[论文解读] 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 16

一句话总结

本文综述了地球轨道中航天器带电危害，重点分析了电浆相互作用、电磁场以及辐射效应如何威胁卫星电子设备。通过分析SCATHA、CRRES和DMSP的历史数据，阐明了表面带电、电位差带电和内部带电的机制，强调轨道高度和几何构型是决定带电严重程度的关键因素，主要发现包括：极轨道LEO卫星和GEO卫星因捕获辐射和宇宙射线而存在显著带电风险。

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.

研究动机与目标

• 分析影响地球轨道中航天器带电的环境因素。
• 研究实验卫星（SCATHA、CRRES、DMSP）的历史数据，以理解带电现象。
• 评估轨道特征（如高度和轨道倾角）对带电严重程度的影响。
• 评估表面带电、电位差带电和内部带电对卫星电子设备的风险。
• 探讨捕获辐射和瞬态辐射、太阳与银河系宇宙射线在电子器件退化中的作用。

提出的方法

• 回顾历史空间任务（SCATHA、CRRES、DMSP），提取带电事件的经验数据。
• 分析电浆相互作用、电场与磁场，以及太阳辐射对航天器表面的影响。
• 基于航天器几何形状和轨道参数建立带电机制模型。
• 对带电类型进行分类：表面带电、电位差带电和内部带电。
• 评估辐射引起的损伤机制：电离、原子位移和单粒子效应。
• 利用低地球轨道（LEO）和地球同步轨道（GEO）的环境数据，比较带电风险。

实验结果

研究问题

• RQ1 电浆相互作用和电场如何在不同轨道区域中导致航天器带电？
• RQ2 轨道特征（如高度和倾角）在决定带电严重程度方面发挥什么作用？
• RQ3 为何低高度极轨道卫星比其他LEO卫星更容易发生带电？
• RQ4 捕获辐射和瞬态辐射环境如何影响地球同步轨道中电子系统？
• RQ5 内部带电和电位差带电的主要机制是什么？它们如何导致电子设备失效？

主要发现

• 低地球轨道（LEO）卫星通常带电程度低于地球同步轨道（GEO）卫星，但极轨道LEO卫星穿越极光带区域时例外。
• 表面带电由电子和离子通量不平衡引起，尤其在强磁场和电浆密度梯度区域更为显著。
• 电位差带电发生在航天器表面不同材料以不同速率积累电荷时，导致高电场产生。
• 内部带电由高能电子穿透绝缘材料引起，导致绝缘层中电荷累积。
• 范艾伦辐射带中的捕获辐射和银河系宇宙射线显著导致半导体元件的电离和位移损伤。
• 单粒子效应（如单粒子翻转SEU）在GEO等高辐射环境中是关键风险。