CN110531399A - 航天器在轨故障预警与甄别装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航天器在轨故障预警探测装置，包括探测器壳体、三组探测单元、能量分析器、低能带电粒子探测器、高能带电粒子探测器，其中，三组探测单元都由温度传感器和总剂量传感器组成，分别探测无屏蔽状态、航天器舱壁厚度的等效屏蔽厚度、航天器内部的总等效屏蔽层厚度下的辐射效应；能量分析器用来探测低于100keV的电子，低能带电粒子探测器、高能带电粒子探测器分别探测低能量和高能量的电子/质子。本发明可实现不同能量的电子和质子的分级探测，同时得到发生航天器表面以及内部不同位置的总剂量数据和剂量率数据，且具有功能多、对航天器在轨故障预警准确和故障甄别准确等特点。

Description

航天器在轨故障预警与甄别装置

技术领域

本发明属于航天器在轨态势探测技术领域，具体而言，本发明特别涉及一种航天器在轨故障预警探测装置。

背景技术

空间辐射环境主要来源于星体辐射带、太阳宇宙射线、银河宇宙射线，其主要成分是电子、质子及少量重离子。其中，地球辐射带环境是影响近地轨道航天器的最重要的辐射环境之一，通常可以分为内辐射带和外辐射带。太阳耀斑爆发期间会发射大量高能质子、电子、重核粒子流，称为太阳宇宙射线。其中绝大部分由质子组成，因此，又被称为太阳质子事件。太阳宇宙射线粒子的能量范围一般从10MeV到几十GeV。其成分主要为质子。银河系宇宙射线是来自太阳系以外的带电粒子，是由能量极高、通量很低的带电粒子组成，其中质子成分占85％，α粒子成分占14％，重离子成分占1％，粒子能量为100～10¹⁴MeV，通量为2～4/(cm²·s)。在极区，少数宇宙射线粒子可沿磁力线沉降到磁层内；极区以外，仅少量能量特别高的宇宙射线粒子能穿透地磁场屏蔽进入磁层内；其它绝大部分宇宙射线粒子均被地磁场所屏蔽，不会对地球轨道航天器造成威胁。

空间辐射环境将对航天器材料和器件带来严重的辐射损伤效应，主要包括单粒子效应、电离总剂量效应、位移损伤效应、表面充放电效应、内带电效应、表面充放电效应等。

空间辐射对航天器的损伤主要是电离和位移。

电离剂量对航天器的影响主要是电离总剂量效应和剂量率效应。对航天器来说，要考虑不同屏蔽厚度下的电离总剂量效应：一是航天器外表面的电离总剂量；二是航天器舱壁屏蔽后的电离总剂量，典型的舱壁厚度为2mm等效铝；三是航天器舱壁和内部结构组合屏蔽后的电离总剂量。对电离总剂量效应或剂量率效应，需要考虑温度对探测结果的影响。

单粒子效应是由于电子元器件中非常高的能量沉积导致引起非常多的电荷进而引起电子元器件逻辑状态的改变。包括临时性的逻辑状态改变如单粒子翻转或单粒子瞬态，也包括永久性的逻辑状态改变如单粒子锁定或单粒子烧毁等。典型的引起单粒子效应的质子或高能重离子的能量是大于50MeV。因此，判断单粒子效应是否会发生的方法，一是是否有足够高的能量的粒子进入，可通过粒子探测器探测；二是利用单粒子效应探测器，即利用一些容易发生单粒子翻转的器件，通过逻辑判断是否发生了单粒子事件以及何种单粒子事件。

表面充放电效应主要是由于低能带电粒子，尤其是低能电子在表面介质材料沉积导致的电荷增加。通常认为能量范围为50keV到250keV的电子是导致表面充放电效应的主要来源。因此，可以通过带电粒子的探测和表面电位的探测来判断是否会发生表面充放电效应及其可能发生的风险。

内带电效应通常是指高能电子穿透航天器舱壁在航天器内部电子线路板上沉积引起的充电和放电效应。穿透航天器舱壁的典型电子能量为1MeV。通常，考虑到航天器舱内的结构，可将2MeV电子作为内带电效应是否会发生的判据，如美国空军判断是否有内带电效应风险的标准是能量大于2MeV的电子的通量和累计时间。

