月球探测辐射环境分析

月球探测辐射环境分析
薛玉雄;杨生胜;安恒;石红;把得东;曹洲
【摘要】This paper briefly introduces the lunar radiation environment and synthetically analyzes the orbiting result detected by CE-1. And the on-orbit data obtained by energetic particle detector and solar wind detector is considered emphatically. Based on the results, the hazard and influence of lunar radiation environment on the detectors are estimated, and then the radiation protection for lunar exploration are advised.%扼要介绍了月球探测的辐射环境,分析了CE-1在轨探测的辐射环境数据,在此基础上,分析了月球辐射环境对探测器的影响,提出了后续月球探测辐射防护研究建议.
【期刊名称】《真空与低温》
【年(卷),期】2011(017)003
【总页数】7页(P145-150,175)
【关键词】月球探测;辐射环境;辐射效应;辐射防护
【作者】薛玉雄;杨生胜;安恒;石红;把得东;曹洲
【作者单位】兰州空间技术物理研究所,真空低温技术与物理重点实验室,甘肃兰州730000;兰州空间技术物理研究所,真空低温技术与物理重点实验室,甘肃兰州730000;兰州空间技术物理研究所,真空低温技术与物理重点实验室,甘肃兰州730000;兰州空间技术物理研究所,真空低温技术与物理重点实验室,甘肃兰州730000;兰州空间技术物理研究所,真空低温技术与物理重点实验室,甘肃兰州
730000;兰州空间技术物理研究所,真空低温技术与物理重点实验室,甘肃兰州730000
【正文语种】中文
【中图分类】V520.6
1 引言
世界航天大国都非常重视月球探测。

冷战时期，美国和前苏联展开了以月球探测为中心的空间竞赛，掀起了第一次月球探测高潮。

自1958～1976年，美国和前苏
联共发射83个月球探测器，其中成功47个。

1969年7月，美国阿波罗－11飞
船实现了人类首次登月，此后阿波罗－12、14、15、16、17和苏联的月球－16、20和24，相继进行了不载人和载人登月取样，大大提高了人类对月球、地球和太阳系的认识，月球探测取得了划时代的成就［1～5］。

1994年和1998年，美国成功发射了“克莱门汀”(Clementine)和“月球勘探者”(Lunar Prospector)号月球探测器，对月球形貌、资源、水冰等进行了探测。

1998年“月球勘探者”号的成功发射，揭开了人类重返月球的序幕，迎来了人类月球探测的第二次高潮。

近年来，月球探测与利用成为空间探索活动的热点，美国的“空间探索新构想”和欧洲的“曙光”计划都把月球作为向火星进军的技术验证平台和中转基地，日本更是把月球探测和利用作为未来空间探索的重点发展领域，美、欧、日、俄等国都计划在2025年前后建造月球基地，使其成为航天器组装、维修和补给的“中继站”。

2003年9月27日ESA成功发射首个月球探测器SMART－1。

2004年2月ESA公布了“曙光”(Aurora)空间探索计划，在该计划中规划了月球探测项目。

2005年4月ESA提出了欧洲“宇宙远景2015－2025”，按太阳系探测、天体物理、基础物理3个领域规划了探测任务，其中月球探测将包含在太阳
系探测任务中。

NASA在2005年9月正式宣布了“2018年载人重返月球计划”，将研制新一代宇宙飞船——“乘员探索飞行器”(CEV)，并规划于2018年使美国宇航员重返月球，为此，NASA确定了“月球试验台和任务”(Lunar Testbeds and Missions)，以2008年的机器人月球探测任务为开始。

“机器人月球探测计划”是NASA空间探索新计划的关键单元，目的为验证载人火星飞行要用到的工
程技术和新技术，如2008年10月成功发射的“月球勘测轨道器”(Lu nar Reconnaissance Orbiter，LRO)。

我国于2007年成功发射嫦娥一号月球探测器，作为我国探月“绕”、“落”、“回”三期工程的第一阶段，为我国进行月球探测太空活动奠定了基础，获得了大量关于近月轨道的空间环境信息和月球表面元素及月表图像等有用信息。

