Оптико-электронные приборы астроориентации и навигации космических аппаратов. Учебное пособие

Другимихарактеристикамивоздействиянавеществоизлучениясосложным энергетическимспектромявляетсядозаDимощностьдозыP.Дозаизлучения– этоколичествоэнергии,переданное веществуизлучением врасчетена единицу массы; мощность дозы– значениедозы,отнесенное к единице времени.

Основныехарактеристикирадиационногоизлучения содержатсявтаблице 14.

Таблица 14

Основные характеристики радиационного излучения

92 Глава 9. Особенности условий эксплуатации и ВВФ, которым подвергаются ОЭП…

Источниками космических излучений в околоземном пространстве являются:

– потоки космических лучей, включающие в себя первичное ГКИ и солнечное корпускулярное излучение, возникающее при интенсивных хромосферных вспышках на Солнце;

–РПЗ,естественныеиискусственные,которыерасполагаютсявдольмаг- нитных силовых линий и простираются на расстояние от нескольких сот до нескольких десятков тысяч километров от поверхности Земли;

– ГКИ возникает в межзвездных областях галактики и представляет собой ядра различных химических элементов. Основную часть этого вида излучения составляют протоны (около 85 %), около 15 % – α-частицы (ядра гелия) и совсем небольшое число ядерболее тяжелыхэлементов.Частицы галактических лучей обладают очень высокой энергией – от 1×108 до 1×1020 эВ, но плотность потока этих лучей очень мала – 1 с–1см–2, что будет составлять накопленную дозу облучения на КА за год не более 1×10–1 Дж/кг (10 рад).

Солнечное космическое излучение наблюдается в основном в период солнечной активности и продолжается до 4 суток. Вспышки бывают почти черезкаждые10сутокипрогнозируютсяпосостояниюхромосферы Солнца.

Солнечное космическое излучение состоит из двух видов излучения:

– корпускулярного (СКИ), состоящего в основном из протонов (85 %) и небольшого количества α-частиц и имеющего энергию до 1×108 эВ;

– электромагнитного.

Плотностьпотокапротоновдлябольшихсолнечныхвспышексоставляет примерно1×106 с–1см–2.Завремявспышки,длительностькоторойсоставляет одни сутки, поток протонов с энергией более 30 МэВ достигает величины 1×1011с–1, а поток протонов с энергией более 5 МэВ – величины 1×1011с–1. Максимально возможные годовыедозыдля протонов СКИ могут составлять величину до 1×102 Дж/кг (1×104 рад) на поверхности КА.

При удалении от источника излучения, в данном случае Солнца, поток энергии падает:

( ) = ,

r – расстояние от Солнца до КА, а. е.

В зависимости от длины волны спектр электромагнитного излучения Солнца подразделяют на следующие участки:

– -излучение;

– рентгеновское излучение;

– ультрафиолетовое (УФ) излучение;

– видимое излучение;

– инфракрасное (ИК) излучение;

– радиоизлучение.

МагнитноеполеЗемливзаимодействует ссолнечнымигалактическимизлучениями и формирует радиационные пояса. Соответственно Земля имеет естественный радиационный пояс (ЕРП) и искусственный радиационный пояс (ИРП).

ЕРП делится на внутренний и внешний радиационные пояса. Внутренний радиационный пояс состоит главным образом из протонов с энергией от 1 до 700 МэВ. Расположен этот пояс на высоте 600–1500 км от поверхности Земли.

Внешний радиационныйпояссостоитиз электроновс энергией от0,1 МэВ до 5 МэВ. Расположен этот пояс на высоте 1500–8000 км от поверхности Земли.

Состав, плотности потоков и энергетические спектры в ЕРП Земли зависят от процессов, происходящих на Солнце, при этом внутренний радиационный пояс мало подвержен временным изменениям, а внешний – подвержен им очень сильно.

ИРП находятся на высоте 13 000–14 000 км от поверхности Земли. ИРП,созданныйамериканскимивоеннымипутемподрываядерного устрой-

ства в космическом пространстве, в основном состоит из электронов, источником которых является -распад осколков деления ядер.

ИРП постепенно разрушается и в настоящее время почти полностью разрушился.

Радиационная обстановка на борту КА на околоземных орбитах будет определятьсявосновномпротонами внутреннегорадиационногопояса иэлектронами ИРП Земли.

Интенсивность воздействия радиационных поясов увеличивается в моменты солнечных вспышек.

94Глава 9. Особенности условий эксплуатации и ВВФ, которым подвергаются ОЭП…

Впроцессе штатной эксплуатации ОЭП астроориентации и навигации подвергаются воздействию радиационного излучения, примерные параметры которого представлены в таблице 15.

Таблица 15

Параметры галактического и солнечного космических излучений, радиационных поясов Земли и горячей магнитосферной плазмы

Наиболее значимым фактором, воздействующим на аппаратуру КА, являются заряженные частицы средних и высоких энергий (~0,01 … 100 МэВ), входящие в состав РПЗ и корпускуляционного излучения солнечного и галактического происхождения.

