商業(yè)航天元器件抗輻射性能保證研究

張洪偉 李鵬偉，3 孫毅

(1 中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京 100094)(2 國(guó)防科技工業(yè)抗輻照應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新中心，北京 100029)(3 哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，哈爾濱 150006)

當(dāng)前，世界商業(yè)航天正處于快速發(fā)展的新階段，其帶來的全新思維方式、發(fā)展理念和商業(yè)模式，引發(fā)了人們的高度關(guān)注，必將成為航天產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的新動(dòng)力[1]。復(fù)雜的空間輻射環(huán)境將對(duì)航天器造成在軌性能退化或失效，給航天器在軌壽命和可靠性帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，是引起航天器在軌故障的主要環(huán)境因素之一[2]。隨著我國(guó)商業(yè)航天的興起和對(duì)衛(wèi)星在軌運(yùn)行可靠性要求的增強(qiáng)，特別是新材料、新器件、新技術(shù)等在商業(yè)衛(wèi)星上的應(yīng)用，開展元器件，尤其是低等級(jí)元器件抗輻射保證方面的研究工作迫在眉睫。

元器件抗輻射保證是指通過一系列的活動(dòng)，使得元器件在軌發(fā)生因輻射導(dǎo)致的故障降低至可承受范圍或消除的程度。針對(duì)空間電子學(xué)系統(tǒng)的輻射問題，國(guó)內(nèi)外開展了大量的研究工作[3-8]，其中最具代表的為NASA發(fā)布的《Radiation hardness assurance for space systems》[9]和ESA發(fā)布的《Space product assurance radiation hardness assurance》[10]保證規(guī)范文件，其主要特點(diǎn)為面向任務(wù)需求，自上而下地給出了系統(tǒng)級(jí)、元器件級(jí)的抗輻射保證規(guī)范，建立了較成熟的元器件抗輻射保證體系，而我國(guó)在元器件抗輻射保證方面還具有一定的差距。

本論文結(jié)合商業(yè)航天衛(wèi)星空間應(yīng)用輻射環(huán)境特征，分析了低軌不同軌道環(huán)境的輻射指標(biāo)要求，提出了基于商業(yè)航天應(yīng)用元器件輻射敏感性分析的技術(shù)流程、評(píng)估內(nèi)容和風(fēng)險(xiǎn)控制策略，建立了面向商業(yè)航天衛(wèi)星應(yīng)用的元器件抗輻射保證新要求和新模式。

1 商業(yè)航天的抗輻射需求

1.1 任務(wù)特點(diǎn)

國(guó)內(nèi)的商業(yè)航天的衛(wèi)星應(yīng)用主要涉及通信、遙感、導(dǎo)航3大領(lǐng)域，其主要有通信實(shí)時(shí)高效、分辨精度高、導(dǎo)航精度高等特點(diǎn)，其具有全面商業(yè)化和創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)等特征，核心在于航天領(lǐng)域選準(zhǔn)和培育顛覆性技術(shù)，有效地進(jìn)行持續(xù)創(chuàng)新，而航天是高風(fēng)險(xiǎn)、高投入的領(lǐng)域，其勢(shì)必在成本、進(jìn)度和質(zhì)量控制之間達(dá)到平衡。而空間存在的輻射環(huán)境會(huì)對(duì)衛(wèi)星產(chǎn)生輻射損傷，影響衛(wèi)星的性能和功能。因此需要關(guān)注商業(yè)航天的輻射問題，保障其在軌可靠性和安全性。

1.2 軌道輻射環(huán)境

商業(yè)航天的空間部署在近地軌道，目前有向深空發(fā)展的趨勢(shì)。本文只討論近地軌道(LEO)相關(guān)的輻射環(huán)境效應(yīng)。LEO軌道高度為幾百千米～幾千千米的范圍、軌道傾角也較低(通常小于60°左右)的航天器軌道[2,11]。結(jié)合高度和傾角特點(diǎn)，將本文討論的LEO軌道的輻射環(huán)境劃分如下：

