地球辐射带槽区粒子环境动态变化对中轨卫星辐射效应的影响

呼延奇，蔡震波

（北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

0 引言

近年来，轨道高度5000～15 000 km 的中地球轨道区域卫星的应用越来越受到关注。中地球轨道一般指高度在2000 km 以上、36 000 km（GEO）以下的轨道。这类轨道的特点是大气阻力较小、地面覆盖范围广、可视时间长，具备很多其他轨道所不具备的优越条件，是用于全球导航和移动通信的主要轨道高度。

中地球轨道卫星位于地球外辐射带和内辐射带之间的槽区。因为等离子层顶产生的哨声波在槽区引起很强的粒子投掷角散射，使得粒子不容易被捕获，形成了一个低辐射通量的区域，所以长期以来人们一般认为槽区是近地恶劣辐射环境中的一个安全区域，是适合航天器运行的“安全岛”[1]。然而，CRRES卫星在轨监测的数据显示，在强烈的太阳风暴期间，地球辐射带粒子环境存在显著的强度变化及空间位置重新分布，尤其是在槽区，甚至出现新的质子带和电子带，这深刻改变了人们的原有认识[2-5]。

如果槽区空间粒子环境的动态变化是短时存在的，则从卫星抗辐射设计角度不需太多关注；而如果这种动态变化引起的辐射强度变化达到或超过1个数量级，且持续时间长达数月（或者虽持续时间较短但动态变化频繁），则在卫星的抗辐射设计中必须采取相应的措施，以确保卫星能够耐受在轨可能遭遇的最恶劣辐射环境。

本文利用国际上典型的地球辐射带模型，在详细分析槽区粒子辐射环境动态变化特征的基础上，系统研究这种动态变化对卫星遭受的累积性辐射效应的影响，从而有助于为中轨卫星的抗辐射设计确定合理的环境条件及约束。

1 地球辐射带槽区基本特征

1.1 槽区捕获电子和质子环境分布特征

地球辐射带由被地球磁场捕获的带电粒子（主要为质子和电子）组成，其强度明显集中在内辐射带和外辐射带。内辐射带是靠地球最近的捕获带电粒子区域，其空间范围大致为L=1.2～2.0（L为磁壳参数，是地球空间某点的磁力线与赤道面交点处的地心距离与地球平均半径RE之比，RE=6371 km）；外辐射带是离地球较远的捕获带电粒子区域，其空间范围大致为L=3.0～8.0；内、外辐射带之间存在一个粒子辐射通量较低的槽区，其空间范围为L=2.0～3.0，中心位于L≈2.5处。

图1为当前航天工程设计中采用的标准地球辐射带模型AE8[6]和AP8[7]给出的捕获电子和捕获质子通量在磁赤道面上随磁壳参数L的变化曲线。AE8和AP8模型是长期平均静态模型，反映的是辐射带粒子通量的长期平均结果。从图1可以看出：辐射带槽区主要表现在能量＞500 keV 的电子通量分布上，在2.0＜L＜3.0的槽区内，电子通量相比内、外辐射带电子通量存在一定的下降，而且随着电子能量的升高，其通量下降的幅度越来越大；高能捕获质子主要分布在内辐射带，能量＞50 MeV的质子强度中心位于L=1.5处（对应的高度约为3000 km），能量＞50 MeV 的质子在槽区内的通量较内辐射带中心区域存在显著的下降，然而能量＜10 MeV 的低能质子在槽区内的通量却处于较高水平。

图1 地球辐射带捕获粒子通量随L 值的变化曲线Fig.1 Distribution of fluxes of trapped particles in Earth’s radiation belt vs L value

初步分析可知，高度在5000～15 000 km 的中轨道所在的辐射带槽区中的捕获粒子通量并非在全能段上均处于较低的水平：能量＜500 keV 的电子和能量＜10 MeV 的质子的通量水平并没有明显下降，尤其是能量＜10 MeV 的质子通量实际上非常高；而对于能量＞500 keV 的高能电子和能量＞50 MeV 的高能质子，其在槽区内的通量相比内辐射带确实存在明显的下降。因此，人们普遍认为的槽区粒子辐射水平低主要体现为高能质子和高能电子的通量相对较低。

