卫星抗辐射加固设计方案

来源：上海卫星

带电粒子辐射作为主要的空间辐射环境，是引起航天器故障的重要原因之一。因此，分析空间辐射环境对航天器的具体影响，并针对性开展抗辐射加固设计，是航天器设计的重要内容，也是提高航天器在轨环境适应性、确保航天器在轨稳定运行的基础。

空间辐射环境对航天器的影响

高能带电粒子通过与物质发生电离、原子移位、轫致辐射、核反应等作用，导致航天器的器件、材料等发生异常、故障或失效，这一现象称为辐射效应。常见的辐射效应有总剂量效应、单粒子效应和充放电效应。

  01 总剂量效应

分为电离总剂量效应和位移损伤效应。引起电离总剂量效应的主要来源是地球辐射带的电子和质子以及太阳宇宙射线的质子，引起位移损伤效应的主要来源是地球辐射带的质子以及太阳宇宙射线的质子。

  02 单粒子效应

引起单粒子效应的主要来源是地球辐射带的质子、银河宇宙射线的重离子和质子以及太阳宇宙射线的质子和重离子。

  03 充放电效应

分为表面充放电效应和内带电效应。引起表面充放电效应的主要来源是磁层亚暴和极区沉降的低能电子、等离子体，内带电效应的主要来源是高能电子。

▲各种粒子对航天器的影响

总剂量效应

入射粒子使星上材料和元器件的原子发生电离或位移，当达到一定的剂量时会使材料性能退化，元器件参数变化甚至功能失效，严重时会导致航天器的部分功能甚至全部功能丧失。总剂量效应引起的是永久性失效。总剂量效应主要有电离总剂量效应和位移损伤效应两种。

电离总剂量效应

以MOS器件为例，高能粒子与器件中的氧化物发生作用，产生大量电子空穴对，使得MOS管的阈值电压等参数退化。此外，由于电场强度越大，电子迁移率越高，因此在辐照条件下，加电工作将加速器件的电离总剂量损伤。

▲总剂量随轨道高度的变化情况

位移损伤效应

当高能粒子入射到材料时，可与原子核产生库仑弹性碰撞，导致器件性能参数（晶体管放大倍数、太阳电池和CCD转换效率等）退化。位移损伤敏感对象主要有双极性器件、太阳电池和CCD等光电器件和材料。

单粒子效应

单粒子效应中单粒子翻转和单粒子闩锁是最常见的两种效应。

单粒子翻转

当电离产生的电荷超过敏感单元翻转所需的临界电荷时，将引起相关单位逻辑状态改变，出现单粒子翻转。单粒子翻转敏感器对象主要有SRAM、DRAM、SDRAM、FPGA、CPU、DSP、MCU等。单粒子翻转不是永久性的，但故障不会自动恢复，通过重写可以恢复原来状态，因而单粒子翻转为软错误。器件发生单粒子翻转时，当错误信息送至另一控制或执行电路，则可能引起误动作。

单粒子闩锁

高能粒子可能触发体硅CMOS电路的寄生可控硅结构而导通造成闩锁。一旦发生闩锁，器件就会从电源到地形成一个低阻通路，处于过流的状态；如不及时解除闩锁，器件可能发生烧毁，造成设备的硬错误。

▲VirtexⅡFPGA近地空间SEU频次示意图

充放电效应

▲充放电效应

充放电效应主要分为表面充放电效应和内带电效应。

表面充放电效应

在磁暴和亚磁暴期间，在空间等离子体作用下，航天器表面材料形成不等量带电。当相邻表面间的电位差超过了材料的电介强度时便发生放电，包括电晕、电弧、辉光，并发射电磁脉冲，经星上隙缝或线缆传入航天器内部电子设备中，造成工作异常或故障。

内带电效应

空间高能带电粒子穿过航天器表面，在航天器构件的电介质材料内部传输并沉积从而建立电场，当较高能量的电子嵌入线缆、线路板内形成电荷积累时产生放电，并产生干扰电磁脉冲，造成电子设备工作异常或故障。

▲NASA4002手册关于内带电效应易发轨道

卫星抗辐射加固设计

在航天器总体设计中，抗辐射加固作为其中一个重要的工作项目，主要包括空间辐射环境预示及其效应分析、抗辐射加固设计、辐射试验与评价等项目。在方案阶段，重点开展空间辐射环境预示及其效应分析，提出抗辐加固指标要求；在初样阶段，重点根据抗辐加固指标要求开展抗辐射加固设计，开展必要的辐射试验，并根据试验结果对抗辐射加固措施进行评价；在正样阶段，重点关注抗辐射加固措施的落实。

总剂量效应防护设计

总剂量效应防护设计的措施主要有：

1、选用抗辐射能力强的材料、元器件。 2、对元器件进行局部屏蔽。 3、加厚单机机壳进行屏蔽。 4、通过多机冗余，轮换工作，提高系统抗总剂量能力。 5、进行合理的星内布局、结构设计，以充分借用仪器自身的结构件和附近单机的遮挡，降低到达敏感器件的辐射剂量。

▲航天器三维屏蔽分析结果：屏蔽厚度在立体角上的分布

单粒子效应防护设计

单粒子翻转防护设计的措施主要有：

1、硬件措施：选择LET阈值高的元器件，对FPGA的资源使用率进行降额，设置EDAC电路，进行三模冗余设计，设置硬件计数器对敏感器件进行监控等。

2、软件设计：抗单粒子翻转容错设计是提高星载计算机可靠性的关键。常用的措施有指令重启、数据回读、三取二表决法、段存贮器置初值、反弹墙设计、软件看门狗设置等。

单粒子闩锁防护设计的措施主要有：

1、电源输入口接入限流电阻。

2、CMOS电路输入端不允许悬空，对于多余的输入端要根据电路的功能分别处置。

3、尽量避免使用体硅CMOS工艺器件，关键部位可选用SOS、SOI工艺的器件。

4、设计电流监测和电源管理电路，一旦电流超过了设定阈值，则采取相应的措施。

充放电效应防护设计

充放电效应防护设计的措施主要有：

1、开展充放电仿真分析，识别风险薄弱环节，并采取针对性措施，以降低空间静电放电的发生概率。

2、采取等电位设计，使航天器外表面材料形成防静电连续体，避免形成压差。

3、增加星上设备抗空间静电放电干扰能力。即使出现放电，也不影响星上设备正常工作。

▲航天器表面充放电分析结果：表面充电电位分布图

随着航天器设计水平的不断提升，抗辐射加固作为航天器总体设计中的重要环节，应当以在轨大数据为基础，通过精细化仿真、智能化预测、协同化设计，促进了抗辐射加固设计从保守的定性设计到精细化的定量设计的转变，助力航天器研制水平迈向更高的台阶。

　　审核编辑：汤梓红