁辐射等，又能实现所有的辐射效应，如不同类型的单粒子效应、总剂量效应、位移损伤效应、表面充放电效应、内带电效应、太阳电磁辐射效应等。2）具有较高的模块化、可视化和便捷的可编辑功能。未来的空间辐射环境与效应数值模拟平台中，空间辐射环境、空间辐射效应、航天器三维结构、输入输出应该做到模块化，而且能够实现互相调用；其数值模拟结果能够实时可视化输出；关键环境参数或航天器结构参数能够比较方便地编辑。

2.8抗辐射加固技术世界各航天大国均非常重视航天器抗辐射加固设计工作，主要表现在以下几个方面：1）将抗辐射加固纳入到航天器研制的全流程中。从材料的设计与制备、选用与验证，航天器结构设计与布局、在轨故障分析与处理等各个环节，都要充分考虑抗辐射加固的重要性。2）加强新材料、新器件的抗辐射加固工作。新型高性能、高集成度电子元器件或材料往往具有较高的辐射敏感度，容易发生单粒子效应等，需要加强其抗辐射加固工作。3）加强位移损伤效应、内带电效应的抗辐射加固研究。相较于单粒子效应和总剂量效应等，位移损伤和内带电效应逐渐成为航天器在轨辐射损伤的重要效应，因此亟需加强此二种效应的抗辐射加固研究。4）开展人工辐射环境的抗辐射加固技术研究。包括航天器敏感材料或器件对空间核爆炸、激光等的抗辐射加固技术研究。5）加强抗辐射加固的效果验证与量化评估技术研究。有些材料或器件的抗辐射加固可以进行试验验证，而有些无法开展具体的试验评价工作，需要进一步探讨其效果验证与量化评估方法。

3结束语

空间辐射环境工程是一门多学科交叉的系统性工程科学，虽然经过半个多世纪的发展，已经取得了可喜成果，并在航天型号研制过程中发挥着重要作用；但随着新型航天器的研制、新材料、新器件的开发以及空间探测的不断推进，目前的研究工作及成果无论在空间辐射环境及模型、空间辐射效应及机理，还是在试验方法、标准与规范、地面模拟试验以及数值仿真等方面，与型号需求仍然存在着一定的差距。需要广大同行科研人员在理论上、方法上和应用上不断深化研究，促进空间辐射环境工程的不断推进，以更好地满足型号任务的需求，提高航天器的在轨安全和可靠性。致谢本文在撰写的过程中，得到了龚自正研究员、黄建国研究员、蔡震波研究员、冯伟泉研究员、丁义刚高级工程师、刘宇明高级工程师的宝贵建议和大力帮助。同时，对文中部分引用图的作者，在此一并表示感谢。不周之处，请予谅解并指正。

作者：沈自才闫德葵单位：北京卫星环境工程研究所