Dosrad高能粒子輻射總劑量分析工具

高能粒子輻射總劑量分析一、設(shè)備名稱：高能粒子輻射總劑量分析工具Dosrad二、購置必要性當(dāng)?shù)卮艌?chǎng)捕獲電子、捕獲質(zhì)子和太陽質(zhì)子等構(gòu)成的空間高能粒子向空間站內(nèi)電子設(shè)備及人員的內(nèi)部傳輸時(shí)，其輻射能量會(huì)引起材料的整體性質(zhì)改變、影響載流電子的擴(kuò)散、人體生理機(jī)能改變等，從而導(dǎo)致電子設(shè)備的存儲(chǔ)單元產(chǎn)生錯(cuò)誤、元器件表面的聚合物保護(hù)膜功能、人員健康狀況下降。輻射效應(yīng)的大小，因輻射方式、劑量大小、暴露程度的不同而有所區(qū)別。如果輻射防護(hù)層厚度不夠，會(huì)導(dǎo)致電子設(shè)備及其電子元器件的性能顯著下降或壽命縮短、導(dǎo)致人員發(fā)生健康問題。電子設(shè)備、人體等對(duì)空間環(huán)境中高能粒子的輻射效應(yīng)很敏感，必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的輻射防護(hù)層；同時(shí)，航天器設(shè)計(jì)中對(duì)電子設(shè)備的體積和重量又有嚴(yán)格的限制。不過，航天器的其它零部件對(duì)電子設(shè)備、人員在不同方向上具有不同的輻射屏蔽效果。因此，在對(duì)電子設(shè)備、人員進(jìn)行輻射防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，如果考慮這一屏蔽效果的差異，可以在不同的方向和部位采取差異性的防護(hù)層設(shè)計(jì)，從而既保證了有效的輻射防護(hù)，又不至于增加其體積和重量。因此，為了保障電子設(shè)備和人員長期、安全地工作，必須應(yīng)用三維的輻射劑量分析工具，分析電子設(shè)備、人員接受的輻射劑量及其受到防護(hù)狀況的空間分布，從而更有效地進(jìn)行布局優(yōu)化及其防護(hù)設(shè)計(jì)。該工具不僅可以根據(jù)航天器總體部門提供的任務(wù)周期內(nèi)的輻射劑量及等效防護(hù)層數(shù)據(jù)，分析電子設(shè)備、人員所處位置處的一維的輻射劑量分布及等效防護(hù)厚度，而且可以分析電子設(shè)備、人員的各表面受到的輻射劑量和等效防護(hù)厚度的空間分布。三、設(shè)備的供應(yīng)商Dosrad是法國Astrium公司開發(fā)的輻射劑量分析工具。Astrium公司是歐洲第一、世界第三大的航天工業(yè)公司，是歐洲宇航防務(wù)集團(tuán)（EADS）旗下的全資

子公司，一直致力于為歐洲創(chuàng)建探訪太空的穩(wěn)定渠道，鞏固其在空天運(yùn)輸、航天器系統(tǒng)研制和宇航服務(wù)領(lǐng)域的領(lǐng)軍地位。四、設(shè)備的功能及特色1.快速建立輻射分析所需的三維模型三維模型可以由常見的幾何曲面通過布爾運(yùn)算等構(gòu)建模型按照樹狀層次結(jié)構(gòu)組織，可按組或零件指定屬性分窗口顯示三視圖等。三維模型也可通過Step203、Iges等格中間文件式從外部導(dǎo)入；如果是結(jié)構(gòu)分析的網(wǎng)格模型，可以通過Nastran的bdf格式中性文件直接導(dǎo)入用于分析。無論是在Dosrad中建立的模型還是導(dǎo)入的模型，都可以在GUI界面下修改其形狀、屬性等參數(shù)，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分或細(xì)化。航天器不同部件、人員可以設(shè)置不同的材料特性，由軟件自動(dòng)計(jì)算其它部件、人員對(duì)分析對(duì)象的等效防護(hù)效果。建模界面同時(shí)也是結(jié)果顯示界面。輻射劑量、等效厚度等結(jié)果都可以以云圖、曲線等方式顯示。SysternaFileEditToolsViewModelerSysternaFileEditToolsViewModelerMeshingSATE,sysinsh*EJ-白”?曰」」？?■/」？:-!-_?-'」_:-!-_?-'」_:-!-_?-'」Material|ModelMeshing=31103DViev(2)SATE.sysMshremperature7T.587149606334.2637559055-9.05963779525|~52383031496-95.7064251968-139.029818898-182.353212598-225.676606299-26912/04/200900:53:32.3S3xMeshingSATE,sysinsh*EJ-白”?曰」」？?■/」？:-!-_?-'」_:-!-_?-'」_:-!-_?-'」Material|ModelMeshing=31103DViev(2)SATE.sysMshremperature7T.587149606334.2637559055-9.05963779525|~52383031496-95.7064251968-139.029818898-182.353212598-225.676606299-26912/04/200900:53:32.3S3x1800憐衛(wèi)

