低轨互联网卫星面临的主要辐射风险

作者：韩建伟

近年，国内外提出了和陆续实施多个低轨巨型互联网星座计划，涉及数万颗低轨道低成本商业卫星。“商业卫星要不要抗辐射，是个问题！如何抗辐射，更是个问题！”一文指出，“据了解，被‘低轨道辐射环境温和’的说法一叶障目，当前国内商业卫星基本上乐观地不怎么做抗辐射设计！”本文以Starlink星座计划典型的低、中、高层次轨道卫星为例，分析它们面临的辐射危害的主要特点，供低轨互联网星座计划参考。

针对Starlink计划中的345.6、550、1100、1275、1325km等典型轨道卫星，假设其服役5年，计算卫星舱内3mm铝屏蔽下遭受的电离总剂量、位移损伤剂量、以及星外有150μm玻璃盖片保护的太阳电池辐射损伤情况，并在最终结果中考虑2倍的设计余量，同时也计算了卫星舱内3mm铝屏蔽下使用的Xilinx公司Virtex-4 FPGA由辐射带质子和宇宙线重离子诱发的单粒子翻转率。具体计算使用如图1所示的中科院空间中心自主研发的“空间环境效应分析软件包（（SEEAP）”。表1为分析计算得到的Starlink星座典型轨道卫星主要辐射效应情况，图2是对应的柱状分布图。

图1 空间中心自主开发的“空间环境效应分析软件包（SEEAP）”

表1 Starlink星座典型轨道卫星主要辐射环境效应

图2 Starlink星座典型轨道卫星遭遇的主要辐射效应的程度

从以上的分析计算结果，可以看出低轨互联网星座卫星面临的几类主要辐射危害的特点：

1. 对于电离总剂量，1100km及其以下的卫星不超过35krad[Si]，较温和。1275km和1325km的卫星遭受的总剂量增长较剧烈，接近和超过典型器件100krad[Si]的抗总剂量指标，并不太温和！分别为87和113 krad[Si]。

2. 对于位移损伤剂量及太阳电池辐射损伤，550km及其以下的卫星较温和。1100km及其以上的卫星差异不大、较更低轨道增长至少一个量级，其中的位移损伤剂量达到10¹⁰-10¹¹等效10MeV质子/cm²的较恶劣水平！在“位移损伤导致的航天器异常和故障，您知道几多？”一文中，曾提到：NASA和ESA于1992年联合发射的高度1340km、倾角66°的TOPEX/Poseidon海洋观测卫星，在轨运行1.7年和8.75年时，遭遇的等效10MeV质子位移损伤剂量分别达到3x10¹⁰和2x10¹¹cm^-2，导致两个单机电路中使用的4N49光耦器件退化严重使得单机发生故障，如图3所示。

   

   图3 4N49光耦位移损伤导致1340km的

   TOPEX/Poseidon卫星电路失效

3. 对于单粒子翻转，不同轨道的重离子作用差异不大、较高轨道稍许严重一点。对于辐射带质子诱发的单粒子翻转，1100km及其以上轨道要较低轨道恶劣1个量级，同时这些轨道的辐射带质子的影响比重离子的作用恶劣1个量级以上！在“造器件、用器件，器件该抗多少LET值的单粒子”以及“空间抗辐射家族势力分布图”两篇文章中，曾经对抗单粒子辐射能力略强的Virtex-2 FPGA在更宽轨道高度空间使用发生的单粒子翻转进行了分析，结果如图4所示，在内辐射带控制的数千km以下的地球轨道空间，辐射带质子会导致大规模FPGA集成电路严重的、远高于中高轨道重离子作用的单粒子翻转。

图4 分析计算的不同高度地球轨道Virtex-2 FPGA SEU情况

总之，在低轨互联网星座卫星计划中，1000km以下的低LEO卫星遭受的电离总剂量、位移损伤剂量、太阳电池辐射损伤等累计危害及偶发的单粒子效应较温和。但是，1000km以上的高LEO卫星遭受的上述几类辐射危害均比较低轨道严重1个量级甚至更多，并不是简单地处于“辐射环境较温和低轨道”！其抗辐射任务相对艰巨，要特别注意！如何低成本高可靠地实施高LEO商业卫星抗辐射分析、试验及设计，可参考小抗如下文章：

• 商业卫星要不要抗辐射，是个问题！如何抗辐射，更是个问题！

• 总剂量导致的航天器异常和故障，您知道几多？

• 位移损伤导致的航天器异常和故障，您知道几多？

• 激光试验单粒子助力空间站抗辐射

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