商业航天元器件抗辐射性能保证研究

张洪伟 李鹏伟，3 孙毅

(1 中国空间技术研究院，北京 100094)(2 国防科技工业抗辐照应用技术创新中心，北京 100029)(3 哈尔滨工业大学材料学院，哈尔滨 150006)

当前，世界商业航天正处于快速发展的新阶段，其带来的全新思维方式、发展理念和商业模式，引发了人们的高度关注，必将成为航天产业持续发展的新动力[1]。复杂的空间辐射环境将对航天器造成在轨性能退化或失效，给航天器在轨寿命和可靠性带来严峻的挑战，是引起航天器在轨故障的主要环境因素之一[2]。随着我国商业航天的兴起和对卫星在轨运行可靠性要求的增强，特别是新材料、新器件、新技术等在商业卫星上的应用，开展元器件，尤其是低等级元器件抗辐射保证方面的研究工作迫在眉睫。

元器件抗辐射保证是指通过一系列的活动，使得元器件在轨发生因辐射导致的故障降低至可承受范围或消除的程度。针对空间电子学系统的辐射问题，国内外开展了大量的研究工作[3-8]，其中最具代表的为NASA发布的《Radiation hardness assurance for space systems》[9]和ESA发布的《Space product assurance radiation hardness assurance》[10]保证规范文件，其主要特点为面向任务需求，自上而下地给出了系统级、元器件级的抗辐射保证规范，建立了较成熟的元器件抗辐射保证体系，而我国在元器件抗辐射保证方面还具有一定的差距。

本论文结合商业航天卫星空间应用辐射环境特征，分析了低轨不同轨道环境的辐射指标要求，提出了基于商业航天应用元器件辐射敏感性分析的技术流程、评估内容和风险控制策略，建立了面向商业航天卫星应用的元器件抗辐射保证新要求和新模式。

1 商业航天的抗辐射需求

1.1 任务特点

国内的商业航天的卫星应用主要涉及通信、遥感、导航3大领域，其主要有通信实时高效、分辨精度高、导航精度高等特点，其具有全面商业化和创新驱动等特征，核心在于航天领域选准和培育颠覆性技术，有效地进行持续创新，而航天是高风险、高投入的领域，其势必在成本、进度和质量控制之间达到平衡。而空间存在的辐射环境会对卫星产生辐射损伤，影响卫星的性能和功能。因此需要关注商业航天的辐射问题，保障其在轨可靠性和安全性。

1.2 轨道辐射环境

商业航天的空间部署在近地轨道，目前有向深空发展的趋势。本文只讨论近地轨道(LEO)相关的辐射环境效应。LEO轨道高度为几百千米～几千千米的范围、轨道倾角也较低(通常小于60°左右)的航天器轨道[2,11]。结合高度和倾角特点，将本文讨论的LEO轨道的辐射环境划分如下：

(1)当轨道高度大于约600 km时，将进入内辐射带下边界，遭遇内辐射带的捕获电子和捕获质子；

(2)当轨道高度小于600 km、且倾角小于约40°左右时，轨道将不会进入南大西洋异常区的中心区域，因此面临的辐射带环境较温和；

(3)当轨道高度大于1000 km后，南大西洋异常区将逐渐消失；

(4)当轨道高度约大于2000 km时，将进入内辐射带的中心区域，将面临恶劣的内辐射带捕获电子和捕获质子辐射环境。

1.3 辐射应用需求

近地轨道环境中存在的粒子种类主要有地磁场捕获质子和电子、太阳耀斑质子、重离子(少数的太阳宇宙射线和银河宇宙射线构成)等。基于不同轨道高度、倾角，以及地磁场捕获质子和电子、重离子、太阳耀斑质子事件等的模型参数，利用SPACE RADIATION 5辐射效应仿真软件进行计算，获得不同线性能量传递值(Linear Energy Transfer，LET)范围内的重离子数见表1所示，不同质子、电离辐射吸收剂量分别见图1所示。

表1 近地轨道中重离子数的分布的情况

从图1中可以看出，取3 mm铝屏蔽厚度，低轨卫星在轨1年遭受的电离总剂量水平在0.13～11.09 krad(Si)的范围；而10 MeV能量质子的注量水平在1.66×109～3.87×109p/(cm2·年)，含地球捕获质子和太阳耀斑质子，如图2和图3所示。由表1可知，LEO辐射环境中重离子数的LET值在15 MeV·cm2/mg以内的粒子数较多；而在(15，37] MeV·cm2/mg范围的粒子数较少；而大于37 MeV·cm2/mg的重离子数极少(见表2，此为以3 mm铝屏蔽进行分析的结果)。因此，需要重点考虑LET值在37 MeV·cm2/mg以内的重离子造成影响。

