В представленной работе объектами исследования являлись космические аппараты на круговых орбитах.
Ключевые слова: поглощенная доза, космический аппарат, радиационная стойкость, круговая орбита, заряженные частицы, радиационный пояс земли
Одни из первых космических аппаратов несли свою службу всего около года. В настоящее время возникает задача конструирования аппаратов со сроком активного существования 10–15 лет. Такие аппараты в значительной степени могут обеспечить потребности человечества в таких сферах как геология, метеорология, телекоммуникации и телевидения и других. Все современные виды дальней связи (интернет, GPS, связь специального назначения и др.) используют радиоэлектронные системы космических аппаратов (спутников), находящихся в зоне радиационных поясов Земли, аппараты телекоммуникации подвергаются воздействию высокоэнергетических частиц солнечного и галактического излучения. В связи с большой энергией всех компонентов космических лучей (~ МэВ) они обладают высокой проникающей способностью и могут существенно изменить параметры полупроводниковых интегральных схем и привести к отказу систем связи при их длительной работе в космосе. В связи с развитием тенденции импортозамещения и возникла необходимость разработки спутников связи, базирующихся на отечественной электронной базе.
- Особенности функционирования космических аппаратов связи.
В зависимости от назначения спутников их запуск производят на различные виды орбит.
1.1 Виды орбит ифункционирование спутников.
Орбиты спутников подразделяются на три вида:
- низкие (до 2000 км от Земли);
- средние (от 2000 до ~ 36 000 км);
- высокие от 36 000.
В первом приближении орбиты спутников делятся на низкие (до 2000 км от Земли), средние (ниже геостационарной орбиты) и высокие. Пилотируемые полеты совершаются не выше 600 км, поскольку космические корабли не должны входить в окружающие нашу планету радиационные пояса. Энергичные протоны внутреннего радиационного пояса создают опасность для жизни космонавтов. Максимальная интенсивность облучения достигается на высоте около 3000 км, которой избегают все космические аппараты. Продолжительность полета должна быть такой, за которую спутник выйдет в заданную точку стационарной орбиты. Как только аппарат достигнет апогея, опять включаются двигатели для поворота плоскости переходной орбиты и поднятия перигея до высоты стационарной орбиты. Затем двигатели выключаются, и спутник отделяется от ракеты-носителя.
1.2. Влияние солнечной активности.
Влияние солнечной активности на потоки частиц радиационного поля Земли в основном проявляется на низких орбитах космических аппаратов с высотой до 1000 км. C уменьшением солнечной активности поток протонов возрастает и, наоборот, уменьшается с увеличением солнечной активности.
Объяснение этого эффекта связано с эффектом рассеяния захваченных частиц на атомах атмосферы, так как на этих высотах дрейфовые оболочки, по которым движутся захваченные частицы, соприкасаются со слоями верхней атмосферы Земли. При этом захваченные частицы взаимодействуют с атомами атмосферы, рассеиваются на них и выбывают из потока. Эффект рассеяния и, следовательно, уменьшение потока захваченных частиц наиболее заметен в годы максимума солнечной активности, когда происходит наиболее сильное увеличение концентрации атомов атмосферы на конкретной дрейфовой оболочке из-за разогрева атмосферы.Влияние солнечной активности на величину потоков частиц солнечных космических лучей, появление которых носит дискретный и случайный характер, проявляется в увеличении частоты их появления с увеличением солнечной активности. Поэтому, при одной продолжительности полета вблизи максимума или минимума солнечной активности вероятность появления событий солнечных космических лучей выше во время максимума солнечной активности. При этом следует подчеркнуть, что вероятность появления одного события солнечных космических лучей одинаковой величины от солнечной активности практически не зависит
1.3. Конструктивные особенности спутников.
Все основные мировые производители создают геостационарные спутники связи и вещания на основе оригинальных унифицированных спутниковых платформ или модулей служебных систем. Унификация и модульность спутниковых платформ позволяет производителю уменьшить расходы на проектирование каждого спутника, обеспечить определённую серийность их производства, повысить надежность спутников за счет применения однотипных отработанных на Земле и в космосе бортовых систем и агрегатов, а также сократить время производства, испытаний и сдачи спутника в эксплуатацию на орбите.
- Анализ радиационной стойкости космических аппаратов связи.
