空間輻射環(huán)境誘發(fā)航天器故障或異常分析

薛玉雄，楊生勝，把得東，安 恒，柳 青，石 紅，曹 洲

(蘭州空間技術(shù)物理研究所真空低溫技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730000)

1 引言

世界上第一顆人造地球衛(wèi)星自1957年10月4日發(fā)射成功以來，目前已發(fā)射各類航天器7 000多顆。這些衛(wèi)星包括通信衛(wèi)星、廣播電視衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星、偵察衛(wèi)星、地球資源衛(wèi)星、預(yù)警衛(wèi)星、科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星、天文衛(wèi)星、空間物理探測衛(wèi)星等。從衛(wèi)星的發(fā)展歷史可以看出，衛(wèi)星的壽命不斷增加，故障在不斷減少。1960～1964年期間，衛(wèi)星平均壽命只有0.5年，1965～1969年期間，衛(wèi)星平均壽命已超過1年，但發(fā)射后2～5年衛(wèi)星元部件陸續(xù)損壞，損壞的主要部件有:蓄電池、行波管及其電源、磁帶記錄器、太陽電池翼驅(qū)動裝置和姿控機(jī)構(gòu)等。隨著時間的推移，衛(wèi)星技術(shù)日臻成熟，從70年代以后，衛(wèi)星故障明顯降低，并表現(xiàn)為“隨機(jī)性”，衛(wèi)星的壽命超過了8年，隨著衛(wèi)星部件質(zhì)量和可靠性的不斷提高，現(xiàn)在衛(wèi)星的壽命已超過了15年。據(jù)國外相關(guān)組織機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示2001～2003年間國際上總共發(fā)射了300多顆衛(wèi)星，平均每年約有18顆衛(wèi)星損壞或出現(xiàn)了故障，其中2003年出現(xiàn)故障的在軌航天器為24個(出現(xiàn)故障的航天器中以衛(wèi)星居多)。在這些衛(wèi)星在軌故障或異常中，空間輻射環(huán)境仍然是衛(wèi)星在軌故障的主要原因之一，居各種故障因素之首。

隨著航天技術(shù)的日益發(fā)展，新型材料、高性能新型微電子器件和新技術(shù)越來越多地被應(yīng)用，這些新材料和器件對空間輻射效應(yīng)更加敏感，使得空間輻射環(huán)境誘發(fā)故障的可能性增加，空間輻射環(huán)境對衛(wèi)星在軌長壽命、高可靠運(yùn)行帶來的危險更加嚴(yán)峻。本文主要是借鑒國外航天器在軌異常分析與對策經(jīng)驗(yàn)，吸取教訓(xùn)，促進(jìn)我國空間環(huán)境研究與在軌運(yùn)行管理的緊密結(jié)合，提高空間環(huán)境引起航天器在軌異常的原因分析與判斷的水平。

2 在軌航天器故障概況

2.1 通信衛(wèi)星故障

文中收集了國際通信衛(wèi)星(Intelsat)、阿克尼(Anik)、歐空局通信衛(wèi)星及美國空軍等22通信衛(wèi)星發(fā)生故障的情況，見表1所列。

表1 國外通信衛(wèi)星輻射故障情況收集

針對典型通信衛(wèi)星故障情況，進(jìn)行原因及影響對策分析:

(1)Anik-AF1國內(nèi)通信衛(wèi)星故障

1)故障情況:1972年11月9日，Anik-AF1衛(wèi)星由德爾它1914運(yùn)載火箭發(fā)射升空。在靜止軌道日陰時刻，地球敏感器輸出的脈沖列(在太陽脈沖附近)出現(xiàn)不規(guī)則的沖擊(約兩個小時)。在此期間，地球敏感器的數(shù)據(jù)不能用于衛(wèi)星姿態(tài)確定。

1978年10月4日，星上部分電子設(shè)備，編碼器在無地面指令的情況下亂真切換。

2)故障原因:太陽敏感器的模擬脈沖序列中存在不規(guī)則的沖擊是由于沒有接地的圓筒周期性充電和放電引起。

1978年10月4日，星上部分電子設(shè)備、編碼器在無地面指令情況下亂真切換是由于單粒子翻轉(zhuǎn)所致。

3)影響及對策:太陽敏感器的模擬脈沖序列中存在不規(guī)則的沖擊。以后在AF3衛(wèi)星上的圓筒經(jīng)一個電阻接地后，消除了這種瞬變過程。地球敏感器輸出發(fā)生瞬變的故障，沒有對飛行任務(wù)帶來較大的影響，后續(xù)的AF3衛(wèi)星進(jìn)行了改進(jìn)，增加了一個電阻使圓筒接地，這一故障得以排除。