2010年10月发射嫦娥二号探测器，在轨运行正常，进一步验证了月球探测的相关技术，
为探月后期工程提供了技术保障。

目前，正在进行探月二期相关研究，为后续载人登月奠定了基础。

在月球探测过程中，航天器已脱离了地球磁场保护，近月轨道遭遇太阳高能粒子事件的概率相对更大，空间辐射环境相对更加恶劣［6～11］，带电粒子与航天器材料及电子器件相互作用，引起多种辐射效应，对探测器的危害性也相对增强。

因此，月球探测辐射环境问题受到了国内外的普遍关注。

2 月球探测辐射环境分析
月球探测一般分为“绕、落、回”三步完成。

月球探测任务的典型飞行轨道如图1所示。

图1 月球探测飞行轨道示意图
月球探测轨道通常包括月球探测器从发射星箭分离后围绕地球的调相轨道、奔月轨道、环月轨道、以及在月面着陆工作期间的全过程。

因此，探月卫星轨道的辐射环境特点，就在于在其运行过程的不同阶段，由于所处空域的差异而面临不同的辐射
环境，主要如下:
调相轨道阶段——月球探测卫星的调相轨道，一般近地点高度在几百千米、远地
点高度在几万千米左右，轨道周期通常在十几小时到几十小时左右，因此，这一阶段，卫星将反复穿越内、外辐射带、以及磁层顶:在内辐射带中将面临高能电子和
质子，在外辐射带中主要面临高能电子，穿出磁层顶后主要面临太阳风。

这一阶段，卫星还面临银河宇宙线高能粒子。

由于卫星在这一阶段总共只运行几天时间，而且通常不会选择在太阳耀斑爆发期间发射，因此卫星在调相轨道阶段，可以认为不会面临太阳宇宙线。

奔月轨道阶段——奔月轨道近似于一个大椭圆轨道的1/2，其起始点在距离地球
高度几百千米左右，而终点在距离地球高度38万千米的月球附近，因此，该轨道也穿越了内、外辐射带，并穿越磁层顶。

但是由于该轨道终点距离地球很远，因此卫星奔月过程中，在磁层顶内运行的时间很短，而大部分时间都在磁层顶外运行，也就是运行于行星际空间。

因此卫星在奔月过程中可以认为主要是面临行星际空间的辐射环境，也就是太阳风和银河宇宙线。

同样由于奔月过程只有几天时间，不会选择太阳耀斑爆发期间发射，因此卫星奔月过程可以认为不会面临太阳宇宙线。

环月轨道阶段——环月轨道距离地球约38万千米，距离月球高度在200千米左右，因此卫星在此轨道内不受地球辐射带的影响。

而月球磁场极其微弱，通常可认为月球没有磁场，因此月球周围不存在类似地球辐射带一样的稳定捕获粒子区域。

因此，卫星在环月轨道上，也就是处于行星际空间之中，其面临的辐射环境是太阳风和银河宇宙线。

考虑到卫星环月阶段通常持续1～2年，此期间如果发生太阳耀斑事件，则卫星还将面临太阳宇宙线粒子。

另外，环月轨道通常是月球的极轨道，因此当卫星运行到月球的背日面区域时，由于月球的几何遮挡，其面临的太阳风环境将大幅度减弱，如遭遇太阳耀斑爆发，则在此区域太阳宇宙线也将因月球遮挡而减弱。

月面着陆工作阶段——月球探测器着陆月面上之后，在月昼期间，所面临的辐射
环境与在环月轨道上基本相似，即主要包括太阳风和银河宇宙线，如遇太阳耀斑爆发则有太阳宇宙线。

月夜期间，由于月球的几何遮挡，月球探测器只遭遇银河宇宙线。

综合上述特点，月球探测卫星从发射到环月工作乃至着陆月面的全过程中，只有在调相轨道和奔月轨道阶段位于磁层顶之内的区域会遭遇地球辐射带，卫星也只有在此区域会由于辐射带粒子而积累辐射剂量;而在磁层顶外的区域卫星只遭遇太阳风
和银河宇宙射线，这两类辐射源会对卫星产生其他类型的辐射效应，如充/放电效应、单粒子效应等;在太阳耀斑爆发期间，高能太阳耀斑质子也会对卫星产生影响。

