[論文レビュー] Spacecraft Charging and Hazards to Electronics in Space

Tsoline Mikaelian|ArXiv.org|Jun 21, 2009

Radiation Effects in Electronics参考文献 33被引用数 16

ひとこと要約

この論文は、地球軌道における宇宙船の帯電危険性をレビューし、プラズマ相互作用、電場・磁場、放射線効果が衛星電子機器に与える影響に焦点を当てる。SCATHA、CRRES、DMSPの歴史的データを分析し、表面帯電、差動帯電、内部帯電のメカニズムを説明する。帯電の深刻さに影響を与える主要要因として、軌道高度と幾何的配置を強調し、特に極軌道のLEOと、閉じ込められた放射線および宇宙放射線によるGEO衛星の脆弱性に関する主要な発見を提示する。

ABSTRACT

The interaction of a space system with its orbital environment is a major consideration in the design of any space system, since a variety of hazards are associated with the operation of spacecraft in the harsh space environment. In this brief review, two types of hazards to Earth-orbiting spacecraft are discussed: spacecraft charging and radiation hazards to spacecraft electronics, with emphasis on the natural environmental factors and interactions which contribute to these hazards. Following a summary of the historical eras of spacecraft charging and some observations from experimental satellites: SCATHA, CRRES and DMSP, environmental factors significant to spacecraft charging are discussed, including plasma interactions, electric and magnetic fields and solar radiation. Spacecraft charging depends on the spacecraft geometry, as well as on the characteristics of its orbit, since the natural environment may differ for each type of orbit. Low altitude orbiting satellites (LEO) usually experience less charging effects than high altitude geosynchronous (GEO) satellites, except for low altitude polar orbiting satellites which cross the auroral oval. Basic mechanisms of surface charging, differential charging and internal charging are described. Environmental factors including trapped and transient radiation, solar and galactic cosmic rays, which can profoundly damage spacecraft electronics are presented. Some effects such as ionization and atomic displacement damages to semiconductors and single event phenomena are also briefly mentioned.

研究の動機と目的

• 地球軌道における宇宙船帯電に寄与する環境要因を分析すること。
• 実験衛星（SCATHA、CRRES、DMSP）からの歴史的データを検討し、帯電現象を理解すること。
• 軌道特性（高度や傾きなど）が帯電の深刻さに与える影響を評価すること。
• 表面帯電、差動帯電、内部帯電が衛星電子機器に与えるリスクを評価すること。
• 閉じ込められた放射線および一時的放射線、太陽および銀河宇宙線が電子部品の劣化に与える役割を検討すること。

提案手法

• 帯電イベントに関する実証的データを抽出するために、歴史的宇宙ミッション（SCATHA、CRRES、DMSP）のレビュー。
• プラズマ相互作用、電場および磁場、太陽放射の宇宙船表面への影響の分析。
• 宇宙船の幾何形状と軌道パラメータに基づく帯電メカニズムのモデリング。
• 帯電タイプの分類：表面帯電、差動帯電、内部帯電。
• イオン化、原子の位置ずれ、1回のイベント現象などの放射線誘発損傷メカニズムの評価。
• LEOおよびGEOからの環境データを用いて、帯電リスクを比較評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プラズマ相互作用および電場は、異なる軌道領域における宇宙船帯電にどのように寄与するか？
• RQ2 軌道特性（高度や傾きなど）は、帯電の深刻さを決定づける要因として果たす役割は何か？
• RQ3 低高度極軌道衛星は、他のLEO衛星と比較してなぜ帯電により感受性を示すのか？
• RQ4 閉じ込められた放射線環境と一時的放射線環境は、地球静止軌道の電子システムにどのように影響を与えるか？
• RQ5 内部帯電および差動帯電の主なメカニズムは何か。それらはどのように電子機器の故障を引き起こすのか？

主な発見

• 通常、低地球軌道（LEO）衛星は地球静止軌道（GEO）衛星よりも帯電が少ないが、オーロラ帯を通過する極軌道LEO衛星を除く。
• 表面帯電は、特に強い磁場とプラズマ密度勾配が存在する領域で顕著な電子・イオンフラックスの不均衡によって引き起こされる。
• 差動帯電は、宇宙船表面の異なる材料が異なる速度で電荷を蓄積することによって発生し、高電界を生じる。
• 内部帯電は、高エネルギー電子が誘電体材料を貫通し、絶縁層に電荷がたまりやすくなることによって生じる。
• ヴァン・アレン帯に閉じ込められた放射線と銀河宇宙線は、半導体部品におけるイオン化損傷および位置ずれ損傷に顕著に寄与する。
• 1回のイベント現象（例：1回のイベントアンマッチ、SEU）は、GEOのような高放射線環境において重要なリスク要因である。