转移轨道空间辐射环境及效应研究

在各种类型的在轨任务中，转移轨道任务是最复杂的，在任务期间会遭遇复杂的空间环境，对于航天器和航天员都存在巨大的危险。本文针对转移轨道任务中涉及到的四种典型轨道进行模拟，使用MULASSIS程序计算各轨道总电离剂量和非电离剂量。结果表明：转移轨道为高椭圆轨道时卫星需要抵抗超高累积辐射剂量，当屏蔽厚度达到9 mm时对电子的屏蔽效能显著降低。当屏蔽厚度达到3 mm时对质子的屏蔽效能显著降低。本文相关计算结果可以有针对性的对不同类型的轨道任务采取有效的防护措施提供依据。

轨道环境中存在大量的带电粒子， 与航天器中的电子元器件及材料发生作用， 从而产生单粒子效应、总剂量效应和位移损伤效应等，其影响会使航天器的寿命和可靠降低，甚至严重的会使航天器的电子元器件等产生不可逆的损伤与错误， 致使航天任务的失败。

其中， 最值得注意的是电离损伤和非电离损伤。

电离损伤会导致MOS 器件的阈值电压漂移和击穿电压变化[1] [2] [3] [4]。非电离能量损失会导致双极性器件退化和光电器件损坏， 如太阳能阵列[5] [6]。

计算卫星在轨的总电离剂量和非电离剂量是航天器防护设计的关键。同时，分析不同轨道的空间辐射环境也是非常重要的。分析空间环境是提高航天器在轨环境适应性、保证航天器在轨稳定运行的基础。近年来，研究人员还通过蒙特卡洛模拟方法和地面实验研究了用于航天器辐射防护的铝、聚合物、复合材料和多层屏蔽材料[7] [8] [9] [10] [11]。然而，这些研究主要集中在单能粒子或一种轨道的屏蔽能力上[12]。

很少有人研究转移轨道任务中电子和质子的屏蔽效应， 缺乏对不同轨道辐射环境的比较。

本文考虑最恶劣情况，模拟转移轨道任务中涉及的地球转移轨道(GTO)、地球同步轨道(GEO)、中地球轨道(MEO)以及低地球轨道(LEO)，并通过MULASSIS 程序计算各轨道的总电离剂量和非电离剂量， 对其主要环境特征和辐射效应进行分析和讨论，旨在为航天器的防护设计提供依据，可以有针对性的对不同类型的轨道任务采取有效的防护措施。

2. 程序介绍及模型设置 2.1. MULASSIS 计算程序 MULASSIS (multi-layered shielding simulation software)计算程序是运用的蒙特卡洛方法，模拟跟踪大量入射粒子在靶材料中的运动，粒子在靶材料中的各种能量损失、位置信息以及所产生的次级粒子等参数都会被记录下来并储存，根据相关公式计算能得到所需物理量的期望值和相应的误差[13]。

使用MULASSIS 程序可以对屏蔽材料的屏蔽效果进行评估。MULASSIS 计算程序能选择屏蔽材料、屏蔽结构以及入射粒子的入射类型，对输出提供脉冲能量沉积谱、多层屏蔽材料边界层的粒子通量、屏蔽材料中的总电离剂量以及界面的非电离剂量一系列选项。

2.2. 辐射环境及屏蔽结构设计 转移轨道任务设计中涵盖多种轨道形态，从低轨到高轨，辐射环境较为复杂。其中涉及的地球转移轨道(GTO)、地球同步轨道(GEO)、中地球轨道(MEO)和低地球轨道(LEO)具有重要的空间应用价值。因