(1)當(dāng)軌道高度大于約600 km時(shí)，將進(jìn)入內(nèi)輻射帶下邊界，遭遇內(nèi)輻射帶的捕獲電子和捕獲質(zhì)子；

(2)當(dāng)軌道高度小于600 km、且傾角小于約40°左右時(shí)，軌道將不會(huì)進(jìn)入南大西洋異常區(qū)的中心區(qū)域，因此面臨的輻射帶環(huán)境較溫和；

(3)當(dāng)軌道高度大于1000 km后，南大西洋異常區(qū)將逐漸消失；

(4)當(dāng)軌道高度約大于2000 km時(shí)，將進(jìn)入內(nèi)輻射帶的中心區(qū)域，將面臨惡劣的內(nèi)輻射帶捕獲電子和捕獲質(zhì)子輻射環(huán)境。

1.3 輻射應(yīng)用需求

近地軌道環(huán)境中存在的粒子種類主要有地磁場(chǎng)捕獲質(zhì)子和電子、太陽(yáng)耀斑質(zhì)子、重離子(少數(shù)的太陽(yáng)宇宙射線和銀河宇宙射線構(gòu)成)等。基于不同軌道高度、傾角，以及地磁場(chǎng)捕獲質(zhì)子和電子、重離子、太陽(yáng)耀斑質(zhì)子事件等的模型參數(shù)，利用SPACE RADIATION 5輻射效應(yīng)仿真軟件進(jìn)行計(jì)算，獲得不同線性能量傳遞值(Linear Energy Transfer，LET)范圍內(nèi)的重離子數(shù)見表1所示，不同質(zhì)子、電離輻射吸收劑量分別見圖1所示。

表1 近地軌道中重離子數(shù)的分布的情況

從圖1中可以看出，取3 mm鋁屏蔽厚度，低軌衛(wèi)星在軌1年遭受的電離總劑量水平在0.13～11.09 krad(Si)的范圍；而10 MeV能量質(zhì)子的注量水平在1.66×109～3.87×109p/(cm2·年)，含地球捕獲質(zhì)子和太陽(yáng)耀斑質(zhì)子，如圖2和圖3所示。由表1可知，LEO輻射環(huán)境中重離子數(shù)的LET值在15 MeV·cm2/mg以內(nèi)的粒子數(shù)較多；而在(15，37] MeV·cm2/mg范圍的粒子數(shù)較少；而大于37 MeV·cm2/mg的重離子數(shù)極少(見表2，此為以3 mm鋁屏蔽進(jìn)行分析的結(jié)果)。因此，需要重點(diǎn)考慮LET值在37 MeV·cm2/mg以內(nèi)的重離子造成影響。

圖1 遭受的電離輻射吸收劑量曲線

圖2 捕獲質(zhì)子軌道積分能譜曲線

圖3 可能遭遇的太陽(yáng)耀斑質(zhì)子積分能譜

表2 近地軌道空間輻射環(huán)境不同輻射損傷效應(yīng)分布特征

注：位移損傷劑量是以10 MeV質(zhì)子注量為參考，疊加地球捕獲質(zhì)子和太陽(yáng)耀斑質(zhì)子進(jìn)行分析的結(jié)果。

2 商業(yè)航天元器件抗輻射保證的新要求

元器件抗輻射能力主要有元器件的固有抗輻射能力和元器件的應(yīng)用抗輻射能力，衛(wèi)星元器件的固有抗輻射能力一般通過輻射試驗(yàn)評(píng)估的方式獲得，而采用的評(píng)估條件無法體現(xiàn)其應(yīng)用狀態(tài)，無法表征其應(yīng)用抗輻射能力。因此，局限于器件本身的輻射數(shù)據(jù)，無法反映任務(wù)需求及其系統(tǒng)性解決方案，導(dǎo)致周期較長(zhǎng)，成本較高。因此，快速低成本的商業(yè)航天對(duì)元器件抗輻射保證提出了新的要求。

1)開展系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用元器件輻射效應(yīng)分析，快速準(zhǔn)確評(píng)估元器件應(yīng)用抗輻射能力

