基于专利视角的空间站设备抗辐照加固技术发展分析

2019-09-05党丽芳

军民两用技术与产品 2019年8期

◎ 王琼丁洁党丽芳

（1.中国航天系统科学与工程研究院；2.北京航天情报与信息研究所）

来源于地球辐射带、银河宇宙线和太阳宇宙线的天然粒子辐射，会产生航天器材料性能退化甚至功能丧失、电子元器件性能漂移和衰退、电路产生逻辑错误等问题，抗辐射加固技术就是为提高航天器承受天然或人工粒子辐射坏境能力，避免其运行期间遭受辐射损伤而采取的防护措施。期主要源于美国波音公司进行了新一轮的全球专利部署，尤其是在抗辐照结构方面申请了大量的专利，以及21世纪初期世界航天强国纷纷参与国际空间站建设，产生了众多研究成果；2009—2012年的阶段性高峰期主要受霍尼韦尔公司专利申请量迅速增长的影响，该公司在这段时期为即将上市的不同系列辐射加固静态随机存取存储器（SRAM）进行了大量专利布局。

一、技术发展趋势分析

空间站设备抗辐照加固技术的相关专利申请最早出现在20世纪七八十年代（如图1所示），起因是美国在该时期发生的70%卫星异常事件都与空间环境有关，技术人员开始逐渐进行空间设备抗辐照加固技术研究。在该技术发展过程中，专利申请数量经历了2002—2006年的技术快速爬升期和2009—2012年的阶段性高峰期。2002—2006年的专利申请快速爬升进入2012年以后，空间站设备抗辐照加固技术逐步发展成熟，全球专利申请总量开始下降。

图1 空间站设备抗辐照加固技术发展趋势分析

从图1中还可以看出，美国、日本在该领域起步较早，我国的发展则滞后10年左右；在2012年前，美国的申请量与全球申请总量的发展趋势保持一致，并且申请总量能够直接影响全球趋势，可见美国在该领域的绝对领先地位；而在2012年后，美国专利申请数量开始下降，我国由于开始实施空间站等工程，在该技术领域取得显著成果且相关专利申请数量越来越多。

二、专利申请情况分析

本文选取抗单粒子翻转、抗辐照结构、单粒子效应测试、抗辐照电路板设计、抗瞬态干扰和抗单粒子闩锁等六大抗辐照加固关键技术作为分析对象，对抗辐照的具体技术构成和各技术分支的发展趋势进行分析。

图2为1991—2017年空间站环境设备抗辐照加固技术领域申请的专利情况，从图2可以看出，抗单粒子翻转方向申请的专利量远远大于其他分支技术，是空间站设备抗辐照加固技术的研究重点，同时印证了单粒子翻转是空间站设备单粒子效应的主要来源。抗单粒子翻转的专利申请数量在2011年到达高峰后逐渐下降，说明该技术逐步发展成熟。查阅相关资料显示，抗单粒子翻转专利申请人主要来自美国，说明美国在抗单粒子翻转技术上逐渐发展成熟，投入越来越小。

从图2可以看出，抗辐照结构方向的专利申请量排在第2位，该技术主要关注空间站设备的壳体、材料和结构布局，是空间站抗总剂量辐照防护的主要技术手段，专利申请量较高是可以预见的。抗辐照结构方向的专利申请量在2007年后保持稳定，说明抗辐照结构一直是抗辐照加固技术领域研究的热点和重点。

从21世纪初开始，每年都有人申请单粒子效应测试方向的专利。查阅相关资料显示，单粒子效应测试的专利申请人主要来自我国，这是因为我国航天领域用的多数芯片和设备主要依靠进口，技术应用多集中在芯片和设备的单粒子效应测试方面。

抗辐照电路板设计、抗瞬态干扰和抗单粒子闩锁方向的专利申请量较少，基本呈零星分布。通过查阅相关资料发现，抗辐照电路板设计多属于一些特定的电气规则和公司操作规范，并不适宜申请专利，而且部分电路设计申请了集成电路布图设计保护，所以专利申请量较少。空间的瞬态干扰和单粒子闩锁现象很少发生，相应的抑制手段研究也较少，不属于本领域研究热点。