3 CE－1月球辐射环境探测结果分析
3.1 CE－1探测的月球辐射环境
CE－1探测器搭载的科学仪器主要有:高能粒子探测器、太阳风离子探测器、干涉
成像光谱仪、X射线谱仪、微波探测仪等8种有效载荷，主要对近月空间辐射环境、月表物质有用元素的含量和分布等进行了探测，并获得了大量的科学探测数据。

用于辐射环境的探测器包括:高能粒子探测器(High Particles Detector，HPD)和太
阳风离子探测器(Solar Wind Ions Detector，SWID)，其探测器外形结构如图2
和图3所示。

辐射环境探测器探测了地月空间环境辐射粒子(如质子、电子、重离
子以及太阳风等离子体)的能量、通量大小，获得了典型高能带电粒子的能谱，以
及太阳风离子的体速度、离子温度和数密度。

图2 高能粒子探测器
图3 太阳风离子探测器
高能粒子探测器主要探测距月面200千米近月轨道行星际空间的高能粒子环境，
如高能质子、电子、重离子。

图4分别给出了CE－1卫星高能粒子探测器绕月飞
行一月和一年中获取的不同能量段质子平均微分通量率变化情况。

图4 CE－1高能粒子探测器高能质子微分通量率
图4 (a)中粒子的波动性比图4(b)中的波动性明显，这是由于选取的时间段较短。

从图4(b)中可以看出，整个探测周期内质子通量率随时间变化平缓，一年内质子微分通量率在1.46～2.74(Counts/cm2·s·sr)范围内变化，说明此探测周期处于太阳活动平静期，没有出现大范围的太阳扰动事件。

因此，CE－1卫星探测的高能质子都来自于银河宇宙射线。

图5给出了高能粒子探测器获取的绕月飞行一月和一年中重离子微分通量率的平均分布情况。

图5 CE－1高能粒子探测器重离子微分通量率
从图5中可以看出，He离子微分通量随时间变化平缓，而Li、C离子微分通量随时间变化比较明显。

从图5(b)中可以看出，C离子一年内的平均微分通量率范围在4.18～5.56(Counts/s)之间，而He离子的通量率为2.48 ～
2.52(Counts/cm2·s·sr)范围内，Li离子的通量率变化范围在2.24 ～
3.18(Counts/s)之间。

从这些数据中可以看出He离子的微分通量率随时间变化很小，相对而言Li、C离子的微分通量率随时间变化波动大，这与探测器的性能及空间重离子的分布丰度有关。

图6给出了高能粒子探测器绕月飞行一月和一年中高能电子积分通量率的平均变化。

图6 CE－1高能粒子探测器电子积分通量率
从图6中可看出，CE－1卫星绕月飞行一年内高能电子的积分通量率范围在
2.82～15.12(Counts/cm2·s·sr)之间，低能电子的积分通量率范围在0.41～
5.12(Counts/cm2·s·sr)之间，积分通量变化比较小，即说明CE－1卫星绕月飞行期间，高能电子通量没有出现急剧增加，进一步说明CE－1卫星没有遭遇太阳耀斑事件，高能粒子探测器探测到的高能电子都来自于银河宇宙射线。

太阳风离子探测器主要探测月球轨道上太阳风等离子体的变化情况，如图7所示。

图7(a)、(b)中左图，不同颜色代表了不同能量段的太阳风离子通量，右图是相应
时间段内太阳风离子通量随能量的平均变化趋势，(a)左图中19:40左右大约480 eV处出现了通量最大值约为107/cm2·sr·keV·s，右图中能量为547 eV的太阳风离子平均通量达到峰值，约为9.21×105/cm2·sr·keV·s。

(b)图出现双峰，峰值分
别出现在700 eV和1 400 eV左右，初步判断2种粒子分别为质子和α粒子，其平均通量分别为2.6×105/cm2·sr·keV·s和5.8×105/cm2·sr·keV·s，在太阳风等
离子体中，质子密度比α 粒子高 2个量级，占据主导地位，(a)(b)两图比较可知能量较高的太阳风等离子体密度要低一些。

这个结果和带电粒子在空间的实际分布情况基本吻合。

3.2 基于探测数据分析对航天器影响
CE－1探测器在整个探测周期内没有遭遇特大太阳耀斑事件，粒子波动比较平缓，如高能质子通量率在1.46～2.74(Counts/cm2·s·sr)范围内。

