地球輻射帶槽區(qū)粒子環(huán)境動態(tài)變化對中軌衛(wèi)星輻射效應(yīng)的影響

呼延奇，蔡震波

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

0 引言

近年來，軌道高度5000～15 000 km 的中地球軌道區(qū)域衛(wèi)星的應(yīng)用越來越受到關(guān)注。中地球軌道一般指高度在2000 km 以上、36 000 km（GEO）以下的軌道。這類軌道的特點(diǎn)是大氣阻力較小、地面覆蓋范圍廣、可視時間長，具備很多其他軌道所不具備的優(yōu)越條件，是用于全球?qū)Ш胶鸵苿油ㄐ诺闹饕壍栏叨取?/p>

中地球軌道衛(wèi)星位于地球外輻射帶和內(nèi)輻射帶之間的槽區(qū)。因?yàn)榈入x子層頂產(chǎn)生的哨聲波在槽區(qū)引起很強(qiáng)的粒子投擲角散射，使得粒子不容易被捕獲，形成了一個低輻射通量的區(qū)域，所以長期以來人們一般認(rèn)為槽區(qū)是近地惡劣輻射環(huán)境中的一個安全區(qū)域，是適合航天器運(yùn)行的“安全島”[1]。然而，CRRES衛(wèi)星在軌監(jiān)測的數(shù)據(jù)顯示，在強(qiáng)烈的太陽風(fēng)暴期間，地球輻射帶粒子環(huán)境存在顯著的強(qiáng)度變化及空間位置重新分布，尤其是在槽區(qū)，甚至出現(xiàn)新的質(zhì)子帶和電子帶，這深刻改變了人們的原有認(rèn)識[2-5]。

如果槽區(qū)空間粒子環(huán)境的動態(tài)變化是短時存在的，則從衛(wèi)星抗輻射設(shè)計(jì)角度不需太多關(guān)注；而如果這種動態(tài)變化引起的輻射強(qiáng)度變化達(dá)到或超過1個數(shù)量級，且持續(xù)時間長達(dá)數(shù)月（或者雖持續(xù)時間較短但動態(tài)變化頻繁），則在衛(wèi)星的抗輻射設(shè)計(jì)中必須采取相應(yīng)的措施，以確保衛(wèi)星能夠耐受在軌可能遭遇的最惡劣輻射環(huán)境。

本文利用國際上典型的地球輻射帶模型，在詳細(xì)分析槽區(qū)粒子輻射環(huán)境動態(tài)變化特征的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)研究這種動態(tài)變化對衛(wèi)星遭受的累積性輻射效應(yīng)的影響，從而有助于為中軌衛(wèi)星的抗輻射設(shè)計(jì)確定合理的環(huán)境條件及約束。

1 地球輻射帶槽區(qū)基本特征

1.1 槽區(qū)捕獲電子和質(zhì)子環(huán)境分布特征

地球輻射帶由被地球磁場捕獲的帶電粒子（主要為質(zhì)子和電子）組成，其強(qiáng)度明顯集中在內(nèi)輻射帶和外輻射帶。內(nèi)輻射帶是靠地球最近的捕獲帶電粒子區(qū)域，其空間范圍大致為L=1.2～2.0（L為磁殼參數(shù)，是地球空間某點(diǎn)的磁力線與赤道面交點(diǎn)處的地心距離與地球平均半徑RE之比，RE=6371 km）；外輻射帶是離地球較遠(yuǎn)的捕獲帶電粒子區(qū)域，其空間范圍大致為L=3.0～8.0；內(nèi)、外輻射帶之間存在一個粒子輻射通量較低的槽區(qū)，其空間范圍為L=2.0～3.0，中心位于L≈2.5處。

