CN115438559B - 一种模拟星表材料在轨剂量分布的地面辐照试验方法 - Google Patents

一种模拟星表材料在轨剂量分布的地面辐照试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种模拟星表材料在轨剂量分布的地面辐照试验方法，包括：基于卫星轨道参数和设计寿命，分析卫星在寿命期内遭遇的包含低能等离子体的电子和质子能谱；基于星表材料面密度、应用状态以及轨道上的粒子能谱，分析星表材料在轨剂量‑深度分布曲线；计算地面容易获得的单能质子或电子在材料中沉积的电离剂量随深度分布数据，形成地面试验单能粒子剂量分布数据库；基于星表材料的在轨剂量‑深度分布曲线，从试验粒子数据库中挑选合适的粒子能量、粒子类型及总通量，使选取的试验粒子产生的剂量‑深度分布曲线组合后，完整包络星表材料厚度范围内的在轨剂量‑深度分布曲线；基于此，本发明完整重现星表材料在轨服役期间遭受的电离剂量分布。

Description

一种模拟星表材料在轨剂量分布的地面辐照试验方法
技术领域
本发明涉及卫星空间环境工程设计技术领域，具体涉及一种模拟星表材料在轨剂量分布的地面辐照试验方法。
背景技术
1、轨道粒子辐射环境
地球轨道卫星不可避免地暴露于空间带电粒子辐射环境中，空间带电粒子是能量为几个eV至几GeV的连续能谱，能量小于100keV的粒子通常被称作等离子体，而能量大于100keV的部分则通常称为高能粒子辐射。空间低能粒子射程较短，主要将自身能量沉积于卫星表面材料中；而高能带电粒子能穿透卫星结构屏蔽，通过电离相互作用、核相互作用等不同的能量传递物理过程，将粒子自身能量传递给星上材料，造成电离总剂量损伤。对于星表材料在轨性能而言，其主要的影响来自能量为1keV以上的粒子。
当前卫星工程设计中采用的地球辐射带AP8/AE8模型，粒子能量下限分别为100keV(质子)和40keV(电子)，没有包含能量更低的keV量级的等离子体；在地球中高轨道上，能量在keV量级的热等离子体密度显著高于高能粒子，因此，在分析对星表材料电离辐射损伤时需要纳入低能粒子的贡献。
在新一代地球辐射带模型IRENE中增加了全新的空间等离子体模型，可以对能量较低的质子、电子的通量进行分析。IRENE模型可以给出电子能量范围为1keV-10MeV，质子能量范围为1.15keV-2000MeV，空间范围为2≦L值≧10。基于IRENE模型，可以实现对卫星轨道上低能粒子通量的分析，弥补了AP8/AE8模型中缺少等离子体环境的不足。
2、星表材料剂量分布
星表薄膜、涂层、镀层等星表材料在卫星热控材料，以及一些大型天线、遮光罩、太阳电池帆板等部件中得到了大量的应用。由于星表材料长期暴露于空间，直接与空间环境相互作用，其性能会发生改变和退化。空间粒子辐射是主要的空间环境危害之一，在空间粒子辐射环境中星表材料的物理化学性质会发生改变，对星表材料的影响表现为材料的热学性能、力学性能和导电性能发生变化，包括材料表面太阳发射率和吸收率、材料电阻率变化以及材料龟裂等。
星表材料在轨服役过程中受到空间不同能量的电子和质子的辐照，电子和质子都会使卫星表面材料的性能发生衰退。由于空间粒子具有连续能谱特性，导致星表材料吸收剂量随厚度上的沉积并不均匀；低能质子和电子在材料浅表层沉积剂量，而高能质子和电子沉积在表面的剂量只有一小部分，大部分剂量都能沉积材料较深的部位。另外，由于不同轨道上空间粒子的种类、能谱和通量存在显著差异，导致不同轨道上星表材料的剂量-深度分布特征也明显不同。
3、地面辐照试验
对于长寿命卫星而言，星表材料在空间使用期间的性能退化情况是设计师非常关心的问题。地面辐照试验是提供评估依据的重要手段，但地面辐照试验无法重现空间环境中的连续带电粒子能谱和复杂的入射方向；因此，星表材料的地面辐照评价试验一般以达到在轨工作期间所遭受到的电离总剂量水平为依据。
