В статье автор сравнивает влияние ионизирующего излучения на космическое оборудование на низкой околоземной и высокой эллиптической орбитах.
Ключевые слова: ионизирующее излучение, высокая эллиптическая орбита, низкая околоземная орбита
Введение
Ионизирующее излучение в космосе представляет собой одну из главных угроз для функционирования космических аппаратов, находящихся в атмосфере и за её пределами. Оно состоит из высокоэнергетичных частиц, таких как солнечные и галактические космические лучи (ГКЛ), а также заряженных частиц радиационных поясов Земли. Эти частицы могут вызывать деградацию материалов, поломки электроники и ухудшение характеристик оборудования, что требует разработки эффективных методов защиты. Влияние излучения на оборудование зависит от высоты орбиты, на которой находится спутник или космический аппарат. Рассмотрим, как это воздействие различается для низкой орбитальной зоны (НОО) и высокой эллиптической орбите (ВЭО), а также какие методы защиты используются для минимизации этих рисков.
Воздействие излучения на оборудование на низкой околоземной орбите (НОО)
Низкая околоземная орбита (НОО) Земли, находящаяся на высоте от 160 до 2000 километров, подвергает космические аппараты воздействию различных типов излучения, особенно из-за радиационных поясов Земли. Хотя атмосфера Земли частично защищает спутники от солнечных и галактических частиц, воздействие солнечных вспышек и корональных выбросов массы остаётся значительным, особенно на низких орбитах. Спутники, находящиеся на НОО, также сталкиваются с угрозой попадания в радиационные пояса Земли, где интенсивность зарядов высока, что увеличивает риск поломки оборудования. [1]
В таблице 1 рассмотрены наиболее возможные угрозы для аппаратов на НОО и методы их парирования.
Таблица 1
Угрозы и методы их парирования на НОО
|
Вероятные угрозы |
Описание |
Методы парирования |
|
Радиационная деградация материалов |
Космическая радиация, включающая галактические космические лучи (ГКЛ), солнечные космические лучи (СКЛ), вызывает ионизацию атомов и молекул в материалах, что приводит к накоплению радиационных дефектов и деградации их свойств |
Использование радиационно-стойких материалов и защитных экранов для минимизации радиационного воздействия на критические компоненты |
|
Оптические повреждения |
Излучение может изменять оптические свойства материалов, используемых в оптических системах, таких как солнечные батареи и оптические датчики |
Применение радиационно-стойких оптических материалов и защитных фильтров для уменьшения деградации |
Аппараты, находящиеся на (НОО), подвергаются ряду серьезных рисков, связанных с космической радиацией и другими факторами. Основные угрозы включают радиационную деградацию материалов и оптическим повреждениям. Для минимизации этих рисков необходимо применять комплексные методы защиты и технологии. Использование радиационно-стойких материалов, защитных экранов, регулярное тестирование и мониторинг состояния оборудования, антистатические покрытия и системы активного охлаждения являются ключевыми стратегиями.
Воздействие излучения на оборудование на высокой эллиптической орбите.
Высокая эллиптическая орбита (ВЭО) имеет свои особенности, так как спутники на этой орбите могут находиться на расстоянии от 20 000 до 40 000 километров от Земли. В отличие от НОО, орбита ВЭО переменная: в апогее, когда спутник находится на максимальном расстоянии от Земли, интенсивность излучения значительно возрастает. Это связано с тем, что в этой зоне спутник выходит за пределы защитного магнитного поля Земли, подвергаясь воздействию солнечных частиц и ГКЛ на повышенной концентрации. В перигее, наоборот, спутник находится ближе к Земле, где интенсивность излучения, как правило, уменьшается. [1]
В таблице 2 рассмотрены наиболее возможные угрозы для аппаратов на ВЭО и методы их парирования.
