衛星抗輻射加固設計方案

來源：上海衛星

帶電粒子輻射作為主要的空間輻射環境，是引起航天器故障的重要原因之一。因此，分析空間輻射環境對航天器的具體影響，并針對性開展抗輻射加固設計，是航天器設計的重要內容，也是提高航天器在軌環境適應性、確保航天器在軌穩定運行的基礎。

空間輻射環境對航天器的影響

高能帶電粒子通過與物質發生電離、原子移位、軔致輻射、核反應等作用，導致航天器的器件、材料等發生異常、故障或失效，這一現象稱為輻射效應。常見的輻射效應有總劑量效應、單粒子效應和充放電效應。

01 總劑量效應

分為電離總劑量效應和位移損傷效應。引起電離總劑量效應的主要來源是地球輻射帶的電子和質子以及太陽宇宙射線的質子，引起位移損傷效應的主要來源是地球輻射帶的質子以及太陽宇宙射線的質子。

02 單粒子效應

引起單粒子效應的主要來源是地球輻射帶的質子、銀河宇宙射線的重離子和質子以及太陽宇宙射線的質子和重離子。

03 充放電效應

分為表面充放電效應和內帶電效應。引起表面充放電效應的主要來源是磁層亞暴和極區沉降的低能電子、等離子體，內帶電效應的主要來源是高能電子。

▲各種粒子對航天器的影響

總劑量效應

入射粒子使星上材料和元器件的原子發生電離或位移，當達到一定的劑量時會使材料性能退化，元器件參數變化甚至功能失效，嚴重時會導致航天器的部分功能甚至全部功能喪失?？倓┝啃鸬氖怯谰眯允??？倓┝啃饕须婋x總劑量效應和位移損傷效應兩種。

電離總劑量效應

以MOS器件為例，高能粒子與器件中的氧化物發生作用，產生大量電子空穴對，使得MOS管的閾值電壓等參數退化。此外，由于電場強度越大，電子遷移率越高，因此在輻照條件下，加電工作將加速器件的電離總劑量損傷。

▲總劑量隨軌道高度的變化情況

位移損傷效應

當高能粒子入射到材料時，可與原子核產生庫侖彈性碰撞，導致器件性能參數（晶體管放大倍數、太陽電池和CCD轉換效率等）退化。位移損傷敏感對象主要有雙極性器件、太陽電池和CCD等光電器件和材料。

單粒子效應

單粒子效應中單粒子翻轉和單粒子閂鎖是最常見的兩種效應。

單粒子翻轉

當電離產生的電荷超過敏感單元翻轉所需的臨界電荷時，將引起相關單位邏輯狀態改變，出現單粒子翻轉。單粒子翻轉敏感器對象主要有SRAM、DRAM、SDRAM、FPGA、CPU、DSP、MCU等。單粒子翻轉不是永久性的，但故障不會自動恢復，通過重寫可以恢復原來狀態，因而單粒子翻轉為軟錯誤。器件發生單粒子翻轉時，當錯誤信息送至另一控制或執行電路，則可能引起誤動作。

單粒子閂鎖

高能粒子可能觸發體硅CMOS電路的寄生可控硅結構而導通造成閂鎖。一旦發生閂鎖，器件就會從電源到地形成一個低阻通路，處于過流的狀態；如不及時解除閂鎖，器件可能發生燒毀，造成設備的硬錯誤。

▲VirtexⅡFPGA近地空間SEU頻次示意圖

充放電效應

▲充放電效應

充放電效應主要分為表面充放電效應和內帶電效應。

表面充放電效應

在磁暴和亞磁暴期間，在空間等離子體作用下，航天器表面材料形成不等量帶電。當相鄰表面間的電位差超過了材料的電介強度時便發生放電，包括電暈、電弧、輝光，并發射電磁脈沖，經星上隙縫或線纜傳入航天器內部電子設備中，造成工作異?；蚬收?。

內帶電效應

空間高能帶電粒子穿過航天器表面，在航天器構件的電介質材料內部傳輸并沉積從而建立電場，當較高能量的電子嵌入線纜、線路板內形成電荷積累時產生放電，并產生干擾電磁脈沖，造成電子設備工作異?；蚬收?。

▲NASA4002手冊關于內帶電效應易發軌道

衛星抗輻射加固設計

在航天器總體設計中，抗輻射加固作為其中一個重要的工作項目，主要包括空間輻射環境預示及其效應分析、抗輻射加固設計、輻射試驗與評價等項目。在方案階段，重點開展空間輻射環境預示及其效應分析，提出抗輻加固指標要求；在初樣階段，重點根據抗輻加固指標要求開展抗輻射加固設計，開展必要的輻射試驗，并根據試驗結果對抗輻射加固措施進行評價；在正樣階段，重點關注抗輻射加固措施的落實。

總劑量效應防護設計

總劑量效應防護設計的措施主要有：

1、選用抗輻射能力強的材料、元器件。 2、對元器件進行局部屏蔽。 3、加厚單機機殼進行屏蔽。 4、通過多機冗余，輪換工作，提高系統抗總劑量能力。 5、進行合理的星內布局、結構設計，以充分借用儀器自身的結構件和附近單機的遮擋，降低到達敏感器件的輻射劑量。

▲航天器三維屏蔽分析結果：屏蔽厚度在立體角上的分布

單粒子效應防護設計

單粒子翻轉防護設計的措施主要有：

1、硬件措施：選擇LET閾值高的元器件，對FPGA的資源使用率進行降額，設置EDAC電路，進行三模冗余設計，設置硬件計數器對敏感器件進行監控等。

2、軟件設計：抗單粒子翻轉容錯設計是提高星載計算機可靠性的關鍵。常用的措施有指令重啟、數據回讀、三取二表決法、段存貯器置初值、反彈墻設計、軟件看門狗設置等。

單粒子閂鎖防護設計的措施主要有：

1、電源輸入口接入限流電阻。

2、CMOS電路輸入端不允許懸空，對于多余的輸入端要根據電路的功能分別處置。

3、盡量避免使用體硅CMOS工藝器件，關鍵部位可選用SOS、SOI工藝的器件。

4、設計電流監測和電源管理電路，一旦電流超過了設定閾值，則采取相應的措施。

充放電效應防護設計

充放電效應防護設計的措施主要有：

1、開展充放電仿真分析，識別風險薄弱環節，并采取針對性措施，以降低空間靜電放電的發生概率。

2、采取等電位設計，使航天器外表面材料形成防靜電連續體，避免形成壓差。

3、增加星上設備抗空間靜電放電干擾能力。即使出現放電，也不影響星上設備正常工作。

▲航天器表面充放電分析結果：表面充電電位分布圖

隨著航天器設計水平的不斷提升，抗輻射加固作為航天器總體設計中的重要環節，應當以在軌大數據為基礎，通過精細化仿真、智能化預測、協同化設計，促進了抗輻射加固設計從保守的定性設計到精細化的定量設計的轉變，助力航天器研制水平邁向更高的臺階。

審核編輯：湯梓紅