（中國空間技術(shù)研究院總體設(shè)計(jì)部．上海１０００８６）薹。空間帶電粒子的總電離劑量效應(yīng)造成衛(wèi)星電子元元件和材料的性能退化，衛(wèi)星研發(fā)過程中須對空間幅射劑量進(jìn)行詳盡剖析。衛(wèi)星幅射劑量的一維剖析，采用均勻長度實(shí)心球屏蔽模型，不能確切反映衛(wèi)星復(fù)雜的實(shí)際構(gòu)象。而基于衛(wèi)星ＣＡＤ總體模型的幅射劑量三維剖析，考慮了衛(wèi)星復(fù)雜構(gòu)象對空間幅射的屏蔽療效．該方式具有更強(qiáng)的工程性質(zhì)和意義，使空間環(huán)境及效應(yīng)剖析與衛(wèi)星實(shí)際工程得到緊密結(jié)關(guān)詞Ｉ空間幅射幅射劑量幅射屏蔽衛(wèi)星序言自１９５８年日本第一顆人造月球衛(wèi)星“探險(xiǎn)者～號”發(fā)現(xiàn)月球幅射帶（ｖａｎＡｌｉｅｎ天然帶）以后，經(jīng)過４０多年的探求和研究，人類漸漸認(rèn)識到近地空間參雜著各類高能帶電粒子，這種帶電粒子分別來自月球幅射帶、太陽宇宙線和銀河宇宙線，它們具有各類不同的能量和通量，隨時(shí)空的變化而變化，并與太陽活動(dòng)密切相關(guān)。高度約為３６０００ｋｍ的月球同步軌道（ＧＥＯ），坐落外幅射帶的中心高度（２００００－３００００ｋｍ）之外，接近外幅射帶外邊沿。運(yùn)行于月球同步軌道上的衛(wèi)星，不可防止地遭受各類空間帶電粒子幅射，帶電粒子與星用電子元元件及材料互相作用，將形成各類空間幅射效應(yīng)，因而對衛(wèi)星引起一定程度的損傷與害處，甚至恐嚇衛(wèi)星安全。
ＧＥＯ衛(wèi)星一般具有較長的壽命，因?yàn)榭臻g帶電粒子幅射的常年積累，在衛(wèi)星在軌期間對衛(wèi)星造成的電離總劑量效應(yīng)愈顯突出，成為了ＧＥＯ衛(wèi)星設(shè)計(jì)研發(fā)中備受關(guān)注的重要空間幅射效應(yīng)之一。在ＧＥＯ衛(wèi)星研發(fā)過程中，需對衛(wèi)星表面及內(nèi)部一些關(guān)鍵部件在軌期間的空間幅射劑量進(jìn)行確切剖析，作為衛(wèi)星總劑量幅射防護(hù)設(shè)計(jì)與地面模擬試驗(yàn)的根據(jù)。２幅射劑量的一維剖析在ＧＥＯ衛(wèi)星研發(fā)過程中，為了描述衛(wèi)星在軌運(yùn)行時(shí)所接受的空間總劑量幅射水平，在衛(wèi)星研制的早期，對ＧＥＯ衛(wèi)星的在軌空間幅射劑量進(jìn)行一維剖析，給出空間幅射劑量與屏蔽長度之間的關(guān)系，即深度劑量關(guān)系。圖Ｉ是工作壽命為ｌＯ年的ＧＥＯ衛(wèi)星的深度劑量關(guān)系曲線，它采用球心屏蔽模型，給出了衛(wèi)星在軌運(yùn)行１０年期間，月球同步軌道上不同質(zhì)量面密度（可等效為鋁屏蔽長度）的實(shí)心屏蔽球的球心位置的空間幅射劑量值。這些空間幅射劑量的一維剖析結(jié)果，貫串于ＧＥＯｐ星從方案到正樣的全部研發(fā)階段，成為指導(dǎo)星用電子元元件和材料的選用和訂貨、總劑母地面模擬試駐、總劑量幅射防護(hù)設(shè)計(jì)等的重要依據(jù)，同時(shí)也是對ｐ星作進(jìn)一步空間幅射劑量剖析（三維剖析）的基礎(chǔ)。圖１的數(shù)學(xué)涵義如圖２所示。對于月球同步軌道上放置于具有一定質(zhì)量面密度的實(shí)心屏蔽球的球心僥置的吸收體Ａ，幽１給出的是其在軌運(yùn)行１０年期間所吸收的幅射劑量值與不同的屏蔽球直徑之間的關(guān)系圖２球心屏蔽模型深度劑量曲線數(shù)學(xué)含意示意圖很其實(shí)，將圖１應(yīng)用于實(shí)際衛(wèi)星工程時(shí)，它把衛(wèi)星內(nèi)部劑量點(diǎn)對全向空間的質(zhì)量屏蔽簡化成了一維的均勻長度球殼的屏蔽。
