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电子和质子辐照下 ASTRO-G 卫星热控膜的退化 Minoru Iwata (1) , Sumitaka Tachikawa (2) 和 Akir
电子和质子辐照下 ASTRO-G 卫星热控膜的劣化 Minoru Iwata (1) 、Sumitaka Tachikawa (2) 和 Akira Ohnishi (3) (1) 九州工业大学航天器环境相互作用工程实验室 日本福冈市北九州市户畑区仙水町 1-1 邮编 804-8550 电话：+81-(0)93-884-3597 邮箱：iwata@ele.kyutech.ac.jp (2,3) 日本宇宙航空研究开发机构航空宇宙技术研究所 日本神奈川县相模原市吉野台 3-1-1 邮编 229-8510 电话：(2) +81(0)42-759-8480 (3) +81(0)42-759-8479 电子邮件： (2) sumitaka@isas.jaxa.jp (3) ohnishi.akira@jaxa.jp 摘要 与传统卫星相比，ASTRO-G 卫星使用的热控材料由于要穿过范艾伦辐射带，因此会受到非常严重的带电粒子辐射。在本研究中，我们对这些热控材料进行了电子和质子辐照试验。我们将空间中的深度剂量分布分离为电子和质子分量，用电子或质子辐照，类似于空间中的每个剂量分量，并比较由于电子分量和质子分量导致的退化。讨论了由于电子和质子辐照导致的退化的相对影响。
卫星
背景：卫星是指任何围绕较大卫星运行的物体。几乎太阳系中的每一颗行星周围都有天然卫星，称为卫星。还有几颗行星上有人造卫星围绕着它们运行，这些卫星拍摄照片、使用传感器并向地球上的科学家和研究人员发回大量有关该行星的信息。第一颗人造卫星是苏联于 1957 年 10 月发射的 Sputnik 1 号。美国很快在 1958 年 1 月发射了自己的卫星 Explorer 1 号。Explorer 卫星上搭载了多种科学仪器和传感器，从而发现了地球高层大气中的范艾伦辐射带。到 1961 年 6 月，已有 100 多颗人造卫星在地球轨道上运行，如今这一数字已超过 6,000 颗。其中，只有 2,500 颗左右处于运行状态，其余的均已退役。目前在轨运行的卫星大小差异很大，例如，最大的人造卫星是国际空间站，大约有一个足球场那么大，而最小的卫星是立方体卫星，直径只有大约 6 英寸。当今的卫星用于从地球观测、环境和天气到通信和互联网应用等许多领域。有些卫星用于国防工业，其工作属于绝密，而其他卫星，如 GPS 卫星，则可供所有人免费使用。此外，有些卫星可以独立执行任务，有些则作为卫星星座的一部分运行。最著名的卫星星座之一是太空
课程
课程概述 MSc 课程包含 90 ECTS 学分。学生必须完成 8 个核心模块和 4 个选修模块以及一个实习模块。如果核心模块或选修模块与学生之前的学习有很大重叠，则可以不选择。核心模块如下所示。选修模块可以从 UCD 中的任何现有模块中选择，但需与课程主任协商。 核心模块 空间环境（PHYC 40660，5 ECTS，第 1 学期） 模块描述 向学生提供空间环境的概述，分为以下五个部分：真空环境（地球场、太阳-行星连接）；中性环境（大气物理学）；等离子体环境（电离层、磁层、地磁风暴）；辐射环境（捕获辐射带、太阳质子事件、银河宇宙射线）；和微流星体/轨道碎片环境（经验模型）。还讨论了与航天器设计相关的其他问题，例如不同卫星轨道的显著特征及其在一系列太空应用（例如地球观测、通信、导航、行星科学、天体物理学和宇宙学）中的用途。主要航天国家现有和计划中的运载火箭的能力、火箭推进的基本原理、振动控制和航天器平台也得到了发展。学习成果完成本课程后，学生应能够：• 比较和对比地球和太空环境；• 确定太空环境对卫星的主要影响；• 为特定的太空应用构建合适的轨道；• 解决相关领域的定量问题；• 将基本物理原理应用于火箭推进和运载火箭的选择• 确定火箭发动机设计和开发的基础• 量化火箭发动机的关键性能参数