圖1為當(dāng)前航天工程設(shè)計(jì)中采用的標(biāo)準(zhǔn)地球輻射帶模型AE8[6]和AP8[7]給出的捕獲電子和捕獲質(zhì)子通量在磁赤道面上隨磁殼參數(shù)L的變化曲線。AE8和AP8模型是長期平均靜態(tài)模型，反映的是輻射帶粒子通量的長期平均結(jié)果。從圖1可以看出：輻射帶槽區(qū)主要表現(xiàn)在能量＞500 keV 的電子通量分布上，在2.0＜L＜3.0的槽區(qū)內(nèi)，電子通量相比內(nèi)、外輻射帶電子通量存在一定的下降，而且隨著電子能量的升高，其通量下降的幅度越來越大；高能捕獲質(zhì)子主要分布在內(nèi)輻射帶，能量＞50 MeV的質(zhì)子強(qiáng)度中心位于L=1.5處（對應(yīng)的高度約為3000 km），能量＞50 MeV 的質(zhì)子在槽區(qū)內(nèi)的通量較內(nèi)輻射帶中心區(qū)域存在顯著的下降，然而能量＜10 MeV 的低能質(zhì)子在槽區(qū)內(nèi)的通量卻處于較高水平。

圖1 地球輻射帶捕獲粒子通量隨L 值的變化曲線Fig.1 Distribution of fluxes of trapped particles in Earth’s radiation belt vs L value

初步分析可知，高度在5000～15 000 km 的中軌道所在的輻射帶槽區(qū)中的捕獲粒子通量并非在全能段上均處于較低的水平：能量＜500 keV 的電子和能量＜10 MeV 的質(zhì)子的通量水平并沒有明顯下降，尤其是能量＜10 MeV 的質(zhì)子通量實(shí)際上非常高；而對于能量＞500 keV 的高能電子和能量＞50 MeV 的高能質(zhì)子，其在槽區(qū)內(nèi)的通量相比內(nèi)輻射帶確實(shí)存在明顯的下降。因此，人們普遍認(rèn)為的槽區(qū)粒子輻射水平低主要體現(xiàn)為高能質(zhì)子和高能電子的通量相對較低。

1.2 槽區(qū)粒子輻射環(huán)境動態(tài)變化

槽區(qū)輻射環(huán)境動態(tài)變化與太陽活動周期、具體每次太陽風(fēng)暴的狀態(tài)以及空間位置等均有明顯相關(guān)性，因此要獲得工程可用的分析結(jié)果，需借助于通過對大量衛(wèi)星實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行同化及處理后建立的地球輻射帶粒子環(huán)境動態(tài)模型。

AE8MAX（AE8MIN）和AP8MAX（AP8MIN）模型分別給出太陽活動高年（低年）不同空間位置處的電子和質(zhì)子能譜，然而無法描述槽區(qū)的輻射環(huán)境動態(tài)變化；其可以作為一個參照基準(zhǔn)，通過其他動態(tài)模型的分析結(jié)果來反映槽區(qū)輻射環(huán)境的動態(tài)變化情況。

目前，可以用于分析輻射帶動態(tài)變化特性的地球輻射帶粒子環(huán)境模型包括CRRES模型、SLOT模型以及AE9/AP9模型。

1）CRRES模型

基于CRRES衛(wèi)星在太陽活動高年期間14個月的探測數(shù)據(jù)，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）發(fā)展了能部分反映地磁擾動影響的準(zhǔn)動態(tài)地球輻射帶模型，包括質(zhì)子帶模型CRRESPRO[8]和電子帶模型CRRESELE[9]。其中，CRRESPRO模型可以給出能量范圍1～100 MeV、空間范圍L=1.15～5.5的捕獲質(zhì)子通量，并分為CRRESAVG和CRRESACTIVE，分別描述輻射帶的平靜和擾動狀態(tài)；而CRRESELE模型則可以給出在6種不同的地磁擾動水平下，能量范圍0.7～5 MeV、空間范圍L=2.5～6.5（赤道面高度9500～35 000 km）的捕獲電子通量。CRRES模型還給出了CRRES衛(wèi)星任務(wù)期內(nèi)遭遇的平均和最惡劣捕獲電子通量。

