地球同步轨道空间环境与效应集成化探测装置

摘要

本发明公开了一种地球同步轨道空间环境与效应集成化探测装置，包括筒形探测器壳体、盖设在壳体上的两层准直层，以及筒形内部设置的各探测元件和功能层；两层准直层具有中心开口以用于接收入射的空间环境粒子，筒形探测器壳体内交替设置金属层和绝缘层，其中，绝缘层的内部空间用于容纳剂量敏感元件、单粒子翻转探测元件以及内部充电电位监测片，两层准直阻挡层的表面上分别设置其他探测元件。本发明具有结构简单、功能多、重量轻、功耗低等特点。

权利要求

1.地球同步轨道空间环境与效应集成化探测装置，包括筒形探测器壳体、盖设在壳体上第一层准直阻挡层以及层叠在第一层准直阻挡层上的第二层准直层，以及筒形内部设置的各探测元件和功能层；两层准直层的中心具有一开口以用于接收入射的空间环境粒子且靠近筒形中轴线设置的第二层准直层的面积要小于第一层的面积，筒形探测器壳体内交替设置金属层和绝缘层，其中，设置在上下两层金属层之间的绝缘层形成一内部空间，用于容纳剂量敏感元件、单粒子翻转探测元件以及内部充电电位监测片，其中，在准直阻挡层中心的开口处设置有剂量敏感元件，第一层准直层的裸露表面上设置有石英晶体微量天平和温度监测元件，第二层准直层的裸露表面上设置有微小碎片监测片和通过绝缘层叠放的表面充电电位监测片。

2.如权利要求1所述的地球同步轨道空间环境与效应集成化探测装置，其中，金属层的层数要大于绝缘层的层数，且在最底部的金属层下方同样设置剂量敏感元件、单粒子翻转探测元件。

3.如权利要求1所述的地球同步轨道空间环境与效应集成化探测装置，其中，剂量敏感元件、单粒子翻转探测元件以及内部充电电位监测片的设置位置处于入射空间环境粒子的方向上。

4.如权利要求1-3任一项所述的地球同步轨道空间环境与效应集成化探测装置，其中，金属层的面积要能够覆盖绝缘层内部空间的面积。

5.如权利要求1-3任一项所述的地球同步轨道空间环境与效应集成化探测装置，其中，空间环境粒子为电子、质子和重离子。

6.如权利要求1-3任一项所述的地球同步轨道空间环境与效应集成化探测装置，其中，探测器的外壳用金属作为屏蔽结构。

7.如权利要求1-3任一项所述的地球同步轨道空间环境与效应集成化探测装置，其中，金属层厚度根据航天器的舱壁厚度和内部结构与仪器的等效厚度来设定。

8.如权利要求1-3任一项所述的地球同步轨道空间环境与效应集成化探测装置，其中，剂量敏感元件和单粒子翻转敏感元件均为孤立排布。

9.如权利要求1-3任一项所述的地球同步轨道空间环境与效应集成化探测装置，其中，第1层的金属层选用航天器舱壁材料为金属材料，厚度为航天器舱壁厚度；第2层的金属层选用航天器内部的支撑结构材料为金属材料，厚度为航天器内部的支撑结构等效厚度；第3层金属层选用航天器单机或载荷的机箱或单机支撑件的材料作为金属材料，厚度为航天器单机或载荷的机箱厚度；第4层金属层选用内部典型局部屏蔽材料作为金属层材料，厚度为典型局部屏蔽层厚度。

10.如权利要求1-3任一项所述的地球同步轨道空间环境与效应集成化探测装置，其中，剂量灵敏元件选用MOSFET场效应管，分别在探测装置的不同位置放置。

说明书

地球同步轨道空间环境与效应集成化探测装置

技术领域

[0001] 本发明属于空间环境与效应探测技术领域，特别涉及一种地球同步轨道空间环境与效应集成化探测装置。

背景技术

[0002] 地球同步轨道又简称为GEO轨道。是指高度为35786km的地球轨道区域。该区域分布有大量的导航卫星、通信卫星等。

[0003] GEO轨道环境除了真空、温度、太阳电磁辐射外，还有大量的带电粒子。这些带电粒子的来源主要是地球辐射带的外辐射带、太阳宇宙射线和银河宇宙射线等，还有少量的空间碎片和微流星体。