位移损伤效应的主要来源是高能电子和高能质子。敏感对象主要是少数载流子器件，尤其是光电器件，如CCD、太阳电池、光耦器件、激光发射器/接收器等。对太阳电池来说，不同能量的带电粒子引起的位移损伤通常会等效为1MeV的电子或者10MeV的质子。

4)空间辐射环境导致航天器在轨故障的主要原因

我国发射的航天器也有类似情况出现，我国6颗地球同步卫星的在轨故障分析表明，空间环境导致的卫星故障占比达40％。于1988年和1990年发射的风云一号A、B两颗气象卫星，都曾因姿态和轨道控制分系统的微处理器多次发生单粒子翻转而导致整星提前退役。据CAST统计，我国发生的东方红卫星的A-E星中，空间环境诱发的故障高达67.4％和65.6％。

不同来源的统计数据表明，有16％到42％的航天器故障和异常是由空间环境引起的。据AEROSPACE公司1999年的统计表明，在导致航天器异常或故障的空间环境效应中，各种辐射效应占88％，其中总剂量效应占5.4％，表面充电效应占20.1％，深层充电效应占24.7％(难以辨别的充电效应占9.4％)，单粒子效应占28.4％。据NGDC统计表明，自1971年1月至1986年11月，美国发射的39颗同步卫星在飞行期间发生的故障总共有1589次，空间辐射导致的故障有1129次，占故障总数的71.05％，而在辐射造成的故障中，单粒子效应造成的故障有621次，占辐射造成总故障的约55％，而单粒子翻转效应引起的故障总数占故障总数的39.08％。NASA在1996年对卫星故障原因的统计报告指出，单粒子效应所导致的卫星故障占据空间辐射故障总数的比例已经高达80％。

目前国内外尚没有针对航天器在轨故障预警与甄别的装置，无法实现一种探测装置对航天器的在轨故障进行预警和甄别。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种是设计一种航天器在轨故障预警及甄别装置，可以实现单粒子效应、总剂量效应、剂量率效应、表面充放电效应、内带电效应、位移损伤效应等多种空间辐射效应的探测和甄别。

本发明采用了如下的技术方案：

航天器在轨故障预警探测装置，包括探测器壳体、三组探测单元、能量分析器、低能带电粒子探测器、高能带电粒子探测器，其中，每组探测单元都由温度传感器和总剂量传感器组成，一组探测单元的总剂量探测器放置在无屏蔽状态下，通过航天器机箱对应位置开孔，以保证无屏蔽层；一组探测单元的总剂量探测器以航天器舱壁厚度作为屏蔽层厚度，一组探测单元的总剂量探测器以航天器内部的总等效屏蔽层厚度作为屏蔽厚度；能量分析器用来探测低于100keV的电子，低能带电粒子探测器探测能量范围为100KeV-2MeV的电子，能量范围为3MeV-15MeV的质子；高能带电粒子探测器探测能量范围大于2MeV的电子，能量范围大于15MeV的质子。

其中，探测单元中的剂量敏感元件、能量分析器、低能粒子探测器、高能带电粒子探测器的设置位置处于入射空间环境粒子的方向上。

其中，能量分析器包括90度弧形筒状探测器壳体、壳体顶部盖设的准直阻挡层以及筒形底部设置的一层探测元件，准直阻挡层中心具有一开口以用于接收入射的空间环境粒子，在开口中间放置一遮光层以遮挡低能光子。

其中，低能粒子探测器包括筒形探测器壳体、壳体顶部盖设的准直阻挡层以及筒形内部设置的两层探测元件，准直阻挡层中心具有一开口以用于接收入射的空间环境粒子，在开口中间放置一遮光层以遮挡低能光子，筒形探测器壳体内交替设置探测元件和绝缘层。

其中，高能粒子探测器包括筒形探测器壳体、壳体顶部盖设的准直阻挡层以及筒形内部设置的多层探测元件，准直阻挡层中心具有一开口以用于接收入射的空间环境粒子，在开口中间放置一遮光层以遮挡低能光子，筒形探测器壳体内交替设置探测元件和绝缘层。

