弹道导弹高能粒子辐射环境适应性研究

高著秀，孙 健，王玉林，李罗钢，张耀磊



弹道导弹高能粒子辐射环境适应性研究

高著秀，孙 健，王玉林，李罗钢，张耀磊

（中国运载火箭技术研究院研究与发展中心，北京，100076）

导弹飞行环境中包含多种高能带电粒子，会对敏感电子器件产生辐射环境效应影响。针对3个典型的弹道获取高能粒子能谱分布情况，开展辐射环境及效应的分析，探讨导弹对高能粒子辐射环境的适应性，提出防护设计建议，以改善其适应性。

弹道导弹；辐射效应；环境适应性

0 引 言

弹道导弹飞行任务环境中包含辐射带电子、辐射带质子、太阳宇宙线质子等[1~3]多种高能带电粒子。相对于长期在轨的卫星，导弹飞行时间较短，一般忽略辐射环境的影响，因此，也鲜有对弹道导弹辐射环境影响的相关分析和报道。随着对各类飞行器空间辐射环境效应研究的深入，发现即使飞行任务时间短，轨道相对较低，也会受到高能粒子的辐射影响。尤其是单粒子效应，是一种概率事件，飞行过程中敏感器件受到高能粒子入射时，达到其单粒子效应阈值即有可能发生故障，影响任务安全。另外，导弹结构及材料更加多样化，电子器件特征尺寸不断减小、集成度不断提高，加剧了发生单粒子事件的风险[4~6]。因此，有必要针对弹道导弹开展辐射环境适应性的研究，为导弹研制提供辐射环境效应防护方面的参考。本文针对3条飞行轨迹经过相对恶劣的辐射环境的典型弹道导弹任务开展分析，获取高能粒子能谱分布情况，计算在轨吸收剂量及翻转频次，总结影响辐射环境效应的因素及相关规律，提出防护设计建议。

1 辐射环境能谱分析

在弹道导弹飞行过程中经过的辐射环境中的带电粒子主要包括：地球辐射带质子及电子，太阳宇宙射线质子及重离子以及银河宇宙射线质子和重离子。其中，对单粒子效应起作用的带电粒子包括：地球辐射带质子，太阳宇宙线质子和重离子，银河宇宙线重离子；对总剂量效应起作用的带电粒子包括：地球辐射带质子和电子、太阳宇宙线质子。

弹道导弹飞行一般经过内辐射带区域，对于辐射带高能粒子，大于10 MeV的高能质子基本分布于磁纬度绝对值小于50°的空间[7]。高度在2 000 km以下时，辐射带质子主要分布于南大西洋异常区，辐射带电子主要分布于南大西洋异常区和纬度约60°的两个带状区域。对于太阳宇宙线和银河宇宙线高能粒子主要集中于地磁屏蔽作用相对较弱的极区，因此，本文选取3条弹道进行分析：a）弹道一，飞行轨迹基本处于南大西洋覆盖范围内；b）弹道二，飞行轨迹在北纬60º附近；c）弹道三，穿过极区。3条弹道高度最高点均在2 000 km附近，飞行时间均约40 min。以上3条弹道均为辐射环境相对恶劣的区域，针对以上3条典型弹道开展分析，基本可以说明弹道导弹在辐射环境中的适应性。

下文给出3条弹道辐射环境中地球辐射带电子、辐射带质子、太阳宇宙线及银河宇宙线质子和重离子积分能谱，如图1~7所示。

图1为3条弹道辐射环境中地球辐射带电子微分能谱分布。辐射带电子环境模型采用工程中常用的AE8模型，考虑最恶劣情况，采用太阳活动高年模式 AE8MAX，由于构造AE8模型时所用的地磁场模型为IGRF国际参考地磁场模式，因此本文中选用IGRF作为地磁场模式[8]，该模型是一系列描述地球主磁场及其变化规律的数学模型[9,10]。