但是，真實(shí)衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，全向空間的帶電粒子從空間入射到星內(nèi)某一特定設(shè)備內(nèi)部的過程中，將經(jīng)過衛(wèi)星蒙皮、衛(wèi)星結(jié)構(gòu)件、其他星載儀器、儀器本身殼體等多種屏蔽，并強(qiáng)烈依賴于衛(wèi)星實(shí)際的總體布局。這些復(fù)雜的幅射屏蔽具有兩個(gè)特征：一是劑量點(diǎn)在不同的空間入射方向上屏蔽各不相同，二是對于不同劑量點(diǎn)，全向空間的屏蔽狀況也各不相同。為此同步衛(wèi)星，圖ｌ難以彰顯出以上差別，僅靠其基于均勻長度實(shí)心球殼屏蔽的一維深度劑量曲線來指導(dǎo)衛(wèi)星的總劑量幅射防護(hù)設(shè)計(jì)及地面模擬試驗(yàn)等，無疑相當(dāng)簡略，這只能做為一種定性剖析與初步恐怕的手段。為此，為充分和詳盡了解衛(wèi)星內(nèi)部各關(guān)鍵部位的幅射劑量狀況，必須對衛(wèi)星進(jìn)行幅射劑量的三維剖析。３幅射劑量的三維剖析在我國“ＤＦＨ．３”下星的研發(fā)工程中，為進(jìn)行衛(wèi)星的＝維劑量剖析．依據(jù)衛(wèi)星的總體布局圖紙，對兒臺犀上設(shè)備的在軌幅射劑量進(jìn)行了手工估算。但其結(jié)果依然很簡略，緣由是衛(wèi)星實(shí)際構(gòu)象太復(fù)雜，要對那些設(shè)備在不同方向上的質(zhì)量屏蔽進(jìn)行剖析，只能作好多簡化，丁＿是與實(shí)際ｐ星構(gòu)象大不相符。并且花費(fèi)了人量人力和時(shí)間。為此，要較確切地估算實(shí)際衛(wèi)星內(nèi)部各特定位置在軌運(yùn)行期間的吸收劑量，必須尋求與實(shí)際的衛(wèi)星工程相結(jié)合的估算與分折技巧。
ＣＡＤ／ＣＡＭ技術(shù)在衛(wèi)星總體布局上的應(yīng)用，為我們提供了新的技術(shù)思路和解決途徑。隨著我國衛(wèi)星設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步，在ＥｕＣｌｉｄ軟件平臺上實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星的計(jì)算機(jī)三維總體布局，雖然質(zhì)是衛(wèi)星在計(jì)算機(jī)上真實(shí)、完整的三維實(shí)體造型，包含了衛(wèi)星所有產(chǎn)品（包括儀器設(shè)備、電纜、管道、結(jié)構(gòu)件等等）的實(shí)際形狀、尺寸、質(zhì)量特點(diǎn)、裝配關(guān)系等多種屬性。同時(shí)，Ｅｕｃｌｉｄ軟件平臺是一個(gè)開放平臺，具有很強(qiáng)的二次開發(fā)功能。