内容简介

卫星抗辐射加固技术是伴随空间技术发展起来的一门新兴多学科交叉技术，涉及航天器设计、空间物理、辐射物理、微电子、材料、计算机等多个学科，具有显明的工程特色，是空间系统在轨高可靠、长寿命稳定运行的关键基础技术。《卫星抗辐射加固技术概论》由国内长期从事卫星抗辐射加固技术研究的多位专家联合编著。本书结合作者及其研究团队的研究成果和工程实践经验，从空间辐射环境、辐射效应及其分析方法、辐射效应防护、加固性能试验评估等方面系统介绍了卫星抗辐射加固技术的基本知识、基本原理和基本方法，以卫星抗空间天然辐射效应及其加固技术为主，同时对卫星抗人为辐射环境效应及其加固技术进行了概要介绍。本书是国内部系统介绍卫星抗辐射加固技术的专著，可作为航天器设计、工程管理人员及相关领域研究人员的参考资料，也可作为高校相关专业研究生参考用书，帮助广大读者全面了解相关技术领域的基础理论知识和研究概况。

编辑推荐

本书由航天科技图书出版基金资助，由中国科学院院士吕敏、研究员范如玉作序。本书是目前比较系统全面地介绍卫星抗辐射加固技术基本概念、空间辐射环境、辐射效应与损伤机理、抗辐射加固设计以及模拟试验方法与加固效果评估等专业知识的专著。本书作者及其研究团队作为我国卫星抗辐射加固技术研究和应用的骨干力量，长期奋战在航天工程一线，在繁重的基础技术研究和型号研制任务的过程中，完成了这本专著，其踏实、勤勉的作风令人钦佩。

作者简介

王立，1990年获西安交通大学电气工程专业硕士，2001年获中国空间技术研究院物理电子专业理学博士。长期从事航天器带电与空间辐射环境效应防护技术研究，主持国防预研、国家863计划、973计划及卫星型号试验等数十项科研任务，获国防科技进步奖三项，发表论文70余篇。现为中国航天科技集团公司飞行器总体技术学术带头人，博士生导师。中国空间技术研究院材料专家组组长，中国核学会辐射物理分会副理事长。