2）SLOT 槽區(qū)電子環(huán)境模型[10]

法國國家空間研究中心ONERA 基于NOAA（美國國家海洋和大氣管理局）的POES衛(wèi)星，以及HEO-1、HEO-3、ICO和CRRES衛(wèi)星的電子通量監(jiān)測數(shù)據(jù)，專門建立了一個槽區(qū)電子環(huán)境模型——ONERA-CNES，可以實(shí)現(xiàn)對不同置信度條件下，空間范圍2.0＜L＜4.0、能量范圍0.1～3 MeV 的捕獲電子通量的分析。

3）AE9/AP9模型[11]

NASA 對經(jīng)典輻射帶模型AE8/AP8進(jìn)行更新，推出最新一代地球輻射帶模型——AE9/AP9/SPM。相比于以往的地球輻射帶模型給出的均是衛(wèi)星長期探測數(shù)據(jù)的平均值，對于粒子通量的漲落范圍以及隨時間的變化不能給予描述，使得工程應(yīng)用中對粒子環(huán)境不確定性的分析缺少必要數(shù)據(jù)支持的不足，AE9/AP9/SPM模型首次給出了對粒子通量不確定性的定量描述。

AE9/AP9/SPM 模型給出3種不同粒子通量計(jì)算選項(xiàng)，分別是平均值或指定百分位數(shù)的量值、靜態(tài)擾動條件下的量值以及考慮地球輻射帶動態(tài)變化的蒙特卡羅模擬計(jì)算。利用AE9/AP9模型不同置信度條件下的槽區(qū)捕獲粒子通量分析結(jié)果，可以對槽區(qū)輻射環(huán)境的動態(tài)變化情況進(jìn)行描述。

2 中軌衛(wèi)星累積輻射效應(yīng)來源分析

為了分析槽區(qū)輻射環(huán)境動態(tài)變化對衛(wèi)星抗輻射設(shè)計(jì)的附加影響，須首先對槽區(qū)高度上運(yùn)行的衛(wèi)星遭受的輻射效應(yīng)的來源進(jìn)行分析。對于運(yùn)行于3000～15 000 km 高度范圍的衛(wèi)星，其輻射效應(yīng)主要來源于捕獲電子和捕獲質(zhì)子。本文首先采用地球輻射帶模型AE8/AP8對不同高度軌道衛(wèi)星遭遇的輻射效應(yīng)的來源開展分析識別。

進(jìn)行中軌衛(wèi)星抗輻射設(shè)計(jì)時，對于單粒子效應(yīng)、充放電效應(yīng)等瞬時輻射效應(yīng)通?？紤]最惡劣的環(huán)境條件，故槽區(qū)輻射環(huán)境的動態(tài)變化對此類效應(yīng)的防護(hù)設(shè)計(jì)不產(chǎn)生影響；而對于電離總劑量效應(yīng)、位移損傷效應(yīng)等累積效應(yīng)通?？紤]長期平均的輻射環(huán)境條件，則可能受到槽區(qū)輻射環(huán)境動態(tài)變化的影響。因此，本文重點(diǎn)關(guān)注累積輻射效應(yīng)。

2.1 電離總劑量來源分析

中軌衛(wèi)星上元器件及材料遭受的電離總劑量損傷主要來自地球輻射帶捕獲電子和捕獲質(zhì)子。為了分析中軌衛(wèi)星上應(yīng)用的元器件或材料遭受的電離總劑量，選擇等效鋁屏蔽厚度為0.04、1、3、10 mm的4種屏蔽狀態(tài)，分別模擬星表熱控材料、衛(wèi)星艙板內(nèi)部電纜以及艙內(nèi)設(shè)備內(nèi)部等不同應(yīng)用條件下的屏蔽狀態(tài)?？臻g中的帶電粒子是連續(xù)能譜的，對于不同屏蔽厚度下的元器件或材料，其電離總劑量的主要貢獻(xiàn)來自于不同能段的電子和質(zhì)子：低能粒子射程短，無法穿透衛(wèi)星艙板屏蔽，只能在星表材料中沉積電離劑量；對于屏蔽厚度較大的元器件或材料，其電離總劑量主要來自于高能粒子產(chǎn)生的次級輻射（如軔致輻射）。