[0004] 其中，空间粒子辐射环境主要是指在轨道上航天器遭遇的各种能量的带电粒子环境，由两大类组成：一大类为天然粒子辐射环境，另一类为高空核爆炸后所生成的核辐射环境。天然粒子辐射的主要成分为电子和质子，具有能谱宽、强度大的特点，主要包含三方面来源：地球辐射带粒子、太阳宇宙射线和银河宇宙射线。

[0005] 由于地球存在磁场，空间的带电粒子被磁场捕获，聚集到地球周围空间中，将这一存在着大量地磁捕获的带电粒子的区域称为地球辐射带，也称为“范阿伦”带。由于带电粒子空间分布不均匀，比较集中地形成了2个辐射带：内辐射带和外辐射带。外辐射带的空间范围很广，在赤道平面高度大约从10000km一直延伸到60000km，中心位置约在20000～25000km左右，纬度边界约为55°～70°。其主要成分为低能质子和电子，能量低于1MeV，最大通量达10J/m2/s。

[0006] 太阳色球经常发生局部区域短时间增亮现象，称为太阳耀斑，往往伴随着大量高能粒子的喷发，主要为高能质子，也包括少量的α粒子和重离子，质子能量为10～1000MeV。喷发会造成粒子通量的增加，通常会持续几个小时到一周以上，但典型情况下持续2～3天。

[0007] 银河宇宙射线是来自太阳系之外的带电粒子流，主要成分为高能质子(约占88％)以及少量的α粒子和重离子，粒子能量为100～104MeV，通量为2～4/(cm2·s)。

[0008] GEO轨道航天器运行轨道高度为35786km，高于外辐射带的中心高度(20000km-30000km)，接近外辐射带外边缘，其辐射环境受行星际磁场影响较大，与太阳活动状况密切相关。GEO轨道地球辐射带环境的主要成分是捕获电子，能量在0.04MeV-5MeV范围之内的捕获电子占总数的绝大部分。发生大的环境扰动事件的时候，辐射带中的高能电子通量会大大增强，也会造成航天器发生内带电效应。

[0009] 微流星体是指起源于彗星和小行星带并在星际空间中运动的固态粒子。微流星体可能与航天器发生撞击并导致航天器的损伤，损伤的种类与程度取决于航天器大小、构型、工作时间以及微流星体质量、密度、速度等特性。这种撞击损伤包括压力容器的破裂、舷窗的退化、热控涂层的层裂、热防护性能的降低和天线系统的损伤等。

[0010] “空间碎片”(亦称太空垃圾)是人类航天活动遗弃在空间的废弃物，是空间环境的主要污染源。从1957年发射第一颗人造地球卫星以来，空间碎片总数已经超过4千万个，总质量已达数百万公斤，地面望远镜和雷达能观测到的空间碎片平均每年增加大约200个，大于10厘米的空间碎片现在已经超过了9200个。其中，地球同步轨道是空间碎片的重灾区之一，而航天器表面充电电流主要来自空间等离子体环境和太阳极紫外辐射环境，空间周围等离子体包括电子，质子和其他离子，这里我们只考虑电子和质子。所有这些带电粒子都具有能量，一般用动力学温度T(eV)来表征。

[0011] 目前，引起航天器内带电效应的电子能量范围为100keV到几个MeV，一旦绝缘介质的电荷累积超过绝缘材料的自然放电阈值可引起绝缘介质的放电，引起对电子系统的干扰。近年来的多次航天器在轨故障被归为内带电效应所致，如太阳帆板驱动装置(solar array drive assembly,SADA)功率环的放电等。内带电效应主要发生在中高轨道，其中内、外辐射带发生内带电的风险最高，例如如图1所示，由图可见，GEO轨道处于外辐射带的边沿，也具有较高的内带电风险等级。

