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我研究室为量子卫星进行抗辐射设计保证
发布日期:2016-08-17 16:43:12

       量子卫星是中国科学院空间科学先导专项首批科学实验卫星之一,卫星工程由中国科学院国家空间科学中心抓总负责,卫星系统由上海微小卫星工程中心负责,有效载荷分系统由中国科学院上海技术物理研究所和中国科学技术大学负责。国家空间科学中心空间环境特殊效应实验室长期研究空间辐射粒子等特殊环境条件对卫星系统及有效载荷的影响、分析评估、模拟试验和应对策略,协助量子卫星工程、卫星系统和有效载荷分系统开展了系列的“抗”辐射保证工作。

      协助工程总体和卫星系统制定系统的空间环境防护设计要求及规范

      我研究室协助工程总体部门制定了科学卫星质量管理的“空间环境适应性设计要求”,规定了工程项目各系统、分系统、单机及元器件等不同层次应对各类空间环境危害的总体要求,并协助工程总体对各级设计师进行了培训。

      利用自主研发的“空间环境效应分析”软件包,仿真研究了量子卫星具体运行轨道上的环境规律,并考虑卫星自身特点,协助卫星系统总体部门—上海微小卫星工程中心制定了《量子科学实验卫星空间环境防护设计规范》,详细规定了该卫星系统应对防护太阳紫外辐射、大气与真空、原子氧、电离总剂量、位移总剂量、单粒子效应和太阳电池辐射损伤等的具体指标与主要设计要求。该“设计规范”为卫星各分系统、单机设备的设计及元器件选用等提供了依据。

“空间环境效应分析”软件包及量子卫星部分分析结果

 

      随着空间科学卫星规模化发展,传统航天模式不计成本保障可靠性模式逐渐演变成低成本、高性能、高灵活的器件应用及系统设计趋势。同样,低成本地保证科学卫星的抗辐射安全也是空间科学卫星的创新要求。这将为抗辐射保证技术带来革新挑战与发展机遇,最终将为我国空间科学卫星系列可持续发展提供前行的助力与坚实的保障。

协助卫星系统制定的空间环境防护设计规范和主要设计指标

 

      为卫星有效载荷抗单粒子效应设计进行了脉冲激光试验

      我研究室协助载荷研制单位中国科学院上海技术物理研究所和中国科学技术大学利用脉冲激光装置对分系统采用的关键器件—XQ4VSX55型 FPGA进行了抗单粒子效应评估。该器件长期应用于空间有可能发生单粒子翻转或单粒子锁定现象,可能会导致FPGA无法进行数据处理甚至载荷短时功能失效,有可能影响卫星正常完成科学任务。载荷设计师需要充分了解该FPGA的单粒子翻转及锁定性能及对载荷工作的影响,在此基础上有针对性地设计应对措施并进行实验验证,即设计师需要对该器件的单粒子效应进行精细的试验测试。

     利用脉冲激光试验装置对XQ4VSX55型 FPGA进行了充分的单粒子翻转和锁定试验。试验获得器件的单粒子翻转LET阈值为(3.4±0.4)MeV•cm2•mg-1,饱和截面为1.34×10-8cm2/bit。依据此单粒子翻转试验数据,采用“空间环境效应分析”软件包预估了该器件在轨应用时具体发生软错误的频次,据此载荷设计师设计了合理的软错误刷新减缓方案。试验测得了LET值为(60±15)MeV•cm2•mg-1时器件出现工作电流短时增大随后恢复正常的现象,该现象未对FPGA功能造成影响。综合判断该器件的单粒子锁定LET阈值大于(60±15)MeV•cm2•mg-1,满足空间应用需要。

利用脉冲激光试验装置测试获得XC4VSX55型FPGA单粒子翻转结果

 

      随着空间科学卫星规模化发展,传统航天模式不计成本保障可靠性模式逐渐演变成低成本、高性能、高灵活的器件应用及系统设计趋势。同样,低成本地保证科学卫星的抗辐射安全也是空间科学卫星的创新要求。这将为抗辐射保证技术带来革新挑战与发展机遇,最终将为我国空间科学卫星系列可持续发展提供前行的助力与坚实的保障。