航天应用产品 - Spantech
NARDA-MITEQ 客户最终用户计划 诺斯罗普·格鲁曼公司 NASA NPOESS 诺斯罗普·格鲁曼公司 - Corvair NT-Space JAXA 全球降水测量 喷气推进实验室 NASA 火星科学实验室 Comdev JPL Cloudsat NASA NASA 水瓶座应用物理实验室 NASA 新视野号 ASTRIUM GmbH DLR TanDEM X ASTRIUM SAS ISRO Megatropics MacDonald Dettwiler CSA Radarsat ll ALCATEL Space 德国国防部 SAR-Lupe ALCATEL Space JPL Jason-2 洛克希德·马丁公司 USAF Alpha Extension 波尔多大学 ESA Herschel SRON ESA Herschel Technologica CSA Herschel Max Plank 研究所 ESA Herschel Dornier DLR TerraSAR-X 喷气推进实验室 NASA Miro、EOS-MLS Assurance Technology 美国海军 Windsat ITT USAF Alpha l-lV 摩托罗拉/GD USAF P-94-99、02 E-Systems JPL SEAWINDS Matra Marconi EUMESAT MHS E-Systems JPL GEOSAT Aerojet 美国空军 SSMIS、AMSU-B Millitech 美国空军 SSMIS Lockheed 美国空军 STS-54 应用物理实验室 美国海军 Seasat、Spinsat、Topex、扩展试验台 Millitech Ball Aerospace 全球微波成像仪 Harris 美国空军 Alpha Extension 喷气推进实验室 NASA AURA 喷气推进实验室 ESA 罗塞塔号和着陆器 CONAE CONAE 水瓶座/SAC-D 诺斯罗普·格鲁曼 NOAA JPSS 喷气推进实验室 NOAA COSMIC 喷气推进实验室 NASA GRAIL JHU/APL NASA 辐射带风暴探测器 (RBSP)
基于…的辐射环境及效应检测
北斗卫星导航系统是国家重要的空间基础设施，可为各类用户提供高精度、全天候的定位、导航和授时服务，对导航定位服务精度、信号连续性、系统可用性等有很高的要求（刘建军等，2021）。综合考虑全球覆盖范围、应用价值和成本，国际上各主要全球导航卫星系统一般采用高度20 000km左右的中圆轨道。北斗卫星轨道主要包括倾角0°和55°的中圆轨道、地球同步轨道和倾斜地球同步轨道（夏立，2021；Morley等，2016），这些轨道位于外层地球辐射带的中心或外侧。太阳活动可以诱发空间环境的动态变化和卫星异常，包括充放电效应、单粒子效应和总剂量效应等。 NOAA/SEC从1984年至1992年共记录到954次GPS在轨异常，其中大部分是由单粒子效应和充放电效应引起的。美国GPS卫星太阳能电池阵的退化速度比预想的要快。研究表明，除了粒子辐射的位移损伤外，放电效应强化的太阳能电池阵表面污染应是一个重要诱因。欧洲GIOVE-A卫星上的OBC386计算机在2012年3月的太阳风暴中受干扰的概率是正常卫星的10倍。北斗二号的992次在轨异常中，疑似由充放电和单粒子效应引起的卫星异常约占80%。可见，运行在中高轨道的卫星易受空间环境影响，但缺乏对轨道辐射环境的监测，限制了我们对空间环境分布及其变化机制的认识。通过搭载辐射环境及影响监测探测器于导航卫星上，可充分利用轨道分布均匀、卫星数量多的优势，对中高轨道空间辐射分布及扰动进行全面监测，为中高轨道空间辐射环境监测提供支撑。
ASEN 5335，航空航天环境：教学大纲