1.2 槽区粒子辐射环境动态变化

槽区辐射环境动态变化与太阳活动周期、具体每次太阳风暴的状态以及空间位置等均有明显相关性，因此要获得工程可用的分析结果，需借助于通过对大量卫星实测数据进行同化及处理后建立的地球辐射带粒子环境动态模型。

AE8MAX（AE8MIN）和AP8MAX（AP8MIN）模型分别给出太阳活动高年（低年）不同空间位置处的电子和质子能谱，然而无法描述槽区的辐射环境动态变化；其可以作为一个参照基准，通过其他动态模型的分析结果来反映槽区辐射环境的动态变化情况。

目前，可以用于分析辐射带动态变化特性的地球辐射带粒子环境模型包括CRRES模型、SLOT模型以及AE9/AP9模型。

1）CRRES模型

基于CRRES卫星在太阳活动高年期间14个月的探测数据，美国空军研究实验室（AFRL）发展了能部分反映地磁扰动影响的准动态地球辐射带模型，包括质子带模型CRRESPRO[8]和电子带模型CRRESELE[9]。其中，CRRESPRO模型可以给出能量范围1～100 MeV、空间范围L=1.15～5.5的捕获质子通量，并分为CRRESAVG和CRRESACTIVE，分别描述辐射带的平静和扰动状态；而CRRESELE模型则可以给出在6种不同的地磁扰动水平下，能量范围0.7～5 MeV、空间范围L=2.5～6.5（赤道面高度9500～35 000 km）的捕获电子通量。CRRES模型还给出了CRRES卫星任务期内遭遇的平均和最恶劣捕获电子通量。

2）SLOT 槽区电子环境模型[10]

法国国家空间研究中心ONERA 基于NOAA（美国国家海洋和大气管理局）的POES卫星，以及HEO-1、HEO-3、ICO和CRRES卫星的电子通量监测数据，专门建立了一个槽区电子环境模型——ONERA-CNES，可以实现对不同置信度条件下，空间范围2.0＜L＜4.0、能量范围0.1～3 MeV 的捕获电子通量的分析。

3）AE9/AP9模型[11]

NASA 对经典辐射带模型AE8/AP8进行更新，推出最新一代地球辐射带模型——AE9/AP9/SPM。相比于以往的地球辐射带模型给出的均是卫星长期探测数据的平均值，对于粒子通量的涨落范围以及随时间的变化不能给予描述，使得工程应用中对粒子环境不确定性的分析缺少必要数据支持的不足，AE9/AP9/SPM模型首次给出了对粒子通量不确定性的定量描述。

AE9/AP9/SPM 模型给出3种不同粒子通量计算选项，分别是平均值或指定百分位数的量值、静态扰动条件下的量值以及考虑地球辐射带动态变化的蒙特卡罗模拟计算。利用AE9/AP9模型不同置信度条件下的槽区捕获粒子通量分析结果，可以对槽区辐射环境的动态变化情况进行描述。

2 中轨卫星累积辐射效应来源分析

为了分析槽区辐射环境动态变化对卫星抗辐射设计的附加影响，须首先对槽区高度上运行的卫星遭受的辐射效应的来源进行分析。对于运行于3000～15 000 km 高度范围的卫星，其辐射效应主要来源于捕获电子和捕获质子。本文首先采用地球辐射带模型AE8/AP8对不同高度轨道卫星遭遇的辐射效应的来源开展分析识别。

进行中轨卫星抗辐射设计时，对于单粒子效应、充放电效应等瞬时辐射效应通常考虑最恶劣的环境条件，故槽区辐射环境的动态变化对此类效应的防护设计不产生影响；而对于电离总剂量效应、位移损伤效应等累积效应通常考虑长期平均的辐射环境条件，则可能受到槽区辐射环境动态变化的影响。因此，本文重点关注累积辐射效应。