圍A▼■▼p▼贏▼0▼?▼0-0▼W▼9▼0130002,0003,0004,0005,0006,0007,000Simulationtime(s)dy|o|dz|o'File"Solo5imBle_kine.syskin"successfullyloadedin0"0"'.FiLe"S&TE.sysnidl^successfullyloadedin0?0：J.File"SATE-mysmsh"successfullyloadedin0s1.?iLeJSolosinu)le_Mis￡.sysnis^successfullyloadedin0’2’'.?iLe^Thermisol.sysprc^successfullyloadedin0’O’'-Info:Thefile^SoloEiniDleML55-syEmiB*'referencedinfile^Thernisol.sysDrc^hasbeenupdated-^Thermisol.sysDrc^reauirestobesaved.2.便捷的軌道和姿態(tài)定義與可視化支持包含低空軌道、中空軌道和高空軌道等在內(nèi)的各種開普勒軌道定義。軌道可以是一個(gè)完整的橢圓也可以是多段橢圓弧構(gòu)成的復(fù)雜軌道（如轉(zhuǎn)移軌道）?；顒?dòng)部件除了具有其父部件的動(dòng)力學(xué)狀態(tài)外，還可以疊加自身的姿態(tài)。由此可以定義諸如天線旋轉(zhuǎn)、太陽翼對(duì)日定向等復(fù)雜的姿態(tài)。3.內(nèi)嵌國際公認(rèn)的空間環(huán)境模型內(nèi)嵌國際上公認(rèn)的空間環(huán)境模型。如地磁場(chǎng)模型包括Jensen&Cail、IGRF2005和IGRF2010模型，捕獲電子模型包括NASA的AE8、LANL、POLE等模型，捕獲質(zhì)子模型包括AP8模型，太陽耀斑模型包括King、Oct89、JPL91和ESP模型等。

