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探究——太阳中心椭圆轨道以及空间环境中的辐射

2024-08-10科学

漂移轨道不是像之前说的那样把航天器放在特定轨道上,而是能够以逃逸速度发射,然后让其追踪地球轨道。

这是一种能量经济的解决办法,由于无需插入,这类轨道能提供跟 L2 轨道一样稳定的热和动力环境,好处在于用不着车载推进系统。

不过呢,因为推进系统给出的精确脉冲不太确定,所以得有一定的脉冲余量发射出去,免得航天器有返回地球的危险。

在实际操作里,这让它每年差不多以 0.1 个天文单位的速度离地球越来越远,过了几年,距离变得特别大,得用大型地面天线(像深空网络)才能通信。

还有一种办法,就是在那种由于地球导致的观测限制以及热输入能忽略不计的地方(像 0.1 AU 这样)阻止漂移,不过这得带上一个推进模块。

【太阳中心椭圆轨道】

要是再进一步加大发射能量,就有机会彻底摆脱地月环境,把飞船送到太阳轨道上去,比如说 1×3 AU 轨道。

它的好处在于,黄道带背景跟太阳的距离越远就显著降低不少(差不多降低三倍),这能给那些受自然背景限制的任务(像红外光谱这类的)带来很重要的好处。

虽说日心轨道在能量方面花费更高,能允许的有效载荷质量也少了,可因为背景比较低,所以能够用更小口径的望远镜。

比如说,有一项针对 NGST 的权衡研究显示,在 3 天文单位的 6 米望远镜的性能跟在 L2 的 8 米望远镜差不多。

除了能量会消耗,这种轨道不好的地方在于,航天器快到近日点的时候,离地球和太阳那么远的距离,会让无线电通信出问题,还会有功率损失。

【月球】

打从阿波罗任务起,月球就一直被视作天文学的绝佳之地,原因在于它好像把地面天文学和太空的优点给融合到一块儿了。

好多针对探索月球天文学可能性的研究,已经把月球的好处和存在的问题讲清楚了。

跟地球类似,月球能提供一个稳定的平台,在这上面能够安装大型的、或许分布很广的大型仪器(像干涉仪)。要是有载人的月球基地,还能让望远镜和仪器有被维修和升级的机会。

月球差不多没啥大气层,跟太空似的,既瞧不见啥,也没有不透明的情况,到了晚上,月亮还挺冷的。

从技术层面来说,主要的问题在于昼夜的交替。

和在高轨道自由飞行的天文台不一样,它能随时护着月球,不让其受到太阳和地球的辐射。可月球上的天文台会被杂散光给淹没,在月球当天(就是月球表面温度达到 400K 的时候)会变得特别热。