РадиационныеусловиянабортуКАпреждевсегозависятоттипаорбиты КА и от особенностей его конструкции.

Под действием корпускуляционного излучения в материалах и элементах КА возникают различного рода обратимые и необратимые эффекты, приводящие к нарушению нормального функционирования бортовых систем КА.

Современные КА имеют САС ~7 … 15 лет. В этой связи повышению радиационнойстойкостиматериаловиаппаратурыКАуделяетсябольшоевнимание.

Проблема радиационной стойкости бортовой аппаратуры КА обостряется в связи с внедрением в космическое приборостроение электронных элементовсвысокойстепеньюинтеграции,волоконнойиинтегральнойоптики, криоэлектроники и т. п.

Интерес к исследованию электроразрядных процессов в диэлектриках, находящихсяврадиационно-заряженномсостоянии,возросещев1962г.по- сле образования мощного ИРП Земли в результате проведения США в южнойчастиТихогоокеана,на высотеоколо400кмтермоядерноговзрыва.Под воздействием электронов ИРП Земли ряд ИСЗ США уменьшили свой ресурс. Стало ясно, что диэлектрические элементы бортового оборудования, микросхемы и ИСЗ подвержены сильной радиационной электризации в зоне такого образования, поскольку интенсивность и средняя энергия электронных потоков в них заметно больше, чем в ЕРП Земли.

Воздействие непрерывной проникающей радиации особенно сильно сказывается на ЭРИ систем КА. Оно приводит к постепенному необратимому изменению электрических параметров приборов на борту КА, вызываемому изменением структуры материалов.

Вполупроводниковыхидиэлектрических элементах микросхемподдействием одиночных ядер ГКИ и РПЗ возникают разнообразные по своей природе ионизационные явления, связанные с треком проникающего ядра или образованием заряженных продуктов ядерных реакций в чувствительном объеме полупроводникового элемента. Это существенно уменьшает удельное сопротивление полупроводниковых материалов и изменяет характеристики полупроводниковыхприборов,вызываяповреждениябортовойэлектронной аппаратуры, которые условно можно разделить на четыре типа:

– обратимые и необратимые радиационные одиночные сбои (РОС) в цифровых микросхемах оперативной памяти БЦЭВК КА и радиационные шумы в полупроводниковых приборах;

– возникающие эффекты выгорания или электрического пробоя подзатворного изолятора (SiO2) в силовых транзисторах за счет собирания электронов и дырок из трека тяжелого ядра, вызывающие рост напряженности электрического поля E в изоляторе и создающие благоприятные условия для его электрического пробоя;

– эффекты защелкивания КМОП-микросхем от отдельных ядер в результате возникновения в структуре критической амплитуды ионизационного тока в цепи питания;

96Глава 9. Особенности условий эксплуатации и ВВФ, которым подвергаются ОЭП…

–искажениепередаваемойинформациизасчетложныхсветовыхимпульсов в элементах оптоэлектронных приборов, волоконной и интегральной оптики,возникающихврезультатеимпульснойрадиолюминесценцииприпрохождении одиночных ядер.

ЧувствительностьмикросхемквозникновениюРОСопределяетсяэкспериментально – путем измерения двух основных характеристик:

–зависимостипоперечногосеченияРОСотлинейнойпотериэнергии(ЛПЭ);

–определения порогового минимального значения ЛПЭ, при котором наблюдается явление – РОС.

Диэлектрические материалы при облучении заряженными частицами

сэнергией 1 … 100 МэВ могут аккумулировать избыточный электрический заряд и создавать в объеме облученного материала высокие электрические потенциалы.Способностьдиэлектрикааккумулироватьэлектрическийзаряд определяетсяеговысокимудельнымсопротивлением( > 1×10 Ом∙ см), гетерогенностью структуры и наличием глубоких энергетических ловушек в запрещенной зоне.

Если напряженность электрического поля в объеме облученного диэлектрика от внедренного заряда превысит его электрическую прочность (1 … 1,5 МВ/см), то произойдет электрический пробой диэлектрика на его поверхность. При некоторых условиях характер кумуляции энергии в разрядном канале соответствует электрическому взрыву, при этом в окружающую среду инжектируется плазмоид, создающий электромагнитные помехи (ЭМП) в широком спектре. Такой плазмоид в вакууме состоит из частиц твердой фракции, плазмы и газа, которые возникают при деструкции материала.

При этом в объеме диэлектрика возникает сетка микротрещин – разрядныхканалов,внешненапоминающаядеревоиполучившаяназвание«фигура Лихтенберга».

Электрическийпробойэлементовоптическихсистем(ОС)ОЭПастроориентации и навигации делает эти системы полностью не работоспособными.

Электрическому пробою предшествует такое явление, как электролюминесценция.Электролюминесценция– это свечение диэлектрика в результате высвобождения энергии,котораяне используетсядля разрушения его структуры. Электролюминесценция обусловлена наличием в объеме диэлектрика инжектированных зарядов, которые возбуждают его молекулы.

