低軌道空間帶電粒子分布特征與航天器安全

1、低軌道空間帶電粒子分布特征與航天器安全（中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心北京100190 ）摘要：許多科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星、空間站的運(yùn)行軌道高度大都為幾百公里，為空間近地軌道。近地空間存在著各種成分、不同能量的帶電粒子，以不同方式對航天器的安全構(gòu)成威脅。雖然已有輻射帶模型用以適應(yīng)航天器的設(shè)計(jì)需要，但模型在反映帶電粒子動(dòng)態(tài)變化上存在局限性。利用我國1999年-2007年期間低軌道部分衛(wèi)星探測數(shù)據(jù)，總結(jié)近幾年低軌道空間 粒子輻射特征，充分認(rèn)識(shí)低軌道空間環(huán)境及其效應(yīng)，不僅為航天器的正常運(yùn)行及航天器最佳設(shè)計(jì)提供必要的參考，也為開展科學(xué)研究提供重要依據(jù)。關(guān)鍵字：低軌道；帶電粒子；航天器安全0前言許多科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星

2、、空間站的運(yùn)行軌道高度大都為幾百公里，為空間近地軌道。近地軌道空間存在著多種成分、不同能量的帶電粒子，帶電粒子在軌道空間分布不均勻、隨時(shí)間變化復(fù)雜多樣，它們會(huì)對軌道上的航天器及其內(nèi)部電子設(shè)備，產(chǎn)生一系列物理、化學(xué)和生物效應(yīng)，影響其在軌正常工作，甚至?xí)τ詈饺藛T造成輻射損傷，危及宇航員的生命。 近地軌道空間帶電粒子主要來自輻射帶捕獲粒子、高緯極區(qū)沉降粒子、太陽宇宙線及銀河宇宙線。自60年代初期開始,美國NASA就根據(jù)衛(wèi)星觀測資料開始編制輻射帶的模型，并隨著不斷的改進(jìn)和完善，形成了一系列的輻射帶質(zhì)子、電子模型，以滿足適應(yīng)航天器設(shè)計(jì)的需要。但模型不反映帶電粒子的瞬時(shí)擾動(dòng)變化，且在數(shù)據(jù)覆蓋區(qū)域、觀測對

3、象范圍及時(shí)間等方面有一定的局限性。因此，對于航天器的最佳設(shè)計(jì)需要更多的現(xiàn)時(shí)探測數(shù)據(jù)結(jié)果提供參考，同時(shí)模型需要更多的現(xiàn)時(shí)探測數(shù)據(jù)進(jìn)一步發(fā)展完善。本文主要利用國內(nèi)低軌衛(wèi)星高度約580800km左右軌道上運(yùn)行的星載空間環(huán)境監(jiān)測器獲得的帶電粒子探測數(shù)據(jù)，分析討論低軌道空間粒子分布特征，深入了解低軌道空間粒子環(huán)境。數(shù)據(jù)時(shí)間范圍在1999年5月至2007年近一個(gè)太陽活動(dòng)周期。1輻射帶捕獲粒子分布特征內(nèi)輻射帶位于赤道上空，海拔約600 10000km之間，其緯度邊界約 40°。內(nèi)輻射帶在南大西洋上空（西經(jīng)40°）,由于那里的磁場強(qiáng)度弱，磁力線的磁鏡點(diǎn)高度低，其下界降到海拔200km左右，

4、形成負(fù)磁異常區(qū)，稱為南大西洋負(fù)磁異常區(qū)（SAA）。對于近地軌道衛(wèi)星而言，其在軌運(yùn)行期間必定穿越內(nèi)輻射帶,即SAA內(nèi)輻射帶中帶電粒子的主要成分是質(zhì)子（能量范圍在 0.1-400MeV）和電子（0.1-7 MeV）， 也有少量重離子存在。在衛(wèi)星穿越輻射帶時(shí)，帶電粒子會(huì)對航天器及星內(nèi)設(shè)備產(chǎn)生輻照損傷、單粒子效應(yīng)、衛(wèi)星表面充放電等，威脅在軌運(yùn)行的安全和壽命。（1）輻射帶帶電粒子通量和分布區(qū)域隨衛(wèi)星軌道高度變化的特征在不同軌道高度輻射帶帶電粒子分布區(qū)域、通量不同。圖1中給出軌道高度分別為 860km、630km、580km的極軌衛(wèi)星2.9-5.4MeV ； 100-300MeV高能質(zhì)子同一時(shí)期探測的結(jié)果