前言

序一随着我国综合国力的不断增强和科学技术的进步，我国航天事业取得了日新月异的发展，目前已有上百颗卫星运行在空间，在国民经济、社会发展和国防建设中正发挥着越来越重要的作用。卫星运行的空间环境十分复杂。来自太阳宇宙线、银河宇宙线和地磁俘获带的各种带电粒子构成了空间天然辐射环境，空间辐射环境是造成卫星在轨故障的主要原因之一。因此，如何确保我国在轨卫星能够安全地运行于空间辐射环境中，并持续可靠地提供服务，是我国空间技术发展长期面临的重大基础问题。卫星抗辐射加固技术是确保卫星在空间天然辐射环境中可靠运行的共性关键基础技术。国内长期从事卫星抗辐射加固技术研究的专家和学者在多年研究成果的基础上，编写了本书。本书系统地介绍了空间辐射环境的基础知识、卫星空间辐射效应的基础概念、抗辐射加固技术的基本方法和工程实践等，内容丰富，材料翔实，是一本非常有价值的参考书。它有助于普及和宣传空间辐射效应及卫星抗辐射加固技术的基础知识，有助于新从事卫星抗辐射加固技术工作的人员入门，并可作为航天器设计人员、工程管理人员及相关研究人员的参考用书。随着航天技术的发展和新技术的不断应用，卫星的整体性能将会不断提高，卫星抗辐射加固技术研究的对象、范围和内涵也将不断发展和扩大。本书的出版仅仅是对之前一段时间相关工作的总结，之后还需要不断加强研究工作，不断地总结和梳理相关领域的研究成果，为不断发展的航天工程提供更先进、更全面、更翔实的技术参考。希望不久的将来，能够有更多关于卫星抗辐射加固技术的专著出版。中国科学院院士2020年10月序二卫星在轨运行期间，将面临恶劣的空间辐射环境。国内外航天实践表明，空间辐射效应是引起卫星在轨故障的主要原因之一。卫星抗辐射加固技术是为提高卫星在辐射环境中的长寿命高可靠运行能力所采取的防护技术，目的是确保卫星在其寿命期内不因空间辐射损伤而导致功能异常、寿命缩短或任务失败。我国卫星抗辐射加固技术研究已经经历了40多年的发展历程。在长期面临国际技术封锁和国内基础工业薄弱的情况下，研究人员克服了重重困难，付出了巨大努力，为我国各类航天器在轨可靠运行提供了有力的抗辐射加固技术支持。伴随着航天技术的不断进步，国内从事相关领域研究的技术队伍不断发展壮大。我国卫星抗辐射加固技术研究已逐步形成了具有中国特色的技术研究体系，取得了众多的理论研究和工程应用成果。形成的各种辐射效应与损伤分析工具、从器件到系统级软硬件抗辐射设计方法、各类辐射效应模拟试验规范和评估方法、加固工程设计指南等已在我国各类卫星和航天器型号研制中发挥了重要作用。抗辐射加固技术研究成果为“核高基”等国家重大项目的成功实施提供了坚实的技术基础，为“二代导航”“载人航天”等国家重大工程的建设提供了有力支持。目前，我国卫星抗辐射加固技术研究地面模拟试验设施建设已经得到了国家的高度重视，各类空间辐射模拟装置和依托国家大科学工程建设的辐射模拟装置必将为开展卫星抗辐射加固技术研究提供更加有利的条件，极大地促进了抗辐射加固技术的持续发展。从“八五”计划开始至今，我国卫星抗辐射加固技术预先研究一直得到原国防科工委、原总装备部和装备发展部的领导、关心和支持。我有幸经历了这段历史，亲眼见证了我国卫星抗辐射加固技术从起步到发展成较完整技术体系的艰难历程。在此期间，我参与组织和领导了多个五年计划的卫星抗辐射加固技术预先研究规划编制和项目论证等技术研究工作，对我国卫星抗辐射加固技术研究取得的巨大进步和获得的成果感到由衷的高兴。遗憾的是，这些卫星抗辐射加固技术的研究成果一直处于分散、零碎的状态，缺乏全面系统的科学总结。这与航天工程的迫切要求形成了明显反差。由航天科技图书出版基金资助出版的本书是目前比较系统全面地介绍卫星抗辐射加固技术基本概念、空间辐射环境、辐射效应与损伤机理、抗辐射加固设计以及模拟试验方法与加固效果评估等专业知识的专著。本书作者及其研究团队作为我国卫星抗辐射加固技术研究和应用的骨干力量，长期奋战在航天工程一线，在繁重的基础技术研究和型号研制任务的过程中，完成了这本专著，其踏实、勤勉的作风令人钦佩。本书的作者都是我长期共事的同事和战友，他们身上表现出来的以国家任务需求为己任、科学求实和自主创新的科学精神深深地感动了我，这种作风是 “两弹一星”精神传承的生动体现。