本文利用AE8/AP8模型分析不同高度、0°傾角的中地球軌道上的日累積捕獲電子和捕獲質(zhì)子通量，然后利用Shieldose-2軟件分析了不同鋁屏蔽厚度下各軌道上不同能量的捕獲電子和質(zhì)子對總劑量的貢獻(xiàn)。圖2和圖3分別給出了1 mm 和3 mm鋁屏蔽狀態(tài)下，不同能量的捕獲電子和質(zhì)子對總劑量貢獻(xiàn)的累積分?jǐn)?shù)。將特定軌道上的總劑量歸一化到1，然后將能量小于某值的電子及質(zhì)子產(chǎn)生的總劑量除以軌道累積總劑量，即獲得相應(yīng)能量粒子對總劑量的貢獻(xiàn)分?jǐn)?shù)；衛(wèi)星軌道上的總劑量是整個連續(xù)能譜的電子和質(zhì)子產(chǎn)生的電離總劑量的疊加。

圖2 1mm 鋁屏蔽下不同能量的捕獲電子和捕獲質(zhì)子對總劑量的貢獻(xiàn)Fig.2 Contribution of electrons(left)and protons(right)of different energies to the total dose with 1 mm aluminum shield

圖3 3mm 鋁屏蔽下不同能量的捕獲電子和捕獲質(zhì)子對總劑量的貢獻(xiàn)Fig.3 Contribution of electrons(left)and protons(right)of different energiesto the total dose with 3 mm aluminum shield

表1對不同軌道高度上來自不同能量捕獲電子和質(zhì)子對總劑量的貢獻(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)分析和歸納。表中數(shù)據(jù)顯示，星表材料的總劑量主要來自于1～20 MeV 的質(zhì)子和100～600 keV 的電子，且隨著軌道高度的變化，質(zhì)子和電子對總劑量的貢獻(xiàn)權(quán)重不斷變化。而經(jīng)過艙板1 mm 鋁屏蔽作用，對總劑量有貢獻(xiàn)的質(zhì)子能量范圍主要在15～100 MeV，電子能量范圍在700 keV～幾MeV。隨著屏蔽厚度的增加，低能質(zhì)子無法穿透相應(yīng)的屏蔽，故對總劑量有貢獻(xiàn)的質(zhì)子能量下限不斷提高，而電子在屏蔽材料中減速產(chǎn)生的軔致輻射使其對總劑量的貢獻(xiàn)逐漸增加；總體來看，經(jīng)過3～10 mm 鋁屏蔽后，對總劑量有貢獻(xiàn)的質(zhì)子能量范圍一般在幾十～幾百M(fèi)eV，電子能量范圍在幾百keV～幾MeV。

表1 不同高度軌道衛(wèi)星總劑量來源分析Table 1 Particle source for total dose on satellite at different altitudes of orbits

綜上可知：

1）星表材料的總劑量來源與艙板和設(shè)備內(nèi)部的存在顯著差異——5000 km 及以下高度軌道星表材料的總劑量主要來自捕獲電子；9000 km 以上高度軌道的總劑量主要來自于捕獲質(zhì)子；5000～9000 km高度范圍，質(zhì)子和電子對星表材料的總劑量均有貢獻(xiàn)，其權(quán)重此消彼長。

2）屏蔽厚度為1 mm 狀態(tài)下，8000 km 以上高度軌道的總劑量主要來自于捕獲電子；8000 km 以下高度軌道的總劑量主要來自于捕獲質(zhì)子，但捕獲電子也占有一定份額。

