Отправить статью по E-mail Результаты мониторинга радиационной обстановки на средней круговой орбите
- Авторы: Елисеев Д.В.1, Графодатский О.С.2, Иванов В.В.1, Максимов И.А.1, Молчанов К.В.3, Прокопьев В.Ю.3
-
Учреждения:
- АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева»
- АО «Центральный научно-исследовательский институт машиностроения»
- Новосибирский национальный исследовательский государственный университет
- Выпуск: Том 25, № 2 (2024)
- Страницы: 202-213
- Раздел: Раздел 2. Авиационная и ракетно-космическая техника
- URL: https://journals.eco-vector.com/2712-8970/article/view/634619
- DOI: https://doi.org/10.31772/2712-8970-2024-25-2-202-213
- ID: 634619
Цитировать
Аннотация
В данной статье описаны методы и средства измерений ионизирующего излучения космического пространства (ИИКП), проводимых с помощью экспериментального комплекса контроля дозы (ЭККД), расположенного на экспериментальном космическом аппарате (ЭКА) «Скиф-Д», который был выведен на орбиту Н=8070 км и наклонением 90°. Произведен сравнительный анализ результатов расчётов и экспериментальных данных, полученных в ходе летной эксплуатации за один год исследования. Следует отметить, что данная орбита для российских производителей КА с точки зрения воздействия факторов космического пространства (ФКП) является малоизученной. Основная идея измерений ЭККД заключается в создании различных условий массовой защиты для каждого из девяти модулей регистрации интегральной накопленной дозы (МРИНД).
При освоении нового типа орбиты для эксплуатации КА, актуальной является задача обеспечения стойкости бортовой аппаратуры и КА в целом к воздействию факторов ионизирующего излучения космического пространства, характерных на данной орбите. Для этого необходимо экспериментальное подтверждение или уточнение на базе полученных натурных данных расчётной радиационной модели воздействия.
Основной задачей, которая решается в статье, является проведение мониторинга уровней интегральной накопленной дозы за различными массовыми защитами при воздействии ионизирующего излучения космического пространства на орбите с H=8070 км и сравнение результатов экспериментальных данных с расчётными оценками, проведенными по ОСТ134-1044-2007 изм. 1 (2017 г.).
Практическая значимость заключается в том, что экспериментальные результаты подтвердили расчётную модель. Получено экспериментальное подтверждение больших радиационных на- грузок в диапазоне типовых защит для ЭКБ 0,5–3 г/см², круговой орбиты с H=8070 км по сравнению с орбитами ГСО и H=1500 км. Модернизированные датчики МРИНД получили летную квалификацию и подтвердили свою эффективность в части выполнения задач мониторинга факторов ионизирующего излучения космического пространства.
Полный текст
Введение
Развитие спутниковой группировки космической системы «Сфера» определило необходимость освоения круговой орбиты с H ~ 8000 км. Первый космический аппарат «Скиф-Д», запуск которого состоялся 22.10.2022, был выведен на орбиту H = 8070 км и наклонением 90°. Результаты его лётных испытаний планируется реализовать для развертывания штатной орбитальной группировки системы широкополосного доступа в Интернет.
Данная орбита для отечественных производителей КА с точки зрения воздействия факторов космического пространства является малоизученной, в связи с этим мониторинг радиационной обстановки [1–4] является важнейшей задачей, решение которой позволит сформировать требования и обеспечить стойкость БА и КА в целом к воздействию ионизирующего излучения космического пространства. Необходимо отметить, что в настоящее время в открытых источниках доступен только малый объем информации со спутников 03В с H = 8063 км и наклонением ~0° [5– 7].
С целью уточнения уровней воздействия ионизирующего излучения космического пространства, на КА «Скиф-Д» АО «РЕШЕТНЁВ» совместно с Новосибирским государственным университетом была интегрирована аппаратура мониторинга дозовых нагрузок на электронно- компонентную базу. Полученная информация с аппаратуры экспериментального комплекса контроля дозы (ЭККД) ляжет в основу уточнения радиационной обстановки, что в дальнейшем поможет дополнить имеющиеся исследования на различных орбитах [8; 9] и выработать технические решения, позволяющие минимизировать массовые, временные и финансовые затраты при обеспечении радиационной стойкости бортовой аппаратуры и КА в целом.
