國內外空間環(huán)境模擬試驗條件分析

皮桂英，石慶國

（中國電子科技集團公司第四十九所，哈爾濱 150001）

概述

自1957年10月4日人類第一顆人造地球衛(wèi)星進入太空開始，空間環(huán)境對航天器影響的問題就受到空間界的關注。四十余年的航天歷史表明，所涉及的空間環(huán)境對航天器是苛刻的、不可忽視的。由于空間環(huán)境變化十分劇烈，有強烈擾動的時候，也有相對寧靜的時候，不同時期對航天器的影響有很大的差別。

1 國外已有的環(huán)境模擬試驗條件

近地空間天然環(huán)境是復雜的、動態(tài)變化的，包括多種因素，其中的一些因素還可能由于航天器的存在和工作而受到強烈的影響。空間環(huán)境適應性是航天器系統(tǒng)設計中一個至關重要的環(huán)節(jié)，各種空間環(huán)境因素的相對重要性最終決定于其對航天器完成使命所造成的影響。由于空間飛行試驗機會很少，而且代價昂貴，設計長壽命型號任務，還需要進行加速實驗，為此國內外研制了針對不同環(huán)境因素的地面模擬實驗系統(tǒng)來研究其對材料和電子器件的效應。

傳統(tǒng)上，空間環(huán)境對航天器系統(tǒng)的效應被看作是一系列單獨的實體，在進行分析和測試時每個環(huán)境因素單獨對待，但隨著各種航天任務及其系統(tǒng)變得越來越復雜，空間飛行試驗和地面模擬研究發(fā)現(xiàn)空間環(huán)境因素綜合作用比單獨因素作用的簡單疊加要更嚴重，因此建立了空間環(huán)境綜合模擬設備。

1.1 原子氧地面模擬試驗設備

原子氧是低地球軌道環(huán)境中含量最高、最具有活性的大氣組分，會引起航天器材料的剝蝕和性能退化，因此開展原子氧效應的研究，對航天器的高可靠性和長壽命具有重要的意義。產(chǎn)生原子氧的裝置有射頻(RF)和直流(DC)等離子體源，電子回旋共振源(ECR)，離子中性化，電子激發(fā)脫附，光解離，超音速或激光暴轟源等。盡管基于以上原理的裝置的主要目的是產(chǎn)生原子氧，但同時也不可避免的包括其它成份，例如紫外輻射(UV)，離子，電子，過熱分子和激發(fā)原子等。

1.2 放電模擬實驗設備

充放電模擬設備國外比較多，小型設備是專門研制的，大型設備一般在熱真空設備的基礎上研制而成。主要分為兩類同步軌道地磁亞暴模擬設備和低軌道等離子體模擬設備。

1.3 器件和材料總劑量效應模擬設備

總劑量效應模擬最常用的模擬源是電子和光子，后者包括X射線和放射源Co-60，Cs-137，Co-60的半衰期是5.26年，γ射線能量為1.17MeV和1.33MeV，Cs-137的半衰期為30.2年，γ射線能量為0.66MeV。質子也可以用作總劑量檢測，但質子除產(chǎn)生電離效應之外，還有位移效應，所以必須把兩者分開。

1.4 單粒子效應模擬設備

單粒子效應(SEE)是指空間輻射環(huán)境中高能粒子與電子器件或電路相互作用，使后者產(chǎn)生邏輯錯誤、功能異常乃至器件或電路損毀的現(xiàn)象。單粒子效應是誘發(fā)航天器電子系統(tǒng)故障和異常的主要因素之一，已成為航天器設計師們關注的焦點。

1.4.1 用于單粒子效應實驗的重離子加速器

美國長島BNL的單粒子效應測試裝置(SEUTF)是由NASA，NRL以及BNL聯(lián)合為單粒子效應實驗研制的終端設備，也是目前美國主要的單粒子效應模擬設備。特點是離子束純度高，束流均勻性好而且測量精確，具備先進的微小束流獲得技術，深受美國和歐洲用戶的歡迎。BNL是端電壓為15MeV的Van de Graff型串列靜電加速器。LBL88英寸回旋加速器采用了混合離子加速器技術，克服了回旋加速器更換離子種類慢的缺點，束流強度變化范圍可達9個數(shù)量級，束斑直徑可達10cm，LET值在0.01-98MeV/cm2/mg之間，同時也能夠輸出質子。