В идеальном случае – применять при разработке ОС ОЭП астроориентации и навигации КА зеркальную металлическую оптику, которая полностью исключает негативные эффекты, обусловленные воздействием радиации на ОЭП астроориентации и навигации КА.

Подвоздействиемкосмическихионизирующихизлученийпроисходитдеградация оптических материалов ОС ОЭП астроориентации и навигации КА. Наряду с вышеописанными радиационными эффектами, в объеме диэлектрика возникает электронно-дырочная плазма. При рекомбинации этой плазмы помимо радиолюминесценции возникают радиационные центры

98 Глава 9. Особенности условий эксплуатации и ВВФ, которым подвергаются ОЭП…

окраски стекол. Эти эффекты способны отрицательно повлиять на характеристики оптических материалов и на работоспособность ОЭП соответственно.

Радиационное окрашивание стекла восновном зависит отдозы и мощности дозы ионизирующего излучения и слабо зависит от его спектрального состава.

Нарадиационноеокрашиваниестеколбольшоевлияниеоказываютпримеси. Оптическиестеклазаметноокрашиваютсяпридозахизлучения1×102…1×103Гр. Введение окиси церия в концентрации 0,5 … 1,5 % в оптические стекла значительно снижает степень их радиационного окрашивания и перемещает их в УФ область, но не исключает этот эффект при очень больших дозах.

Рядсопутствующих факторовзасчетсинергетическихэффектовспособны понизить электрическую прочность радиационно-заряженных диэлектриков, особенно на внешней поверхности ИСЗ. К таким факторам относятся:

– микрометеоритные удары;

– солнечная радиация;

– повышение концентрации газа и плазмы в СВА ИСЗ в момент срабатывания реактивных двигателей при коррекции орбиты.

При определении уровня воздействия космического радиационного излучения на радиоэлектронное оборудование КА необходимо учитывать степень его защищенности. Обшивка КА ЭВТИ, наличие экранов и т. п. может не только служить для ослабления потоков частиц, но и являться генератором вторичных излучений, особенно при воздействии протонов с энергией более 50 МэВ [1, 15, 17, 18, 23, 26].

9.4. Воздействие микрометеороидов на элементы конструкции КА

При бомбардировке внешней поверхности КА потоками микрометеороидов и частиц космического мусора отмечаются три типа взаимодействия:

– проникновение частиц в материал;

–выбросиззоныудараоблакаиспаренийнейтральныхатомовиосколков;

– эмиссия ударной плазмы, которая может представлять потенциальную опасность для последующего возникновения электрического разряда между заряженными элементами поверхности КА.

Основное негативное последствие воздействия микрометеороидов на элементы конструкции КА – это эрозия оптики, что особенно критично для ОС ОЭП астроориентации и навигации.

Микрометеороиды влияют на работу оптико-электронной аппаратуры. Они ослабляют поток излучения, проходящий через ОС прибора, и создают фоновую составляющую рассеянного излучения Солнца.

Взонеударамикрометеороидовостекловозникаетдавлениеболее15ГПа, стекло превращается в порошок, состоящий из микронных осколков. Объем осколков может в 100 … 1000 раз превышать объем частицы, которая совершила удар.

Эти частицы в течение некоторого времени (1×103 – 1×105 с) сопровождают КА в виде пылевого облака в составе СВА, создавая оптические помехи в астронавигационном оборудовании, из-за переотражения солнечного света. Постепенно диффундируя в окружающую среду, эти осколки становятся заметной составляющей космического мусора на орбите.

Продолжительноедействиеметеорныхчастицможетпривестиквыходуиз строя оптических деталей. Однако ощутимое матирующее воздействие возникает за время порядка 10 лет. При этом эффект значительно сильнее для преломляющих поверхностей, чем для зеркал, в силу чего при разработке ОЭП предпочтение нужно отдавать зеркальной оптике, как уже отмечалось ранее. Так что это еще один аргумент в пользу зеркальной металлической оптики.

100 Глава 9. Особенности условий эксплуатации и ВВФ, которым подвергаются ОЭП…

Метеорнаябомбардировкавнешнихоптическихповерхностейведет к возрастанию рассеяния, которое может достигать у ОЭП астроориентации и навигации КА,работающеговвидимомдиапазонеспектрадо50 %за2 года с момента начала бомбардировки.

Для ОЭП астроориентации и навигации КА, работающих в ИК-диапа- зоне,последствия матирующего воздействия на поверхности оптических деталей сказываются меньше.

Для минимизации возможности возникновения эрозии входные окна ОС рекомендуется располагать перпендикулярно вектору направления движения КА и зашторивать, что не всегда конструктивно возможно.

Для оценки радиуса кратера , выбиваемого метиороидом на внешней поверхности КА, используются различные эмпирические формулы. Одна из них – формула Бьёрка:

териалов (при ударе бойка в стенку) представлены в таблице 16.

Таблица 16

Рекомендации по выбору значений коэффициентов для использования в формуле Бьёрка

Условием непробиваемости стенки прибора является выбор ее толщины, в 1,5 … 2 раза превышающей радиус кратера:

= (1,5…2) .