图1 地球辐射带电子微分能谱

从图1中分析可知，对于能量小于3 MeV的辐射带电子，经过南大西洋的弹道一中的辐射带电子通量远高于其它两条弹道。对于能量大于3 MeV的高能辐射带电子，穿过高纬区域的弹道二中的电子通量最高。

图2为3条弹道的地球辐射带质子微分能谱分布。辐射带质子环境模型采用AP8MIN，辐射带质子通量在太阳活动低年时较大，因此选太阳活动低年时模型作为辐射恶劣情况，地磁场模型选用IGRF国际参考地磁场模式。

图2 地球辐射带质子微分能谱

从图2中分析可知，对于能量大于1 MeV的辐射带质子，经过南大西洋的弹道一中的辐射带质子通量远高于其它两条弹道。对于能量小于1 MeV的辐射带质子，穿过高纬区域的弹道二中的质子通量最高。总体上，穿过极区的弹道三辐射环境中辐射带质子和电子通量均较小。

图3为弹道二和弹道三辐射环境中太阳宇宙线质子微分能谱。图3a环境模型选用1989峰通量模式，地磁条件为非地影区、地磁风暴模式；图3b环境模型选用国际通用的ESP平均统计模型，该模型可用于总剂量和最劣事件剂量的预测[11]。地磁条件为非地影区、地磁风暴模式。穿过南大西洋的弹道一辐射环境中太阳宇宙线质子通量在平均模式和峰通量模式下均为零。穿过极区的弹道三辐射环境中太阳宇宙线质子通量略高于穿过60°高纬地区的弹道二辐射环境中太阳宇宙线质子通量。对比可知，峰通量模式下太阳宇宙线质子积分通量比平均模式下约高3个量级，可见不同的太阳活动情况下，太阳质子的通量变化显著。

a）峰通量模式

b）平均模式

图3 太阳宇宙线质子微分能谱

图4~6为3条弹道辐射环境中太阳宇宙线重离子积分能谱，其中峰通量模式采取的环境模型为CREME96最坏5 min模式，地磁条件为非地影区、风暴模式。平均模式采取的环境模型为PSYCHIC模式，该模型具有较宽的能量范围[12]。地磁条件为非地影区、地磁风暴模式。其中弹道一辐射环境中太阳宇宙线重离子只有峰通量模式下存在少量通量。3条弹道中，经过极区的太阳宇宙线重离子通量最大。对比可知，峰通量模式下太阳宇宙线重离子积分通量比平均模式下高约2个数量级。

图4 弹道一太阳宇宙线重离子积分能谱（峰通量模式）

a）峰通量模式

b）平均模式

图5 弹道二太阳宇宙线重离子积分能谱

a）峰通量模式

b）平均模式

续图6

图7为3条弹道辐射环境中银河宇宙线重离子积分能谱（=2~28）。

a）弹道一

b）弹道二

c）弹道三

由图7可知，分析中采用的环境模型为CREME96模式[13]，是目前国内外广泛采用的银河宇宙线统计模型，该模型利用解析表达式描述银河宇宙线粒子的强度变化。地磁条件为非地影区、地磁平静模式（该模式下银河宇宙线通量较大）。穿过极区的银河宇宙线重离子通量最高，穿过南大西洋异常区的银河宇宙线重离子通量最低。银河宇宙线重离子通量比以上各种粒子均低，其对飞行器的辐射环境效应影响相对较小。

总结上述对3条弹道辐射环境中高能带电粒子的分析结果，弹道一考核辐射带质子和辐射带电子的影响，弹道二考核能量和通量均相对较高的各种粒子辐射环境的影响，弹道三重点考核太阳宇宙线和银河宇宙线辐射环境的影响。具体特性见表1。

表1 弹道辐射环境特性统计

2 辐射环境适应性分析

2.1 总剂量效应适应性分析

辐射环境中吸收的剂量主要来源于地球辐射带质子、辐射带电子和太阳宇宙线质子。根据第1节对3条弹道辐射环境中获得的带电粒子能谱的分析结果，可以获得3条弹道的吸收剂量-深度分布曲线。