Описание эксперимента
ЭККД обеспечивает измерения уровней поглощённых доз ионизирующих излучений космического пространства в чувствительном элементе и предназначен для оценки влияния радиационных воздействий на КА, определения остаточного радиационного ресурса КА, уточнения моделей воздействия ионизирующего излучения космического пространства (ИИКП).
ЭККД выполнен в виде моноблока, включающего в себя матрицу модулей регистрации интегральной накопленной дозы (матрица МРИНД) (рис. 1). Регистрация ионизирующих излучений производится с помощью матрицы идентичных чувствительных элементов МРИНД, расположенных по сетке 3×3.
Рис. 1. Матрица МРИНД под разной массовой защитой
Fig. 1. ICDRM matrix under different mass protection
Отдельный МРИНД представляет микроэлектронную сборку из полупроводникового чувствительного элемента и радиационно-стойкого кристалла аналого-цифрового интеллектуального преобразователя. МРИНД имеет цифровой выход для внешнего управления и чтения измеряемых данных. Информационный обмен МРИНД и ЭККД осуществляется по внутреннему цифровому интерфейсу SPI.
МРИНД регистрирует интегральный поток всех основных видов ионизирующих излучений (фотоны, электроны, протоны), попадающих на его чувствительный элемент. Отклик МРИНД на каждый из видов излучений известен благодаря проведению калибровок в наземных условиях. Датчик испытан в поле γ излучения радионуклида 60Co источника ГЭТ 38-2011 и в поле β излучения радио- нуклида Sr-Y-90 на установке УПБ-ИД методом эквивалентного поля в диапазоне поглощенных доз от 0,50 Гр до 1,20 ∙ 103 Гр (ФГУП ВНИИФТРИ).
Каждый чувствительный элемент находится в специфических условиях облучения – массовая защита ослабляет поток ионизующих излучений и изменяет их спектр (по-разному для каждого вида излучения). Массовая защита варьируется благодаря установке стальной решетки с различными толщинами ячеек (рис. 2).
Рис. 2. Соответствие порядкового номера МРИНД и его массовой защиты
Fig. 2. ICDRM and mass protection sequence number matching
В результате длительного наблюдения за динамикой показаний каждого из МРИНД формируется кривая дозовых нагрузок в зависимости от уровня защищенности, характерная для данного типа орбиты.
Технические характеристики представлены на табл. 1.
Таблица 1. Технические характеристики ЭККД
Параметр | Значение |
Расчетный срок службы | 3 года |
Габариты | 134 мм × 134 мм × 82,5 мм |
Масса, не более | 1,4 кг |
Мощность потребления, не более | 6 Вт |
Рабочий диапазон температур | от –20 до +50 ºС |
Напряжение питания | От 23 до 32 В |
Информационная магистраль обмена | Мультиплексный канал обмена ГОСТ Р 52070–2003 |
Количество модулей МРИНД | 9 шт |
Диапазон накопленной дозы МРИНД | 0,05 до 120 крад |
Методика измерения
Принцип работы ЭККД основан на различных исследованиях воздействия ионизирующего из- лучения на электронно-компонентную базу [10–12]. Под воздействием радиации в чувствительном элементе происходит деградация проводимости канала во встроенном полевом транзисторе. Таким образом, измеряя падение напряжения на чувствительном элементе при пропускании через него постоянного тока, можно судить о величине интегральной накопленной дозы радиации.
Разброс при фиксированной дозе по выборке аппроксимирующих кривых (σ) вычислен как среднеквадратичное отклонение от средней аппроксимирующей кривой. Величина относительного среднеквадратичного отклонения сопротивления при заданной накопленной дозе по выборке калибровок серии датчиков МРИНД не превышает ±2,5% в рабочем диапазоне поглощенной дозы. Диапазон разброса ±σ значения электрического сопротивления от значения сопротивления, соответствующего усредненной калибровочной кривой, показан на рис. 3 пунктирными линиями.