屏蔽没法充分护住望远镜,实际上呢,在月球日的时候观测根本做不了,这会让观测效率降低一半。

就算在月球日的时候没做观测,天文台也会有很大的温度变化,这对光学的排列和机制特别不好。

月球算不上是理想的红外天文学观测地,虽说夜间温度相对低些(土壤温度是 100 K),可还是比在太空中能被动获取的超低温度(30 K)要高。

另外,虽说地球上的引力在那只有地球引力的六分之一,可它的作用对特别大的望远镜来说依旧很关键。最后,大家都觉得,在月球表面自动弄一个天文台是难到极点的。

【太阳木星拉格朗日点2】

可以讲,在整个太阳系里,最好的天文观测点或许是太阳 - 木星系统的第二个拉格朗日点。之所以会这样,是因为木星那超大的尺寸和质量,在其他行星旁边是没人能比的。

在一片漆黑的状况中,处在那个地方的一个天文台也许能达到特别低的温度,可能会低到 7K,也就是太阳系的平衡温度。

因为不受避日限制,天空的覆盖率能近乎达到 100%。最后,用不着遮阳板(这一直是个主要的设计难题),望远镜以及有着大孔径或基线的干涉仪能放在那里。

其中存在的一个不足在于,能量得通过热核的方式来产生。

【空间环境中的辐射】

天基望远镜遭遇的辐射状况可比地面上的辐射状况严峻太多啦。

辐射效应会让仪器背景增多,高辐射时观测时间会损失,还会长期退化,会造成探测器和支持电子设备最终出故障,也会因单粒子撞击或者放电让电子设备突然、永久性地坏掉。

【辐射源】

辐射是个范围挺广的说法,涵盖了粒子的传递以及实打实的电磁辐射。

捕获的电子能量能有 10 兆电子伏,捕获的质子以及更重的离子能达到数百兆电子伏,太阳质子能量高达数百兆电子伏,重离子能到 GeV 的范畴。

银河宇宙射线中的质子,其低能级通量较低,能量能高达 TeV 呢,来自这些地方的粒子水平,在很大程度上是由太阳的活动水平决定的。

所以啊,太空望远镜碰到的这些粒子的水平,主要是由它轨道的倾角和高度来决定的。

在地球静止以及高度倾斜的轨道上的望远镜,会遭遇到跟磁层之外差不多的瞬态粒子水平。因为这些粒子能量高,想保护望远镜系统不被影响根本做不到。

绕着地球轨道飞行的望远镜能够通过飞过地球同步轨道的最高处或者低地轨道的最高处,从而避开被困粒子带那种高辐射的区域。

哪怕是在这些轨道里,像南大西洋异常(SAA)很突出的近地轨道,还有地球同步轨道的外边缘,都会碰到中等程度的捕获辐射。

屏蔽能有助于减少或者消除电子带来的影响,可要是想吸收能量更高的质子,就得有大量的屏蔽,而这通常不是望远镜设计时会选的。

空间里存在着一种电子和质子组成的低能等离子体,通量能达到 1012 厘米 2/秒,不过薄薄一层材料就能轻松阻挡住这种等离子体,所以它对大多数航天器里的电子设备没啥危害。

不过呢,它对于表面材料,像光学涂层这些,造成的损害,等离子体环境存在的差异,也许会引发航天器表面充放电的情况。

【辐射效应】

辐射效应涵盖了表面被侵蚀、电介质充放电还有对电子设备的破坏。表面侵蚀是太阳风等离子体与低能粒子导致的,电离层里的原子氧以及紫外线的暴露或许也是引起表面侵蚀的因素。

比如说,有部分证据显示,这些影响合起来或许会让 HST 上的外部绝缘被侵蚀掉,而航天器充放电得通过恰当的接地以及恰当的介质屏蔽去解决。

通常来讲,破坏性最强的辐射效应就是那些会对电子产品产生影响的,而对电子产品的影响能分成两种:短期的和长期的。

短期效应是单粒子电离造成的,叫「单事件效应」(SEEs),可见光谱是单个带电粒子穿过电子器件的敏感结导致的,其净效应就是电路受干扰,或许会丢失数据(这一效应称作「单事件中断」或者 SEU)。