3）對于屏蔽厚度3～10 mm 的狀態(tài)，電子和質(zhì)子對總劑量的貢獻(xiàn)基本上是各主導(dǎo)一段——9000 km以下高度軌道的總劑量主要來自于捕獲質(zhì)子；9000 km以上高度軌道的總劑量主要來自于捕獲電子。

2.2 太陽電池輻射損傷來源分析

空間高能粒子與材料間除了通過電離相互作用交換能量外，還可以通過非電離相互作用交換能量，產(chǎn)生位移效應(yīng)和非電離能量損失。受位移效應(yīng)影響最大的主要是利用少數(shù)載流子工作的器件，例如太陽電池等。

20世紀(jì)80年代，美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）發(fā)展了等效注量法，通過采用不同能量的質(zhì)子和電子進(jìn)行輻照試驗(yàn)，然后利用獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將不同能量的空間帶電粒子對太陽電池造成的位移損傷與一定通量的1 MeV 電子對太陽電池的損傷進(jìn)行比對，以獲得不同能量和種類的粒子與1 MeV 電子產(chǎn)生同樣損傷的等效系數(shù)；最終把太陽電池在軌期間由連續(xù)能譜的空間帶電粒子輻射導(dǎo)致的位移損傷等效為1 MeV 電子損傷通量，以定量描述太陽電池遭受的位移損傷。

目前，航天器上廣泛采用的是三結(jié)GaAs太陽電池，選用的玻璃蓋片厚度通常為90 μm 和120 μm，按照常用的摻鈰抗輻照玻璃的密度2.56 g/cm3計(jì)算，太陽電池玻璃蓋片的屏蔽面密度相當(dāng)于0.023～0.031 g/cm2。本文取玻璃蓋片屏蔽面密度為0.023 g/cm2，分析不同高度軌道上的捕獲電子和捕獲質(zhì)子對太陽電池輻射損傷的貢獻(xiàn)。

圖4給出了3000～15 000 km、0°傾角軌道上不同能量的捕獲電子和捕獲質(zhì)子產(chǎn)生的年均太陽電池輻射損傷的等效1 MeV 電子通量。從圖中可以看出，與總劑量的來源截然不同，在3000～15 000 km 高度軌道上，捕獲質(zhì)子產(chǎn)生的太陽電池輻射損傷比捕獲電子產(chǎn)生的高2 個數(shù)量級，且隨著軌道高度的變化這種差異并沒有顯著改變。需要特別說明的是，在6000～15000 km 高度軌道區(qū)域及常規(guī)厚度玻璃蓋片屏蔽下，捕獲質(zhì)子產(chǎn)生的平均太陽電池輻射損傷等效1 MeV 電子通量可達(dá)1016～1017/(cm2·a)。若按照5年在軌壽命考慮，太陽電池遭受的輻射損傷將非常嚴(yán)重。

圖4 不同軌道上捕獲電子和質(zhì)子對太陽電池輻射年累積等效1 MeV 電子通量Fig.4 Annual cumulative radiation on solar cell equivalent to 1 MeV electron flux for electrons(left)and protons(right)on different orbits

為了進(jìn)一步明確對太陽電池產(chǎn)生輻射損傷的主要貢獻(xiàn)來自哪個能段的粒子，針對不能通量質(zhì)子和電子在不同軌道上對太陽電池產(chǎn)生的輻射損傷進(jìn)行分析，這里考慮常規(guī)厚度玻璃蓋片（相當(dāng)于屏蔽面密度0.023 g/cm2）和5倍于常規(guī)厚度的玻璃蓋片（相當(dāng)于屏蔽面密度0.115 g/cm2）2種情況，具體結(jié)果見圖5。

圖5 常規(guī)厚度和5倍常規(guī)厚度玻璃蓋片屏蔽下太陽電池輻射損傷來源分析Fig.5 Particle source of radiation damage on solar cell under glass cover of normal thickness(left)and 5×thickness