Рис. 3. Зависимости изменения значения электрического сопротивления чувствительного элемента МРИНД от поглощенной дозы на основе данных, полученных в результате проведения калибровок в наземных условиях
Fig. 3. Depending on the change in the value of the electrical resistance of the ICDRM’s sensitive element and absorbed dose based on data obtained from ground-based calibrations
Результаты экспериментальных данных и их сравнение с расчётными оценками
Полученные экспериментальные данные позволяют оценить динамику роста поглощенной дозы для каждого значения массовой защиты. На рис. 4–6 представлены графики, характеризующие динамику изменения напряжения сток-истока чувствительных элементов МРИНД при воздействии ионизирующего излучения космического пространства.
Рис. 4. Динамика изменения напряжения сток-истока чувствительного элемента МРИНД № 4, 5 и 6
Fig. 4. Dynamics of drain-source voltage changes in the ICDRM’s sensitive element No. 4, 5 and 6
Рис. 5. Динамика изменения напряжения сток-истока чувствительного элемента МРИНД 2, 7 и 8
Fig. 5. Dynamics of drain-source voltage changes in the ICDRM’s sensitive element No. 2, 7 and 8
Рис. 6. Динамика изменения напряжения сток-истока чувствительного элемента МРИНД № 1, 3 и 9
Fig. 6. Dynamics of drain-source voltage changes in the ICDRM’s sensitive element No. 1, 3 and 9
Показания напряжения сток-истока МРИНД имеют ожидаемую динамику, обусловленную соответствующей массовой защитой чувствительного элемента, кроме МРИНД № 5 (защита 1 мм по алюминию). Отличия показаний МРИНД № 4, вероятнее всего, можно объяснить меньшим значением начального сопротивления канала транзистора чувствительного элемента МРИНД № 4. Среднее значение начального сопротивления канала сток-исток составляет около 31±1 кОм, в то время как начальное сопротивление МРИНД № 4 составило 28,1 кОм.
Одновременно с измерением дозы осуществлялся мониторинг текущей температуры на матрице МРИНД. Результаты мониторинга изображены на рис. 7, температура варьируется от –5 до +15 °С, средняя температура матрицы МРИНД составляет около 5 °С. При относительно небольшом разбросе температур разброс показаний АЦП при снятии телеметрии за один сеанс мог составлять ±2 ед. АЦП.
Рис. 7. Регистрация температуры на матрице МРИНД в разные дни
Fig. 7. Temperature registration on matrix the ICDRM on different days
Для расчётной оценки уровней накопленных доз в качестве модели воздействия на орбите функционирования КА (H = 8070 км, i = 90°, САС 3 года), использовались данные ОСТ134- 1044 изм. 1 «Методы расчета радиационных условий на борту космических аппаратов и установления требований по стойкости радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов к воздействию заряженных частиц космического пространства естественного происхождения».
Уровни поглощенных доз, в соответствии с модельным представлением ОСТ, для угла облучения 4π ср приведены в табл. 2 [13].
Таблица 2. Уровни поглощённых доз за САС
Величина защиты, г/см2 | Доза за сферической защитой, рад | |||
Электроны ЕРПЗ, рад | Протоны ЕРПЗ, рад | Протоны СКЛ, рад | Суммарное значение, рад | |
1,00E-02 | 3,02E+07 | 2,84E+08 | 3,77E+04 | 3,14E+08 |
1,00E-01 | 3,18E+06 | 4,26E+06 | 9,11E+03 | 7,45E+06 |