图8为3条弹道飞行任务中的吸收剂量-深度分布曲线，分析时采用实心球模型。由图8可知，穿过南大西洋异常区的弹道一辐射剂量远高于其它两条弹道，且弹道一辐射剂量主要来源于辐射带质子，弹道二、弹道三的辐射剂量主要来源与辐射带电子和太阳宇宙线质子。假设只有电子设备壳体对电子器件提供防护，设备壳体厚度为2 mm，材料为铝合金。对照 图8中的剂量深度曲线，3条弹道中电子设备内部在经历弹道辐射环境后总的吸收剂量分别为15.1 rad（Si）、2.26 rad（Si）和0.33 rad（Si），常规电子器件抗总剂量阈值大于1 000 rad（Si），可以满足任务要求，电子设备发生总剂量效应的风险极低，无需采取专门的总剂量效应防护措施。

a）弹道一

b）弹道二

c）弹道三

2.2 单粒子效应适应性分析

为开展电子设备内部敏感电子器件单粒子效应计算分析，首先应基于空间高能带电粒子能谱及LET谱的计算。针对空间高能带电重离子需计算其LET谱，而高能质子需计算微分能谱，下面给出3条弹道辐射环境高能粒子穿过防护层后的能谱及LET谱。

同样针对2 mm等效铝防护层开展分析，由于只有穿过南大西洋异常区的弹道一辐射环境中存在能量较高的辐射带质子，因此，只有弹道一辐射带质子穿过2 mm防护层，其它两条弹道辐射环境中辐射带质子能量较小，其未能穿过2 mm防护层。图9为弹道一辐射带质子穿过防护层后能谱。

图9 弹道一辐射带质子穿过防护层后能谱

图10为弹道二和弹道三辐射环境中太阳宇宙线质子穿过2 mm厚防护层后微分能谱图（弹道一无太阳宇宙线质子通量）。图10a环境模型采用平均统计模型ESP模式；图10b环境模型采用1989峰通量模式。

a）平均模式

b）峰通量模式

图10 太阳宇宙线质子穿过防护层后能谱

由图10分析结果可知，太阳宇宙线质子穿过2 mm等效铝防护层后，在通量峰通量模式下比平均统计模式约高3个数量级。

图11为弹道二和弹道三辐射环境中太阳宇宙线重离子穿过2 mm厚防护层后LET谱。其中，图11a离子模型采用PSYCHIC模式；图11b离子模型采用CREME96 最坏5 min模式。由图11的分析结果可知，太阳宇宙线重离子穿过2 mm等效铝防护层后，在峰通量模式下比平均统计模式高约3个数量级。弹道一辐射环境中只有在峰通量模式下有少量太阳宇宙线重离子穿过防护层。

a）平均模式

b）峰通量模式

图11 太阳宇宙线重离子穿过防护层后LET谱

图12为3条弹道辐射环境中银河宇宙线重离子穿过2 mm厚防护层后LET谱图。其中，离子环境模型采用CREME96模式。弹道二和弹道三辐射环境中银河宇宙线重离子穿过防护层后LET谱基本一致，且远高于穿过南大西洋异常区的弹道一辐射环境中银河宇宙线重离子穿过防护层后LET谱。

图12 银河宇宙线重离子穿过防护层后LET谱

为了对电子器件抗辐射加固选型提供参考，本文以两款SRAM型FPGA器件为代表，对其任务期间发生单粒子效应的频次进行分析。在轨单粒子翻转概率的计算结果见表2，分析时采取太阳活动峰年时模式，考虑发生太阳耀斑时的粒子情况，太阳宇宙线质子与重离子都采取平均统计模型和“5 min峰通量”模式进行比较。