面向低軌衛(wèi)星應(yīng)用的主要任務(wù)功能，基于元器件本身的輻射能力不能獲得系統(tǒng)功能的真實(shí)水平，因此需要開展基于元器件抗輻射性能的系統(tǒng)應(yīng)用分析。通過分析元器件在輻射水平下的電性能參數(shù)響應(yīng)，結(jié)合其應(yīng)用狀況，分析系統(tǒng)的抗輻射能力情況，以期達(dá)到滿足任務(wù)功能的目的，促進(jìn)新技術(shù)、新產(chǎn)品、新材料在航天中的應(yīng)用。

2)建立面向任務(wù)的工程化抗輻射業(yè)務(wù)模式，降低元器件在軌應(yīng)用輻射風(fēng)險(xiǎn)

從商業(yè)衛(wèi)星低成本、高效率的任務(wù)需求出發(fā)，結(jié)合不同軌道特征，開展軌道輻射環(huán)境指標(biāo)梳理和分解，以元器件選用為目標(biāo)，開展元器件輻射效應(yīng)指標(biāo)分析。在任務(wù)周期內(nèi)需要面向關(guān)鍵任務(wù)的單元或關(guān)重件開展輻射能力評(píng)估和應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)分析工作，確保在軌任務(wù)周期內(nèi)的輻射安全性，同時(shí)滿足經(jīng)濟(jì)性的要求。

3 商業(yè)航天元器件抗輻射保證內(nèi)容

3.1 低軌空間輻射效應(yīng)指標(biāo)分析

根據(jù)商業(yè)航天器近地軌道的活動(dòng)特征，結(jié)合輻射應(yīng)用環(huán)境需求，表3所示為基于低軌道特征的空間輻射效應(yīng)的需求指標(biāo)。針對(duì)低軌空間累積輻射環(huán)境需求，當(dāng)在軌壽命要求大于10年時(shí)，需要評(píng)估總劑量輻射環(huán)境的影響。取輻射設(shè)計(jì)裕度(Radiation Design Margin，RDM)為2時(shí)的總劑量(Total Irion Dose，TID)和位移(Displacement Damage，DD)，針對(duì)低軌空間重離子、高能質(zhì)子等輻射環(huán)境需求特征，考慮到單粒子效應(yīng)(Single Event Effects，SEE)引起的任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)程度，給出元器件抗單粒子指標(biāo)如表4所示。

表3 元器件電離總劑量和位移損傷輻照指標(biāo)

注：在軌壽命周期以10年為單位，取RDM=2，且未考慮太陽(yáng)活動(dòng)高峰年的影響。

表4 元器件抗單粒子指標(biāo)要求及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

注:只適用于Si材料的器件，當(dāng)LET值低于15 MeV·cm2/mg的質(zhì)子而引起的敏感性也需要分析，因此如果沒有測(cè)試數(shù)據(jù)，則需進(jìn)行質(zhì)子的地面測(cè)試。

3.2 面向應(yīng)用的抗輻射保證技術(shù)流程

為準(zhǔn)確快速評(píng)估元器件輻射能力，需建立面向低成本、輻射風(fēng)險(xiǎn)可控的抗輻射保證總體技術(shù)流程。圍繞低成本、高質(zhì)量的要求，一方面，建立基于衛(wèi)星研制流程的元器件抗輻射保證工作規(guī)范；另一方面，加強(qiáng)系統(tǒng)級(jí)元器件輻射效應(yīng)分析與評(píng)估，提升元器件應(yīng)用抗輻射能力。技術(shù)流程圖見圖4所示。