表2詳細(xì)歸納了3000～15 000 km、0°傾角軌道上太陽電池輻射損傷的來源。從中可以看出：在常規(guī)厚度玻璃蓋片屏蔽下，捕獲質(zhì)子是太陽電池輻射損傷的主要來源；與質(zhì)子相比，捕獲電子產(chǎn)生的損傷可以忽略。采用5倍常規(guī)厚度的蓋片玻璃后，對于12 000 km 高度以下的衛(wèi)星，其太陽電池輻射損傷仍舊主要來自8.0～幾百M(fèi)eV 的質(zhì)子；而在12 000～15 000 km 高度范圍，0.45～幾MeV 的捕獲電子對太陽電池輻射損傷的貢獻(xiàn)逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。

表2 不同高度軌道衛(wèi)星太陽電池輻射損傷來源分析Table 2 Particlesource for solar cell radiation damage on different altitudes of satelliteorbits

表2（續(xù)）

3 槽區(qū)動態(tài)變化對衛(wèi)星輻射效應(yīng)影響分析

3.1 對中軌衛(wèi)星電離總劑量效應(yīng)影響

星上元器件及材料周圍的屏蔽狀態(tài)不同，則對其產(chǎn)生總劑量效應(yīng)的主要輻射源的能段不同。因此，本文首先分析槽區(qū)電子或質(zhì)子填充事件后相應(yīng)能段的粒子通量變化情況。以AP8MAX 和AE8MAX模型分析的結(jié)果代表衛(wèi)星當(dāng)前設(shè)計(jì)的平均值，捕獲質(zhì)子通量擾動值采用AP9模型99%置信度值和CRRESPRO模型擾動值之間的最大值，捕獲電子通量擾動值采用AE9模型99%置信度值、CRRESELE模型擾動值以及SLOT模型99%置信度值之間的最大值。同時，考慮槽區(qū)擾動狀態(tài)在衛(wèi)星壽命期內(nèi)可能出現(xiàn)的概率，對于5年壽命的中軌衛(wèi)星，考慮遭遇1次類似CRRES衛(wèi)星經(jīng)歷的質(zhì)子填充事件（持續(xù)時間半年，約占壽命期的10%）；對于電子填充事件，按照在軌時間的5%作保守估計(jì)。最終，槽區(qū)輻射環(huán)境動態(tài)變化對衛(wèi)星輻射效應(yīng)的影響可按進(jìn)行估計(jì)。其中：We和Wp分別代表捕獲電子效應(yīng)和捕獲質(zhì)子效應(yīng)的貢獻(xiàn)權(quán)重；Pe和Pp分別代表遭遇電子擾動和質(zhì)子擾動的時間概率。

3.1.1 6000 km×0°軌道

表3給出槽區(qū)輻射環(huán)境動態(tài)變化對6000 km×0°軌道衛(wèi)星總劑量影響的分析過程及結(jié)果?？梢钥闯?，以AE8/AP8模型獲得的捕獲電子和質(zhì)子通量作為基準(zhǔn)，槽區(qū)粒子填充事件對該軌道衛(wèi)星總劑量的影響主要表現(xiàn)在屏蔽厚度≥3 mm 的情況下，這是由于此種情況下高能質(zhì)子通量的增加會引起相應(yīng)的總劑量增加約70%；而對于其他屏蔽狀態(tài)的器件及材料，影響可以忽略不計(jì)。

表3 槽區(qū)動態(tài)變化對6000 km×0°軌道總劑量影響Table 3 Total dose variations on 6000 km×0°orbit due to slot region dynamics

3.1.2 8000 km×0°軌道

表4給出槽區(qū)輻射環(huán)境動態(tài)變化對8000 km×0°軌道衛(wèi)星總劑量影響的分析過程及結(jié)果?？梢钥闯?，在該軌道上，捕獲電子通量和20 MeV 以上的高能質(zhì)子通量均可能增加1個數(shù)量級，故對等效鋁屏蔽厚度≥1 mm 的器件及材料，其遭受的總劑量可能增加78%～118%，受輻射帶動態(tài)變化的影響比較顯著。