其中，探测器的外壳用金属作为屏蔽结构。

本发明通过三组温度传感器和剂量敏感元件探测单元、能量分析器、低能粒子探测器、高能带电粒子探测器，可以实现不同能量的电子和质子的分级，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和剂量率数据，基于探测的数据，可以对是否会发生单粒子效应、位移损伤效应、表面充放电效应和内带电效应(简称内带电效应)的进行预警，同时可以获得直接的总剂量和剂量率的数据。本发明具有功能多，对航天器在轨故障预警准确和故障甄别准确等特点。

附图说明

图1为本发明一具体实施方式的航天器在轨故障预警与甄别装置结构示意图；

其中：1机箱；2机箱顶盖穿孔；3温度传感器；4总剂量传感器；5屏蔽层；6能量分析器；7低能粒子探测器；8高能粒子探测器；9电路板；

图2为本发明一具体实施方式的能量分析器结构示意图。

其中：21外弧形平板；22内弧形平板；23电荷收集板；24电流计；25电源；

图3为本发明一具体实施方式的低能粒子探测器总体结构图。

其中：31准直阻挡层；32硅探测器；33绝缘层；34铝箔；35外壳及屏蔽层；

图4为本发明一具体实施方式的高能粒子探测器总体结构图。

其中：31准直阻挡层；32硅探测器；33绝缘层；34铝箔；35外壳及屏蔽层。

具体实施方式

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。

参见图1，图1显示了本发明的一具体实施方式的航天器在轨故障预警及甄别装置结构示意图，其中航天器在轨故障预警探测装置，包括长方形机箱1(即探测器壳体)、三组探测单元、能量分析器6、低能粒子探测器7、高能粒子探测器8，每组探测单位由温度传感器3和总剂量探测器4组成，电离总剂量效应及剂量率效应由温度传感器3和总剂量传感器4组成的三组探测单元来探测。

总剂量探测器可选用PMOS场效应晶体管、光电二极管、CMOS场效应晶体管等。以PMOS场效应晶体管为例，利用辐射敏感PMOS场效应晶体管的阈电压漂移为辐射总剂量的敏感参量进行工作是PMOS剂量计的基本原理。随着辐射剂量的增加，其开端电压变化量ΔV和辐照剂量D近似符合以下关系：ΔV＝a×D^b，(b<1)。a和b是一常数，由选用的具体的PMOS晶体管确定。PMOS晶体管由三个极即栅极、源极和漏极。在测量开端电压时将栅极短接地，在源极和漏极间通入恒定电流，即可测量源极和漏极的开端电压。通过开端电压的变化即可确定辐照剂量。

温度传感器通常选用热敏电阻。以选用成都宏明的MF11-10000Ω±5％热敏电阻为例，热敏电阻标称值10KΩ，阻值范围为0.9kΩ～41kΩ，测量温度范围为-55℃～85℃，热敏电阻温度计算公式为：

R＝R0exp(B(1/T-1/T0))

其中：R0＝10kΩ；

B、T0的值需根据各个热敏电阻实际标定值确定。

因此，将热敏电阻与一个恒定值的电阻进行串联，在串联后的电阻两端加一恒定电压，通过测量热敏电阻两端的电压，即可知道热敏电阻的电阻值，进而可由上面公式计算得到温度值。

由于航天器总剂量一般可以分为无遮挡(即厚度为0mm)、航天器舱壁遮挡(通常为2mm厚度的Al)、航天器舱壁及内部结构的遮挡三种情况，同时，总剂量又与温度相关，因此，需要增加温度探测器。因此，选择航天器的舱壁厚度为一组探测单元的顶盖厚度，并在其中一组探测单元的总剂量探测器上面的壳体上设置机箱顶盖穿孔2以未屏蔽任何辐射，另一组探测单元的总剂量探测器上添加屏蔽层5。温度传感器表面充放电效应主要是由能量较低的带电粒子引起，尤其是能量低于100KeV的电子。对较低能量的带电粒子，一般使用能量分析器来进行探测。能量分析器用来探测能量极低的带电粒子，其结构如图2所示，包括外弧形平板21、内弧形平板22、电流收集板23、电流计24、电源25和遮光层26组成。其中，外弧形平板和内弧形平板的弧心角为90度，外弧形平板和内弧形平板的边缘位置用厚度为d的绝缘层固定，弧形平板的宽度为L，其中，L>>d。遮光层通常采用铝箔。对质量为m、电荷为q、速度为v的粒子，运动过程中收到洛伦兹力和电场的作用力，达到平衡后沿着一定半径r的轨迹运行，满足：