可以獲得以鋁、水、硅、二氧化硅等為探測(cè)材料的輻射劑量深度曲線。高能粒子輻射劑量深度曲線的計(jì)算中考慮太陽活動(dòng)、南大西洋異常區(qū)等因素的影響。分析指定軌道下捕獲電子、捕獲質(zhì)子、太陽風(fēng)質(zhì)子的通量、注量等在不同能級(jí)的分布。E+09E+oerE+O7rE+Oer42025烏層厚度(mm)1.E+02T0E+09E+oerE+O7rE+Oer42025烏層厚度(mm)1.E+02T0一總劑量一電子韌致輻射—太陽質(zhì)子4.系統(tǒng)層次的輻射劑量分析如果總體部門提供了任務(wù)狀態(tài)和整個(gè)航天器的幾何模型，既可以分析電子設(shè)備、人員所處位置的中心點(diǎn)的總體輻射劑量，也可以分析電子設(shè)備、人員在前后左右上下六個(gè)方向受到的輻射劑量、等效防護(hù)效果以及各外表面的輻射劑量分布。從而根據(jù)各方向的輻射劑量或關(guān)鍵表面的輻射劑量結(jié)果，考慮電子設(shè)備、人員可承受的輻射劑量閥值，確定是否需要對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的輻射防護(hù)加強(qiáng)。IRADIATIONDOSE尺EC：IRADIATIONDOSE尺EC：EIVEDBY6FACESIIOFTHEBOX:A5IIONPOINT(215.000,460.000,290.000)II(SATELLITEREFERENCEFRAME)IDOSECURVE:SOLIDSPHERETECHNIQLIE:SLANTRESULTSINSYSTEMFRAMEIBOXIIFACEIRAD.DOSEI(rad)ISOLIDANGLEI(steradian)1TOTALTHICKEQU??(mm)1STRU匚.EQU.I1THICK,(mm)1IJ348299?72.10I0.780.78I+Y3201380.53.33I0.280.28I+Z224053.70.85I0.620.62I-X333402.12.10I0.800.80I-Y1023059.83.33I0.560.56I-Z232342.80.85I0.600.60I1TOTALi5362539?012.57I0.475.部件層次的輻射劑量分析如果總體部門提供的是電子設(shè)備、人員接受的輻射劑量和其他部件提供的等效防護(hù)效果，則考慮電子設(shè)備、人員的布局及幾何模型，既可以分析電子設(shè)備或人員內(nèi)某一特定點(diǎn)接收到的輻射劑量；也可以分析其內(nèi)部核心部位在前后左右上下六個(gè)方向受到的輻射劑量、其它部件提供的等效防護(hù)效果以及各外表面的輻射劑量分布。根據(jù)這些輻射劑量結(jié)果考慮是否對(duì)核心部位進(jìn)行輻射防護(hù)加強(qiáng)。KatlatjanKatlatjan^{riiEirTUosEfliieshPoint:13^91*^?2J539t*OO7I.r禹和no?ZM^OOfDosecartographyonanequipment五、應(yīng)用情況Dosrad是專業(yè)用于航天器輻射總劑量分析的軟件包，已開發(fā)有二十多年時(shí)間。作為Astrium公司仿真與設(shè)計(jì)部門的系統(tǒng)分析工具之一，自1989年開始由歐空局資助開發(fā)以來，是ESA推薦的輻射總劑量分析工具，在歐美的很多通訊和觀察衛(wèi)星項(xiàng)目中得到了應(yīng)用和驗(yàn)證，包括Telecom2、Hotbird、Worldstar、Astra2B、IntelsatX、Spot4/5等多個(gè)衛(wèi)星項(xiàng)目。通過在哈工大、中國航天509所、中國航天一院、航天二院等科技院所的應(yīng)用，Dosrad也為中國的航天事業(yè)貢獻(xiàn)了一份力量。以下部分列舉了國外成功應(yīng)用Dosrad進(jìn)行空間輻射劑量分析的案例。1.BepiColombo的輻射劑量分析BepiColombo是水星探測(cè)器，包含水星環(huán)繞軌道器MPO和水星磁層軌道器MMO,這兩個(gè)軌道器均由水星運(yùn)輸模塊MTM攜帶。整個(gè)任務(wù)分為兩個(gè)階段，第一階段用6.25年飛向水星，第二階段用2年繞水星工作，相應(yīng)的劑量曲線通過仿真獲得。BepiColombo的輻射劑量分析項(xiàng)目于2007年由Astrium公司用DosradV3.20完成。項(xiàng)目中計(jì)算了NORM算法下等效為鋁材料時(shí)的球殼劑量深度曲線。對(duì)平臺(tái)的系統(tǒng)級(jí)分析的結(jié)果表明：MPO的星載電子設(shè)備受到的等效鋁層厚度為3.65mm，接收的總劑量是32.67krad（Si）。對(duì)有效載荷的分析也得到了類似的結(jié)果。

MPOUNITSPACECRAFTTOTALDOSEatSYSTEMSHIELDINGTARGETUNITTHICKNESSavg.Aleq.4nspherical[mm][krad(Si)]OnBoardComputer|3,65|32,67RemoteInterfaceUnit3,2038,40EPCKA14,7422,94EPCKA24.5124,58SWITCHKA5,4319,67PDU47622,80RMUSCAO4,9521,43IMUSIRUSCAO4,3225,90RWLSCAO4.2026,78RWLminusX4,0028,21TRANX.24,3522,13TRANX.147223,09Battery4;1527,11PCDU4;1127,36SSMM4,1427,20APMEHGA4,0727,69RFDU4,8522,18SADE4,2726,27EPCX14,8821,91EPCX2|3,57|33,65TotaldoseatMPOplatformunits(sectoringanalysisonsystemlevel)2.某衛(wèi)星的輻射劑量分析根據(jù)總體部門提供的任務(wù)周期內(nèi)的劑量深度曲線，分析了某衛(wèi)星內(nèi)一個(gè)電子設(shè)備各個(gè)方向上接收到的輻射劑量和等效防護(hù)厚度結(jié)果，并將輻射劑量結(jié)果映射到零件表面用于分析敏感表面的輻射劑量分布狀況。12833.3[Dosepermesh(rad)-NOBMtechnique-Shellsphere6422.669627.968025.314820.0112833.3[Dosepermesh(rad)-NOBMtechnique-Shellsphere6422.669627.968025.314820.013217.361614.7112.060911230.63.SPOT5的輻射劑量分析SP0T5中電子設(shè)備的輻射劑量分析也采用了Dosrad。111DIJi刊皿二|3TO閔111DIJi刊皿二|3TO閔砂*T"1ZI71|a佃miCiin-mlanalDosecalculationonSPOT5