[0012] 此外，高能电子及质子和重离子等引起的单粒子翻转效应、总剂量效应等是需要重点关注的空间环境及效应。空间碎片与航天器的平均撞击速度高达每秒10公里，严重地威胁着在轨航天器的安全运行。可引起航天器材料与器件发生一系列粒子撞击损伤效应。空间碎片危害航天器安全的最主要物理特征是由超高速撞击导致的机械损伤效应，航天器安全防护的对象主要是毫米级及微米级空间碎片。大于10厘米的空间碎片将导致航天器毁灭性损坏，由于目前能够通过地基望远镜或雷达测定其轨道，可以采取预警规避的策略有效地防止其伤害；厘米级空间碎片也可以导致航天器彻底损坏，目前尚无切实可行的防护措施，唯一办法是在航天器设计及运营上，设法降低使航天员及航天器发生致命性损害的风险；毫米级空间碎片能够导致航天器表面产生撞坑甚至使舱壁穿孔，撞击部位不同，危害的程度也会有很大差异。以每秒10公里的撞击速度为例，1mm铝质空间碎片能够穿透约2mm的铝合金板，其穿孔直径达到约4mm；10mm的空间碎片能够击穿约20mm铝合金板，其穿孔直径近50mm；微米级空间碎片的单次撞击对航天器的结构强度不会造成直接的影响，但其累积撞击效应将导致光敏、热敏等器件功能下降。尺寸为1微米的空间碎片撞击铝制舱壁其撞击坑直径达4微米，深度约2微米；撞击玻璃舷窗其损伤区域直径约达100微米，撞击坑深度约3微米；撞击热控隔热层可以形成约7微米的孔洞。尽管损伤尺寸较小，但是它依然可能造成微小的影响，例如降低光学表面的光洁度、改变热控辐射表面的辐射特性、击穿防护原子氧腐蚀的保护膜等等。由于这种尺寸的空间碎片数量巨大，例如在800公里高的太阳同步轨道上，每1平方米面积上1年大于1微米空间碎片的累积通量约达近30000个，其损伤累积效应将导致光学表面发生化学污染、凹陷剥蚀或断裂,破坏太阳电池阵的电路及热防护系统等航天器的易损表面，使航天器功能下降或失效。

[0013] 在GEO轨道，我国主要利用DFH系列平台卫星，搭载了太阳软X射线探测器、高能质子探测器、高能电子探测器和静电电位差计，对电子、质子、X射线、航天器表面充电电位等进行了探测。这些探测器均只能实现一种功能的探测。

[0014] 目前国内外尚没有针对GEO轨道开发专门的空间环境与效应的集成化探测装置，无法实现一种探测装置可以开展多种空间环境与效应的探测。

发明内容

[0015] 为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种地球同步轨道空间环境与效应集成化探测装置，可以实现温度、污染、微小碎片、高能电子、表面充电电位、内部充电电位、单粒子翻转、总剂量等多种空间环境与效应的探测，可在GEO轨道航天器上批量搭载。

[0016] 本发明采用了如下的技术方案：

[0017] 地球同步轨道空间环境与效应集成化探测装置，包括筒形探测器壳体、盖设在壳体上第一层准直阻挡层以及层叠在第一层准直阻挡层上的第二层准直层，以及筒形内部设置的各探测元件和功能层；两层准直层的中心具有一开口以用于接收入射的空间环境粒子且靠近筒形中轴线设置的第二层准直层的面积要小于第一层的面积，筒形探测器壳体内交替设置金属层和绝缘层，其中，设置在上下两层金属层之间的绝缘层形成一内部空间，用于容纳剂量敏感元件、单粒子翻转探测元件以及内部充电电位监测片，其中，在准直阻挡层中心的开口处设置有剂量敏感元件，第一层准直层的裸露表面上设置有石英晶体微量天平和温度监测元件，第二层准直层的裸露表面上设置有微小碎片监测片和通过绝缘层叠放的表面充电电位监测片。