2.1 电离总剂量来源分析

中轨卫星上元器件及材料遭受的电离总剂量损伤主要来自地球辐射带捕获电子和捕获质子。为了分析中轨卫星上应用的元器件或材料遭受的电离总剂量，选择等效铝屏蔽厚度为0.04、1、3、10 mm的4种屏蔽状态，分别模拟星表热控材料、卫星舱板内部电缆以及舱内设备内部等不同应用条件下的屏蔽状态。空间中的带电粒子是连续能谱的，对于不同屏蔽厚度下的元器件或材料，其电离总剂量的主要贡献来自于不同能段的电子和质子：低能粒子射程短，无法穿透卫星舱板屏蔽，只能在星表材料中沉积电离剂量；对于屏蔽厚度较大的元器件或材料，其电离总剂量主要来自于高能粒子产生的次级辐射（如轫致辐射）。

本文利用AE8/AP8模型分析不同高度、0°倾角的中地球轨道上的日累积捕获电子和捕获质子通量，然后利用Shieldose-2软件分析了不同铝屏蔽厚度下各轨道上不同能量的捕获电子和质子对总剂量的贡献。图2和图3分别给出了1 mm 和3 mm铝屏蔽状态下，不同能量的捕获电子和质子对总剂量贡献的累积分数。将特定轨道上的总剂量归一化到1，然后将能量小于某值的电子及质子产生的总剂量除以轨道累积总剂量，即获得相应能量粒子对总剂量的贡献分数；卫星轨道上的总剂量是整个连续能谱的电子和质子产生的电离总剂量的叠加。

图2 1mm 铝屏蔽下不同能量的捕获电子和捕获质子对总剂量的贡献Fig.2 Contribution of electrons(left)and protons(right)of different energies to the total dose with 1 mm aluminum shield

图3 3mm 铝屏蔽下不同能量的捕获电子和捕获质子对总剂量的贡献Fig.3 Contribution of electrons(left)and protons(right)of different energiesto the total dose with 3 mm aluminum shield

表1对不同轨道高度上来自不同能量捕获电子和质子对总剂量的贡献进行了详细分析和归纳。表中数据显示，星表材料的总剂量主要来自于1～20 MeV 的质子和100～600 keV 的电子，且随着轨道高度的变化，质子和电子对总剂量的贡献权重不断变化。而经过舱板1 mm 铝屏蔽作用，对总剂量有贡献的质子能量范围主要在15～100 MeV，电子能量范围在700 keV～几MeV。随着屏蔽厚度的增加，低能质子无法穿透相应的屏蔽，故对总剂量有贡献的质子能量下限不断提高，而电子在屏蔽材料中减速产生的轫致辐射使其对总剂量的贡献逐渐增加；总体来看，经过3～10 mm 铝屏蔽后，对总剂量有贡献的质子能量范围一般在几十～几百MeV，电子能量范围在几百keV～几MeV。

表1 不同高度轨道卫星总剂量来源分析Table 1 Particle source for total dose on satellite at different altitudes of orbits

综上可知：

1）星表材料的总剂量来源与舱板和设备内部的存在显著差异——5000 km 及以下高度轨道星表材料的总剂量主要来自捕获电子；9000 km 以上高度轨道的总剂量主要来自于捕获质子；5000～9000 km高度范围，质子和电子对星表材料的总剂量均有贡献，其权重此消彼长。

2）屏蔽厚度为1 mm 状态下，8000 km 以上高度轨道的总剂量主要来自于捕获电子；8000 km 以下高度轨道的总剂量主要来自于捕获质子，但捕获电子也占有一定份额。

3）对于屏蔽厚度3～10 mm 的状态，电子和质子对总剂量的贡献基本上是各主导一段——9000 km以下高度轨道的总剂量主要来自于捕获质子；9000 km以上高度轨道的总剂量主要来自于捕获电子。

2.2 太阳电池辐射损伤来源分析

空间高能粒子与材料间除了通过电离相互作用交换能量外，还可以通过非电离相互作用交换能量，产生位移效应和非电离能量损失。受位移效应影响最大的主要是利用少数载流子工作的器件，例如太阳电池等。