当前星表材料的地面辐照试验通常采用单能质子或电子开展，由于没有考虑轨道上低能等离子体的影响，无法真实模拟星表材料在轨剂量分布特征，存在一定的欠试验风险。
当前针对长寿命卫星星表材料的地面辐照模拟试验，主要存在以下问题：
1)、星表材料电离总剂量计算中未考虑轨道上低能等离子体的贡献，导致材料浅表层的剂量计算结果偏低；
2)、星表材料的地面辐照试验通常采用单一能量的质子和电子开展，无法真实模拟在轨剂量分布特征；
3)、星表材料地面辐照试验方法未考虑材料密度、厚度和星上应用状态等特性，导致试验考核的有效性存在不足。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明基于不同轨道上辐射环境特性及星表材料实际应用状态，设计一套模拟星表材料在轨剂量分布的地面多种粒子组合辐照试验方法。
本发明公开了一种模拟星表材料在轨剂量分布的地面辐照试验方法，包括：
基于卫星轨道参数和设计寿命，分析卫星在寿命期内遭遇的包含低能等离子体的电子和质子能谱；
基于星表材料面密度、星表应用状态以及轨道上的粒子能谱，采用蒙特卡罗粒子输运分析方法计算星表材料在轨剂量-深度分布；
基于蒙特卡罗粒子输运分析方法，计算地面容易获得的不同单能质子或电子在材料中沉积的电离剂量随深度分布，形成单能粒子剂量分布数据库；
基于星表材料在轨剂量-深度分布曲线，从所述单能粒子剂量分布数据库中挑选合适的质子或电子；
调整选定的质子或电子的总通量，使选择的质子和电子产生的剂量-深度分布曲线叠加后，完整包络星表材料实际厚度范围内的在轨剂量-深度分布曲线，实现对星表材料在轨电离剂量分布的完整模拟。
作为本发明的进一步改进，所述基于卫星轨道参数和设计寿命，分析卫星在寿命期内遭遇的包含低能等离子体的电子和质子能谱；具体包括：
基于地球辐射带IRENE模型，输入卫星轨道参数和设计寿命；其中，所述卫星轨道参数包括但不限于卫星轨道近地点高度、远地点高度和倾角；
基于IRENE模型中PM模型选项，计算得到卫星在寿命期内遭遇的能量范围为1keV-10MeV的电子能谱以及能量范围为1.15keV-2000MeV的质子的能谱。
作为本发明的进一步改进，所述基于星表材料参数面密度、星表应用状态以及得到轨道上的粒子能谱，采用蒙特卡罗粒子输运分析方法计算在轨剂量-深度分布；包括：
基于星表材料的厚度和密度，计算星表材料的面密度；
基于星表材料在星表的星上应用状态，建立反映实际应用状态的辐射屏蔽分析模型；所述辐射屏蔽分析模型包括但不限于选择无限厚平板模型、有限厚平板模型或实心球模型；
在考虑空间粒子各向同性入射的状态下，采用蒙特卡罗粒子输运分析方法计算星表材料在轨剂量-深度分布。
作为本发明的进一步改进，地面模拟试验常用的单能质子的能量范围为50keV-500keV，以50keV能量为间隔；地面模拟试验常用的单能电子的能量范围为10keV-1MeV，能量为100keV(含)以下时以10keV能量为间隔，能量为100keV以上时以50keV能量为间隔。
作为本发明的进一步改进，在从所述单能粒子剂量分布数据库中选择合适的质子和电子时，优先选择50-500keV的质子实现对星表材料浅表层剂量沉积模拟，然后再选择10keV-1MeV的电子实现对星表材料较深部位的剂量沉积模拟。
作为本发明的进一步改进，地面试验选择的质子和电子叠加后形成的剂量分布曲线应包络星表材料厚度范围内的在轨剂量-深度分布曲线，且试验曲线与在轨曲线的偏差范围应在[0％,100％]。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明将轨道上粒子环境分析扩展至能量1keV低能粒子，根据不同轨道上粒子能谱及其在星表材料中沉积的剂量分布规律，采用多种能量粒子组合辐照试验方法，完整重现星表材料在轨服役期间遭受的电离剂量分布，实现对星表材料空间辐射环境适应能力的有效考核。