对探测器而言,短期效应没准也会特别严重:要是有个能量足够大的粒子穿过关键的器件区域,甚至能让其永久失效。

屏蔽对于 see 没啥太好的效果,这是因为它们是被高能粒子诱导出来的,要处理破坏性故障,首选的办法是用 SEE 辐射硬化部件。

长期影响能分成两类,一类叫总电离剂量(TID),另一类叫位移损伤剂量(DDD)。TID指的是材料里沉积的累积能量造成电子学长期退化的情况。

DDD 有着差不多的长期降解特点,不过这是源于另外一种机制:材料里的原子核不在原来的晶格位置了,发生了位移。

随着时间慢慢过去,可能会有足够的位移出现,从而改变设备的特性,其中探测器尤其容易被 DDD 影响到。

这些长期的效应,主要是被卡在范艾伦带里的质子和电子,还有太阳事件引发的质子造成的。要是有别的源在,银河系宇宙射线带来的影响基本可以不用管。

电子产品能够「辐射硬化」,以此来减轻这些影响,还能借助屏蔽来消除多数的退化。通常,ccd 会采用重屏蔽,不过过度屏蔽产生的中子会让 DDD 增多。

【辐射水平与天文台位置的关系】

以下是对空间天文台常见所处位置(像是近地球轨道、地球静止或地球同步轨道以及第二个拉格朗日点)的空间辐射环境的总结。

在近地轨道上,高能粒子通过范艾伦带的南大西洋异常现象时会不断累积。一般来说,典型的航天器屏蔽能吸收能量较低、质量较轻的电子,所以在近地轨道中,大多数辐射效应是由捕获的质子导致的。

在海拔 1000 公里以下,总的电离和非电离剂量一般没啥问题。

LEO 的银河宇宙射线和太阳粒子环境跟航天器轨道的倾角有关,倾角越大,受到银河系宇宙射线和太阳粒子的影响也就越大。

另外,这一航天器在磁极上遭遇了高强度的太阳质子和重离子的撞击,在太阳粒子事件的时候,这些撞击的水平大幅上升。

一般来说,表面充电和深介电充电对于 LEO 区域的航天器没啥危险,因为航天器进出被困电子区域的速度太快,电荷没法有效积累。

【地球静止轨道和地球同步轨道】

地球同步和地球静止轨道的粒子暴露主要由外带电子所主导。

虽说航天器在 36000 公里的高度,已经超过了外带峰值粒子的水平,可它们还是会碰到高能电子,并且积累总电离剂量效应。

屏蔽只是一种不太完全管用的办法,在这一区域也有高水平的低能量捕获质子出现,而且有可能对探测器产生影响。

高能宇宙射线带来的单事件效应出现的频率跟行星际水平差不多,卫星还会时不时地接触到太阳事件产生的粒子。

虽说地球的磁层平常能给咱们挡一挡太阳质子,可碰上太阳粒子事件它就乱套了,地球观测航天器就得完完全全暴露在这场风暴当中。

非破坏性的事件有可能把仪器数据给弄脏了,而质子呢,因为总电离剂量还有非电离位移损伤,让系统的退化变得更严重了。

地球卫星一直处在低能和高能电子环境中,这导致航天器充放电成了大问题,电子风暴带来的电子水平差别也许会让系统崩溃。

【拉格朗日点2】

在拉格朗日点 2(L2),航天器差不多是在 1 AU 的行星际环境里,已经远远离开了粒子捕获的范围。

磁尾翼跟太阳风中等离子体存在的差别或许会让航天器表面产生充电的情况,而且磁尾等离子体在太阳风暴的时候还会加速。

不过呢,因为风暴粒子获取的能量没有银河宇宙射线或者太阳粒子那么多,用来保护航天器免受这些影响的缓解办法也会涵盖磁尾种群。

在 l2 这个地方,高能粒子的暴露深受太阳周期的重大影响。太阳处于活跃阶段时,航天器碰到来自太阳事件的粒子的可能性大幅提高。

下面这张图展现的是能量大于 30 MeV 的粒子的累积分布情况,跟 LEO 和 GEO 轨道不一样,退化效应累积得很慢。

L2 单事件效应所处的环境跟 GEO 差不多,因为银河宇宙射线带来了低水平的持续速率,还有太阳质子以及较重离子让速率突然提高了。

【总结】

最后,得把在转移或者分段轨道去 L2 时碰到的环境考虑进去,有些轨道相位得长时间经过被捕获的质子和电子带。

在质子带峰值处进行观测,其风险水平跟太阳质子事件峰值时所发现的风险水平差不多,而电子的积累会造成表面和深介质充电的风险。

参考的文献:

【2】Bely,纽约和布雷肯里奇,主编。,太空望远镜和仪器,SPIE项目,1494卷,第86-233页,1991.

【3】贝利和彼得罗,演讲,美国宇航局总部,1999.

【4】霍姆斯-Siedle A. 【牛津大学辐射效应手册】,亚当斯。出版社,1993年,第16页.

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