本书是作者的长期研究成果和工程应用的总结，具有很强的技术前瞻性和工程实用性，可作为从事航天器工程管理、设计、试验人员的参考用书，也可供相关领域专业人员、大专院校相关专业学生学习借鉴。我相信本书的出版必将使相关领域人员获益，必将有力推动卫星抗辐射加固技术研究在我国航天强国建设中发挥越来越重要的作用，我也期待有更多、更好的此类著作问世。2020年10月于北京 前言航天器长期运行在空间辐射环境中，空间辐射效应是影响其在轨寿命、可靠性的关键因素。卫星抗辐射加固技术是为提高卫星在空间辐射环境中的长期可靠运行能力所形成的关键基础技术，其研究目的是确保卫星在寿命期内不因空间辐射效应导致功能异常、寿命缩短或任务失败。卫星抗辐射能力是卫星系统设计的综合水平体现，其要求卫星设计师掌握必要的卫星抗辐射加固技术知识，并且在进行设计时，要在器件、材料以及成本限制等条件下满足卫星系统任务对抗辐射性能的要求。随着航天器技术的发展和航天器性能的不断提高，更加先进的电子系统和传感器的应用愈发普遍，其空间辐射损伤机理和影响更为复杂，对加固技术的要求也更高。因此，掌握空间辐射效应的机理并采取合适的抗辐射加固技术是确保航天任务成功的重要技术保证。卫星抗辐射加固技术是伴随空间技术发展起来的一门新兴多学科交叉技术，涉及航天器设计、空间物理、辐射物理、微电子、材料、计算机等多个学科，具有鲜明的工程特色，是空间系统在轨高可靠、长寿命稳定运行的关键基础技术，对卫星性能提升和成本优化具有重要影响。我国国内开展卫星抗辐射加固技术的研究已有40多年的历史，它在为我国各类航天器在轨运行提供技术支持的同时，也促进了众多交叉学科技术的发展。随着我国空间技术的飞速发展，国内从事卫星抗辐射加固技术相关研究的技术队伍不断壮大，急需一本系统地介绍卫星抗辐射加固技术的专著，帮助卫星抗辐射加固技术的从业人员全面了解相关技术领域的基础理论知识和研究概况。为此，国内长期从事卫星抗辐射加固技术研究的多位专家在原内部出版物《卫星抗辐射加固技术手册》的基础上，经过数年研讨修改，联合编写了本书。本书在系统介绍相关理论知识的同时，结合了作者及其研究团队的研究成果和工程实践经验，从空间辐射环境、辐射效应及其分析方法、辐射效应防护、加固性能试验评估等方面，系统介绍了卫星抗辐射加固技术的基础知识、基本原理和基本方法，以介绍卫星抗空间天然辐射效应及其加固技术为主，同时对卫星抗人为辐射环境效应及其加固技术进行了概要介绍。全书由王立统稿，各章节主要作者如下：第1章绪论——王立第2章空间辐射环境——蔡震波第3章空间辐射效应——杨生胜，王立，于庆奎第4章辐射效应分析技术——蔡震波，曹州，王立第5章抗辐射累积剂量效应加固技术——华更新，杨生胜第6章抗单粒子效应加固技术——郭树玲，张庆祥第7章卫星带电效应防护技术——王立，秦晓刚，李凯第8章空间辐射效应模拟试验技术——于庆奎，曹州，秦晓刚第9章空间辐射环境及效应在轨监测技术——张庆祥，薛玉雄，李凯第10章卫星抗人为辐射加固技术——徐娜军，高欣我国卫星抗辐射加固技术事业是由老一代航天技术专家奠基并开拓的。在本书出版之际，作者衷心感谢张国富、杨兆铭、胡其正、鲍百容、张永维、朱文明、王碧云、范景德、蓝增瑞等航天专家在此领域做出的巨大贡献和对本书作者的悉心培养。长期以来，原总装备部抗辐射加固技术专业组持续支持我国卫星抗辐射加固技术预先研究和应用研究，吕敏院士、乔登江院士、陈雨生研究员等专家长期关心和指导相关研究工作，专业组组长范如玉研究员为卫星抗辐射加固技术研究倾注了大量的心血，在他亲自指导下，我国卫星抗辐射加固技术研究，特别是卫星系统抗辐射性能评估与试验技术迈上了一个新台阶。另外，抗辐射加固技术专业组陈伟研究员、唐民研究员、卫新国研究员、张力研究员、杨筱莉研究员、肖志强研究员、胡刚毅研究员等众多专家对本书写作给予了大力支持，在此一并表示衷心的感谢。感谢中国空间技术研究院钱学森空间技术实验室王慧研究员、陈颖副研究员、黄小琦助理研究员为本书出版在素材收集和图文处理方面做的大量工作。本书可作为航天器设计、工程管理人员及相关领域研究人员的参考书，也可作为高校相关专业研究生参考用书。卫星抗辐射加固技术随着空间技术的发展还在不断完善中，其作为一门多学科交叉和工程实践性极强的技术，涉及内容广泛，由于作者水平有限，书中不足之处在所难免，恳请广大读者批评指正。作者2020年10月于北京