2,00E-01 | 8,92E+05 | 8,55E+05 | 5,17E+03 | 1,75E+06 |
3,00E-01 | 4,24E+05 | 3,43E+05 | 3,57E+03 | 7,71E+05 |
4,00E-01 | 2,20E+05 | 1,63E+05 | 2,67E+03 | 3,86E+05 |
5,00E-01 | 1,29E+05 | 9,02E+04 | 2,07E+03 | 2,21E+05 |
6,00E-01 | 8,36E+04 | 5,69E+04 | 1,63E+03 | 1,42E+05 |
7,00E-01 | 5,79E+04 | 3,89E+04 | 1,32E+03 | 9,81E+04 |
8,00E-01 | 4,21E+04 | 2,85E+04 | 1,10E+03 | 7,17E+04 |
9,00E-01 | 3,18E+04 | 2,16E+04 | 9,33E+02 | 5,43E+04 |
1,00E+00 | 2,47E+04 | 1,69E+04 | 8,05E+02 | 4,24E+04 |
2,00E+00 | 5,96E+02 | 3,04E+03 | 3,06E+02 | 3,94E+03 |
3,00E+00 | 4,57E+02 | 1,13E+03 | 1,72E+02 | 1,76E+03 |
4,00E+00 | 3,79E+02 | 5,40E+02 | 1,14E+02 | 1,03E+03 |
5,00E+00 | 3,25E+02 | 3,44E+02 | 8,22E+01 | 7,51E+02 |
6,00E+00 | 2,84E+02 | 2,37E+02 | 6,26E+01 | 5,84E+02 |
8,00E+00 | 2,25E+02 | 1,28E+02 | 4,09E+01 | 3,94E+02 |
1,00E+01 | 1,83E+02 | 7,81E+01 | 2,89E+01 | 2,90E+02 |
В результате расчётных оценок были определены уровни воздействия для каждого чувствительного элемента МРИНД, которые позволили построить кривую поглощённой дозы (зависимость поглощённой дозы от величины защиты), и дальнейшей верификации расчётных значений с экспериментальными.
Результаты расчёта для всех МРИНД за САС 3 года представлены в табл. 3.
Таблица 3. Результаты расчёта за САС 3 года
Номер датчика | Величина защиты, мм Al | Поглощённая доза, рад |
5 | 0,3 | 1,42E+06 |
4 | 1 | 1,07E+05 |
6 | 2 | 2,07E+04 |
2 | 2,5 | 1,26E+04 |
8 | 3 | 8,31E+03 |
7 | 4 | 4,04E+03 |
9 | 4,8 | 2,29E+03 |
3 | 6,3 | 1,12E+03 |
1 | 7,5 | 7,96E+02 |
В табл. 4, 5 и на рис. 8, 9, соответственно, приведены результаты сравнения расчётных и экспериментальных данных за 220 дней и 1 год эксплуатации.
Таблица 4. Результаты расчёта за САС 220 дней
Номер датчика | Величина защиты, мм Al | Поглощённая доза, рад (расчётные) | Поглощённая доза, рад (экспериментальные) |
5 | 0,3 | 2,86E+05 | 1,19E+05 |
4 | 1 | 2,15E+04 | 5,22E+03 |
6 | 2 | 4,16E+03 | 4,91E+03 |
2 | 2,5 | 2,53E+03 | 3,12E+03 |
8 | 3 | 1,67E+03 | 1,99E+03 |
7 | 4 | 8,11E+02 | 6,14E+02 |
9 | 4,8 | 4,60E+02 | 5,68E+02 |
3 | 6,3 | 2,24E+02 | 3,94E+02 |
1 | 7,5 | 1,60E+02 | 1,96E+02 |
Таблица 5. Результаты расчёта за САС 1 год
Номер датчика | Величина защиты, мм Al | Поглощённая доза, рад (расчётные) | Поглощённая доза, рад (экспериментальные) |
5 | 0,3 | 4,75E+05 | 2,95E+05 |
4 | 1 | 3,57E+04 | 1,12E+04 |
6 | 2 | 6,91E+03 | 1,02E+04 |
2 | 2,5 | 4,20E+03 | 6,78E+03 |
8 | 3 | 2,77E+03 | 4,13E+03 |
7 | 4 | 1,35E+03 | 1,09E+03 |
9 | 4,8 | 7,63E+02 | 8,82E+02 |
3 | 6,3 | 3,72E+02 | 5,77E+02 |
1 | 7,5 | 2,65E+02 | 2,23E+02 |
Рис. 8. Накопленная доза различных датчиков МРИНД за 220 дней
Fig. 8. Absorbed dose of ICDRM over 220 days
Рис. 9. Накопленная доза различных датчиков МРИНД за 1 год (365 дней)
Fig. 9. Absorbed dose of ICDRM over 1 years (365 days)
Исходя из данных, представленных на рис. 8, 9, можно сделать вывод, что кривые зависимости поглощённых доз от величины массовой защиты, полученные в ходе натурных измерений и расчётных оценок, качественно совпадают. Незначительные расхождения, по-видимому, связаны с недостаточным объемом экспериментальных данных (необходимо больше времени для проведения измерений).