即粒子的能量为：

由于对电子或质子，电荷q是已知的，同时，r和d也是已知的，因此，通过调整两级之间的电源25的电压U，可以确定之后一定能量E_k的电子或质子才能穿过能量分析器，到达粒子采集器，通过分析电流数值，即可知道粒子的通量和能量。

参见图3，图3显示了本发明一具体实施方式的低能粒子探测器总体结构图。通常，航天器外露材料的电离总剂量效应主要与低能带电粒子相关，可以使用低能粒子探测器来探测。通常可探测的电子能量范围一般为100KeV-2MeV，可探测的质子能量范围一般为3MeV-15MeV，具体可以根据所选用的探测器设计来确定，或者根据需要探测的能量范围来选择探测器。其中，低能粒子探测器包括准直阻挡层31、两组硅探测器32即硅探测器L1和硅探测器L2、绝缘层33、铝箔34和圆柱形外壳35，其中，圆柱形外壳35的中心轴线顶部开口处设置圆形铝箔34遮挡太阳光，铝箔34圆周周围设置准直阻挡层31以用于限定粒子入射的角度，圆柱形壳体内部上下设置两组硅探测器L1和L2来对低能电子和低能质子进行探测。两组硅探测器之间以及硅探测器与外壳底部之间均设置有硅绝缘层33，两组探测器32用于对粒子沉积和探测，探测器外壳35用于结构的支撑和对周围粒子的屏蔽。

对低能粒子探测器，只有能量大于E11的电子和能量大于P11的质子能够穿透准直阻挡层进入到L1硅探测器中，只有能量大于E12的电子和能量大于P12的质子能够穿透L1硅探测器进入到L2硅探测器中。只有能量大于E13的电子和能量大于P13的质子才能穿透L2探测器。一般满足P13>P12>P11>E13>E12>E11。当某一能量的电子或者质子不能穿透L1或L2探测器时，能量将沉积在硅探测器中，激发出电子-空穴对，产生电荷，进而可以被探测到电信号。由于电子和质子在硅探测器中产生的电荷信号完全不同，因此，可以通过Geant4等粒子传输分析方法结合地面标定试验，即可符合-反符合的方法得到不同低能的电子和质子的通量和能量段分布。

参见图4，图4显示了本发明一具体实施方式的高能粒子探测器总体结构图。高能粒子探测器用来探测高能带电粒子。通常，单粒子效应、内带电效应、位移损伤效应等主要与高能带电粒子的能量和通量、注量相关，因此，需要对高能带电粒子的能量、通量和注量进行探测，可采用高能粒子探测器对不同能量的高能质子、高能电子进行探测。对多种不同能量的高能粒子进行探测，需使用高能粒子探测器进行探测。根据需要探测粒子的能量范围，如电子能量范围为1.5MeV-5MeV，质子能量范围为15MeV-200MeV，分别在遮挡层后，设计H1、H2、H3、H4、H5五组硅探测器，来对不同能量的高能电子和高能质子进行探测和分辨。其中，高能粒子探测器包括准直阻挡层31、五组硅探测器32即硅探测器L1和硅探测器L2、绝缘层33、铝箔34和圆柱形外壳35，其中，圆柱形外壳35的中心轴线顶部开口处设置圆形铝箔34遮挡太阳光，铝箔34圆周周围设置准直阻挡层31以用于限定粒子入射的角度，圆柱形壳体内部上下设置五组硅探测器H1和H2，H3、H4、H5来对高能电子和高能质子进行探测。五组硅探测器之间以及硅探测器与外壳底部之间均设置有硅绝缘层33，五组探测器32用于对粒子沉积和探测，探测器外壳35用于结构的支撑和对周围粒子的屏蔽。