20世纪80年代，美国喷气推进实验室（JPL）发展了等效注量法，通过采用不同能量的质子和电子进行辐照试验，然后利用获得的试验数据，将不同能量的空间带电粒子对太阳电池造成的位移损伤与一定通量的1 MeV 电子对太阳电池的损伤进行比对，以获得不同能量和种类的粒子与1 MeV 电子产生同样损伤的等效系数；最终把太阳电池在轨期间由连续能谱的空间带电粒子辐射导致的位移损伤等效为1 MeV 电子损伤通量，以定量描述太阳电池遭受的位移损伤。

目前，航天器上广泛采用的是三结GaAs太阳电池，选用的玻璃盖片厚度通常为90 μm 和120 μm，按照常用的掺铈抗辐照玻璃的密度2.56 g/cm3计算，太阳电池玻璃盖片的屏蔽面密度相当于0.023～0.031 g/cm2。本文取玻璃盖片屏蔽面密度为0.023 g/cm2，分析不同高度轨道上的捕获电子和捕获质子对太阳电池辐射损伤的贡献。

图4给出了3000～15 000 km、0°倾角轨道上不同能量的捕获电子和捕获质子产生的年均太阳电池辐射损伤的等效1 MeV 电子通量。从图中可以看出，与总剂量的来源截然不同，在3000～15 000 km 高度轨道上，捕获质子产生的太阳电池辐射损伤比捕获电子产生的高2 个数量级，且随着轨道高度的变化这种差异并没有显著改变。需要特别说明的是，在6000～15000 km 高度轨道区域及常规厚度玻璃盖片屏蔽下，捕获质子产生的平均太阳电池辐射损伤等效1 MeV 电子通量可达1016～1017/(cm2·a)。若按照5年在轨寿命考虑，太阳电池遭受的辐射损伤将非常严重。

图4 不同轨道上捕获电子和质子对太阳电池辐射年累积等效1 MeV 电子通量Fig.4 Annual cumulative radiation on solar cell equivalent to 1 MeV electron flux for electrons(left)and protons(right)on different orbits

为了进一步明确对太阳电池产生辐射损伤的主要贡献来自哪个能段的粒子，针对不能通量质子和电子在不同轨道上对太阳电池产生的辐射损伤进行分析，这里考虑常规厚度玻璃盖片（相当于屏蔽面密度0.023 g/cm2）和5倍于常规厚度的玻璃盖片（相当于屏蔽面密度0.115 g/cm2）2种情况，具体结果见图5。

图5 常规厚度和5倍常规厚度玻璃盖片屏蔽下太阳电池辐射损伤来源分析Fig.5 Particle source of radiation damage on solar cell under glass cover of normal thickness(left)and 5×thickness

表2详细归纳了3000～15 000 km、0°倾角轨道上太阳电池辐射损伤的来源。从中可以看出：在常规厚度玻璃盖片屏蔽下，捕获质子是太阳电池辐射损伤的主要来源；与质子相比，捕获电子产生的损伤可以忽略。采用5倍常规厚度的盖片玻璃后，对于12 000 km 高度以下的卫星，其太阳电池辐射损伤仍旧主要来自8.0～几百MeV 的质子；而在12 000～15 000 km 高度范围，0.45～几MeV 的捕获电子对太阳电池辐射损伤的贡献逐渐占据主导地位。

表2 不同高度轨道卫星太阳电池辐射损伤来源分析Table 2 Particlesource for solar cell radiation damage on different altitudes of satelliteorbits