目录

第1章绪论11.1空间辐射效应及其影响11.2卫星抗辐射加固技术研究范畴41.3卫星抗辐射加固技术国内外研究现状71.3.1国外卫星抗辐射加固技术发展现状71.3.2我国卫星抗辐射加固技术发展历程及研究现状121.4发展展望13参考文献15第2章空间辐射环境162.1概述162.2天然辐射环境172.2.1地球辐射带172.2.2银河宇宙线192.2.3太阳宇宙线202.2.4太阳活动212.2.5等离子体222.2.6地磁场232.2.7地球磁层262.3空间辐射环境模型272.3.1地球辐射带模型272.3.2银河宇宙线模型282.3.3太阳耀斑模型312.3.4空间等离子体模型332.3.5地磁场模型332.4典型轨道辐射环境特点342.4.1GEO辐射环境特点342.4.2MEO辐射环境特点372.4.3SSO辐射环境特点402.4.4LEO辐射环境特点422.4.5GTO辐射环境特点452.4.6HEO辐射环境特点482.4.7月球探测卫星轨道辐射环境特点492.5本章小节50参考文献53第3章空间辐射效应543.1概述543.2电离总剂量效应553.2.1基本原理563.2.2典型器件电离总剂量效应593.2.3材料电离总剂量效应683.3位移损伤效应713.3.1位移损伤机理713.3.2非电离能损与位移损伤剂量733.3.3典型器件位移损伤效应743.4单粒子效应843.4.1基本原理853.4.2单粒子效应的种类903.4.3典型器件的单粒子效应953.5卫星表面带电效应993.5.1基本原理1003.5.2卫星表面材料带电性能1043.5.3空间静电放电1073.5.4表面带电对卫星系统的影响1113.6卫星内带电效应1163.6.1基本原理1173.6.2内带电主要影响因素1193.6.3内带电对卫星系统的影响1223.7本章小节123参考文献124第4章辐射效应分析技术1274.1概述1274.2辐射环境分析技术1274.2.1基本概念1274.2.2辐射剂量分析方法1304.2.3常用辐射环境分析软件1334.3电离总剂量效应分析技术1344.3.1带电离子在器件及材料中的能损计算1344.3.2器件和材料性能退化的预示方法1354.3.3电路级的预示分析软件1354.4位移损伤效应预示技术1364.4.1位移损伤分析方法1364.4.2太阳电池阵寿命预示软件1384.5单粒子效应预示技术1394.5.1基本概念1394.5.2单粒子翻转率计算模型1404.5.3电路级单粒子效应仿真分析1424.5.4单粒子效应对系统的危害性分析方法1484.6卫星充放电效应分析技术1484.6.1卫星表面电位分析技术1494.6.2介质材料深层带电分析技术1504.6.3空间静电放电分析技术1534.7本章小节158参考文献159第5章抗辐射累积剂量效应加固技术1635.1概述1635.2抗电离总剂量效应加固技术1645.2.1卫星抗电离总剂量效应加固设计的基本原则1645.2.2抗辐射加固设计余量与元器件/材料抗辐射指标1665.2.3卫星电子系统抗电离总剂量加固设计一般方法1675.3抗位移损伤效应加固技术1715.3.1抗位移损伤效应加固设计一般方法1715.3.2典型光电器件抗位移损伤效应加固设计1735.3.3典型系统级位移损伤效应加固设计1745.4典型电子系统抗电离总剂量效应加固设计1755.4.1典型电子系统电离总剂量分析计算1755.4.2抗电离总剂量加固设计1785.5本章小结179参考文献180第6章抗单粒子效应加固技术1816.1概述1816.2系统级单粒子效应危害度分析1826.2.1任务需求定义及辐射环境分析1826.2.2器件单粒子效应敏感度分析1836.2.3既定辐射环境下器件适用性分析1846.2.4单粒子效应危害度分析方法1856.3电路/系统级单粒子效应加固设计1866.3.1抗单粒子效应加固的器件选用要求1866.3.2电路级单粒子效应加固技术1876.3.3单粒子效应加固效果评估方法1946.4FPGA应用中的单粒子效应加固设计1946.4.1SRAM型FPGA器件的单粒子效应及其加固技术1956