摘要: 在各种类型的在轨任务中，转移轨道任务是最复杂的，在任务期间会遭遇复杂的空间环境，对于航天器和航天员都存在巨大的危险。本文针对转移轨道任务中涉及到的四种典型轨道进行模拟，使用MULASSIS程序计算各轨道总电离剂量和非电离剂量。结果表明：转移轨道为高椭圆轨道时卫星需要抵抗超高累积辐射剂量，当屏蔽厚度达到9 mm时对电子的屏蔽效能显著降低。当屏蔽厚度达到3 mm时对质子的屏蔽效能显著降低。本文相关计算结果可以有针对性的对不同类型的轨道任务采取有效的防护措施提供依据。
Abstract:
Among various types of in orbit missions, transfer orbit missions are the most complex, encountering complex space environments during the mission, posing great risks to both spacecraft and astronauts. This article simulates four typical orbits involved in transfer orbit missions and uses the MULASSIS program to calculate the total ionizing dose and non ionizing dose for each orbit. The results indicate that when the transfer orbit is a high elliptical orbit, the satellite needs to resist ultra-high accumulated radiation dose. When the shielding thickness reaches 9 mm, the shielding effectiveness of electrons is significantly reduced. When the shielding thickness reaches 3 mm, the shielding efficiency for protons significantly decreases. The relevant calculation results in this article can provide a basis for taking effective protective measures for different types of orbital missions with targeted measures.
1. 引言
轨道环境中存在大量的带电粒子，与航天器中的电子元器件及材料发生作用，从而产生单粒子效应、总剂量效应和位移损伤效应等，其影响会使航天器的寿命和可靠降低，甚至严重的会使航天器的电子元器件等产生不可逆的损伤与错误，致使航天任务的失败。其中，最值得注意的是电离损伤和非电离损伤。电离损伤会导致MOS器件的阈值电压漂移和击穿电压变化 [1] [2] [3] [4] 。非电离能量损失会导致双极性器件退化和光电器件损坏，如太阳能阵列 [5] [6] 。计算卫星在轨的总电离剂量和非电离剂量是航天器防护设计的关键。同时，分析不同轨道的空间辐射环境也是非常重要的。分析空间环境是提高航天器在轨环境适应性、保证航天器在轨稳定运行的基础。近年来，研究人员还通过蒙特卡洛模拟方法和地面实验研究了用于航天器辐射防护的铝、聚合物、复合材料和多层屏蔽材料 [7] [8] [9] [10] [11] 。然而，这些研究主要集中在单能粒子或一种轨道的屏蔽能力上 [12] 。很少有人研究转移轨道任务中电子和质子的屏蔽效应，缺乏对不同轨道辐射环境的比较。
本文考虑最恶劣情况，模拟转移轨道任务中涉及的地球转移轨道(GTO)、地球同步轨道(GEO)、中地球轨道(MEO)以及低地球轨道(LEO)，并通过MULASSIS程序计算各轨道的总电离剂量和非电离剂量，对其主要环境特征和辐射效应进行分析和讨论，旨在为航天器的防护设计提供依据，可以有针对性的对不同类型的轨道任务采取有效的防护措施。