1978年10月4日，星上部分電子設(shè)備、編碼器在無地面指令情況下亂真切換對飛行任務(wù)沒有重大影響。

(2)Anik-AF2通信衛(wèi)星故障

1)故障情況:1973年4月20日，Anik-AF2衛(wèi)星由德爾它1914運(yùn)載火箭發(fā)射升空。1975年12月9日，1號遙測編碼器出現(xiàn)部分故障，換向器的輸入選通脈沖中有一個短路。

地球敏感器出現(xiàn)故障。在對地靜止軌道上，日陰階段地球敏感器輸出的脈沖列(在太陽脈沖附近)出現(xiàn)不規(guī)則的沖擊(約兩個小時)。在此期間，地球敏感器的數(shù)據(jù)不能用于衛(wèi)星姿態(tài)確定。

3)故障原因:衛(wèi)星控制系統(tǒng)電子線路和編碼器3度出現(xiàn)亂真切換故障是由于衛(wèi)星帶電影響所致。

1975年12月9日，1號遙測編碼器出現(xiàn)部分故障，是由于衛(wèi)星帶電所致。

地球敏感器出現(xiàn)故障是由于沒有接地的圓筒充放電所致，情況與Anik-AF1衛(wèi)星相同。

影響及對策:衛(wèi)星控制系統(tǒng)電子線路衛(wèi)星出現(xiàn)3次亂真切換對飛行任務(wù)影響不大。

1975年12月9日，1號遙測編碼器出現(xiàn)部分故障后地面發(fā)指令接通了2號編碼器，問題得到解決。

地球敏感器出現(xiàn)故障對飛行任務(wù)影響不大，沒有采取措施。

針對衛(wèi)星通信頻帶出現(xiàn)的問題，改變了Anik-AF3設(shè)計(jì)，解決了這樣的問題。

(3)Anik-AF3通信衛(wèi)星故障

1)故障情況:1975年5月8日，Anik-AF3衛(wèi)星由德爾它1914運(yùn)載火箭發(fā)射升空。出現(xiàn)問題:星上編碼器出現(xiàn)亂真切換。

2)故障原因:星上編碼器出現(xiàn)亂真切換是由于衛(wèi)星帶電造成的。

3)影響及對策:星上編碼器出現(xiàn)亂真切換對飛行任務(wù)影響不大。

(4)Anik-E1與Anik-E2通信衛(wèi)星故障

1)故障情況:1994年1月20日，Anik-E1和Anik-E2國內(nèi)通信衛(wèi)星的陀螺定向系統(tǒng)在8 h內(nèi)先后發(fā)生故障。

2)故障原因:太陽大耀斑的帶電粒子使E1和E2衛(wèi)星的控制電路損壞(單粒子事件)，造成E2衛(wèi)星在軌道上每分鐘翻滾2次，無法接收和傳播廣播信號。

3)影響及對策:啟用了E1衛(wèi)星的備份定向系統(tǒng)，衛(wèi)星工作正常。E2衛(wèi)星采用啟動備份的動量輪控制系統(tǒng)，挽救E2衛(wèi)星。

(5)歐洲海事通信衛(wèi)星1故障

1)故障情況:1981年12月20日，歐洲海事通信衛(wèi)星1由阿里安運(yùn)載火箭發(fā)射。

1982年2月，衛(wèi)星定點(diǎn)預(yù)定軌道不久，星上的電子設(shè)備出現(xiàn)一系列報警信號，錯誤地告知衛(wèi)星通信部件失靈。

2)故障原因:1982年2月出現(xiàn)的故障是由于太陽活動干擾了衛(wèi)星上的部件，使星上部件積累了靜電電荷，靜電電荷放電使衛(wèi)星內(nèi)部復(fù)雜的電子設(shè)備受到嚴(yán)重影響。

3)影響及對策:1982年2月，靜電問題影響了衛(wèi)星順利執(zhí)行飛行任務(wù)。采取一系列措施，抵消了危險的亂真信號，控制衛(wèi)星回到了原來的軌道位置，使衛(wèi)星恢復(fù)正常運(yùn)行。

2.2 氣象衛(wèi)星故障

文中收集了8顆通信衛(wèi)星發(fā)生故障的情況，見表2所列。

表2 國外氣象衛(wèi)星輻射故障情況收集

針對典型氣象衛(wèi)星故障情況，進(jìn)行原因及影響對策分析:

(1)NOAA-8氣象衛(wèi)星故障

1)故障情況:1983年3月28日，NOAA-8氣象衛(wèi)星發(fā)射升空。衛(wèi)星入軌后發(fā)生了一系列故障。1984年6月，衛(wèi)星失去控制。

