摘要
电子、质子、重离子、光子等空间辐射环境可在航天器材料或元器件中产生单粒子效应、总剂量效应、表面充放电效应、位移损伤效应、内带电效应等，因此，需要对航天器进行空间辐射防护。本文首先介绍空间辐射防护原理和防护有效性，进而从材料、分系统（或部组件）、航天器3个不同维度，对质量屏蔽防护材料、静电防护材料、抗辐射功能材料、航天器局部辐射防护结构和整星辐射防护结构进行了探讨，最后对未来发展的方向进行了讨论。
自我国第一颗人造卫星研制成功以来，为保障航天器在轨可靠、稳定及安全运行，人们一直持续开展航天器材料研制和结构设计技术研究，并对保障航天器在轨安全和高可靠性发挥了重要的作用。然而，航天器在轨运行期间将遭遇来自各种空间辐射环境的严酷考验，如电子、质子、重离子、光子等，可引起航天器材料、元器件、分系统等的单粒子效应、总剂量效应、表面充放电效应、内带电效应、位移损伤效应等，引起材料或者器件性能退化。因此，在航天器设计与研制过程中，需要加强航天器的材料选用与结构防护设计工作，确保航天器在轨期间，不因空间辐射环境而引起故障或失效，有效提高航天器在轨的空间辐射生存能力与可靠性。目前，世界各航天大国均对航天器辐射防护材料的研制与开发投入了大量的努力，对航天器结构设计做了大量的工作，并取得了大量有益的成果，在航天器设计上提供了巨大的帮
本文从材料、分系统（或部组件）、航天器3个不同维度，对空间辐射防护材料和防护结构的设计原理和最新现状进行介绍，以期为我国长寿命高可靠航天器的设计提供支持，也为我国航天器空间辐射防护材料与防护结构的研制提供方向。
空间辐射环境包括星体俘获辐射带、太阳宇宙线、银河宇宙线等。
星体俘获辐射带是指星体自身磁场俘获的在星体周围环绕的带电粒子区域，如地球辐射带、木星辐射带、土星辐射带等。地球辐射
太阳宇宙线主要是指太阳耀斑爆发时发射的高能质子、电子和重核粒子流，其中绝大部分由质子组成，能量范围一般从10 MeV到几十GeV。能量在10 MeV以下的太阳粒子称为磁暴粒子，能量低于500 MeV的太阳质子事件称为非相对论质子事件，能量高于500 MeV的太阳宇宙线称为相对论质子事件。
银河宇宙线是来自于太阳系外的带电粒子，其特点是能量很高、通量很低。质子占85%，α粒子占14%，重离子占1%。银河系宇宙粒子的能量在几十到1
空间环境中的带电粒子或光子作用于航天器，可诱发航天器产生永久性故障或暂时性损伤，包括单粒子效应、总剂量效应、表面充放电效应、位移损伤效应、内带电效应等。
空间辐射环境对航天器的辐射损伤机制主要为电离和位移。电离是指入射粒子诱发材料中靶原子的电离和核外电子的激发，进而形成电子空穴对。电离可以引起器件性能退化，产生单粒子效应、总剂量效应等；而光子尤其是高能光子与聚合物材料作用，会引起聚合物材料的化学键断裂或交联，进而造成材料的物理或化学性能退化。位移是指入射粒子与材料原子相互作用并产生动能交换，进而靶原子离开原来位置并形成间隙原子和空位。此外，移位原子还可能与其他原子发生碰撞，产生位移链。位移产生的间隙原子或空位一般具有较强的活性，是半导体材料或器件中的载流子源，或者是载流子的俘获陷阱。
根据辐射损伤效应的作用时间，可以分为长期效应和瞬态效应。长期效应是指造成材料或器件发生性能的长期改变或退化，瞬态效应是指在短时间内可使材料或器件发生性能改变或退化，而很快将发生恢复或中断的效
图1 辐射损伤诱导长期效应和瞬态效应关系图
Fig.1 Long effects and transient effects by radiation damage
具有一定能量的带电粒子入射到靶物质中时，带电粒子与靶物质的电子或原子核会发生库仑作用，从进而把一部分能量转移给靶电子或原子核从而损失能量，并最终停止，这个过程称为慢化。带电粒子在靶中的角度偏转和能量损失是入射粒子与靶原子核和电子发生多种相互作用的结果。入射粒子与靶物质的碰撞主要为带电粒子与靶原子的核外电子或靶原子核的非弹性碰撞或弹性碰撞。
材料对空间辐射的防护与阻止本领和防护有效性相关。阻止本领是指带电粒子通过单位路径时的能量损失，用（-dE/dX）来表示。因此，阻止本领与带电粒子的种类、能量和靶原子的性质有关。