在這一技術(shù)基礎(chǔ)上，我們針對月球同步衛(wèi)星的真實(shí)構(gòu)象和質(zhì)量特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了星內(nèi)、外任意一點(diǎn)在全向空間不同方向上屏蔽質(zhì)量分布的三維剖析，從而估算出該點(diǎn)的在軌幅射劑量值。因?yàn)榭紤]了衛(wèi)星在不同方向上總體布局實(shí)際并且真實(shí)的差別，因而其結(jié)果比采用均勻長度實(shí)心圓球屏蔽的深度劑量曲線具有更強(qiáng)的工程性質(zhì)和工程意義。這些星內(nèi)幅射劑量的二維剖析方式，在我國幾顆ＧＥＯ衛(wèi)星的研發(fā)過程中得到應(yīng)用并不斷改進(jìn)和建立，成為對衛(wèi)星進(jìn)行幅射防護(hù)剖析與設(shè)計(jì)的重要根據(jù)。衛(wèi)星的Ｅｕｃｌｉｄ三維總體布局圖反映了衛(wèi)星相當(dāng)復(fù)雜的真實(shí)構(gòu)象，仍不能直接用于整星質(zhì)量屏蔽剖析，必須首先進(jìn)行模型簡化：一是忽視一些對劑量估算影響不大的物體，二是將儀器設(shè)備的復(fù)雜形體加以近似簡化。
圖３是我國一顆ＧＥＯ衛(wèi)星簡化后用于幅射劑量剖析的Ｅｕｃｌｉｄ三維總體布局模型，該模型具有如下特性：ａ．星上儀器設(shè)備的主要形體簡化為近似的簡單幾何體（如立方體、圓柱體、圓球等），并忽視儀器上的＿、安裝耳片、電纜插座、插座等次要形體的影響；ｂ．忽視太陽翼：ｃ．考慮通訊艙對／背地上板、衛(wèi)星外部的天線、儲箱中的燃料；ｄ．考慮衛(wèi)星表面包覆的多層隔熱材料；ｅ．考慮衛(wèi)星各艙板上的線纜、管道和波導(dǎo)。圖３用于幅射劑量剖析的６Ｅ０衛(wèi)星Ｅｕｃｌｉｄ三維簡化模型在圖３的衛(wèi)星簡化模型中，選取要剖析的劑量點(diǎn)，從該點(diǎn)向星外全向空間引出若干條射線，從而將全向空間（４ｎ立體角）分割成若干具有一定立體角的小區(qū)域，每條射線對應(yīng)一個(gè)小區(qū)域。之后估算出每條射線方向上，射線所穿透的衛(wèi)星簡化模型中各儀器設(shè)備、結(jié)構(gòu)件等的質(zhì)量面密度，于是得到了劑量點(diǎn)在全向空間不同方向上基于衛(wèi)星總體布局的屏蔽質(zhì)量分布狀況。再結(jié)合圖ｌ的深度劑量關(guān)系曲線，就可以估算出每條射線所代表的小區(qū)域中經(jīng)屏蔽后的空間幅射劑量，進(jìn)而完成整星幅射劑量的三維剖析估算。４幅射劑量的三維剖析結(jié)果對圖３所示模型中的一臺設(shè)備，在考慮衛(wèi)星布局對空間幅射的屏蔽以后，通過對幅射劑量的三維剖析．得到設(shè)備內(nèi)部的幅射劑量與設(shè)備殼體長度之間的關(guān)系（圖４）。
這一剖析結(jié)果與圖１的深度劑量關(guān)系有本質(zhì)上的區(qū)別，因?yàn)閳D４考慮的幅射屏蔽模型是衛(wèi)星實(shí)際布局而非簡單和理想的實(shí)心球，因而圖４比圖１具有更強(qiáng)的工程性質(zhì)。在該設(shè)備的研發(fā)過程中，圖４給出了在軌期間設(shè)備內(nèi)部電子元元件或材料必須本事受的空間幅射劑量水平，為元元件選用及設(shè)備的幅射防護(hù)設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)和根據(jù)。設(shè)備殼體長度（蛐Ａ１）圖４設(shè)備內(nèi)部幅射劑量與殼體長度的關(guān)系對幅射劑量的三維剖析，同時(shí)可獲得劑量點(diǎn)在空間不同方向上基于衛(wèi)星實(shí)際總體布局的幅射劑量分布狀況。