2)故障原因:1984年6月，衛(wèi)星失去控制是由于星上振蕩器工作不正常，發(fā)出了混亂的頻率與定時信號，導(dǎo)致衛(wèi)星姿態(tài)失控。

3)影響及對策:衛(wèi)星于1984年6月失控，開始翻轉(zhuǎn)，并終止了向地面?zhèn)魉蜌庀髷?shù)據(jù)。地面控制人員利用地球引力，使衛(wèi)星的轉(zhuǎn)動逐漸減慢，最終達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)。并經(jīng)過地面檢查測試，啟動了星上備份振蕩器控制電源，衛(wèi)星重新投入工作。

(2)GOES-4故障

1)故障情況:1980年9月9日，地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星4(GOES-4)發(fā)射升空，同年10月15日開始工作，1982年11月26日失效。

衛(wèi)星在軌期間，成像儀器失效?？梢姽?紅外自旋掃描輻射計(jì)大氣探測器22次停止工作。衛(wèi)星在軌期間還發(fā)生過太陽電池陣輸出功率突然下降的故障。

2)故障原因:衛(wèi)星在軌期間，成像儀器失效的原因是由于電源中的印刷線路板出現(xiàn)開路故障。

可見光/紅外自旋掃描輻射計(jì)大氣探測器22次停止工作是由于靜電放電造成的。

衛(wèi)星在軌期間太陽電池陣輸出功率突然下降的故障是由于空間粒子輻射環(huán)境的影響造成的。太陽電池陣的電池片盡管有覆蓋層保護(hù)，但由于粒子輻射劑量超過了設(shè)計(jì)時的預(yù)測值，造成太陽電池?fù)p傷，從而使輸出功率下降。

3)影響及對策:針對衛(wèi)星靜電故障采取以下措施:

①衛(wèi)星外表面所有裝置進(jìn)行屏蔽，在指令和其他敏感器件采用備份;

②采用衛(wèi)星帶電主動控制技術(shù)，即通過向空間輻射衛(wèi)星電位以平衡輸入環(huán)境通量，以此來控制衛(wèi)星電位;

③采取衛(wèi)星均勻電荷分布技術(shù)方案，即利用導(dǎo)線或其他導(dǎo)電柵將星體電介質(zhì)表面分解成一塊、一小塊的電介質(zhì)。每小塊電介質(zhì)接地平面耦合起來。這樣可以大大降低表面積，縮短了從任一點(diǎn)電介質(zhì)到結(jié)構(gòu)地的距離，從而降低了單獨(dú)放電的強(qiáng)度;

④采取新型抗靜電熱涂層材料，降低電荷的積累。

另外，美國 JPL實(shí)驗(yàn)室對GEOS-4，5，6，7衛(wèi)星在軌發(fā)生的異常事件進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，其結(jié)果見表3所列。這些衛(wèi)星在軌期間共發(fā)生了195次異常事件，誘發(fā)這些異常的因素主要是單粒子翻轉(zhuǎn)(SEU)、靜電放電(ESD)和不確定因素(UNK)。

表3 GOES-4，5，6和7的異常統(tǒng)計(jì)

1989年8、9、10月期間特大太陽耀斑對GOES-5、GOES-6、GEOS-7的太陽電池輸出參數(shù)都產(chǎn)生影響。9月和10月兩次質(zhì)子事件對在軌30個月的GOES-7衛(wèi)星的太陽電池?fù)p傷如圖1所示。兩次事件使電池輸出電流從15.78 A快速降到15.1 A。通常在標(biāo)稱輻射環(huán)境中，太陽電池每年衰退約0.1 A。太陽質(zhì)子事件使GOES-7衛(wèi)星太陽電池電流輸出呈現(xiàn)陡峭的下降，造成太陽電池衰退相當(dāng)于在5年正常輻射環(huán)境中引起的損傷。

圖1 GOES－7衛(wèi)星的太陽電池?fù)p傷

2.3 其他衛(wèi)星

除上述衛(wèi)星因?yàn)榭臻g輻射環(huán)境發(fā)生了在軌異常和故障之外，近年來，還有多顆衛(wèi)星的在軌異常被確認(rèn)為空間輻射環(huán)境而引起。表4簡要統(tǒng)計(jì)了1989年3月太陽耀斑所引起的部分衛(wèi)星在軌異常。

表4 1989年3月太陽大耀斑對衛(wèi)星的影響

從表4中可以看出，在這個很短的時間里，太陽活動產(chǎn)生了遠(yuǎn)大于正常數(shù)量的異常，特大太陽耀斑對衛(wèi)星在軌安全運(yùn)行構(gòu)成的危險極大。