2. 程序介绍及模型设置
2.1. MULASSIS计算程序
MULASSIS (multi-layered shielding simulation software)计算程序是运用的蒙特卡洛方法，模拟跟踪大量入射粒子在靶材料中的运动，粒子在靶材料中的各种能量损失、位置信息以及所产生的次级粒子等参数都会被记录下来并储存，根据相关公式计算能得到所需物理量的期望值和相应的误差 [13] 。
使用MULASSIS程序可以对屏蔽材料的屏蔽效果进行评估。MULASSIS计算程序能选择屏蔽材料、屏蔽结构以及入射粒子的入射类型，对输出提供脉冲能量沉积谱、多层屏蔽材料边界层的粒子通量、屏蔽材料中的总电离剂量以及界面的非电离剂量一系列选项。
2.2. 辐射环境及屏蔽结构设计
转移轨道任务设计中涵盖多种轨道形态，从低轨到高轨，辐射环境较为复杂。其中涉及的地球转移轨道(GTO)、地球同步轨道(GEO)、中地球轨道(MEO)和低地球轨道(LEO)具有重要的空间应用价值。因此选用这四类轨道进行仿真与计算，轨道具体参数如表1所示。本文考虑极端环境通量，选用AE8MAX (太阳活动高年)和AP8MIN (太阳活动低年)模型，磁场为Jensen-Cain 1960模型。
计算四类轨道的总电离剂量和非电离剂，仿真建立平板模型，如图1所示，第一层为不同厚度的铝，第二层定义了0.1 mm厚的硅探测器结构，透过铝板的辐射由0.1 mm厚的硅探测器记录。物理列表选择为辐射防护专门创建的QBBC，包含强和电磁相互作用，有BIC、BIC-Ion、BERT、QGSP和FTFP模型，比较适合描述1 GeV以下薄层靶实验，空间辐射效应评估领域常推荐使用。
Table 1. Parameters of typical satellite orbits
表1. 典型卫星轨道参数
Figure 1. Schematic diagram of the shielding model
图1. 屏蔽模型示意图
3. 计算结果与分析
3.1. 辐射环境分析
不同轨道的电子和质子微分通量如图2所示，随着电子和质子能量的增加，通量逐渐减小。由图2(a)可知俘获电子的能量范围为0至7 MeV，其中GTO1轨道电子和质子环境最为恶劣，电子和质子微分通量较大。地球辐射带分为内辐射带和外辐射带，内外辐射带的电子通量在磁壳层参数L = 1.5 RE至2.0 RE和3.0至5.0 RE处达到峰值(RE为地球半径)。GTO1和GTO2是高度椭圆轨道，因此，GTO1和GTO2轨道上的卫星会反复穿越内外辐射带，高能电子(>1 MeV)的辐射环境非常恶劣。MEO位于外辐射带的核心区域，电子通量与GTO1和GTO2相似。LEO的高度最低，因此电子通量最低。
图2(b)可知GTO1和LEO的俘获质子能量范围为0至300 MeV，GEO、GTO3质子能量范围在0至1 MeV，MEO质子能量最大15 MeV，GTO2质子能量最大100 MeV。高能质子集中在赤道20,000 km以下(L < 3.5 RE)。在相同的能量下，质子通量随磁壳层参数L的变化而变化。当L降低时，高能质子的通量增加。GTO3和GEO的高度相对较高，因此质子通量主要由低能质子(<1 MeV)组成。LEO、GTO1和GTO2轨道会经过高能质子聚集区，高能质子环境较其余轨道恶劣。LEO轨道的低能质子通量较其余轨道低3至4倍。
Figure 2. (a) Differential electron fluxes of different orbits; (b) Differential proton fluxes of different orbits
图2. (a) 不同轨道的微分电子通量；(b) 不同轨道的微分质子通量
3.2. 辐射效应分析
图3为使用不同厚度的铝屏蔽后硅探测器所吸收的总电离剂量和非电离剂量变化图。俘获电子和质子所造成的屏蔽后总电离剂量和非电离剂量的变化趋势相同，随着屏蔽厚度的增加剂量减小，其中GTO1轨道环境诱发的总电离剂量和非电离剂量最为恶劣。总电离剂量是由电离损伤所引起的能量损失，是带电粒子碰撞导致靶原子电离和激发，形成电子–空穴对，需要的能量较低，通过电离作为损失能量。非电离剂量也称位移损伤剂量，是带电粒子与靶核碰撞导致原子核的位移，形成稳定的缺陷，需要的能量高。