[0018] 其中，金属层的层数要大于绝缘层的层数，且在最底部的金属层下方同样设置剂量敏感元件、单粒子翻转探测元件。

[0019] 其中，剂量敏感元件、单粒子翻转探测元件以及内部充电电位监测片的设置位置处于入射空间环境粒子的方向上。

[0020] 其中，金属层的面积要能够覆盖绝缘层内部空间的面积。

[0021] 其中，空间环境粒子为电子、质子和重离子。

[0022] 其中，探测器的外壳用金属作为屏蔽结构。

[0023] 其中，金属层厚度根据航天器的舱壁厚度和内部结构与仪器的等效厚度来设定。

[0024] 其中，剂量敏感元件和单粒子翻转敏感元件均为孤立排布。

[0025] 其中，第1层的金属层选用航天器舱壁材料为金属材料，厚度为航天器舱壁厚度；第2层的金属层选用航天器内部的支撑结构材料为金属材料，厚度为航天器内部的支撑结构等效厚度；第3层金属层选用航天器单机或载荷的机箱或单机支撑件的材料作为金属材料，厚度为航天器单机或载荷的机箱厚度；第4层金属层选用内部典型局部屏蔽材料作为金属层材料，厚度为典型局部屏蔽层厚度。

[0026] 其中，剂量灵敏元件可选用MOSFET场效应管。分别在探测装置的不同位置放置。

[0027] 本发明通过多个金属层、剂量敏感元件、单粒子翻转敏感元件以及绝缘电路板环的组合布放，可以实现不同能量的高能电子的分级，同时可以得到发生航天器表面以及内部不同位置的总剂量数据，以及航天器内部不同位置发生单粒子效应、总剂量效应和内部充放电效应(简称内带电效应)的风险情况。利用外露的绝缘材料或孤立材料实现对外部充电电位的监测。利用热敏元件、压敏元件和石英晶体微量天平分别实现对温度、微小碎片和污染量的监测。

附图说明

[0028] 图1为现有技术中空间环境下内带电效应发生的轨道示意图。

[0029] 图2为本发明一具体实施方式的地球同步轨道空间环境与效应集成化探测装置结构示意图；

[0030] 其中，1为准直阻挡层；2为金属层；3为绝缘层；4为剂量敏感元件；5为单粒子翻转敏感元件；6为内部充电电位监测片；7为表面电位监测片；8为微小碎片监测片；9为石英晶体微量天平；10为温度监控元件。

[0031] 图3本发明一具体实施方式的地球同步轨道空间环境与效应集成化探测装置局部的结构示意图。

具体实施方式

[0032] 以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但这仅仅是示例性的，并不旨在对本发明的保护范围进行任何限制。以下将结合附图及实施例对本发明做进一步说明，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

[0033] 参见图2，图2显示了本发明的一具体实施方式的地球同步轨道空间环境与效应集成化探测装置示意图，其中该探测装置包括圆筒形的壳体、壳体顶部盖设的准直阻挡层以及筒形内部设置的各探测元件和功能层，准直阻挡层1的作用是用来对空间辐射环境的准直，其包括盖设在壳体上第一层准直阻挡层以及层叠在第一层准直阻挡层上的第二层准直层，两层准直层的中心具有一开口以用于接收入射的空间环境粒子且第二层准直层的面积要小于第一层的面积，筒形探测器壳体内交替设置金属层2和绝缘层3，其中，金属层2一共设置了四层，设置在上下两层金属2层之间的绝缘层3共3层，每个绝缘层3都形成一内部空间，用于容纳剂量敏感元件4、单粒子翻转探测元件5以及内部充电电位监测片6(见图3)，且在准直阻挡层中心的开口处另外还设置有剂量敏感元件，第一层准直层的裸露表面上设置有石英晶体微量天平7和温度监测元件8，第二层准直层的裸露表面上设置有微小碎片监测片9和通过绝缘层叠放的表面充电电位监测片10。具体而言，本发明可以进行如下的考量：

[0034] 第一，明确针对GEO轨道探测的空间环境和关注的空间环境效应为空间微小碎片、温度、高能电子、污染、表面充电电位、内部充电电位、总剂量、单粒子翻转等。

[0035] 第二，可以利用多层金属层实现对高能电子的分能量段探测。

[0036] 第1层的金属层选用航天器舱壁材料为金属材料，厚度为航天器舱壁厚度；第2层的金属层选用航天器内部的支撑结构材料为金属材料，厚度为航天器内部的支撑结构等效厚度；第3层金属层选用航天器单机或载荷的机箱或单机支撑件的材料作为金属材料，厚度为航天器单机或载荷的机箱厚度；第4层金属层选用内部典型局部屏蔽材料作为金属层材料，厚度为典型局部屏蔽层厚度。如有需要，金属层层数可以继续增加。由于电子在穿透金属薄层的过程中将损失能量，随着金属层厚度的增加，其能够阻止的电子能量越来越高，因此，沉积在不同金属中的电子的能量分别处于不同的能量范围。假设金属层1、金属层2、金属层3、金属层4，能够阻挡到电子能量分别为E1、E2、E3和E4，则满足E1

