衛(wèi)星抗輻射加固設(shè)計(jì)方案

來源：上海衛(wèi)星

帶電粒子輻射作為主要的空間輻射環(huán)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(huán)境對(duì)航天器的具體影響，并針對(duì)性開展抗輻射加固設(shè)計(jì)，是航天器設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，也是提高航天器在軌環(huán)境適應(yīng)性、確保航天器在軌穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。

空間輻射環(huán)境對(duì)航天器的影響

高能帶電粒子通過與物質(zhì)發(fā)生電離、原子移位、軔致輻射、核反應(yīng)等作用，導(dǎo)致航天器的器件、材料等發(fā)生異常、故障或失效，這一現(xiàn)象稱為輻射效應(yīng)。常見的輻射效應(yīng)有總劑量效應(yīng)、單粒子效應(yīng)和充放電效應(yīng)。

01 總劑量效應(yīng)

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

02 單粒子效應(yīng)

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

03 充放電效應(yīng)

分為表面充放電效應(yīng)和內(nèi)帶電效應(yīng)。引起表面充放電效應(yīng)的主要來源是磁層亞暴和極區(qū)沉降的低能電子、等離子體，內(nèi)帶電效應(yīng)的主要來源是高能電子。

▲各種粒子對(duì)航天器的影響

總劑量效應(yīng)

入射粒子使星上材料和元器件的原子發(fā)生電離或位移，當(dāng)達(dá)到一定的劑量時(shí)會(huì)使材料性能退化，元器件參數(shù)變化甚至功能失效，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致航天器的部分功能甚至全部功能喪失?？倓┝啃?yīng)引起的是永久性失效。總劑量效應(yīng)主要有電離總劑量效應(yīng)和位移損傷效應(yīng)兩種。

電離總劑量效應(yīng)

以MOS器件為例，高能粒子與器件中的氧化物發(fā)生作用，產(chǎn)生大量電子空穴對(duì)，使得MOS管的閾值電壓等參數(shù)退化。此外，由于電場(chǎng)強(qiáng)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(yīng)

當(dāng)高能粒子入射到材料時(shí)，可與原子核產(chǎn)生庫(kù)侖彈性碰撞，導(dǎo)致器件性能參數(shù)（晶體管放大倍數(shù)、太陽(yáng)電池和CCD轉(zhuǎn)換效率等）退化。位移損傷敏感對(duì)象主要有雙極性器件、太陽(yáng)電池和CCD等光電器件和材料。

單粒子效應(yīng)

單粒子效應(yīng)中單粒子翻轉(zhuǎn)和單粒子閂鎖是最常見的兩種效應(yīng)。

單粒子翻轉(zhuǎn)

當(dāng)電離產(chǎn)生的電荷超過敏感單元翻轉(zhuǎn)所需的臨界電荷時(shí)，將引起相關(guān)單位邏輯狀態(tài)改變，出現(xiàn)單粒子翻轉(zhuǎn)。單粒子翻轉(zhuǎn)敏感器對(duì)象主要有SRAM、DRAM、SDRAM、FPGA、CPU、DSP、MCU等。單粒子翻轉(zhuǎn)不是永久性的，但故障不會(huì)自動(dòng)恢復(fù)，通過重寫可以恢復(fù)原來狀態(tài)，因而單粒子翻轉(zhuǎn)為軟錯(cuò)誤。器件發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)錯(cuò)誤信息送至另一控制或執(zhí)行電路，則可能引起誤動(dòng)作。

單粒子閂鎖

高能粒子可能觸發(fā)體硅CMOS電路的寄生可控硅結(jié)構(gòu)而導(dǎo)通造成閂鎖。一旦發(fā)生閂鎖，器件就會(huì)從電源到地形成一個(gè)低阻通路，處于過流的狀態(tài)；如不及時(shí)解除閂鎖，器件可能發(fā)生燒毀，造成設(shè)備的硬錯(cuò)誤。

▲VirtexⅡFPGA近地空間SEU頻次示意圖

充放電效應(yīng)

▲充放電效應(yīng)

充放電效應(yīng)主要分為表面充放電效應(yīng)和內(nèi)帶電效應(yīng)。

表面充放電效應(yīng)

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(dāng)相鄰表面間的電位差超過了材料的電介強(qiáng)度時(shí)便發(fā)生放電，包括電暈、電弧、輝光，并發(fā)射電磁脈沖，經(jīng)星上隙縫或線纜傳入航天器內(nèi)部電子設(shè)備中，造成工作異?；蚬收稀?/p>