5、。獲取該數(shù)據(jù)的探測儀器技 術(shù)狀態(tài)一致，且儀器在三類不同衛(wèi)星上的安裝方位一致。圖中可以看出不同軌道高度的高能質(zhì)子空間分布存在如下差異：軌道高度越高，粒子通量越大，分布區(qū)域越廣，對航天器及星內(nèi)設(shè)備的危害的可能性 也增大。（2）不同的軌道高度，對于能量較低的高能質(zhì)子2.9-5.4MeV在兩極高緯區(qū)域也有少量分布，兩極通量大小隨軌道高度增加而增強(qiáng)。軌道越低，在兩極高緯區(qū)分布的粒子越少，且在兩極分布呈現(xiàn)明顯的不對稱，南緯高緯區(qū)域粒子強(qiáng)度要明顯高于北緯高緯區(qū)域。而在衛(wèi)星高度下降到580km,其軌道空間粒子在北緯高緯區(qū)幾乎沒有出現(xiàn)。圖1不同軌道高度 2.9-5.4MeV、100-300MeV高能質(zhì)子空間分布

6、圖2給出重離子空間分布。從Be以上重離子分布區(qū)域看，已超出輻射帶異常區(qū)，呈現(xiàn)全球隨機(jī)分布特征。這些粒子中的大部分為宇宙線異常成分，隨原子序數(shù)的增加，離子計(jì)數(shù)減小。原子序數(shù)18( Ar)以上的重離子已無明顯分布。mi 鬪164 I*!<>486圖2 800 km軌道咼度重離子空間分布(3) 帶電粒子在軌道空間呈現(xiàn)明顯的方向性分布圖3給出580km軌道高度不同方向空間粒子輻射劑量(輻射劑量反映軌道環(huán)境中各種帶電粒子的作用)的監(jiān)測結(jié)果，1、3分別安裝在衛(wèi)星-Y、+Y方向(+Y軌道面法向負(fù)方向，2安裝在-X方向(衛(wèi)星飛行反方向)，可以看出在不同的安裝方向，帶電粒子輻射劑量存在較大的差異，表

7、明來自土Y方向的粒子強(qiáng)度要大于來自-X方向。這主要是由于各衛(wèi)星傳感器安裝方向不同導(dǎo)致探測到空間粒子的投擲角 不同，從而影響到各衛(wèi)星粒子的探測結(jié)果。因此在衛(wèi)星防護(hù)加固設(shè)計(jì)以及星內(nèi)設(shè)備安裝位置時(shí)要充分考慮空間粒子在不同方向的分布強(qiáng)度差異。圖3 580km高度空間粒子長期輻射劑量(4)太陽周期變化導(dǎo)致低高度捕獲質(zhì)子和電子通量的周期變化太陽活動(dòng)存在11年周期，1997年-2007年處在第23周太陽活動(dòng)周期，2000年-2001年進(jìn)入太陽活因此輻射帶低高度的邊界由于動(dòng)高年，在太陽活動(dòng)高年的時(shí)候中性大氣層相應(yīng)于太陽活動(dòng)低年要膨脹, 與大氣中性成分的相互作用而受到侵蝕， 故粒子通量會(huì)隨太陽周期活動(dòng)變化， 變

8、化趨勢相反。且變化與 粒子能量有關(guān)，高能粒子受到太陽活動(dòng)的影響較小， 低能粒子受到太陽活動(dòng)的影響較大。 粒子通量變化 除了隨太陽活動(dòng)周期的長期變化外， 還呈現(xiàn)出隨太陽黑子活動(dòng)短期變化的正相關(guān)關(guān)系。 在太陽黑子數(shù)多 的年份粒子通量大，在太陽黑子數(shù)少的年份粒子通量小。圖 4、圖5分別給出800km衛(wèi)星高度不同能量 高能質(zhì)子通量隨太陽活動(dòng)周期長期變化分布。由此，在短期雖然內(nèi)輻射帶帶電粒子環(huán)境變化相對穩(wěn)定，但存在與太陽活動(dòng)相關(guān)的長周期變化，未來隨著航天器在軌工作壽命的延長，不能忽視帶電粒子這種長時(shí)間的變化。圖4 800km高度軌道空間高能質(zhì)子通量隨太陽活動(dòng)周期長期變化分布圖5 800km高度軌道空間高