上述探测数据表明，在绕月探测中，探测器主要遭受太阳风和银河宇宙射线的辐射影响。

图7 太阳风离子探测器在轨数据分析
近月轨道高能带电粒子(电子、质子、α粒子以及其他重离子)与探测器材料、电子设备相互作用，能诱发多种辐射效应，如充放电效应、单粒子效应、位移损伤效应等，影响探测器材料及电子器件的性能，对航天器功能造成一定的影响，甚至导致探测器功能失效或灾难性事故。

(1)单粒子效应
近月轨道的高能质子、重离子，与探测器电子设备相互作用，引起单粒子效应，对探测器功能造成一定的影响，甚至导致探测器功能失效或灾难性事故。

如高能质子、重离子诱发功率MOSFET器件发生单粒子烧毁和单粒子栅击穿效应，产生瞬态大
电流和高电压，使得器件会被击穿或热损坏。

又如CE－1卫星入轨以后，所使用
的FPGA频繁发生单粒子翻转，使其有效载荷几天出现一次功能异常，必须通过地面操作执行断电重启动作才能恢复，卫星既定的载荷功能实现受到严重影响。

(2)位移损伤效应
近月轨道的高能质子，与CCD等光电器件相互作用，引起的位移损伤效应，影响CCD器件的电荷转换率，有效输出信号降低，影响信号的获取特别是CCD器件成像时图像上出现斑点甚至造成器件损坏不能成像［11～19］。

如高能质子、电子照射太阳电池诱发位移损伤，使得光电转换效率下降，输出电流减小，整个太阳电池阵的输出功率下降。

(3)辐射总剂量效应
绕月轨道的高能质子、电子，进入探测器的材料、器件中，与其原子、分子等发生电离作用，将能量传递给被辐照的物质，从而对材料、器件的性能产生影响。

如高能质子、电子照射双极性器件，降低器件增益，引起器件性能参数退化。

(4)表面带电效应
近月轨道的太阳风等离子体，与探测器材料相互作用，引起表面充放电效应，电荷积累超过一定阈值后会产生静电放电，表面静电放电可能将产生具有瞬时高压和强电流特征的电磁脉冲，导致探测器上的敏感电子元器件及组件损坏或误动作，干扰探测器与地面通信，影响探测器的飞行寿命，甚至造成探测器飞行任务的失败。

同时，静电放电还能够使探测器表面材料产生物理性能损伤，导致材料性能退化。

(5)内带电效应
近月轨道的高能电子能量足够高，足以穿过探测器表面的屏蔽层和电子仪器盒，进入探测器内部材料表面或者仪器内部绝缘材料，如电缆套、支座绝缘子或者电路板集成电路密封剂等，使其充电，引起内带电效应，导致探测器材料性能下降或者损坏某些敏感器件，对探测器在轨安全带来严重的危险。

基于以上分析，在未来的月球探测器设计中，对辐射环境的防护应着重考虑以下方
面:
(1)为了满足高性能需求，月球探测器将大量采用高性能器件，由于月球无磁场屏蔽，银河宇宙射线中高能粒子会使高性能器件发生单粒子事件，如CMOS器件的单粒子锁定、FPGA器件的功能中断等等，给探测器在轨安全带来严重的危险，因此，需要重点解决单粒子效应防护问题。

(2)月球探测器大量应用高性能CCD相机，于是，高能质子引起位移损伤效应防护技术也是需要引起高度关注。

(3)太阳风离子、高能电子，引起探测器充/放电效应，造成太阳电池及材料性能下降，影响探测器飞行寿命。

因此，月球探测器充/放电效应防护设计也是必须解决的问题。

(4)在后续的载人探月任务中，重离子引起的宇航员的生物效应问题，于是，宇航员的辐射防护是载人探月的辐射防护重点。

4 结束语
总结了月球探测的辐射环境特点，介绍了CE－1探测的辐射环境探测结果，分析了空间环境对航天器的影响，指出后续须关注辐射防护问题，供以后相关科研人员参考。

致谢:感谢中科院国家天文台月球与深空探测科学应用中心肖潇老师、任鑫老师提供CE－1数据，空间中心王馨悦老师帮助CE－1探测数据的分析，在此表示衷心的感谢。

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