表2（续）

3 槽区动态变化对卫星辐射效应影响分析

3.1 对中轨卫星电离总剂量效应影响

星上元器件及材料周围的屏蔽状态不同，则对其产生总剂量效应的主要辐射源的能段不同。因此，本文首先分析槽区电子或质子填充事件后相应能段的粒子通量变化情况。以AP8MAX 和AE8MAX模型分析的结果代表卫星当前设计的平均值，捕获质子通量扰动值采用AP9模型99%置信度值和CRRESPRO模型扰动值之间的最大值，捕获电子通量扰动值采用AE9模型99%置信度值、CRRESELE模型扰动值以及SLOT模型99%置信度值之间的最大值。同时，考虑槽区扰动状态在卫星寿命期内可能出现的概率，对于5年寿命的中轨卫星，考虑遭遇1次类似CRRES卫星经历的质子填充事件（持续时间半年，约占寿命期的10%）；对于电子填充事件，按照在轨时间的5%作保守估计。最终，槽区辐射环境动态变化对卫星辐射效应的影响可按进行估计。其中：We和Wp分别代表捕获电子效应和捕获质子效应的贡献权重；Pe和Pp分别代表遭遇电子扰动和质子扰动的时间概率。

3.1.1 6000 km×0°轨道

表3给出槽区辐射环境动态变化对6000 km×0°轨道卫星总剂量影响的分析过程及结果。可以看出，以AE8/AP8模型获得的捕获电子和质子通量作为基准，槽区粒子填充事件对该轨道卫星总剂量的影响主要表现在屏蔽厚度≥3 mm 的情况下，这是由于此种情况下高能质子通量的增加会引起相应的总剂量增加约70%；而对于其他屏蔽状态的器件及材料，影响可以忽略不计。

表3 槽区动态变化对6000 km×0°轨道总剂量影响Table 3 Total dose variations on 6000 km×0°orbit due to slot region dynamics

3.1.2 8000 km×0°轨道

表4给出槽区辐射环境动态变化对8000 km×0°轨道卫星总剂量影响的分析过程及结果。可以看出，在该轨道上，捕获电子通量和20 MeV 以上的高能质子通量均可能增加1个数量级，故对等效铝屏蔽厚度≥1 mm 的器件及材料，其遭受的总剂量可能增加78%～118%，受辐射带动态变化的影响比较显著。

表4 槽区动态变化对8000 km×0°轨道总剂量影响Table 4 Total dose variations on 8000 km×0°orbit due to slot region dynamic changes

3.1.3 10 000 km×0°轨道

表5给出槽区辐射环境动态变化对10 000 km×0°轨道卫星总剂量影响的分析过程及结果。可以看出，除星表材料外，该轨道上的总剂量主要来源于捕获电子，而捕获电子通量可能增大1～2个数量级，导致器件及材料遭受的总剂量可能增加20%～82%。

表5 槽区动态变化对10 000 km×0°轨道总剂量影响Table 5 Total dose variations on 10 000 km×0°orbit due to slot region dynamics

3.1.4 12 000 km×0°轨道

表6给出槽区辐射环境动态变化对12 000 km×0°轨道卫星总剂量影响的分析过程及结果。可以看出：该轨道上星表材料的总剂量主要来自2～8 MeV的质子，此能量段的质子受槽区填充事件的影响较小；舱内元器件及材料的总剂量主要来自捕获电子，而捕获电子通量可能增大1个数量级，导致器件及材料遭受的总剂量可能增加27%～157%。

表6 槽区动态变化对12 000 km×0°轨道总剂量影响Table 6 Total dose variationson 12 000 km×0°orbit dueto slot region dynamics

3.1.5 14 000 km×0°轨道

表7 给出槽区辐射环境动态变化对14 000 km×0°轨道卫星总剂量的影响分析过程及结果。可以看出，与12 000 km×0°轨道类似，该轨道上的槽区质子填充事件对星表材料的总剂量影响较小；而捕获电子通量可能增大1个数量级，导致该轨道上的舱内器件及材料遭受的总剂量可能增加35%～91%。

表7 槽区动态变化对14 000 km×0°轨道总剂量影响Table 7 Total dose variationson 14 000 km×0°orbit dueto slot region dynamics