图1 遭受的电离辐射吸收剂量曲线

图2 捕获质子轨道积分能谱曲线

图3 可能遭遇的太阳耀斑质子积分能谱

表2 近地轨道空间辐射环境不同辐射损伤效应分布特征

注：位移损伤剂量是以10 MeV质子注量为参考，叠加地球捕获质子和太阳耀斑质子进行分析的结果。

2 商业航天元器件抗辐射保证的新要求

元器件抗辐射能力主要有元器件的固有抗辐射能力和元器件的应用抗辐射能力，卫星元器件的固有抗辐射能力一般通过辐射试验评估的方式获得，而采用的评估条件无法体现其应用状态，无法表征其应用抗辐射能力。因此，局限于器件本身的辐射数据，无法反映任务需求及其系统性解决方案，导致周期较长，成本较高。因此，快速低成本的商业航天对元器件抗辐射保证提出了新的要求。

1)开展系统级应用元器件辐射效应分析，快速准确评估元器件应用抗辐射能力

面向低轨卫星应用的主要任务功能，基于元器件本身的辐射能力不能获得系统功能的真实水平，因此需要开展基于元器件抗辐射性能的系统应用分析。通过分析元器件在辐射水平下的电性能参数响应，结合其应用状况，分析系统的抗辐射能力情况，以期达到满足任务功能的目的，促进新技术、新产品、新材料在航天中的应用。

2)建立面向任务的工程化抗辐射业务模式，降低元器件在轨应用辐射风险

从商业卫星低成本、高效率的任务需求出发，结合不同轨道特征，开展轨道辐射环境指标梳理和分解，以元器件选用为目标，开展元器件辐射效应指标分析。在任务周期内需要面向关键任务的单元或关重件开展辐射能力评估和应用风险分析工作，确保在轨任务周期内的辐射安全性，同时满足经济性的要求。

3 商业航天元器件抗辐射保证内容

3.1 低轨空间辐射效应指标分析

根据商业航天器近地轨道的活动特征，结合辐射应用环境需求，表3所示为基于低轨道特征的空间辐射效应的需求指标。针对低轨空间累积辐射环境需求，当在轨寿命要求大于10年时，需要评估总剂量辐射环境的影响。取辐射设计裕度(Radiation Design Margin，RDM)为2时的总剂量(Total Irion Dose，TID)和位移(Displacement Damage，DD)，针对低轨空间重离子、高能质子等辐射环境需求特征，考虑到单粒子效应(Single Event Effects，SEE)引起的任务风险程度，给出元器件抗单粒子指标如表4所示。

表3 元器件电离总剂量和位移损伤辐照指标

注：在轨寿命周期以10年为单位，取RDM=2，且未考虑太阳活动高峰年的影响。

表4 元器件抗单粒子指标要求及风险评估

注:只适用于Si材料的器件，当LET值低于15 MeV·cm2/mg的质子而引起的敏感性也需要分析，因此如果没有测试数据，则需进行质子的地面测试。

3.2 面向应用的抗辐射保证技术流程

为准确快速评估元器件辐射能力，需建立面向低成本、辐射风险可控的抗辐射保证总体技术流程。围绕低成本、高质量的要求，一方面，建立基于卫星研制流程的元器件抗辐射保证工作规范；另一方面，加强系统级元器件辐射效应分析与评估，提升元器件应用抗辐射能力。技术流程图见图4所示。

图4 面向航天器的元器件辐射保证技术流程图

3.3 元器件辐射效应敏感性分析

不同类型及工艺的元器件对辐射损伤的敏感性不一样。根据近地轨道空间辐射环境特性，需要开展元器件辐射效应敏感性分析，快速识别元器件选用的辐射风险。电离总剂量效应敏感的主要有运算放大器、低压差器件、晶体管、金属-氧化物-半导体(Metal-Oxide Semiconductor，MOS)工艺类器件，以及具有双极-互补金属氧化物半导体电路(Bipolar Complementary Metal-Oxide Semiconductor，BiCMOS)工艺的模数(Analog to Digital Converter，A/D)和数模转换器(Digital to Analog Converter，D/A)类器件等，主要考虑双极工艺(或含)器件的电流增益、偏置电流等敏感参数，特别是低剂量率辐射损伤增强效应；位移损伤效应敏感的主要有双极类器件、图像传感器，以及光电耦合器等，其中双极工艺的正向电流传输比(HEF)退化，尤其在小电流的情况下损伤最严重，如晶体管器件。此外，用在关键部位中的光耦器件需要关注电荷传输效率下降所带来的驱动隔离问题；单粒子效应敏感的器件主要有功率类器件、互补金属氧化物半导体电路(CMOS)集成电路，尤其要关注高压二极管、场效应晶体器件的单粒子烧毁和栅穿问题，以及超大规模CMOS集成电路的单粒子锁定、单粒子功能中断等硬损伤问题。