為描述這些分布，將衛(wèi)星座標(biāo)系原點(diǎn)平移到劑量點(diǎn)Ｏ，假定ＯＡ是來自空間某一方向的射線．ＯＸ軸與ＯＡ在ＸＯＹ平面投影之間的逆秒針傾角為０）（逆秒針為正，范圍為０。－－３６００），ＯＡ與ＸＯＹ平面的傾角為０（逆秒針為正，范圍為－９０。－＋９０。），如圖５。在幅射劑量空間分布剖析時(shí)同步衛(wèi)星，用角度０｝Ｈｏｏ來描述空間幅射的入射方向。圖５空間入射方向的表示對圖２衛(wèi)星模型內(nèi)部某設(shè)備所進(jìn)行幅射劑量空間分布的剖析結(jié)果見圖６。因?yàn)樾l(wèi)星實(shí)際布局在各個(gè)方向上對該設(shè)備提供的質(zhì)量屏蔽各不相同，圖６顯示了因而引起的該設(shè)備在各個(gè)方向獲得的空間幅射劑量的很大差別。圖中的劑量峰值區(qū)域?qū)?yīng)的０和值代表的空間方向，表明了該設(shè)備在軌時(shí)空間幅射劑量的主要來源方向，而在其他方向上其所獲得的幅射劑量很小，乃至為０。
這些針對特定衛(wèi)星的實(shí)際布局，對特定劑量點(diǎn)在空間各方向上吸收的幅射劑量的差別和分布的剖析，僅靠圖ｌ的深度劑量曲線無疑是難以完成的。圖６皇內(nèi)設(shè)備的幅射劑量空問分布ＧＥＯ衛(wèi)星的三維幅射劑量剖析結(jié)果，為衛(wèi)星施行總劑量幅射防護(hù)提供了重要根據(jù)。尤其是對輻射劑量空間分布的剖析，可以推動(dòng)一系列對衛(wèi)星具有良好療效和較高效率的抗幅射設(shè)計(jì)和防護(hù)手段在Ｉ：程中的施行，包括衛(wèi)星總體布局的抗幅射優(yōu)化、設(shè)備內(nèi)部布局抗幅射優(yōu)化、抗幅射局部防護(hù)、關(guān)鍵設(shè)備幅射劑量剖析及防護(hù)等等。基于衛(wèi)星實(shí)際布局的幅射劑量三維剖析方式，具有實(shí)際的工程意義。同時(shí)，在此剖析基礎(chǔ)上，可防止在衛(wèi)星上統(tǒng)～采用抗幅射加固電子元元件，防止設(shè)備采用殼體整體加厚的幅射屏蔽防護(hù)，而代之以有針對性地用不同抗幅射等級電子元元件，代之以有針對性的幅射局部屏蔽防護(hù)或則無須屏蔽的布局優(yōu)化等幅射防護(hù)，這無疑極大有利于衛(wèi)星增加成本和衛(wèi)星５結(jié)束語為滿足在軌期間的空間幅射要求，ＧＥＯ衛(wèi)星行制中須進(jìn)行幅射劑量剖析，為衛(wèi)星抗總劑量幅射防護(hù)提供根據(jù)。在衛(wèi)星行制早期，可進(jìn)行幅射劑量的一維剖析：在衛(wèi)星總體布局確定后，可對衛(wèi)星進(jìn)行詳盡的幅射劑量三維剖析。基于Ｅｕｃｌｉｄ軟件平臺衛(wèi)星三維布局圖的整星幅射劑量三維剖析方式，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星空間環(huán)境及效應(yīng)剖析與實(shí)際衛(wèi)星工程的緊密結(jié)合，其剖析結(jié)果為衛(wèi)星抗幅射防護(hù)設(shè)計(jì)提供了工程化的剖析數(shù)據(jù)，Ｉ司時(shí)為一些新的幅射防護(hù)舉措創(chuàng)造了在衛(wèi)星上施行的可能性，寬廣了衛(wèi)星抗幅射防護(hù)設(shè)計(jì)的技術(shù)思