3.2 对中轨卫星太阳电池辐射损伤效应影响

与总剂量效应分析类似，为了分析槽区辐射环境动态变化对太阳电池辐射损伤效应的影响。我们同样采用AP8MAX 和AE8MAX 模型获得的相应能段的粒子通量作为基准，再利用AP9模型、SLOT模型及CRRES模型的99%置信度值或扰动值来描述槽区扰动情况的粒子通量，进而分析其对太阳电池辐射损伤效应的影响。

表8给出6000～14 000 km 高度轨道上，常规厚度玻璃盖片屏蔽下，槽区质子填充事件引起的太阳电池辐射损伤等效1 MeV 电子通量的变化。可以看到，由于该轨道区域卫星的太阳电池辐射损伤99%以上来自2～100 MeV 的质子，故考虑遭遇类似CRRES卫星所遭受的质子填充事件且持续半年时间，其对太阳电池辐射损伤等效1 MeV 电子通量的影响只增加10%左右。而太阳电池电参数的衰退与等效1 MeV 电子通量的对数相关，因此，可以认为槽区辐射环境动态变化对太阳电池辐射损伤（常规厚度玻璃盖片屏蔽情况）的影响非常小。

表9给出6000～14 000 km 轨道上，采用5倍常规厚度玻璃盖片屏蔽下，槽区辐射环境动态变化引起的太阳电池辐射损伤等效1 MeV 电子通量的变化。可以看到，在12 000 km 以下高度，太阳电池辐射损伤主要来自8 MeV 以上的质子，相应的槽区质子填充事件引起的太阳电池辐射损伤等效1 MeV电子通量增大不超过23%。同样地，考虑到太阳电池电参数的衰退与等效1 MeV 电子通量的对数相关，可以认为槽区辐射环境动态变化对太阳电池辐射损伤（5倍常规厚度玻璃盖片屏蔽情况）的影响非常小。当轨道高度提升至14 000 km 时，太阳电池辐射损伤主要来自0.5 MeV 以上的电子，而槽区捕获电子通量可能发生数量级的涨落，因此太阳电池辐射损伤等效1 MeV 电子通量可能增大近70%。但整体来看，对于6000～14 000 km 高度中地球轨道，槽区辐射环境动态变化对太阳电池辐射损伤效应的影响较小。

表8 常规厚度玻璃盖片屏蔽下槽区辐射环境动态变化影响Table 8 Variationsof radiationsdue to slot region dynamics for solar cell glass cover of normal thickness

表9 5倍常规厚度玻璃盖片屏蔽下槽区辐射环境动态变化影响Table 9 Variations of radiations due to slot region dynamics for solar cell glass cover of 5×thickness

4 结束语

本文在分析槽区扰动事件引起的捕获粒子环境条件变化的基础上，进一步分析了不同屏蔽状态下的中轨卫星遭遇的总剂量效应和太阳电池辐射损伤效应的主要贡献粒子类别和能段，从而对槽区扰动变化对卫星辐射效应的影响开展了初步评估；且分析时所采用的扰动状态下的环境条件均是最恶劣情况，故分析结果应该能够覆盖卫星在轨实际遭遇的情况。结果表明：

1）对于星表或屏蔽厚度较小的位置，如星表热控材料或太阳电池片，槽区扰动变化对其整个寿命期内相应的辐射效应影响较小。

2）6000～8000 km 高度轨道，卫星舱内元器件及材料的总剂量主要来源于捕获质子，故如果卫星遭遇强烈的槽区质子填充事件（此类事件发生的条件比较苛刻，遭遇的概率较低），可能引起相应的总剂量变化最大增加约1倍。相对而言，6000 km 高度轨道受槽区扰动事件影响较小，而8000 km 高度轨道则会受到明显影响，但此类事件在卫星寿命期内不一定出现。

3）10 000 km 以上高度轨道，卫星舱内元器件及材料的总剂量主要来源于捕获电子，而槽区电子填充事件在卫星寿命期内发生较频繁，但持续时间一般较短，且不可能一直维持较高的扰动水平。按照卫星1年遭遇18天（占比5%）槽区电子填充事件的概率估计，此类事件可能使10 000～14 000 km高度轨道卫星所遭受的总剂量最大增加约1.5倍。