.4.2熔丝型FPGA的单粒子效应及其缓解技术1976.5本章小结200参考文献201第7章卫星带电效应防护技术2027.1概述2027.2卫星表面带电防护技术2027.2.1星体等电位设计技术2037.2.2主动电位控制技术2087.3卫星内带电防护技术2107.3.1一般要求2107.3.2电荷泄漏与导电路径设计2107.3.3内放电脉冲耦合及其控制2127.4空间静电放电防护技术2137.4.1空间静电放电特性2137.4.2空间静电放电防护方法2157.4.3主动回避技术2187.5卫星带电防护设计的工程实践2197.5.1卫星带电防护设计基本要素2197.5.2卫星系统总体的带电防护设计2217.5.3卫星带电防护设计指南及其应用2217.6本章小节222参考文献223第8章空间辐射效应模拟试验技术2248.1电离总剂量效应模拟试验技术2248.1.1试验原理与方法2248.1.2电离总剂量辐射效应测量2348.1.3模拟试验设备2378.2位移损伤效应模拟试验技术2388.2.1试验原理2398.2.2位移损伤效应模拟试验方法2418.2.3模拟试验设备2458.3单粒子效应模拟试验技术2478.3.1重离子直接电离引起单粒子效应的试验原理2478.3.2质子核反应引起的单粒子效应试验原理2508.3.3单粒子效应测量2528.3.4单粒子效应模拟试验设备2568.4卫星表面带电试验技术2618.4.1试验类型与试验方法2628.4.2材料充电特性参数测量技术2658.4.3高压太阳电池阵二次放电试验技术2678.4.4模拟试验装置2698.5卫星内带电试验与评估方法2718.5.1试验方法2718.5.2内带电模拟试验设备2748.6本章小节275参考文献276第9章空间辐射环境及效应在轨监测技术2799.1空间辐射环境在轨监测技术2799.1.1质子/电子在轨监测技术2799.1.2重离子在轨监测技术2859.1.3等离子体在轨监测技术2889.2辐射效应在轨监测技术2919.2.1电离总剂量在轨监测技术2919.2.2单粒子效应在轨监测技术2939.2.3卫星充放电效应在轨监测技术2959.3典型空间辐射环境及其效应监测装置3009.3.1长期暴露装置（LDEF）3009.3.2高轨航天器带电试验卫星（SCATHA）3029.3.3紧凑型环境异常探测器（CEASE）3039.3.4空间辐射环境监测仪（MERLIN）3079.4本章小节309参考文献310第10章卫星抗人为辐射加固技术31210.1概述31210.2卫星的核爆炸辐射效应31210.2.1核爆炸辐射环境31210.2.2核爆炸辐射效应特点31410.2.3核爆炸对材料的辐射效应31410.2.4核爆炸对电子系统的辐射效应31610.3卫星抗核辐射加固技术31710.3.1瞬时电离效应加固技术31710.3.2电子系统抗核辐射加固技术31810.4卫星的电磁脉冲辐射效应32210.4.1电磁脉冲武器类型32210.4.2电磁脉冲辐射特点32310.4.3电磁脉冲对卫星的破坏作用32310.5卫星抗电磁脉冲加固技术32510.5.1电子系统电磁脉冲防护技术32510.5.2卫星电磁脉冲防护技术32610.6卫星的强激光辐射效应32710.6.1强激光武器类型32710.6.2强激光辐射特点32910.6.3强激光对卫星的破坏作用33010.7卫星抗激光加固技术33110.7.1基于传统光学原理的激光防护材料33210.7.2基于非线性光学原理的激光防护技术33410.7.3光电传感系统实用激光防护技术33610.8卫星粒子束武器辐照效应33810.8.1粒子束武器类型33810.8.2粒子束武器辐射特点33910.8.3粒子束武器对卫星的破坏作用33910.9卫星抗粒子束辐照加固技术34010.9.1卫星粒子束武器被动防护技术34010.9.2卫星粒子束武器主动防护技术341参考文献343附录345附录1常用单位常数345附录2常用单位换算346附录3辐射试验中常用的放射性同位素、主要辐射能量表347附录4电子在铝中的实际射程（Rρ）348附录5质子在铝中的一些特定射程349