表4 槽區(qū)動態(tài)變化對8000 km×0°軌道總劑量影響Table 4 Total dose variations on 8000 km×0°orbit due to slot region dynamic changes

3.1.3 10 000 km×0°軌道

表5給出槽區(qū)輻射環(huán)境動態(tài)變化對10 000 km×0°軌道衛(wèi)星總劑量影響的分析過程及結(jié)果?？梢钥闯?，除星表材料外，該軌道上的總劑量主要來源于捕獲電子，而捕獲電子通量可能增大1～2個數(shù)量級，導(dǎo)致器件及材料遭受的總劑量可能增加20%～82%。

表5 槽區(qū)動態(tài)變化對10 000 km×0°軌道總劑量影響Table 5 Total dose variations on 10 000 km×0°orbit due to slot region dynamics

3.1.4 12 000 km×0°軌道

表6給出槽區(qū)輻射環(huán)境動態(tài)變化對12 000 km×0°軌道衛(wèi)星總劑量影響的分析過程及結(jié)果?？梢钥闯觯涸撥壍郎闲潜聿牧系目倓┝恐饕獊碜?～8 MeV的質(zhì)子，此能量段的質(zhì)子受槽區(qū)填充事件的影響較??；艙內(nèi)元器件及材料的總劑量主要來自捕獲電子，而捕獲電子通量可能增大1個數(shù)量級，導(dǎo)致器件及材料遭受的總劑量可能增加27%～157%。

表6 槽區(qū)動態(tài)變化對12 000 km×0°軌道總劑量影響Table 6 Total dose variationson 12 000 km×0°orbit dueto slot region dynamics

3.1.5 14 000 km×0°軌道

表7 給出槽區(qū)輻射環(huán)境動態(tài)變化對14 000 km×0°軌道衛(wèi)星總劑量的影響分析過程及結(jié)果?？梢钥闯觯c12 000 km×0°軌道類似，該軌道上的槽區(qū)質(zhì)子填充事件對星表材料的總劑量影響較??；而捕獲電子通量可能增大1個數(shù)量級，導(dǎo)致該軌道上的艙內(nèi)器件及材料遭受的總劑量可能增加35%～91%。

表7 槽區(qū)動態(tài)變化對14 000 km×0°軌道總劑量影響Table 7 Total dose variationson 14 000 km×0°orbit dueto slot region dynamics

3.2 對中軌衛(wèi)星太陽電池輻射損傷效應(yīng)影響

與總劑量效應(yīng)分析類似，為了分析槽區(qū)輻射環(huán)境動態(tài)變化對太陽電池輻射損傷效應(yīng)的影響。我們同樣采用AP8MAX 和AE8MAX 模型獲得的相應(yīng)能段的粒子通量作為基準(zhǔn)，再利用AP9模型、SLOT模型及CRRES模型的99%置信度值或擾動值來描述槽區(qū)擾動情況的粒子通量，進(jìn)而分析其對太陽電池輻射損傷效應(yīng)的影響。

表8給出6000～14 000 km 高度軌道上，常規(guī)厚度玻璃蓋片屏蔽下，槽區(qū)質(zhì)子填充事件引起的太陽電池輻射損傷等效1 MeV 電子通量的變化?？梢钥吹?，由于該軌道區(qū)域衛(wèi)星的太陽電池輻射損傷99%以上來自2～100 MeV 的質(zhì)子，故考慮遭遇類似CRRES衛(wèi)星所遭受的質(zhì)子填充事件且持續(xù)半年時間，其對太陽電池輻射損傷等效1 MeV 電子通量的影響只增加10%左右。而太陽電池電參數(shù)的衰退與等效1 MeV 電子通量的對數(shù)相關(guān)，因此，可以認(rèn)為槽區(qū)輻射環(huán)境動態(tài)變化對太陽電池輻射損傷（常規(guī)厚度玻璃蓋片屏蔽情況）的影響非常小。