对高能粒子探测器，只有能量大于E21的电子和能量大于P21的质子能够穿透准直阻挡层进入到H1硅探测器中，只有能量大于E22的电子和能量大于P22的质子能够穿透H1硅探测器进入到H2硅探测器中。只有能量大于E23的电子和能量大于P23的质子才能穿透H2探测器进入到H3硅探测器中。只有能量大于E24的电子和能量大于P24的质子才能穿透H3探测器进入到H4硅探测器中。只有能量大于E25的电子和能量大于P25的质子才能穿透H4探测器进入到H5硅探测器中。只有能量大于E26的电子和能量大于P26的质子才能穿透H6探测器。一般满足P26>P25>P24>P23>P22>P21>E26>E25>E24>E23>E22>E21。当某一能量的电子或者质子不能穿透某一硅探测器时，能量将沉积在该硅探测器中，激发出电子-空穴对，产生电荷，进而可以被探测到电信号。由于电子和质子在硅探测器中产生的电荷信号完全不同，因此，可以通过Geant4等粒子传输分析方法结合地面标定试验，即可符合-反符合的方法分别得到不同能量段的高能电子和高能质子的通量和能量分布。

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a、金属层b、金属层c、金属层d，能够阻挡到电子能量分别为E1、E2、E3和E4，则满足E1<E2<E3<E4。根据选用的金属层材料和金属层厚度，利用Geant4等粒子传输分析方法，即可反演得到不同能量段的电子的通量和能量段分布。

本装置能够实现种空间电子、质子和重离子3种空间辐射环境的探测和总剂量与剂量率2种辐射效应的直接探测。同时能够实现对表面充放电效应、内带电效应、位移损伤效应和不同单粒子效应的故障预警和甄别。

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，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.航天器在轨故障预警探测装置，包括探测器壳体、三组探测单元、能量分析器、低能带电粒子探测器、高能带电粒子探测器，其中，每组探测单元都由温度传感器和总剂量传感器组成，一组探测单元的总剂量探测器放置在无屏蔽状态下，通过航天器机箱对应位置开孔，以保证无屏蔽层；一组探测单元的总剂量探测器以航天器舱壁厚度作为屏蔽层厚度，一组探测单元的总剂量探测器以航天器内部的总等效屏蔽层厚度作为屏蔽厚度；能量分析器用来探测低于100keV的电子，低能带电粒子探测器探测能量范围为100KeV-2MeV的电子，能量范围为3 MeV -15MeV的质子；高能带电粒子探测器探测能量范围大于2MeV的电子，能量范围大于15MeV的质子。

2.如权利要求1所述的探测装置 ，其中，探测单元中的剂量敏感元件、能量分析器、低能粒子探测器、高能带电粒子探测器的设置位置处于入射空间环境粒子的方向上。

3.如权利要求1所述的探测装置 ，其中，能量分析器包括90度弧形筒状探测器壳体、壳体顶部盖设的准直阻挡层以及筒形底部设置的一层探测元件，准直阻挡层中心具有一开口以用于接收入射的空间环境粒子，在开口中间放置一遮光层以遮挡低能光子。

4.如权利要求1-3任一项所述的探测装置 ，其中，低能粒子探测器包括筒形探测器壳体、壳体顶部盖设的准直阻挡层以及筒形内部设置的两层探测元件，准直阻挡层中心具有一开口以用于接收入射的空间环境粒子，在开口中间放置一遮光层以遮挡低能光子，筒形探测器壳体内交替设置探测元件和绝缘层。

5.如权利要求1-3任一项所述的探测装置，其中，高能粒子探测器包括筒形探测器壳体、壳体顶部盖设的准直阻挡层以及筒形内部设置的多层探测元件，准直阻挡层中心具有一开口以用于接收入射的空间环境粒子，在开口中间放置一遮光层以遮挡低能光子，筒形探测器壳体内交替设置探测元件和绝缘层。

6.如权利要求1-3任一项所述的探测装置，其中，探测器的外壳用金属作为屏蔽结构。