附图说明
图1为本发明一种实施例公开的模拟星表材料在轨剂量分布的地面辐照试验方法的流程图；
图2为本发明一种实施例公开的GEO轨道粒子能谱；
图3为本发明一种实施例公开的GEO轨道中星表材料中剂量来源及分布；
图4为本发明一种实施例公开的不同能量粒子在星表材料中剂量沉积分布曲线；
图5为本发明一种实施例公开的GEO轨道地面试验粒子剂量分布与在轨分布曲线的对比。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
如图1所示，本发明提供一种模拟星表材料在轨剂量分布的地面辐照试验方法，包括：
步骤1、基于卫星轨道参数和设计寿命，分析卫星在寿命期内遭遇的包含低能等离子体的电子和质子能谱；
具体包括：
基于地球辐射带IRENE模型，输入卫星轨道参数和设计寿命；其中，卫星轨道参数包括但不限于卫星轨道近地点高度、远地点高度和倾角；选择电子能量范围为1keV-10MeV、质子能量范围为1.15keV-2000MeV；基于IRENE模型的PM选项，计算得到卫星在寿命期内遭遇的能量范围为1keV-10MeV的电子能谱以及能量范围为1.15keV-2000MeV的质子能谱。
实施例：
基于上述方法，计算得到能量范围为1keV-10MeV的电子以及能量范围为1.15keV-2000MeV的质子的能谱如图2所示。
步骤2、基于星表材料面密度、星表应用状态以及轨道上的粒子能谱，采用蒙特卡罗粒子输运分析方法计算星表材料在轨剂量-深度分布；
具体包括：
分析星表材料厚度、密度等参数，将星表材料厚度乘以密度得到星表材料面密度；分析星表材料在星表的应用状态，建立反映实际应用状态的辐射屏蔽分析模型；辐射屏蔽分析模型包括但不限于选择无限厚平板模型、有限厚平板模型或实心球模型，对于附着在较厚基底材料上(厚度大于1mm)的情况应用无限厚平板模型，对于无附着基底(如充气结构)的情况应用有限厚平板模型；对于周围屏蔽状态基本均匀(如设备内部)的情况应用实心球模型；在考虑空间粒子各向同性入射的状态下，采用蒙特卡罗粒子输运分析方法(可采用Mulassis蒙特卡罗粒子输运分析程序或更为简便的Shieldose-2程序)计算星表材料在轨剂量-深度分布。
实施例：
基于上述方法，计算得到星表材料在轨剂量-深度分布曲线如图3所示。
步骤3、计算地面容易获得的不同单能质子或电子在材料中沉积的电离剂量随深度分布，形成单能粒子剂量分布数据库；
具体包括：
考虑垂直入射情况，采用与步骤2同一个粒子输运分析程序(Mulassis蒙特卡罗粒子输运分析程序或Shieldose-2程序)计算能量范围为50keV-500keV(以50keV为间隔)内单能质子在材料中沉积的电离剂量分布，以及能量范围为10keV-1MeV(能量为100keV(含)以下时以10keV为间隔，能量为100keV以上时以50keV为间隔)内单能电子在材料中沉积的电离剂量分布，形成单能粒子剂量分布数据库。
实施例：
基于上述方法，得到的单能粒子剂量分布数据库如图4所示。
步骤4、基于星表材料在轨剂量-深度分布曲线，从单能粒子剂量分布数据库中挑选合适的质子或电子；其中，充分考虑地面粒子加速器源等现实条件，优先选择50-500keV的质子实现对星表材料浅表层剂量沉积模拟，然后再选择10keV-1MeV的电子实现对星表材料较深部位的剂量沉积模拟。
步骤5、调整选定的质子或电子的总通量，使选择的质子和电子产生的剂量-深度分布曲线叠加后，完整包络星表材料实际厚度范围内的在轨剂量-深度分布曲线，实现对星表材料在轨电离剂量分布的完整模拟；其中，
进一步，地面试验选择的质子和电子叠加后形成的剂量分布曲线应包络星表材料厚度范围内的在轨剂量-深度分布曲线，试验曲线与在轨曲线的偏差范围应在[0％,100％]。，将选定的一组试验粒子确定为星表材料开展地面辐照试验时的试验条件。
实施例：