图3(a)、图3(c)为屏蔽后电子和质子所造成的总电离剂量，总电离剂量和非电离剂量与入射能谱的微分通量有关。其中，LEO轨道的电子通量较其余轨道低，穿过屏蔽材料后电子总电离剂量最低，而其余轨道的由电子造成的总电离剂量因为电子微分通量相差不大，其屏蔽后总电离剂量相差不大。当屏蔽厚度达到9 mm后对俘获电子的屏蔽效能显著降低，这是由于粒子穿过屏蔽材料时考虑了剩余粒子和轫致辐射对硅探测器总剂量的贡献。在屏蔽厚度较低时总剂量的产生主要来源于剩余电子，但随着厚度的增加，轫致辐射成为总剂量的主要贡献者。入射电子在弹性和非弹性碰撞的作用下射程和能量快速下降，造成总剂量快速下降，而轫致辐射产生的光子随厚度增加衰减很小，产生的光子不易被屏蔽。图3(c)可知质子引起的总电离剂量比电子所引起的总电离剂量小。这是因为，质子质量较大，受到靶原子核库仑场的制动作用较小，难以诱发较强的轫致辐射，空间高能电子辐射是诱发轫致辐射的主要机制。对于低能质子为主的GTO3和GEO轨道使用0.5 mm就能很好防护。LEO和GTO1的总电离剂量随屏蔽厚度达到3 mm后剂量降低变化缓慢，并且GTO2的总电离剂量能被屏蔽掉，即3 mm铝能屏蔽掉能量大于100 MeV的质子总电离剂量。
图3(b)、图3(d)为电子和质子所造成的非电离剂量。位移损伤实际上是带电粒子与靶材料原子发生弹性碰撞，可以多次与靶材料原子发生弹性碰撞，反冲的靶材料原子获得的能量较高时，也可以与其他原子碰撞，产生二次、三次和更高次的反冲原子(级联碰撞)。这种级联碰撞过程成为造成靶材料位移辐射损伤的重要原因。电子由于质量小，质子造成非电离损伤比电子容易。因此，有高能质子的LEO和GTO，当屏蔽厚度达到3 mm后非电离剂量随屏蔽厚度变换较小，并且，3 mm厚的铝同样也能屏蔽掉能量大于100 MeV的质子非电离剂量。由图3(b)、图3(d)可知电子造成的非电离剂量的2倍左右。低能质子为主的GTO3和GEO轨道所造成的非电离剂量0.5 mm铝就能防护，非电离剂量主要由质子引起。计算屏蔽后的非电离剂量时与入射粒子的通量有关。LEO轨道的电子通量最低，穿过屏蔽材料后电子非电离剂量最低，而其余轨道的由电子造成的非电离剂量因为电子微分通量相差不大，其屏蔽后总电离剂量相差不大。当屏蔽厚度达到9 mm后对俘获电子的屏蔽效能显著降低。本文工作与中国科学院微小卫星工程中心的蔡毓龙等 [14] 进行了对比，变化趋势一致，随着屏蔽厚度的增加屏蔽效能逐渐降低。
Figure 3. (a) Total ionizing dose of electrons after shielding; (b) Non-ionizing dose of electrons after shielding; (c) Total ionizing dose of protons after shielding; (d) Non-ionizing dose of protons after shielding
图3. (a) 屏蔽后电子总电离剂量；(b) 屏蔽后电子非电离剂量；(c) 屏蔽后质子总电离剂量；(d) 屏蔽后质子非电离剂量
4. 结论
本文模拟了转移轨道任务所涉及的GTO、GEO、MEO以及LEO轨道，并用MULASSIS程序计算了不同厚度铝的屏蔽效果。对各类轨道辐射环境及效应进行了分析，穿过内部辐射带的GTO卫星暴露在高能和高通量的俘获质子和电子中，因此，卫星需要抵抗超高累积辐射剂量。使用不同厚度的铝屏蔽后硅探测器所吸收的总电离剂量和非电离剂量变化趋势相同，随着屏蔽厚度的增加剂量减小。当屏蔽厚度达到9 mm之后对电子的屏蔽效能显著降低，当屏蔽厚度达到3 mm之后对质子的屏蔽效能显著降低。相关的计算结果可以有针对性的对不同类型的轨道任务采取有效的防护措施提供依据。同时也能为航天器在轨寿命预测、故障诊断、防护以及新材料研究等提供理论和技术支持。