表2 单粒子翻转概率分析

依据工程设计经验，为确保任务安全，在单粒子效应防护中应进行3倍冗余设计，所分析的3个弹道的飞行任务中器件发生单粒子效应的频次应小于12次/（器件·天）。器件1在3个弹道的飞行任务中，发生单粒子翻转的次数均大于12次/（器件·天）。器件2在弹道二、弹道三飞行任务中，平均统计模式下在轨翻转次数小于12次/（器件·天），峰通量模式下在轨翻转次数均大于12次/（器件·天）。弹道一飞行任务中，无论平均统计模式还是峰通量模式在轨发生单粒子翻转次数均大于12次/（器件·天）。可见器件2的抗辐射性能优于器件1，这两款器件单粒子翻转概率均过高，不满足抗辐射要求。

对比分析结果可知：

a）对于辐射带质子，应主要考虑弹道是否穿过南大西洋异常区，穿过该区域时，如果防护层厚度较小，有发生单粒子效应的风险,其它情况下辐射带质子能量较小，穿过防护层后能量及通量更小，基本不会造成单粒子翻转。

b）对于太阳宇宙线及银河宇宙线，在极区的通量相对较高。另外，发生单粒子效应的概率取决于是否爆发太阳活动及爆发太阳活动的强度，发生太阳耀斑时比平均模型下的计算结果约高3个数量级。

c）由表1中对两款器件的分析结果比较可知，器件的抗辐射水平直接影响着单粒子效应的风险，应选择满足任务抗辐射指标要求的电子器件。

3 辐射防护设计建议

综合以上分析结果，结合卫星常规辐射防护工程经验，针对弹道导弹总剂量效应和单粒子效应防护提出以下设计建议：

a）总剂量效应防护设计建议。

对于弹道导弹，即使单机外部没有其他防护结构，仅有单机自身约2 mm壳体的屏蔽情况下，单机在轨吸收的辐射剂量即达到非常小的量级，目前的结构设计可以满足防护要求，不需要进行额外的总剂量效应防护设计。

b）单粒子效应防护设计建议。

对于弹道导弹单粒子效应的防护可参照卫星常用单粒子效应防护设计要求。结合器件的抗辐射指标及环境参数，对弹道导弹电子器件抗单粒子效应提出防护设计要求如下：

1）器件抗SEU（单粒子翻转）的LET阈值大于15 （MeV·cm2）/mg时可直接使用，器件抗SEL（单粒子锁定）阈值大于75 （MeV·cm2）/mg时可直接使用；

2）器件抗SEU的LET阈值小于15 （MeV·cm2）/mg或无LET阈值数据的，应进行抗SEU防护设计，并对其防护效果进行评估，确认满足要求方可使用；器件抗SEL阈值在37~75 （MeV·cm2）/mg时，需进行防护设计，对其防护效果评估后，方可使用；

3）器件抗SEL阈值小于37 （MeV·cm2）/mg时，不得使用。

4 结束语

本文针对3个典型的弹道任务开展了辐射环境及效应的分析，这3条弹道分别穿过辐射环境中各种高能粒子相对恶劣的环境，分析结果基本可以说明弹道导弹在辐射环境中的适应性。依据分析结果，在对弹道导弹辐射防护设计中，基本可以不考虑总剂量效应对电子器件及材料的影响；对于单粒子效应，当防护层厚度有限时，应选用抗辐射性能满足要求的电子器件，以确保在爆发大的太阳活动事件条件下，也不会因产生单粒子效应而发生故障。

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Research of Energetic Particles Environment Adaptability of Ballistic Missile

Gao Zhu-xiu, Sun Jian, Wang Yu-lin, Li Luo-gang, Zhang Yao-lei

(R&D Center, China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing, 100076)

There are various energetic particles in flight environment of missile. They will affect the sensitive electronic apparatus. Based on the energy spectrum of energetic particles along three trajectories, the radiation environment and effects are analyzed in this article. Also, the energetic particles environment adaptability of ballistic missiles is studied, and correlative protection design suggestions are proposed.

Ballistic missile; Radiation effects; Environmental adaptability

1004-7182(2017)06-0106-07

10.7654/j.issn.1004-7182.20170623

V412.1

A

2016-12-20；

2017-06-08

高著秀（1977-），女，博士，工程师，主要研究方向为空间环境总体设计