В качестве объекта исследования был выбран космический аппарат, запускаемый на две орбиты — круговую и геосинхронную. Подобные типы орбит оптимально подходят для запуска аппаратов связи. Диапазон покрытия спутников на круговой орбите позволяет охватить практически все земное пространство, а диапазон спутников на геостационарной позволяет добиться нужного сигнала в заданной области.
Рис. 1. Поглощенная доза от толщины защиты для круговой орбиты
Оценка поглощенных доз проводилась с помощью программного пакета OMERE. По результатам моделирования установлено, что при данном сроке активного существования при использовании стандартной толщины защиты 3 мм суммарная поглощенная доза от всех видов излучения на круговой орбите 4395 крад (рис. 1).
- Моделирование прохождения протонов.
С помощью программного пакета SRIM было выяснено, какое количество ионизирующего излучения пройдет сквозь корпус и индивидуальную защиту ЭК космического аппарата, рассчитано, сколько частиц и с какими энергиями проходит при стандартной толщине защиты 3 мм, материал алюминий. На рис. 2 представлена траектория движения протонов с энергией 20 МэВ при прохождении алюминия толщиной 3 мм. Из полученных результатов видно, что при такой толщине защиты высокоэнергетичные частицы не проходят через материал корпуса, что составляет 93,2 %. Однако, оставшаяся доля частиц беспрепятственно проходит через вещество и вполне способно вызвать отказ ЭК. Поэтому необходима разработка индивидуальных защитных экранов для активных электронных компонент, способная в достаточной мере защитить элементы.
Рис. 2. Стандартная толщина защиты 3 мм, энергия 20 МэВ
В последнее время наиболее эффективными свойствами для защиты обладают структуры (экраны), которые состоят из нескольких слоев. Они дают возможность уменьшить дозовые нагрузки на устройства космического аппарата на несколько порядков. Один из вариантов экрана, состоящий из чередующихся слоев металла. Экран состоит из трех слоев, внешние слои содержат алюминий («легкий» металл), средний слой содержит «тяжелый» металл. Наличие «тяжелого» металла, выбрано исходя из тормозных способностей материалов, которые зависят от их атомного номера. Первый слой защиты уменьшает воздействие частиц с высокими энергиями, но, в то же время, сам является источником тормозного излучения. Слой, расположенный посередине, состоящий из более «тяжелого» металла, уменьшает (хорошо поглощает) тормозное излучение. Последний слой до конца отсекает электроны и ослабляет тормозное излучение, которое испускается из первого слоя. Поэтому было принято решение исследовать трехслойную защиту.
Заключение.
Проведена оценка суммарной поглощенной дозы в зависимости от параметров орбиты и толщины корпуса, а также толщины защитных корпуса блока для активных ЭК. Получена суммарная поглощенная доза для двух разных орбит: для круговой значение поглощенной дозы составило 4395 крад при использовании толщины защитного экрана 3 мм и сроке активного существования 15 лет. На круговой орбите величина поглощенной дозы выше, т. к. частицы обладают более высокой энергией и проникающей способностью. Был получен график зависимости суммарной поглощенной дозы от толщины защиты (корпуса блока). Из полученных результатов можно сделать вывод, что при стандартной толщине корпуса блока значение поглощенной дозы для не радиационно-стойких компонентов будет не безопасным, поэтому возникает необходимость создания индивидуальных защитных экранов для наиболее уязвимых компонент.
Литература:
- Орбиты космических аппаратов / GALSPACE. URL: http://galspace.spb.ru/orbita/17.htm (дата обращения: 11.05.2016).
- Мырова Л. О., Попов В. Д., Верхотуров В. И. Анализ стойкости систем связи к воздействию излучений. М.: Радио и связь, 1993. 268 с.
- Новиков Л. С. Радиационные воздействия на материалы космических аппаратов. М.: Университетская книга, 2010. 192 с.
- Обеспечение радиационной стойкости аппаратуры космических аппаратов / С. С. Полесский, В. И. Жаднов, М. С. Артюхова и др. // Компоненты и технологии. 2010. № 9. С. 93–98.
- В борьбе с радиацией / Н. С. Василенков, А. И. Максимов, С. А. Грабчиков и др. // Технологии. 2015. № 5. С. 38–41.
- Орбиты, которые мы выбираем / Вокруг света. URL: http://www.vokrugsveta.ru/vs/article/6763/ (дата обращения: 07.05.2016).
- SRIM — The Stopping and Range of Ions in Matter / SRIM. URL: http://www.srim.org/ (дата обращения: 01.06.2016).