我國6顆地球靜止衛(wèi)星在軌故障原因統(tǒng)計(jì)(見表5)表明，空間環(huán)境影響引起的故障數(shù)占據(jù)總故障數(shù)的40%。

表5 我國地球靜止軌道衛(wèi)星故障原因統(tǒng)計(jì)

國內(nèi)外多顆衛(wèi)星的在軌異常資料表明，單粒子效應(yīng)(尤其是單粒子翻轉(zhuǎn))和衛(wèi)星充/放電效應(yīng)是誘發(fā)衛(wèi)星在軌異常的主要因素。這些異常并沒有與大的環(huán)境擾動(如太陽耀斑爆發(fā)、日冕物質(zhì)拋射、地磁暴等)同時發(fā)生，而是多半在這些大擾動發(fā)生一段時間之后，出現(xiàn)1～2周時間內(nèi)電子通量增強(qiáng)事件后才發(fā)生。多個衛(wèi)星的在軌異?；蚬收辖?jīng)查明確認(rèn)是由于空間高能電子在衛(wèi)星內(nèi)部的深層介質(zhì)中引發(fā)的內(nèi)帶電效應(yīng)所造成。這種內(nèi)帶電效應(yīng)在地球靜止軌道衛(wèi)星上更易發(fā)生，研究指出，由介質(zhì)深層放電造成的衛(wèi)星在軌異?；蚬收希s占GEO衛(wèi)星放電異?；蚬收峡倲?shù)的50%以上。

3 航天器抗輻射防護(hù)對策及建議

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，一些新技術(shù)、新型材料和電子器件在航天器上越來越多地應(yīng)用，導(dǎo)致航天器對空間輻射環(huán)境越來越敏感，空間帶電粒子更易誘發(fā)輻射效應(yīng)，沒有良好的防護(hù)措施，輻射效應(yīng)會嚴(yán)重影響航天器在軌高可靠、長壽命運(yùn)行，嚴(yán)重時將造成飛行任務(wù)過早地結(jié)束。

通過以上對國外衛(wèi)星在軌故障的分析，為此提出如下建議:

(1)加強(qiáng)防止重大事故的研究

一般小事故對飛行影響較小，且一般能通過措施調(diào)整過來，但重大事故一般無法挽回，因此，要特別引起重視。要加強(qiáng)對關(guān)鍵元器件及材料的質(zhì)量控制，加強(qiáng)航天器系統(tǒng)級可靠性研究。

(2)加強(qiáng)對空間環(huán)境的研究，減少空間環(huán)境對衛(wèi)星的干擾

空間環(huán)境對衛(wèi)星的干擾包括宇宙輻射、太陽輻射、地球輻射、磁場和磁層亞暴等對衛(wèi)星的影響。要加強(qiáng)對衛(wèi)星充放電效應(yīng)、單粒子效應(yīng)研究，重點(diǎn)考慮對輻射敏感器件和關(guān)鍵分系統(tǒng)進(jìn)行抗輻射優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高抗輻射能力。

(3)提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是衛(wèi)星的神經(jīng)系統(tǒng)，對衛(wèi)星正常運(yùn)行起決定性作用。而衛(wèi)星在軌正常操作和故障排除均需靠遙測和指令系統(tǒng)，因此，特別要提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性。

(4)提高衛(wèi)星排除故障的能力

提高衛(wèi)星的可靠性固然重要，排除故障也是衛(wèi)星正常運(yùn)行的有效方法。經(jīng)過分析可以看出，備用設(shè)備和可靠的指令系統(tǒng)及地面站應(yīng)變能力對衛(wèi)星的故障排除是很關(guān)鍵的。

在獲得空間輻射環(huán)境數(shù)據(jù)、星用材料、器件輻射效應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合建立的輻射效應(yīng)軟件模型和數(shù)據(jù)庫，建立衛(wèi)星輻射效應(yīng)異常專家系統(tǒng)，為確保航天器在軌安全運(yùn)行提供技術(shù)保障。

(5)加強(qiáng)飛行驗(yàn)收試驗(yàn)技術(shù)研究

在充分進(jìn)行地面試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在我國未來發(fā)射的長壽命衛(wèi)星上，搭載空間環(huán)境及效應(yīng)試驗(yàn)載荷，旨在獲得真實(shí)的第一手資料，驗(yàn)證防護(hù)技術(shù)，為以后的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

(6)重視地面驗(yàn)證試驗(yàn)

對采取輻射效應(yīng)加固措施的電路、分系統(tǒng)，其地面驗(yàn)證試驗(yàn)是最直觀和最具有說服力的證據(jù)。在地面試驗(yàn)條件允許的條件下，應(yīng)盡可能開展試驗(yàn)驗(yàn)證工作，確保防護(hù)措施真實(shí)有效。

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