1.4.2 單粒子效應實驗室模擬設備

微束和脈沖激光是近年來發(fā)展起來的單粒子效應模擬設備，尤其適合于單粒子效應機理的研究。美國海軍實驗室(NRL)和宇航公司自8O年代以來開展的研究工作奠定了激光模擬SEE的基礎，近年來激光模擬在歐洲得到了廣泛的重視。例如俄羅斯建立的用于單粒子翻轉測試的PICO-2E，用于單粒子鎖定的RADON-5E激光器，意大利佩魯甲大學基于IR半導體激光器的單粒子效應自動測試裝置，英國Matra BAe Dynamic輻射效應研究組用于大批量器件單粒子效應敏感度篩選的SEREEL等。

1.5 污染環(huán)境模擬平臺

與污染有關的地面模擬主要分為兩類，一類測試航天器在軌工作期間污染環(huán)境的來源，例如測試航天器回流的組成，成分及分子能量，測量材料出氣動力學特性，真空環(huán)境下材料出氣率的測定等。一種研究特定污染對敏感部件的影響，污染一般用蒸發(fā)器等裝置產(chǎn)生。

2 國內設備模擬設備

2.1 國內等離子體模擬設備

航天科技集團510所航天器地面綜合模擬實驗裝置，該裝置配置了等離子體源，極光電子環(huán)境模擬源，地磁亞暴環(huán)境模擬電子槍三套模擬源，并配有實驗過程圖解監(jiān)控。計算機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以及放電參數(shù)測量儀器?？赏瓿尚l(wèi)星表面材料和部件在地球同步軌道，極軌和低軌帶電環(huán)境模擬評價試驗以及等離子體環(huán)境效應模擬試驗。已完成多種衛(wèi)星表面材料及太陽電池陣，天線板等部件表面充電性能試驗評價及等離子體環(huán)境效應研究。

2.2 單粒子效應測試裝置

用于單粒子效應測試的主要包括各種類型的重離子加速器、高能質子加速器，Case(锎源)輻照裝置，脈沖激光模擬實驗裝置以及重離子微束裝置。國內的重離子加速器主要有蘭州重離子加速器(HIRFL)，HI-13串列靜電加速器，北大HI-6串列加速器也被用于單粒子效應實驗研究；目前能量較高的質子加速器是高能所的35MeV質子加速器，此外HI-13也能提供等能質子束流，國內有多家單位建立了Cf—252單粒子效應模擬實驗裝置，航科技團510所引起了脈沖激光單粒子效應模擬實驗裝置，中科院空間中心利用中科院物理所的激光裝置建立一套類似的裝置。中科院等離子體所建立用于生物輻射效應研究的微束裝置，中國原子能研究院研制基于HI-13的重離子微束裝置。

2.3 太陽紫外輻射模擬設備

太陽紫外輻射按波長可以劃分為近紫外(380-310nm)。中紫外(310-170nm)和遠紫外(170nm以下)。盡管真空紫外輻射(波長在170nm以下的遠紫外輻射)在太陽總輻射能中所占比例很小，但其作用卻十分顯著，對于聚合物材料的損傷作用尤其顯著。真空紫外輻射模擬主要采用低氣壓氪，氪-氦混合氣體放電燈(波長123.6nm)；氫燈(波長170～220nm);氦燈(波長30.4nm和58.4nm)。真空紫外模擬包括在前面介紹的空間環(huán)境綜合模擬設備中，此外原子氧模擬設備中也包括了真空紫外的成份。

2.4 微流星和空間碎片撞擊模擬設備

研究空間碎片效應的主要設備為地面超高速碰撞實驗設備。目前國內外的超高速碰撞試驗設備有很多。加速大尺寸粒子，目前主要使用二級輕氣炮，其設備龐大，技術相對成熟。它的主要優(yōu)點是彈速連續(xù)可調，對彈丸形狀沒有要求，而且容易保持彈丸的完整性，彈丸的溫升也不高，最高彈速可達到10km/s以上。目前，國內中科院力學所、中國工程物理研究院、中國空氣動力發(fā)展研究中心、西北核技術研究所、中國科技大學和哈工大等單位都有二級輕氣炮在運行。

3 結論

隨著載人航天、深空探測、及國防和科學研究等需要和空間技術的不斷發(fā)展，對空間模擬試驗提出了更高要求，本文通過對國內外空間環(huán)境模擬試驗的分析論述，使讀者更清楚的了解國內外空間環(huán)境模擬試驗的差距，對科研工作者和試驗人員完善空間模擬環(huán)境試驗設備的建設和開展試驗技術的研究和空間模擬環(huán)境試驗的理念上的轉變起到一定的指導作用。

[1] 柯受全.中國宇航出版社衛(wèi)星環(huán)境工程和模擬實驗[M].北京：中國宇航出版社，1996.

[2] 陳必忠，王吉輝，孫剛.論空間環(huán)境模擬試驗和研究[J].航天器環(huán)境工程，2002（1）：10-13.