卫星抗辐射加固技术

文章编号:1006-1630(2001)02-0056-05

卫星抗辐射加固技术

宋明龙,　朱海元,　章生平

(上海航天技术研究院509所,上海　200240)

摘　要:分析了F Y 21C 卫星运行轨道空间辐射环境,介绍了整星、单机、器件抗辐射要求。卫星研制过程中,对各单机和系统在技术设计、元器件选择、软件编制等的抗辐射加固设计要求。特别对有CPU 和存储器的单粒子翻转效应(SEU )和闩锁效应(SEL )试验。仪器和系统的软件均用故障注入的方法完成了抗SEU 的仿真试验。

关键词:太阳同步卫星;空间辐射;抗辐射加固;仿真试验中图分类号:V520.6 文献标识码:A

R adiation 2R esistance and R einforce T echnology of S atellite

SON G Ming 2long ,　ZHU Hai 2yuan ,　ZHAN G Sheng 2ping

(No.509Institute of SAST ,Shanghai 200240,China )

Abstract :Putting forward the needs of radiation 2resistance and reinforce of the whole F Y 21C satellite ,stand 2alones and units ,analyzing space radiation environment of the satellite.In the design and manufacture ,we raise clearly the requirements of radiation 2resistance and reinforce about the stand 2alones and system ’s technology design ,unit selection and software programming.Especially SEU and SEL tests are done for the stand 2alones with CPU or memory SEU 2resisting simulation test is also done for the software of the instruments and s ystem by failure 2injecting method.

K eyw ords :Sun synchronous satellite ;S pace radiation ;Radiation 2resistance and reinforce ;Simulation test

收稿日期:2000-09-29;修回日期:2001-01-05

作者简介:宋明龙(1940-),男,研究员,上海市宇航学会会员,研究领域:卫星总体。

0　引言

太阳同步卫星轨道在地球内、外辐射带内,要受粒子的辐射,如果预防措施不够有力,抗辐射加

固设计不全面,那么当遇到空间粒子活动剧烈时,卫星电子器件将受到损害,不能完成预定的工作任务。研究卫星运行空间环境中各种粒子的种类、分布情况、能量及强度等因数,对星上选用元器件提出抗辐要求、硬件和软件的抗辐加固设计、系统的地面SEU 仿真试验以及故障对策等抗辐加固技术,是研制长寿命卫星的关键。

1　空间粒子辐射环境分析

F Y 21C 所处空间的粒子辐射环境如下:a.地球辐射带粒子

地球辐射带分为内、外两带。内辐射带的空

间范围在赤道平面约(600～10000)km 高度内;外辐射带的空间范围延伸到赤道平面约(10000～60000)km 高度。F Y 21C 卫星的轨道高度为870km ,属于内辐射带范围。

内辐射带粒子由地球磁场俘获,粒子主要有质子、电子组成。电子能量大于0.5MeV ,最大积分通量大于108/(cm 2・s );质子能量为(0.4～50)MeV ,最大积分通量大于106/(cm 2・s )。

F Y 21C 气象卫星飞越大西洋负磁区(西经

40°)上空时,将可能经受重粒子的轰击。

b.太阳宇宙线

当太阳耀斑发生时,伴随有大量高能带电粒子的发射,此即太阳质子事件。发出的高能带电粒子称作太阳宇宙线。太阳宇宙线主要是质子和粒子,能量一般为(10～1000)MeV。

太阳质子事件突发的高能粒子,能使星上大规模集成电路的计算机产生致命故障。

c.银河宇宙线

来自银河系各个方向的高能带电粒子,绝大多数是质子和α粒子,还有少量高能粒子,此即银河宇宙线。银河宇宙线的能量大,但通量小。 上述三种空间粒子辐射环境,前两种对卫星有较大危害。地球辐射带粒子对CMOS器件的辐射累积损伤是主要的;而太阳质子耀斑辐射出的高能粒子,对计算机CPU、RAM及PROM等器件将产生单粒子翻转效应(SEU)和闩锁效应(SEL),从而导致数字集成电路器件发生软故障或永久性损伤。

2　抗辐射指标的确定

a.轨道及工作寿命　轨道高度870km,倾角

98.8°,工作寿命>2a。

b.星体表面材料和器件　总剂量:5.7×104 Gy;太阳电池电子辐照总剂量:3×1014电子数/ cm2・a。

c.星内材料与器件　总剂量:>50～1×103 Gy;3mm铝屏蔽单机内:材料与器件最低能承受60Gy。

d.抗空间静电充放要求

(a)等电位要求　卫星外壳任何两点(不包括绝缘部件)之间的阻抗≤10mΩ。

(b)单机通过辐射干扰检测　在距离0.3m 处能抗10000V放电产生的电磁脉冲干扰。

e.抗单粒子翻转和单粒子闩锁要求

(a)单粒子翻转　≯10-5～10-7(次/位・天) (对星载计算机和存储器)。

(b)单粒子闩锁　电路设计抗闩锁措施,若闩锁16h内应对本机无损伤,并对卫星其他系统功能无影响。3　抗辐加固规定和试验指标

a.进行元器件试验。集成电路抗总剂量指标是:摸底指标1×103～5×104Gy;功能考核指标5×102Gy。

b.明确需做抗辐加固验证试验的单机有星载计算机、DCDS终端设备、扫描辐射计线路箱、固态存储器、遥控接收机。

c.星载设备的软件必须采取容差设计和相应的故障隔离及对策,系统软件进行SEU仿真试验。

4　免做抗辐射加固试验条件的确定对于同时具备如下条件者,可免做抗辐射加固试验:

a.元器件

(a)SOS、SOL或CMOS外延结工艺;

(b)抗总剂量达到1×103Gy;

(c)单粒子翻转小于10-8次/位・天;

(d)无闩锁效应或闩锁阈值很高。

b.单机

(a)所用元器件抗总剂量达到1×102Gy以上;

(b)机壳外屏蔽厚度≮3mm(铝)。

5　抗辐射加固设计

5.1　电子元器件的选择和考核

F Y21C星在设计阶段要求各单机研制单位对关键性器件选用SOS器件,一般器件选用CMOS外延工艺器件。

元器件的选用,在技术上采取以下准则和措施:

a.选择满足抗总剂量、抗SEU、SEL指标的元器件。

b.核心器件选用HCS器件,接口级、切换级和电源等选用按有关标准制造的产品。

c.电阻、电容、三极管、二极管、继电器等选用国产可免做抗辐射验证试验的产品。

d.微处理器及其外围设备用的器件选用抗辐射加固产品。