Таблица 2
Угрозы и методы их парирования на НОО
|
Вероятные угрозы |
Описание |
Методы парирования |
|
Высокая интенсивность космической радиации |
На ВЭО космическая радиация, включая ГКЛ и СКЛ, имеет более высокую интенсивность из-за меньшей защиты геомагнитного поля |
Использование радиационно-стойких материалов и защитных экранов для минимизации радиационного воздействия на критические компоненты |
|
Сбои и отказы |
Сбои в работе бортовой аппаратуры могут происходить внезапно под воздействием одиночных протонов или тяжелых ионов высокой энергии |
Разработка и применение радиационно-стойкой электроники, а также систем быстрого восстановления после радиационных сбоев |
|
Вторичные излучения |
Взаимодействие первичного излучения с атмосферой Земли, грунтом Луны или Марса, а также с материалами самого аппарата может приводить к возникновению вторичных излучений, таких как потоки нейтронов и γ-квантов |
Применение многослойных защитных структур и материалов, способных эффективно поглощать или рассеивать вторичные излучения |
Высокая эллиптическая орбита представляет собой среду с высоким уровнем радиационного воздействия, что требует применения специализированных методов защиты и технологий для обеспечения надежной работы космического оборудования. Использование радиационно-стойких материалов, защитных экранов, регулярного тестирования и мониторинга, а также антистатических покрытий и систем активного охлаждения являются ключевыми стратегиями для минимизации рисков и повышения долговечности аппаратов на ВЭО.
Примеры реализации методов защиты на ВЭО
На высокой эллиптической орбите (ВЭО) для защиты оборудования от радиации используют радиационно-стойкие материалы — специальные сплавы и полимеры, устойчивые к высоким уровням радиации. Применяются многослойные защитные экраны, блокирующие потоки нейтронов и γ-квантов. Регулярное тестирование и мониторинг состояния оборудования позволяют своевременно выявлять повреждения. Антистатические покрытия и системы предотвращают накопление статического заряда, а меры защиты от ЭСР включают заземление и контроль влажности, минимизируя риск разрядов. [2]
Сравнение воздействия излучения на НОО и ВЭО.
На низкой орбите (НОО) космические аппараты больше подвержены воздействию радиационных поясов Земли, но благодаря присутствию атмосферы, они защищены от значительной части солнечного и галактического излучения. На высокой орбите (ВЭО), наоборот, спутники находятся в условиях, где магнитное поле Земли не обеспечивает защиты, и они подвержены более сильному воздействию солнечных частиц и ГКЛ, особенно в апогее орбиты. Это делает аппараты на ВЭО более уязвимыми к долгосрочному излучению и деградации материалов, что требует применения более сложных и многоуровневых методов защиты, включая магнитные щиты и многослойные экраны. [3]
В обоих случаях важными методами защиты являются экранирование материалов, использование резервных систем и защита от радиационного старения, но для аппаратов на ВЭО могут потребоваться дополнительные активные защитные меры, такие как магнитные щиты, сложные многослойные экраны и регулярное тестирование элементов летательных аппаратов.
Заключение
Ионизирующее излучение представляет собой серьёзную угрозу для космических аппаратов на разных орбитах, однако интенсивность воздействия и методы защиты различаются в зависимости от высоты орбиты. Спутники на низкой орбите сталкиваются с рисками, связанными с радиационными поясами Земли и солнечными вспышками, в то время как аппараты на высокой орбите подвергаются более сильному воздействию солнечных и галактических частиц. Для защиты используются различные технологии экранирования, резервирования и защиты от радиационного старения, что позволяет значительно повысить надежность и долговечность космических миссий.
Литература:
- Новиков Л. С. Радиационные воздействия на материалы космических аппаратов. 2010.
- Кузнецов А. В., «Защита электроники спутников от космической радиации», Международный журнал прикладных наук, № 4(12), 2018.
- Лебедев В. П., Федоров И. М. Современные методы повышения радиационной устойчивости микросхем // Радиотехника и электроника. 2020. № 7. С. 33–39.