圖4 面向航天器的元器件輻射保證技術(shù)流程圖

3.3 元器件輻射效應(yīng)敏感性分析

不同類型及工藝的元器件對(duì)輻射損傷的敏感性不一樣。根據(jù)近地軌道空間輻射環(huán)境特性，需要開展元器件輻射效應(yīng)敏感性分析，快速識(shí)別元器件選用的輻射風(fēng)險(xiǎn)。電離總劑量效應(yīng)敏感的主要有運(yùn)算放大器、低壓差器件、晶體管、金屬-氧化物-半導(dǎo)體(Metal-Oxide Semiconductor，MOS)工藝類器件，以及具有雙極-互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體電路(Bipolar Complementary Metal-Oxide Semiconductor，BiCMOS)工藝的模數(shù)(Analog to Digital Converter，A/D)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(Digital to Analog Converter，D/A)類器件等，主要考慮雙極工藝(或含)器件的電流增益、偏置電流等敏感參數(shù)，特別是低劑量率輻射損傷增強(qiáng)效應(yīng)；位移損傷效應(yīng)敏感的主要有雙極類器件、圖像傳感器，以及光電耦合器等，其中雙極工藝的正向電流傳輸比(HEF)退化，尤其在小電流的情況下?lián)p傷最嚴(yán)重，如晶體管器件。此外，用在關(guān)鍵部位中的光耦器件需要關(guān)注電荷傳輸效率下降所帶來的驅(qū)動(dòng)隔離問題；單粒子效應(yīng)敏感的器件主要有功率類器件、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體電路(CMOS)集成電路，尤其要關(guān)注高壓二極管、場(chǎng)效應(yīng)晶體器件的單粒子燒毀和柵穿問題，以及超大規(guī)模CMOS集成電路的單粒子鎖定、單粒子功能中斷等硬損傷問題。

3.4 元器件抗輻射評(píng)估

元器件抗輻射能力是指元器件性能功能在未超出規(guī)范之外時(shí)所承受的最大輻射水平，可通過抗輻射試驗(yàn)評(píng)估而獲得。由于飛行試驗(yàn)搭載成本高、周期長(zhǎng)，多采用地面輻照模擬的手段來獲得器件的抗輻射能力數(shù)據(jù)。元器件抗輻射能力評(píng)估流程見圖5所示[3]，空間輻射效應(yīng)評(píng)估要求如下。

(1)電離總劑量要求：輻照偏置條件，敏感參數(shù)考核，參數(shù)超差和功能失效的判據(jù)，應(yīng)用功能風(fēng)險(xiǎn)分析等，應(yīng)給出RDM的建議。

(2)位移損傷效應(yīng)要求：敏感參數(shù)考核，參數(shù)超差和功能失效的判據(jù)，應(yīng)用功能風(fēng)險(xiǎn)分析等，應(yīng)給出RDM的建議。

(3)單粒子評(píng)估要求：?jiǎn)瘟Ｗ訖z測(cè)技術(shù)(包括單粒子翻轉(zhuǎn)、單粒子瞬態(tài)、單粒子功能中斷、單粒子?xùn)糯┑?，數(shù)據(jù)獲得與分析，在軌預(yù)計(jì)，單粒子防護(hù)及風(fēng)險(xiǎn)分析等。特別是當(dāng)器件抗單粒子效應(yīng)的LET閾值低于15 MeV·cm2/mg時(shí)，需要評(píng)估質(zhì)子輻照引起單粒子效應(yīng)。

3.5 元器件應(yīng)用級(jí)抗輻射保證

輻射敏感元器件抗輻射能力不滿足型號(hào)應(yīng)用需求，且無可替換時(shí)，需要開展輻射防護(hù)風(fēng)險(xiǎn)分析，降低該器件的應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)。一方面，建立低等級(jí)元器件輻射效應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)，加強(qiáng)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)保障和應(yīng)用指導(dǎo)，降低使用風(fēng)險(xiǎn)，如雙極工藝器件的低劑量率增強(qiáng)效應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)等；另一方面從元器件的應(yīng)用角度出發(fā)，結(jié)合所在單機(jī)或板級(jí)中的應(yīng)用條件，分析其性能和功能在輻射環(huán)境中的退化程度，給出設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)如局部屏蔽、單粒子減緩技術(shù)等抗輻射加固措施，減緩輻射效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)或分系統(tǒng)功能性能的影響。針對(duì)性的輻射防護(hù)及措施見表5所示。