3.4 元器件抗辐射评估

元器件抗辐射能力是指元器件性能功能在未超出规范之外时所承受的最大辐射水平，可通过抗辐射试验评估而获得。由于飞行试验搭载成本高、周期长，多采用地面辐照模拟的手段来获得器件的抗辐射能力数据。元器件抗辐射能力评估流程见图5所示[3]，空间辐射效应评估要求如下。

(1)电离总剂量要求：辐照偏置条件，敏感参数考核，参数超差和功能失效的判据，应用功能风险分析等，应给出RDM的建议。

(2)位移损伤效应要求：敏感参数考核，参数超差和功能失效的判据，应用功能风险分析等，应给出RDM的建议。

(3)单粒子评估要求：单粒子检测技术(包括单粒子翻转、单粒子瞬态、单粒子功能中断、单粒子栅穿等)，数据获得与分析，在轨预计，单粒子防护及风险分析等。特别是当器件抗单粒子效应的LET阈值低于15 MeV·cm2/mg时，需要评估质子辐照引起单粒子效应。

3.5 元器件应用级抗辐射保证

辐射敏感元器件抗辐射能力不满足型号应用需求，且无可替换时，需要开展辐射防护风险分析，降低该器件的应用风险。一方面，建立低等级元器件辐射效应数据库，加强数据的基础保障和应用指导，降低使用风险，如双极工艺器件的低剂量率增强效应风险等；另一方面从元器件的应用角度出发，结合所在单机或板级中的应用条件，分析其性能和功能在辐射环境中的退化程度，给出设计应用时如局部屏蔽、单粒子减缓技术等抗辐射加固措施，减缓辐射效应对系统或分系统功能性能的影响。针对性的辐射防护及措施见表5所示。

3.6 在轨飞行验证及数据收集

按照抗辐射保证内容和流程对某低轨高分卫星进行了探索实践，具体措施为：①根据寿命(设计寿命由2～3年延长至5～8年)和轨道信息(运行高度约630 km，倾角约97.98°，因实际应用特殊需要倾角较高)作为参数输入，给出该卫星8年在轨寿命内的总剂量、位移和单粒子指标要求；②根据指标要求，针对该卫星系统选用的元器件清单开展辐射效应分析，梳理出辐射敏感器件300项，给出了有辐照数据和无辐照数据清单，其中无辐照数据需要开展辐射试验评估的共计21项，直接选用了具有同等或以上飞行经历的低等级元器件9项；③通过辐照试验评估，建议对低等级可编程逻辑控制器等15款大规模集成电路采取抗单粒子翻转冗余设计，以及对可编程时钟源等3款单粒子锁定较敏感器件采取有效的防护措施。该卫星于2013年发射，目前在轨运行近6年，期间未发生因元器件辐射问题而引起的在轨飞行故障问题。

与飞行搭载获得的数据信息相比，地面模拟获得的抗辐射数据信息不能够完全体现器件在空间运行的辐射性能情况。以商业航天器的在轨飞行为任务目标，针对辐射敏感类器件数据及其防护措施，开展在轨辐射能力验证和辐射数据测试、收集整理工作。在轨飞行阶段，开展基于系统性功能故障现象的元器件辐射效应问题收集与处理，分析器件级辐射效应在系统中的传播与演化规律，提高在轨运行的辐射防护措施，提升辐射应用防护设计的水平。

4 结论

通过对商业航天元器件抗辐射保证的研究，系统分析了近地轨道空间辐射指标，提出了针对低等级元器件应用的抗辐射保证的技术流程，讨论了不同工艺、类别器件辐射效应敏感性以及辐射能力评估的内容，最后给出了基于风险的应对处理措施和建议。通过研究可以得出以下结论：

(1)商业航天卫星元器件的抗辐射指标主要为单粒子指标、总剂量吸收指标和位移指标，其中按照10年寿命要求，RDM=2时的总剂量指标为4 krad(Si)、17 krad(Si)两个层次；等效10 MeV质子的注量指标为3.7×109p/cm2；单粒子的LET阈值指标分为15 MeV·cm2/mg、37 MeV·cm2/mg两个层次；

(2)针对商业航天市场对“低成本、低风险、可复用”的要求，提出了建立系统性的商业卫星元器件抗辐射保证业务新模式，开展基于商业低等级元器件辐射功能、性能退化对系统/单机级功能故障风险分析方法和辐射防护加固措施研究，提升元器件抗辐射保证的有效性、针对性和可复用性。