根据量子理论，带电粒子在靶物质中的电子阻止本领公式（Bethe-Block公式）为：
| (1) |
式中，为重带电粒子电子阻止本领，E为带电粒子能量，X为带电粒子入射深度，m0为电子静止质量，N为原子密度，τ为电子动能与其静止能量之比，Z为原子序数，β＝v/c，c是光速，v是电子速度，δ为修正系数，I为平均激发和电离势能。
阻止本领的主要特点如下：（1）与入射粒子的质量无关，而只与其速度有关；（2）与带电粒子的电荷数的平方成正比，入射粒子速度相同时，粒子的带电荷数越大，则其阻止本领越大；（3）与靶原子的序数和密度的乘积成正比，因此，原子序数高和密度大的物质的阻止本领大；（4）与入射粒子的能量相关。因此，当屏蔽物质的厚度大于带电粒子在该物质中的射程时，入射粒子将被阻止在物质中。如“和平”号空间站舱体质量厚度约为5 g/c
采用质量屏蔽方法会带来次级辐射，即初级空间辐射与屏蔽材料作用后产生的二次辐射，如反冲质子、次级中子、韧致辐射等，而且随着质量厚度的增加，次级辐射的剂量贡献也逐渐增大。例如，当质量屏蔽小于1
辐射防护的有效性主要是由辐射粒子在防护材料中的传输特性决定的，对一个辐射流密度为Φj(X,Ω,E)的粒子j，其相对传输方程式为线性的Boltzmann方
| (2) |
式中,σj(E)是能量为E的粒子j在防护材料中Ω方向上的迁移速率,σjk(Ω,Ω′,E,E′)代表了所有的能量为E′在Ω′方向上的粒子k所产生的能量为E在Ω方向上的粒子j的宏观截面。
有多种反应可以产生粒子产物，方程式(2)中的横截面包括所有粒子的横截面。每种粒子类型的总横截面σj(E)为:
| (3) |
式中，第1项是指与原子电子的碰撞，第2项是指弹性原子散射，第3项是指原子反应，对应的微分横截面是相似的。许多原子碰撞发生在物质的厘米尺度内，每厘米尺度上约发生1
进入巨大横截面的材料防护特性由相应的原子横截面与材料中每种原子类型的密度的乘积给出。通常认为，对单位质量材料的防护来说，氢具有最好的原子特性，其原因可以归结为：单位质量的电子数是最大的，平均电子价键是最小的，每单位质量具有最大的原子横截面。除此以外，氢原子较易于传递能量给碰撞离子。简单的氢原子并不能给辐射场提供大量数目的二次粒子，这就限制了二次辐射的形成。因此，在对航天器进行设计时，为了防护高能电子所产生的韧致辐
利用质量进行辐射屏蔽是载人航天进行辐射防护的基本方
图2 月球表面GCR中的4种防护材料下的吸收剂量
Fig.2 Absorbed dose under four shielding materials in lunar surface GCR exposure
图3 月球表面SPE中3种防护材料下的吸收剂量
Fig.3 Absorbed dose under three shielding materials in lunar surface SPE exposure
由
| (4) |
式中，单位质量屏蔽厚度的剂量减小百分比，和分别为屏蔽材料的入射剂量和出射剂量，t为屏蔽厚度。
图4 单位质量的不同材料对辐射剂量的吸收
Fig.4 Absorbed dose of different materials in radiation environments
由
通过采用高质量元素的材料可以有效屏蔽高能带电粒子，尤其是重离子，同时也将会产生大量的韧致辐射。从对银河宇宙射线的防护考虑，单位质量厚度材料的屏蔽效能随原子序数的降低而增加。因此，如何通过设计，采用低原子序数元素和高原子序数元素有效复合，是对空间辐射被动防护的有效途
航天器在轨运行过程中，其表面可能由于充电而引起充放电效应。为此，需要对航天器表面材料进行防静电处理。由于航天器外表面大部分被用于温控的热控涂层所覆盖，所以可以通过提高热控涂层的导电性能来达到防静电的目的。如在镜反射热控涂层外表面镀一层氧化铟锡透明导电薄膜、在涂料型热控涂层中添加导电组分等。具有导电性能热控涂层也被称为防静电热控涂层。