3.6 在軌飛行驗(yàn)證及數(shù)據(jù)收集

按照抗輻射保證內(nèi)容和流程對(duì)某低軌高分衛(wèi)星進(jìn)行了探索實(shí)踐，具體措施為：①根據(jù)壽命(設(shè)計(jì)壽命由2～3年延長(zhǎng)至5～8年)和軌道信息(運(yùn)行高度約630 km，傾角約97.98°，因?qū)嶋H應(yīng)用特殊需要傾角較高)作為參數(shù)輸入，給出該衛(wèi)星8年在軌壽命內(nèi)的總劑量、位移和單粒子指標(biāo)要求；②根據(jù)指標(biāo)要求，針對(duì)該衛(wèi)星系統(tǒng)選用的元器件清單開展輻射效應(yīng)分析，梳理出輻射敏感器件300項(xiàng)，給出了有輻照數(shù)據(jù)和無輻照數(shù)據(jù)清單，其中無輻照數(shù)據(jù)需要開展輻射試驗(yàn)評(píng)估的共計(jì)21項(xiàng)，直接選用了具有同等或以上飛行經(jīng)歷的低等級(jí)元器件9項(xiàng)；③通過輻照試驗(yàn)評(píng)估，建議對(duì)低等級(jí)可編程邏輯控制器等15款大規(guī)模集成電路采取抗單粒子翻轉(zhuǎn)冗余設(shè)計(jì)，以及對(duì)可編程時(shí)鐘源等3款單粒子鎖定較敏感器件采取有效的防護(hù)措施。該衛(wèi)星于2013年發(fā)射，目前在軌運(yùn)行近6年，期間未發(fā)生因元器件輻射問題而引起的在軌飛行故障問題。

與飛行搭載獲得的數(shù)據(jù)信息相比，地面模擬獲得的抗輻射數(shù)據(jù)信息不能夠完全體現(xiàn)器件在空間運(yùn)行的輻射性能情況。以商業(yè)航天器的在軌飛行為任務(wù)目標(biāo)，針對(duì)輻射敏感類器件數(shù)據(jù)及其防護(hù)措施，開展在軌輻射能力驗(yàn)證和輻射數(shù)據(jù)測(cè)試、收集整理工作。在軌飛行階段，開展基于系統(tǒng)性功能故障現(xiàn)象的元器件輻射效應(yīng)問題收集與處理，分析器件級(jí)輻射效應(yīng)在系統(tǒng)中的傳播與演化規(guī)律，提高在軌運(yùn)行的輻射防護(hù)措施，提升輻射應(yīng)用防護(hù)設(shè)計(jì)的水平。

4 結(jié)論

通過對(duì)商業(yè)航天元器件抗輻射保證的研究，系統(tǒng)分析了近地軌道空間輻射指標(biāo)，提出了針對(duì)低等級(jí)元器件應(yīng)用的抗輻射保證的技術(shù)流程，討論了不同工藝、類別器件輻射效應(yīng)敏感性以及輻射能力評(píng)估的內(nèi)容，最后給出了基于風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)對(duì)處理措施和建議。通過研究可以得出以下結(jié)論：

(1)商業(yè)航天衛(wèi)星元器件的抗輻射指標(biāo)主要為單粒子指標(biāo)、總劑量吸收指標(biāo)和位移指標(biāo)，其中按照10年壽命要求，RDM=2時(shí)的總劑量指標(biāo)為4 krad(Si)、17 krad(Si)兩個(gè)層次；等效10 MeV質(zhì)子的注量指標(biāo)為3.7×109p/cm2；單粒子的LET閾值指標(biāo)分為15 MeV·cm2/mg、37 MeV·cm2/mg兩個(gè)層次；

(2)針對(duì)商業(yè)航天市場(chǎng)對(duì)“低成本、低風(fēng)險(xiǎn)、可復(fù)用”的要求，提出了建立系統(tǒng)性的商業(yè)衛(wèi)星元器件抗輻射保證業(yè)務(wù)新模式，開展基于商業(yè)低等級(jí)元器件輻射功能、性能退化對(duì)系統(tǒng)/單機(jī)級(jí)功能故障風(fēng)險(xiǎn)分析方法和輻射防護(hù)加固措施研究，提升元器件抗輻射保證的有效性、針對(duì)性和可復(fù)用性。