[论文解读] Determination of the Stopping Power and Failure-time of Spacecraft Components due to Proton Interaction Using GOES 11 Acquisition Data

N. N. Jibiri, Victor U. J. Nwankwo+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2013

Advanced Battery Technologies Research参考文献 7被引用 4

一句话总结

本研究利用GOES-11卫星数据，对航天器部件中的质子诱导辐射效应进行建模，计算阻止功率、射程及总电离剂量，以预测故障时间。研究发现，在无缓解策略的情况下，20毫米厚的铝合金航天器在地球静止轨道中面临约3年的安全期，以及长达29年的累积辐射损伤风险期。

ABSTRACT

One of the several ways to describe the net effect of charged-particles' interaction is the rate of energy loss along the particles' path. In this study, the mass stopping power (Sp) of selected spacecraft composite materials, through which the particle traverses, its range (R) and the distance (d) travelled (by the particles) through the materials have been calculated and analyzed. The dose (in Gy) as a function of particle flux and deposited energy was also determined. Predictions of their possible effects on space system operations and life-span were made, especially as values exceeded certain threshold (limit). Using GOES 11 acquired data for 3 months, estimations and/or calculations were made to determine the risk and safe period of a satellite in the geosynchronous orbit. Under certain space radiation environmental conditions (without mitigation of any sort), a spacecraft whose body is 20 mm thick and with Al alloy casing, was theoretically estimated to have a safe period of about 3 years and risk period of about 29 years (due to total ionizing dose) within which it would experience a catastrophic failure.

研究动机与目标

• 利用GOES-11卫星的实时数据，评估空间辐射（特别是质子）对航天器部件的影响。
• 确定质子在常见航天器材料（如铝合金、锗和硅）中的阻止功率和射程。
• 估算电子部件在地球静止轨道长期暴露下的总电离剂量（TID）及故障时间。
• 评估电子和质子通量变化对单粒子效应和表面充电风险的影响。
• 提供材料选择和屏蔽建议，以增强航天器抗辐射能力并延长其在轨寿命。

提出的方法

• 利用NOAA空间天气预报中心提供的GOES-11卫星3个月质子和电子通量数据。
• 通过质子能量和材料密度计算单位质量的阻止功率（Sp），即单位质量的能量损失率。
• 利用经验与理论阻止功率模型，计算质子射程（R）和在材料中行进的距离（d）。
• 根据通量和能量沉积估算总电离剂量（TID），剂量率以每年千戈瑞（Gy）计算。
• 应用TID阈值（10 krad和100 krad）预测安全运行时间和灾难性故障时间。
• 通过分析电子通量峰值，评估表面充电风险及其引发放电事件的可能性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在常见航天器材料（如铝合金、锗和硅）中，质子的阻止功率和射程是多少？
• RQ2 在地球静止轨道中，20毫米厚的铝合金航天器壳体中，总电离剂量如何随时间累积？
• RQ3 在无辐射缓解措施的情况下，航天器部件在持续质子暴露下的预测安全运行期和故障时间是什么？
• RQ4 电子和质子通量随时间的变化如何影响表面充电和单粒子效应的风险？
• RQ5 哪些材料组成（例如添加镁或硅的铝）可提供更好的辐射屏蔽效果并降低故障风险？

主要发现

• 发现铝合金的单位质量阻止功率高于纯铝，表明其对质子穿透具有更好的屏蔽效果。
• 电子通量在2010年4月2日至11日期间达到峰值，增加了表面充电风险及潜在放电引起的异常事件。
• 质子通量在2010年6月10日至13日期间达到峰值，表明可能发生了太阳粒子事件，导致辐射暴露风险升高。
• 对于20毫米厚的铝合金航天器壳体，安全运行期估计约为3年（以10 krad TID阈值为依据）。
• 风险期可延长至29年，此时累积剂量达到100 krad，因总电离剂量导致灾难性故障。
• 本研究建议采用多层涂层，并增加在铝合金中添加高阻止功率元素（如镁和硅）的使用，以提升抗辐射能力。