航空航天环境是 RSESS 重点领域的核心课程，旨在向您介绍近地空间环境及其对航天器、通信系统、宇航员等的影响。从事空间技术或应用的航空航天工程师需要对环境有广泛的了解，以便适当地设计他们的航天器。但更一般地说，任何对太空充满热情的人都会对了解太空环境的不同区域、它们如何相互耦合和影响以及它们如何影响我们的日常生活感兴趣。我们将“近地”空间环境定义为受太阳影响的环绕地球的空间区域，也是我们大多数卫星运行的地方。因此，本课程重点介绍环绕地球的空间环境——不要指望了解太阳系、星系、行星际空间等。但是，我们将研究其他行星周围的环境，以便与地球进行比较，例如“近木星”空间环境。近地空间环境从地球表面一直延伸到弓形激波，弓形激波是磁层的外边界。在这个环境中，有不同的重叠区域：由中性分子和原子组成的大气层；电离层，大气中的气体被电离；等离子层，气体完全电离并被困在地球磁场中；以及辐射带，其中包含高能电子和质子。这些区域受到地球磁场的影响，而该磁场占主导地位的区域称为磁层。磁层内有不同种类的粒子、不同的电流以及各种复杂的等离子体和电磁波。此外，环境中还包含我们太阳系中的尘埃和流星体，以及我们直接负责的航天器和轨道碎片。在本课程中，我们将了解每个区域、它们存在的原因以及它们对航天器、宇航员和社会各个方面产生的积极和消极影响。它们对航天器和宇航员有电和辐射影响；对 GPS 和其他航天器的通信信号有影响；磁场扰动对地面有影响；尘埃和流星体对航天器有影响；等等。本课程分为多个模块，涵盖太空环境的每个区域，每个模块大约持续两周。在每个模块中，将阅读指定
扩大长期太空旅行宇航员的选拔标准
未来月球和火星深空任务的主要担忧之一是宇航员的放射风险增加。他们将暴露在来自天然源的增强电离辐射下，如银河宇宙辐射、来自太阳的辐射（包括太阳粒子事件（SPE）中的高能带电粒子）以及地球周围的辐射带（1、2）。据估计，长期火星任务的累积辐射剂量将达到 1 Sv 或更多，具体取决于持续时间、屏蔽和太阳周期时间（3）。虽然这是一种罕见事件，但 SPE 粒子可进一步将其剂量增加到高达 10 Gy 的严重水平（4），这远远超出了辐射工作人员的剂量限值（5），并可能诱发严重的急性确定性效应，如造血功能退化（6）、生殖能力下降（7）、白内障（8），甚至死于急性放射综合征。出于对这些问题的考虑，美国国家航空航天局 (NASA) 和日本宇宙航空研究开发机构 (JAXA) 等太空机构制定了剂量限制标准，以将宇航员的空间辐射暴露控制在可接受的水平以下。表 1 列出了 NASA 之前的职业剂量限值 ( 1 ) 和 JAXA ( 9 ) 参与低地球轨道任务的宇航员的现行剂量限值。NASA 的限制旨在将宇航员所患癌症的风险增加限制在 3% 以内；更准确地说，基于对风险预测的不确定性的统计评估，NASA 宇航员因暴露而导致致命癌症死亡的风险限值不得超过 3% ( 10 )，置信度为 95%。由于单位剂量癌症风险通常会随着年龄的增长而增加 ( 5 , 11 , 12 )，因此老年宇航员的剂量限值要高于年轻宇航员。此外，在同一年龄段，女性宇航员的限值高于男性，反映出乳房对放射线的敏感性明显增高（5，11，12）。从表1中的数值可以看出，这些剂量限制标准使得年龄较大的男性宇航员比年轻或女性宇航员有更多的太空旅行机会，这可视为一个不平等的问题。随后，美国国家科学院（NAS）近期建议，应用基于中位数估计的600 mSv的与年龄和性别无关的有效剂量职业限值，以使35岁女性的癌症死亡率达到3%（13），取消了对年龄和性别的特定限制。该建议有望为不同年龄段的男性/女性宇航员提供同等的飞行机会
扩大长期太空旅行宇航员的选拔标准