在薄膜基热控材料中，常用的为PI（聚酰亚胺）基和F46（聚全氟乙丙烯）基防静电热控涂层。ITO/PI/Al防静电热控涂层是一种以PI薄膜为基底的二次表面镜型热控涂层。PI薄膜背面真空蒸发沉积铝膜。为了抑制空间的充放电效应，在其外面镀透明导电膜，通常为ITO（氧化铟锡）。导电型ITO/PI/Al热控涂层具有很低的αS/εH比，主要用于卫星的散热面，空间环境适应能力较强。另一种材料是在F46薄膜的另一面镀透明导电薄膜ITO，可以获得一定的导电性能，从而避免电荷在热控涂层表面的累积而发生充放电效应。导电型F46镀银（镀铝）二次表面镜具有稳定性较好、质量轻、可制作成的产品面积大、安装方便等优点，从而广泛应用于各种航天
漆类热控涂层是由颜料和基料（又叫黏结剂）组成，通过涂层中的颜料对于太阳光的吸收作用和基料的红外辐射特性，使涂层具有对光谱进行选择的作用。在满足热控性能的同时，通过选用具有导电性能的颜料如ZnO等来实现防静电的目的。如常用的S781热控白漆、ACR-1热控白漆等。
利用质量屏蔽对航天器进行辐射防护，通常要求尽量实现各向均匀分布，可将航天器舱内各种仪器、设备、燃料等物质进行优化布局，以获得航天器舱内敏感器件或航天员舱比较均匀的质量屏蔽厚度。
然而，针对敏感器件、部组件或航天员及其敏感部位，为防范潜在的瞬态高强度空间辐射，例如太阳粒子事件，可采取局部屏蔽防护的方法，对敏感部位单独增加屏蔽层、屏蔽舱或者应急屏蔽室（对航天员），以实现在瞬态高强度环境下或者对较敏感器件的辐射屏蔽。
从辐射防护的主动性来说，可以分为被动防护和主动防护。被动防护是指采用各种材料对敏感部位进行辐射屏蔽。主动防护是指利用静电场、等离子体、磁场等主动手段抑制高能粒子进入被保护对象。
可利用磁场或电场把带电粒子从航天器引离，从而实现辐射防
NASA正在研究一种利用超导磁体在深空太空舱周围形成磁场的方法，当电流通过柔性材料缠绕超导磁带，洛仑兹力将引起超导磁带垂直扩展，进而形成包围太空舱的大线圈，实现偏转太阳耀斑质子和银河宇宙线的目的。通过在太空舱周围分别部署6个线圈，可以实现在太空的有源屏蔽。NASA也在探索利用球体电场对威胁月球基地的空间辐射进行防护，初步设想在月球基地上方安装6个充气式导电球体，充电后可达到100 MV或更高的静电势。英国科学家研制的超导磁体产生“电磁伞”可以实现月球基地的屏蔽。
美国ASRC Aerospace Corporation开展了月球基地高能带电粒子主动防护技术研究，提出了如
图5 ASRC Aerospace Corporation提出的静电防护方案
Fig.5 Electrostatic protection provided by ASRC Aerospace Corporation
图6 静电防护效能分析
Fig.6 Efficiency analysis of electrostatic protection
英国RAL Space（卢瑟福-阿普尔顿空间实验室）开发了一种利用小型磁层防护高能带电粒子的技
图7 NASA的超导线圈磁防护的设计方案
Fig.7 The magnetic shielding design of superconducting coil by NASA
北京卫星环境工程研究所已经初步开展了超导线圈辐射主动防护研究，利用超导线圈产生强磁场，偏转辐射进入磁场的带电粒子，达到阻挡带电粒子进入航天器内的效果，如
图8 一种磁鞘设计方案
Fig.8 A magnetosheath design
空间辐射环境对航天器在轨安全和可靠性带来严重威胁，通过材料选择和结构设计来提高航天器的抗辐射性能一直是航天科技工作者的努力方向。
由于质量屏蔽需要考虑初级辐射和次级辐射的综合影响，同时，又要考虑航天载荷对结构质量增加的限制。因此，开发由低原子序数元素和高原子序数元素组合的复合材料，在降低航天器结构质量的同时，提升其抗辐射性能是航天器防护材料的重要发展方向。同时，纳米技术在航天器辐射防护材料上的应用也是一个研究的热点。
在空间辐射防护结构设计方面，随着未来深空探测的推进和有人参与的基地探测任务的执行，如何实现对航天器的辐射防护和对整星的辐射主动防护，开发基于电场和磁场的主动防护结构与装置，将成为重要的发展方向。
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