图2 1991—2017年空间站环境设备抗辐照加固技术领域申请的专利情况

三、主要国家和主要申请人分析

根据相关资料可知，美国在空间站环境设备抗辐照加固技术领域申请的专利数量最多，是该领域技术最先进的国家，也是可以作为技术引进、学习和跟踪的参考国家。另外，俄罗斯虽然是航天强国，但由于受其自身知识产权制度的影响，并没有将更多的研究成果以专利的形式呈现，所以俄罗斯的专利申请量较少。20世纪80年代至今，各国空间设备抗辐照加固主要技术领域申请专利情况，见表1。

霍尼韦尔、IBM、XILINX、波音、麦克斯韦、AARM均是美国的公司，美国在该技术领域拥有强大的科研能力，同时霍尼韦尔、IBM和麦克斯韦近几年申请数量较多，说明这些公司近年来在该领域投入较多，发展较快，空间站设备抗辐照加固技术仍是这些公司的研发重点。我国在该领域的技术优势主要体现在单粒子效应测试方面，对关键设备的设计等还缺乏布局，而美国公司的技术优势主要体现在抗单粒子翻转和抗辐照结构等核心技术领域，间接地说明虽然我国发展迅速，但是核心领域和核心技术与美国还有一定差距。20世纪80年代至今，国外主要公司在抗辐照加固技术领域的专利申请情况，见表2。

本文在对全球申请人分析后，对国内相关的研究机构也进行了分析。在我国相关研究机构中，中国航天科技集团有限公司和相关高校具有明显优势；其中申请量排名前七的机构，有4个来自国内高校，包括北京航空航天大学、北京大学、国防科技大学、哈尔滨工业大学，这些高校的主要技术实力集中在一些预研技术上，是进行产学研结合的最好平台。

四、抗单粒子翻转技术功效分析

在空间站设备抗辐照加固技术领域，抗单粒子翻转是主要技术手段，因此本文对抗单粒子翻转技术进行重点功效分析。

抗单粒子翻转技术手段分为检错纠错、ECC编码、三模冗余、双模冗余、重配置、逻辑单元设计等6种方式；技术效果分为FPGA加固、CPU加固、片外存储器加固、逻辑单元加固等4种方式1逻辑单元设计包括芯片的逻辑组成单元的设计，如D触发器、锁存器等内部逻辑器件。FPGA、CPU加固和片外存储器加固指FPGA、CPU加固和片外存储器具体应用时的加固，而不包括FPGA、CPU加固和片外存储器研制时内部电路设计的加固。。其中，逻辑单元电路设计、三模冗余是抗单粒子翻转领域的两个研究热点。逻辑单元电路设计用于提高芯片内部电路的逻辑单元的加固能力，三模冗余用于提高FPGA应用时的加固能力。此外，ECC编码在逻辑单元、片外存储器的抗单粒子翻转上有一定的应用；而双模冗余预计不再是抗单粒子翻转的主要技术手段。抗单粒子翻转技术功效分析如图3所示。US20070087128A1为代表，采用高原子序列金属结构屏蔽辐射；以英国电信集团的US8154881B2为代表，利用多层金属和复合材料组成三明治结构来屏蔽高能辐照。2007—2016年，这个阶段抗辐照的研究已经较为成熟，性能优化成为主要研究内容，以阿尔伯塔大学的US20110278058A1为代表，采用蜂窝矩阵复合材料结构屏蔽辐射。未来，由多层金属/复合材料组成的屏蔽结构将有可能成为抗辐照的主要方式。

表1 各国空间设备抗辐照加固主要技术领域申请专利情况（个）

表2 国外主要公司在空间站环境设备抗辐照加固技术领域的专利申请情况（个）

图3 抗单粒子翻转技术功效分析

五、抗辐照结构布局发展路线分析

1995—1998年，抗辐照结构布局研究集中在通过材料研制和结构布局对抗干扰，以波音公司的US5998867A为代表，通过组合应用金属材料及复合非金属材料来屏蔽辐射，以及以三菱电机的JP10268088A为代表，通过增加金属屏蔽罩、利用圆锥结构屏蔽罩、增加屏蔽层厚度来进行抗辐照。1999—2001年，抗辐照手段开始向高性能化方向迈进，主要集中在复合材料研制方面，以三菱电机的JP2001114200A为代表，应用更灵活的组合屏蔽结构及微波吸收材料来屏蔽辐射；以三菱电机的JP2001291984A为代表，利用电场干扰射线和复合材料屏蔽组合结构来抗辐射。2002—2006年，主要是高端材料的应用，以波音公司的