Имеющиеся данные являются подтверждением, что круговая орбита 8000 км, является достаточно жёсткой орбитой, с точки зрения радиационного воздействия, для функционирования КА с длительным САС. На рис. 10, 11 изображены расчётные величины накопленной дозы для различных значений защит для ГСО, круговых орбит 8000 и 1500 км за САС 10 лет [14].
Рис. 10. Сравнительный график ГСО, 8000 и 1500 км
Fig. 10. Comparative graph of GEO, 8000 and 1500 km circular orbits
Рис. 11. Сравнительный график ГСО, 8000 и 1500 км для диапазона защит 0,5–3 г/см2
Fig. 11. Comparative graph of GEO, 8000 and 1500 km circular orbits for the protection range of 0.5–3 g/cm²
Исходя из данных, представленных на графиках 10, 11, можно сделать вывод, что уровни воздействия для орбиты 8000 км в диапазоне типовых защит для ЭКБ 0,5–3 г/см2 превышают требования для орбиты ГСО и круговой орбиты 1500 км для аналогичного САС.
Уровень воздействия снаружи КА для орбиты 8000 км в ~ 5 раз выше уровня воздействия на ГСО и на ~ 1,5 порядка выше уровня воздействия на орбите 1500 км, что в свою очередь накладывает большие ограничения на перечень неметаллических материалов, которые допустимо применять снаружи КА.
Заключение
Результаты проведения лётного эксперимента в составе КА «Скиф-Д» продемонстрировали:
- успешную модернизацию датчиков интегральной накопленной дозы МРИНД в части их миниатюризации и перехода на цифровой выход (получена лётная квалификация датчиков);
- перспективность концепции мониторинга интегральной накопленной дозы радиации за счет применения полупроводниковых детекторов с индивидуальными массовыми защитами;
- высокую сходимость результатов сравнительного анализа экспериментально полученных уровней воздействия на орбите функционирования ЭКА «Скиф-Д» с моделью воздействия, изложенной в НТД РФ (ОСТ134-1044-2007 изм. 1 (2017 г.) «Методы расчета радиационных условий на борту космических аппаратов и установления требований по стойкости радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов к воздействию заряженных частиц космического пространства естественного происхождения»);
- экспериментальное подтверждение большей радиационной нагрузки в диапазоне типовых защит для ЭКБ 0,5–3 г/см2 круговой орбиты 8000 км по сравнению с орбитами ГСО и 1500 км.
Дальнейшая работа с аппаратурой ЭККД в рамках орбитального эксперимента КА «Скиф- Д» позволит накопить более объемную статистику по радиационной обстановке на орбите 8000 км, включая различные фазы активности Солнца. В перспективе предполагается разработать математические модели, позволяющие вычислять спектры воздействующих ИИКП на основании анализа многоканальных данных ЭККД.
Об авторах
Денис Викторович Елисеев
АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева»
Автор, ответственный за переписку.
Email: eliseevdv@iss-reshetnev.ru
инженер-программист
Россия, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52Олег Сергеевич Графодатский
АО «Центральный научно-исследовательский институт машиностроения»
Email: grafodatskiyOS@tsniimash.ru
доктор технических наук, советник генерального директора
Россия, 141070, Московская область, г. Королёв, ул. Пионерская, 4Владимир Васильевич Иванов
АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева»
Email: ivanov@iss-reshetnev.ru
кандидат технических наук, заместитель начальника отдела
Россия, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52Игорь Александрович Максимов
АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева»
Email: mia@iss-reshetnev.ru
доктор технических наук, начальник отдела
Россия, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52Константин Владимирович Молчанов
Новосибирский национальный исследовательский государственный университет
Email: K.molchanov@nsu.ru
инженер 2 категории отдела аэрокосмических исследований
Россия, 630090, г. Новосибирск, ул. Пирогова, 1Виталий Юрьевич Прокопьев
Новосибирский национальный исследовательский государственный университет
Email: vprok@cosmos.nsu.ru
заведующий отделом аэрокосмических исследований
Россия, 630090, г. Новосибирск, ул. Пирогова, 1Список литературы
- Мониторинг радиационной обстановки на геостационарной орбите в максимуме 23-го цикла солнечной активности / Т. А. Иванова, Н. Н. Павлов, И. А. Рубинштейн и др. // Физические проблемы экологии (экологическая физика). 2001. № 6. С. 12–20.
