如题,是很多卫星相关产品设计师经常提出的问题。对此,没有简单的答案可以一言以蔽之,需要综合考虑具体的空间辐射危害类型及其根源辐射粒子特性。
空间辐射对卫星造成的危害主要是两大类,一类是与产品寿命相关成正比的确定性累积辐射效应,主要是(电离)总剂量效应(TID,Total Ionizing Dose)和位移损伤(剂量)效应(DDD,Displacement Damage Dose);另一类是有一定发生几率的偶发随机性辐射效应,典型的就是单粒子效应(SEE,Single Event Effects)。以下以1100km高度、5年寿命的太阳同步轨道卫星为例,分析说明典型的铝材料屏蔽效果。
图1是针对电离和位移损伤剂量的屏蔽效果。对于确定性的累积辐射效应TID和DDD,工程上预计设定的设计指标不确定度约为2倍左右,一定幅度地降低辐射总剂量对于器件选用有利。从图中可见,相对于卫星舱表面的高额剂量,典型的3mm铝机箱屏蔽,可将TID和DDD降低2个量级,是非常有效和非常必要的;进一步增加1~2mm屏蔽厚度,可将TID降低40%、60%,也有较明显效果;继续增加至8mm以上,TID仅再降低不超过10%,效果不突出。因此针对近地卫星抗TID而言,常用的数mm厚铝材料(如图中兰色框所示)可以较好地屏蔽阻挡占比较多的辐射带电子,较大幅度地降低TID;但是当铝材料厚度达到10mm左右时,其对屏蔽阻挡辐射带中的高能量质子乏力,TID减缓效果有限。再看图中对DDD的屏蔽效果,在较宽范围内随着屏蔽厚度的增加,对DDD的减缓幅度仅有TID减缓效果的约1/2,性价比不高,屏蔽防护设计任务艰巨。
图1 电离和位移损伤剂量屏蔽效果
图2是针对诱发单粒子效应的银河宇宙线LET谱的屏蔽效果。对于偶发随机性SEE,工程上预计的在轨发生率不确定度约为1个量级,成量级地大幅度降低SEE发生率对于器件选用和电路系统防护设计有益。从图中可见,卫星基本的3mm铝屏蔽将LET谱强度降数倍~1个量级,具有一定效果。进一步增加屏蔽厚度至10mm、20mm,诱发SEE的LET谱强度降低三四成到一半左右,效果不明显。
图2 诱发单粒子效应的银河宇宙线LET谱屏蔽效果
对于商业卫星大量使用的COTS器件,辐射带质子也是诱发其发生SEE的主要根源。图3是针对诱发单粒子效应的辐射带质子能谱的屏蔽效果。从图中可见,卫星基本的3mm铝屏蔽将诱发SEE的辐射带质子强度降低两到五成,稍具效果。进一步增加屏蔽厚度至10mm、20mm,诱发SEE的辐射带质子强度降低一两成到三四成,效果不明显。
图3 诱发单粒子效应的辐射带质子能谱屏蔽效果
小结:常见的数mm厚铝屏蔽对TID防护效果显著,接近或超过10mm厚的铝屏蔽对TID防护性价比不高。数mm至数十mm厚铝屏蔽对DDD防护效果性价比不太高。更厚的铝屏蔽防护银河宇宙线和辐射带质子诱发SEE效果不明显。