基于上述方法，选定的15年GEO卫星星表材料辐照试验条件如表1所示，其叠加后的不同能量粒子在星表材料中剂量沉积分布如图5所示。
表1
Figure BDA0003891508040000061
Figure BDA0003891508040000071
本发明的优点为：
本发明可完整重现星表材料在不同应用轨道上剂量-深度分布特征，形成一套地面多种单能粒子组合辐照试验条件，为地面考核评价材料空间辐射环境适应性提供依据。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种模拟星表材料在轨剂量分布的地面辐照试验方法，其特征在于，包括：
基于卫星轨道参数和设计寿命，分析卫星在寿命期内遭遇的包含低能等离子体的电子和质子能谱；
基于星表材料面密度、星表应用状态以及轨道上的粒子能谱，采用蒙特卡罗粒子输运分析方法计算星表材料在轨剂量-深度分布；
基于蒙特卡罗粒子输运分析方法，计算地面容易获得的不同单能质子或电子在材料中沉积的电离剂量随深度分布，形成单能粒子剂量分布数据库；
基于星表材料在轨剂量-深度分布曲线，从所述单能粒子剂量分布数据库中挑选合适的质子或电子；
调整选定的质子或电子的总通量，使选择的质子和电子产生的剂量-深度分布曲线叠加后，完整包络星表材料实际厚度范围内的在轨剂量-深度分布曲线，实现对星表材料在轨电离剂量分布的完整模拟。
2.如权利要求1所述的模拟星表材料在轨剂量分布的地面辐照试验方法，其特征在于，所述基于卫星轨道参数和设计寿命，分析卫星在寿命期内遭遇的包含低能等离子体的电子和质子能谱；具体包括：
基于地球辐射带IRENE模型，输入卫星轨道参数和设计寿命；其中，所述卫星轨道参数包括但不限于卫星轨道近地点高度、远地点高度和倾角；
基于IRENE模型中PM选项，计算得到卫星在寿命期内遭遇的能量范围为1keV-10MeV的电子能谱以及能量范围为1.15keV-2000MeV的质子能谱。
3.如权利要求1所述的模拟星表材料在轨剂量分布的地面辐照试验方法，其特征在于，所述基于星表材料面密度、星表应用状态以及轨道上的粒子能谱，采用蒙特卡罗粒子输运分析方法计算星表材料在轨剂量-深度分布；包括：
基于星表材料的厚度和密度，计算星表材料的面密度；
基于星表材料星上应用状态，建立反映实际应用状态的辐射屏蔽分析模型；所述辐射屏蔽分析模型包括但不限于选择无限厚平板模型、有限厚平板模型或实心球模型；
考虑空间粒子各向同性入射的状态下，采用蒙特卡罗粒子输运分析方法计算星表材料在轨剂量-深度分布。
4.如权利要求1所述的模拟星表材料在轨剂量分布的地面辐照试验方法，其特征在于，地面模拟试验常用的单能质子的能量范围为50keV-500keV，以50keV能量为间隔；地面模拟试验常用的单能电子的能量范围为10keV-1MeV，能量不大于100keV时以10keV能量为间隔，能量为100keV以上时以50keV能量为间隔。
5.如权利要求4所述的模拟星表材料在轨剂量分布的地面辐照试验方法，其特征在于，在从所述单能粒子剂量分布数据库中选择合适的质子和电子时，优先选择50-500keV的质子实现对星表材料浅表层剂量沉积模拟，然后再选择10keV-1MeV的电子实现对星表材料较深部位的剂量沉积模拟。
6.如权利要求1所述的模拟星表材料在轨剂量分布的地面辐照试验方法，其特征在于，地面试验选择的质子和电子叠加后形成的剂量分布曲线应包络星表材料厚度范围内的在轨剂量-深度分布曲线，且试验曲线与在轨曲线的偏差范围应在[0%,100%]。
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星用热控涂层空间辐照环境等效模拟试验方法研究;田海等;《航天器环境工程》;全文 *

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