表9給出6000～14 000 km 軌道上，采用5倍常規(guī)厚度玻璃蓋片屏蔽下，槽區(qū)輻射環(huán)境動態(tài)變化引起的太陽電池輻射損傷等效1 MeV 電子通量的變化?？梢钥吹剑?2 000 km 以下高度，太陽電池輻射損傷主要來自8 MeV 以上的質(zhì)子，相應(yīng)的槽區(qū)質(zhì)子填充事件引起的太陽電池輻射損傷等效1 MeV電子通量增大不超過23%。同樣地，考慮到太陽電池電參數(shù)的衰退與等效1 MeV 電子通量的對數(shù)相關(guān)，可以認(rèn)為槽區(qū)輻射環(huán)境動態(tài)變化對太陽電池輻射損傷（5倍常規(guī)厚度玻璃蓋片屏蔽情況）的影響非常小。當(dāng)軌道高度提升至14 000 km 時，太陽電池輻射損傷主要來自0.5 MeV 以上的電子，而槽區(qū)捕獲電子通量可能發(fā)生數(shù)量級的漲落，因此太陽電池輻射損傷等效1 MeV 電子通量可能增大近70%。但整體來看，對于6000～14 000 km 高度中地球軌道，槽區(qū)輻射環(huán)境動態(tài)變化對太陽電池輻射損傷效應(yīng)的影響較小。

表8 常規(guī)厚度玻璃蓋片屏蔽下槽區(qū)輻射環(huán)境動態(tài)變化影響Table 8 Variationsof radiationsdue to slot region dynamics for solar cell glass cover of normal thickness

表9 5倍常規(guī)厚度玻璃蓋片屏蔽下槽區(qū)輻射環(huán)境動態(tài)變化影響Table 9 Variations of radiations due to slot region dynamics for solar cell glass cover of 5×thickness

4 結(jié)束語

本文在分析槽區(qū)擾動事件引起的捕獲粒子環(huán)境條件變化的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析了不同屏蔽狀態(tài)下的中軌衛(wèi)星遭遇的總劑量效應(yīng)和太陽電池輻射損傷效應(yīng)的主要貢獻(xiàn)粒子類別和能段，從而對槽區(qū)擾動變化對衛(wèi)星輻射效應(yīng)的影響開展了初步評估；且分析時所采用的擾動狀態(tài)下的環(huán)境條件均是最惡劣情況，故分析結(jié)果應(yīng)該能夠覆蓋衛(wèi)星在軌實(shí)際遭遇的情況。結(jié)果表明：

1）對于星表或屏蔽厚度較小的位置，如星表熱控材料或太陽電池片，槽區(qū)擾動變化對其整個壽命期內(nèi)相應(yīng)的輻射效應(yīng)影響較小。

2）6000～8000 km 高度軌道，衛(wèi)星艙內(nèi)元器件及材料的總劑量主要來源于捕獲質(zhì)子，故如果衛(wèi)星遭遇強(qiáng)烈的槽區(qū)質(zhì)子填充事件（此類事件發(fā)生的條件比較苛刻，遭遇的概率較低），可能引起相應(yīng)的總劑量變化最大增加約1倍。相對而言，6000 km 高度軌道受槽區(qū)擾動事件影響較小，而8000 km 高度軌道則會受到明顯影響，但此類事件在衛(wèi)星壽命期內(nèi)不一定出現(xiàn)。

3）10 000 km 以上高度軌道，衛(wèi)星艙內(nèi)元器件及材料的總劑量主要來源于捕獲電子，而槽區(qū)電子填充事件在衛(wèi)星壽命期內(nèi)發(fā)生較頻繁，但持續(xù)時間一般較短，且不可能一直維持較高的擾動水平。按照衛(wèi)星1年遭遇18天（占比5%）槽區(qū)電子填充事件的概率估計(jì)，此類事件可能使10 000～14 000 km高度軌道衛(wèi)星所遭受的總劑量最大增加約1.5倍。