9、能質(zhì)子(2.9-5.4MeV )分布與太陽黑子活動(dòng)相關(guān)關(guān)系2帶電粒子注入特征帶電粒子注入通常發(fā)生在磁暴和太陽質(zhì)子事件期間。在太陽質(zhì)子事件期間，太陽發(fā)出的高能帶電粒子沿磁力線方向注入到地球的高緯極區(qū)附近，高緯極區(qū)的帶電粒子通量有時(shí)會(huì)高出輻射帶好幾倍。而在寧靜期基本不出現(xiàn)的重離子在太陽質(zhì)子事件期間會(huì)在兩極高緯區(qū)域出現(xiàn)計(jì)數(shù)。圖6給出太陽質(zhì)子事件爆發(fā)期間，2.9-5.4MeV、5.4-11.7 MeV 能量范圍的高能質(zhì)子和60-570MeV的重離子C的響應(yīng)分布，可以看出帶電粒子在兩極出現(xiàn)大量的計(jì)數(shù)。對1999年5月至2007年不同時(shí)期近地軌道質(zhì)子事件粒子響應(yīng)結(jié)果表明，在太陽質(zhì)子事件期間，大量的高能粒子

10、注入極區(qū)高緯區(qū)域，與太陽質(zhì)子事件強(qiáng)度有關(guān)，能量在100-300MeV的高能質(zhì)子在極區(qū)也會(huì)出現(xiàn)計(jì)數(shù)；對于重離子而言，原子序數(shù)更高的 Fe以上的重離子在太陽質(zhì)子事件期間在高緯極區(qū)也有計(jì)數(shù)出現(xiàn)。太陽質(zhì)子事件期間，帶電粒子注入能量高，強(qiáng)度大，持續(xù)時(shí)間較長，增加航天器在軌出現(xiàn)故障的可能性。2000年7月14日特大質(zhì)子事件，導(dǎo)致日本 AKEBON衛(wèi)星發(fā)生單粒子事件，造成星載計(jì)算機(jī)嚴(yán)重故障，工作崩潰。在磁暴期間，地磁場位形發(fā)生變化，輻射帶及磁尾帶電粒子在磁場電場的作用下會(huì)沿磁力線向兩極沉降，2.9-5.4MeV的高能質(zhì)子和2MeV的高能電子在兩極高緯區(qū)域計(jì)數(shù)增強(qiáng)，見圖 7。磁暴期間，能量 大于10Me V以

11、上的高能質(zhì)子在軌道空間的分布不受影響。磁暴期間，大量帶電粒子的注入，且?guī)щ娏Ｍ枯^長時(shí)間維持在高水平，可能會(huì)在衛(wèi)星運(yùn)行過程中產(chǎn)生充放電等效應(yīng)，影響衛(wèi)星運(yùn)行安全。圖6 800km軌道高度帶電粒子太陽質(zhì)子事件期間粒子擾動(dòng)變化rVjQ-JMI'SDallfl aBH 4 *L 護(hù)I14圖7 800km軌道高度帶電粒子磁暴期間粒子擾動(dòng)變化3結(jié)論基于衛(wèi)星實(shí)際探測結(jié)果分析空間粒子輻射特征，可以看出低軌衛(wèi)星空間帶電粒子輻射環(huán)境既存在大 范圍、長時(shí)間的變化特征，也有局域性的暫態(tài)變化，其分布是多變的、復(fù)雜的。在擾動(dòng)時(shí)，衛(wèi)星遭遇到的帶電粒子的成分、強(qiáng)度會(huì)發(fā)生瞬間變化，這一時(shí)期是衛(wèi)星故障的高發(fā)生期。未來即將進(jìn)入又一周太陽活動(dòng)峰年，即時(shí)了解掌握軌道空間帶電粒子分布特征，實(shí)時(shí)開展軌道空間帶電粒子探