內(nèi)帶電效應(yīng)

空間高能帶電粒子穿過航天器表面，在航天器構(gòu)件的電介質(zhì)材料內(nèi)部傳輸并沉積從而建立電場(chǎng)，當(dāng)較高能量的電子嵌入線纜、線路板內(nèi)形成電荷積累時(shí)產(chǎn)生放電，并產(chǎn)生干擾電磁脈沖，造成電子設(shè)備工作異?；蚬收?。

▲NASA4002手冊(cè)關(guān)于內(nèi)帶電效應(yīng)易發(fā)軌道

衛(wèi)星抗輻射加固設(shè)計(jì)

在航天器總體設(shè)計(jì)中，抗輻射加固作為其中一個(gè)重要的工作項(xiàng)目，主要包括空間輻射環(huán)境預(yù)示及其效應(yīng)分析、抗輻射加固設(shè)計(jì)、輻射試驗(yàn)與評(píng)價(jià)等項(xiàng)目。在方案階段，重點(diǎn)開展空間輻射環(huán)境預(yù)示及其效應(yīng)分析，提出抗輻加固指標(biāo)要求；在初樣階段，重點(diǎn)根據(jù)抗輻加固指標(biāo)要求開展抗輻射加固設(shè)計(jì)，開展必要的輻射試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)抗輻射加固措施進(jìn)行評(píng)價(jià)；在正樣階段，重點(diǎn)關(guān)注抗輻射加固措施的落實(shí)。

總劑量效應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)

總劑量效應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)的措施主要有：

1、選用抗輻射能力強(qiáng)的材料、元器件。 2、對(duì)元器件進(jìn)行局部屏蔽。 3、加厚單機(jī)機(jī)殼進(jìn)行屏蔽。 4、通過多機(jī)冗余，輪換工作，提高系統(tǒng)抗總劑量能力。 5、進(jìn)行合理的星內(nèi)布局、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以充分借用儀器自身的結(jié)構(gòu)件和附近單機(jī)的遮擋，降低到達(dá)敏感器件的輻射劑量。

▲航天器三維屏蔽分析結(jié)果：屏蔽厚度在立體角上的分布

單粒子效應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)

單粒子翻轉(zhuǎn)防護(hù)設(shè)計(jì)的措施主要有：

1、硬件措施：選擇LET閾值高的元器件，對(duì)FPGA的資源使用率進(jìn)行降額，設(shè)置EDAC電路，進(jìn)行三模冗余設(shè)計(jì)，設(shè)置硬件計(jì)數(shù)器對(duì)敏感器件進(jìn)行監(jiān)控等。

2、軟件設(shè)計(jì)：抗單粒子翻轉(zhuǎn)容錯(cuò)設(shè)計(jì)是提高星載計(jì)算機(jī)可靠性的關(guān)鍵。常用的措施有指令重啟、數(shù)據(jù)回讀、三取二表決法、段存貯器置初值、反彈墻設(shè)計(jì)、軟件看門狗設(shè)置等。

單粒子閂鎖防護(hù)設(shè)計(jì)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(duì)于多余的輸入端要根據(jù)電路的功能分別處置。

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

4、設(shè)計(jì)電流監(jiān)測(cè)和電源管理電路，一旦電流超過了設(shè)定閾值，則采取相應(yīng)的措施。

充放電效應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)

充放電效應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)的措施主要有：

1、開展充放電仿真分析，識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)薄弱環(huán)節(jié)，并采取針對(duì)性措施，以降低空間靜電放電的發(fā)生概率。

2、采取等電位設(shè)計(jì)，使航天器外表面材料形成防靜電連續(xù)體，避免形成壓差。

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

▲航天器表面充放電分析結(jié)果：表面充電電位分布圖

隨著航天器設(shè)計(jì)水平的不斷提升，抗輻射加固作為航天器總體設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，應(yīng)當(dāng)以在軌大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過精細(xì)化仿真、智能化預(yù)測(cè)、協(xié)同化設(shè)計(jì)，促進(jìn)了抗輻射加固設(shè)計(jì)從保守的定性設(shè)計(jì)到精細(xì)化的定量設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變，助力航天器研制水平邁向更高的臺(tái)階。

審核編輯：湯梓紅