- Мониторинг радиационной обстановки на высокоапогейных космических аппаратах в максимуме 23-го цикла солнечной активности / В. В. Иванов, И. А. Максимов, А. В. Первухин и др. // Вопросы атомной науки и техники. Сер.: физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. 2003. Вып. 4. С. 39–40.
- Балашов С. В., Иванов В. В., Максимов И. А. Мониторинг условий эксплуатации космических аппаратов посредством бортовой аппаратуры контроля негативных факторов // Вопросы атомной науки и техники. Сер.: физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. 2003. Вып. 4. С. 41–42.
- Тестоедов Н. А., Кочура С. Г., Максимов И. А. Система мониторинга уровней воздействия космической среды на космические аппараты разработки АО «Информационные спутниковые системы» // Вестник СибГАУ. 2015. Т. 16, № 4. С. 849–856.
- Wood L., Yuxuan L., Opeoluwa O. Discusses satellite constellations. Uses SaVi, ns satellite network plot scripts and ns path delay script. Peer-reviewed journal paper // Journal of rhe British Interplanetary Society. 2014. Vol. 67, No. 3. Р. 110–118.
- Avionics Radiation Hardness Assurance (RHA) Guildelines / R. F. Hodson, J. A. Pellish, R. A. Austin et al. NASA Engineering and Safety Center, NASA/TM-20210018053. 2021 [Электронный ресурс]. URL: http://ntrs.nasa.gov/citation/20210018053 (дата обращения: 12.02.2024).
- Electron Microburst Size Distribution Derived With AeroCube-6 / M. Shumko, A. T. Johnson, J. G. Sample et al. // J. of Geophys. Res.: Space Physics. 2020. Vol. 125 (3). P. e2019JA027651.
- Small Satellites for Space Science / R. M. Millan, R. von Steiger, M. Ariel et al. // Advances in Space Research. 2019. Vol. 64 (8). P. 1466.
- Radiation damage at silicon junction by neutron irradiation / M. Hasegava, S. Mori, T. Ohsugi et al. // Nucl. Inst. and Meth. in Phys Pes. 2019. Vol. A277. P. 395–400.
- Викулин И. М., Горбачев В. Э., Курмашев Ш. Д. Деградация параметров транзисторных датчиков температуры под действием ионизирующего излучения // Физика и техника полупроводников. 2017. Т. 51, вып. 10. С. 1404–1409. doi: 10.21883/FTP.2017.10.45021.8447.
- Рембеза С. И., Стоянов А. А. Влияние ионизирующего излучения космического пространства на свойства полупроводниковых приборов // Вестник ВГТУ. 2012. № 10-1. [Электронный ресурс] URL: https://cyberleninka.ru/article/n/vliyanie-ioniziruyuschego-izlucheniya- kosmicheskogo-prostranstva-na-svoystva-poluprovodnikovyh-priborov (дата обращения: 08.02.2024).
- ОСТ 134-1044 – изменение 1. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование космических аппаратов. Методы расчёта радиационных условий на борту космических аппаратов и установление требований по стойкости радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов к воздействию заряженных частиц космического пространства естественного происхождения. 2017 г.
- Назаренко А. А., Максимов И. А., Кочура С. Г., Возможность унификации требований по радиационной стойкости для космических аппаратов с различными условиями функционирования // Сибирский аэрокосмический журнал. 2023. Т. 24, № 1. С. 126–135. DOI: 10.31772/ 2712-8970-2023-24-1-126-135.
- Новиков Л. С., Воронина Е. Н. Взаимодействие космических аппаратов с окружающей средой. М. : КДУ ; Университетская кн., 2021. 560 с.
Дополнительные файлы