未来月球和火星深空任务的主要担忧之一是宇航员的放射风险增加。他们将暴露在来自天然源的增强电离辐射下，如银河宇宙辐射、来自太阳的辐射（包括太阳粒子事件（SPE）中的高能带电粒子）以及地球周围的辐射带（1、2）。据估计，长期火星任务的累积辐射剂量将达到 1 Sv 或更多，具体取决于持续时间、屏蔽和太阳周期时间（3）。虽然这是一种罕见事件，但 SPE 粒子可进一步将其剂量增加到高达 10 Gy 的严重水平（4），这远远超出了辐射工作人员的剂量限值（5），并可能诱发严重的急性确定性效应，如造血功能退化（6）、生殖能力下降（7）、白内障（8），甚至死于急性放射综合征。出于对这些问题的考虑，美国国家航空航天局 (NASA) 和日本宇宙航空研究开发机构 (JAXA) 等太空机构制定了剂量限制标准，以将宇航员的空间辐射暴露控制在可接受的水平以下。表 1 列出了 NASA 之前的职业剂量限值 ( 1 ) 和 JAXA ( 9 ) 参与低地球轨道任务的宇航员的现行剂量限值。NASA 的限制旨在将宇航员所患癌症的风险增加限制在 3% 以内；更准确地说，基于对风险预测的不确定性的统计评估，NASA 宇航员因暴露而导致致命癌症死亡的风险限值不得超过 3% ( 10 )，置信度为 95%。由于单位剂量癌症风险通常会随着年龄的增长而增加 ( 5 , 11 , 12 )，因此老年宇航员的剂量限值要高于年轻宇航员。此外，在同一年龄段，女性宇航员的限值高于男性，反映出乳房对放射线的敏感性明显增高（5，11，12）。从表1中的数值可以看出，这些剂量限制标准使得年龄较大的男性宇航员比年轻或女性宇航员有更多的太空旅行机会，这可视为一个不平等的问题。随后，美国国家科学院（NAS）近期建议，应用基于中位数估计的600 mSv的与年龄和性别无关的有效剂量职业限值，以使35岁女性的癌症死亡率达到3%（13），取消了对年龄和性别的特定限制。该建议有望为不同年龄段的男性/女性宇航员提供同等的飞行机会
NASA简史
“一项旨在研究地球大气层内外飞行问题和其他目的的法案。”凭借这个简单的序言，美国国会和总统于 1958 年 10 月 1 日成立了美国国家航空航天局 (NASA)。NASA 的诞生与国防压力直接相关。第二次世界大战后，美国和苏联卷入了冷战，这是一场围绕不结盟国家意识形态和盟友关系的广泛竞争。在此期间，太空探索成为竞争的主要领域，被称为太空竞赛。在 20 世纪 40 年代后期，国防部开展了火箭和高层大气科学研究，以确保美国在技术领域的领先地位。美国总统德怀特·艾森豪威尔批准了一项计划，将一颗科学卫星送入轨道，作为 1957 年 7 月 1 日至 1958 年 12 月 31 日国际地球物理年 (IGY) 的一部分，这是一项收集地球科学数据的合作努力，这标志着向前迈出了重要一步。苏联迅速效仿，宣布了其卫星的轨道计划。1955 年 9 月 9 日，海军研究实验室的先锋计划被选中支持 IGY 工作，主要是因为它不会干扰高优先级的弹道导弹开发计划。它使用非军用维京火箭作为基础，而陆军提议使用红石弹道导弹作为运载火箭。1955 年下半年和 1956 年全年，先锋计划都备受关注，但该计划的技术要求太高，而资金水平太低，无法确保成功。1957 年 10 月 4 日，苏联发射了世界上第一颗人造卫星 Sputnik 1，作为其 IGY 参赛作品，引发了一场全面危机。这给美国舆论带来了“珍珠港”效应，制造了技术差距的假象，并推动了增加对航空航天事业、技术和科学教育计划的支出，以及成立新的联邦机构来管理航空航天研究和开发。更直接的是，美国于 1958 年 1 月 31 日发射了第一颗地球卫星，当时探险者 1 号记录了环绕地球的辐射区的存在。这些区域受地球磁场影响，被称为范艾伦辐射带，部分决定了大气中的电荷和到达地球的太阳辐射。20 世纪 50 年代末和 60 年代初，美国还开始了一系列月球和行星科学任务。作为斯普特尼克号危机的直接影响，NASA 于 1958 年 10 月 1 日开始运营，将之前的美国国家航空咨询委员会原封不动地并入其中：其 8,000 名员工、每年 1 亿美元的预算、三个主要研究实验室（兰利航空实验室、艾姆斯航空实验室和刘易斯飞行推进实验室）和两个较小的测试设施。它迅速将其他组织纳入新机构，尤其是海军的空间科学组