[0037] 第三，利用航天器常用外露热控薄膜材料作为表面充电电位的探测。

[0038] 表面充电电位主要是由于等离子体和太阳光照射等引起，同时受温度影响。因此，监测表面电位的同时，需要对温度也进行监测。表面电位探测采用的材料拟采用航天器外2
露常用热控薄膜材料。其大小按照1cm来设计，同时要和周围进行绝缘。

[0039] 第四，利用星内常用电子线路板材料作为内部充电电位的探测。

[0040] 内部充电电位监测片材料选用星内电子线路板材料，通常为FR4材料或聚酰亚胺材料。根据电子电路板在航天器内部的使用位置，将监测片放置在不同的金属层中间。监测片的厚度为电子线路板的使用厚度。监测片的形状为圆形。

[0041] 第五，利用剂量灵敏元件实现对总电离剂量的探测。

[0042] 剂量灵敏元件可选用MOSFET场效应管。分别在探测装置的不同位置放置。在最外面的是探测航天器外表面的辐射电离总剂量，可用于航天器外露体材料的剂量分析，内部的MOSFET总剂量计可用于分析舱内不同位置的总剂量分布。

[0043] 第六，利用典型单粒子翻转敏感元件实现对单粒子效应的探测。

[0044] 拟选用典型单粒子翻转敏感元件，如SRAM器件等，来对单粒子效应进行监测。将单粒子翻转敏感元件按一定规则设置内部逻辑位状态，定时查询并记录逻辑位的翻转情况。

[0045] 第七，利用阻挡层对电子与质子和重离子的阻止能力不同的特点，将电子和质子与重离子区分开。

[0046] 由于金属层对质子和重离子的阻止能力强，高能质子和重离子将大多数在第1或第2层即被阻挡。因此，可以利用不同金属层的厚度和剂量计的测量值进行质子和重离子的剔除。

[0047] 第八，利用石英晶体微量天平实现对污染物沉积量的分析。

[0048] 利用石英晶体微量天平的振动频率的变化来反演其表面沉积的污染物的质量。

[0049] 第九，利用压敏元件实现对空间微小碎片通量和大小的统计。

[0050] 在压敏元件表面放置一块微小碎片接收板。当一定质量的微小碎片撞击在严敏元件接收板上后，首先压敏元件(如压敏电阻)会发生相应信号的改变，即可记录一次微小碎片撞击，再根据信号大小来判断微小碎片的大小。

[0051] 第十，使用热敏元件实现对空间温度的检测。

[0052] 对热敏元件(如热敏电阻)来说，温度的变化会导致其电阻等参数的变化，通过对其施加一恒定的电压，当电流发生了改变，即可反演电阻等参数的改变，进而反演温度的变化。由于金属层对质子和重离子的阻止能力强，高能质子和重离子将大多数在第1或第2层即被阻挡。因此，可以利用不同金属层的厚度和剂量计的测量值进行质子和重离子的剔除。此外，金属层厚度根据航天器的舱壁厚度和内部结构与仪器的等效厚度来设定，各个金属薄层用绝缘材料固定，保持孤立。剂量敏感元件和单粒子翻转敏感元件均为孤立排布。表面电位监测片根据航天器舱内的使用位置和舱体屏蔽位置等确定，材料和尺寸根据航天器舱内电子线路板常用材料来确定。

[0053] 本发明的装置能够实现6种空间环境和4种空间环境效应的探测，同时能够对航天器舱内不同位置的充电电位、总剂量和单粒子翻转情况进行评估。

[0054] 尽管上文对本专利的具体设计方式和思路给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明专利的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本专利的保护范围之内。