深空探測如何解決空間輻射問題？

1樓：花問道

充電效應包括表面和深層充放電，對應電荷累積在表面或內部，表面充電現象儘管發生非常頻繁，單對於目前深空探測，如月球探測的影響並不顯著，即使飛船表面電位達到負數千V，飛船由此引發的故障並不普遍。深層充放電通常發生在大的地磁暴發生的時候，可能使得衛星失效，且多是大量高能電子注入導致的，所以高能電子也被稱為殺手電子，對電介質的電導率及其厚度，以及遮蔽層的厚度都有關係，並不是越厚越好，設計時要通盤考慮到發射時間(太陽活動)，成本，或規避措施等。

輻射損傷是長期累積效應，通過加厚遮蔽層可以較為有效的克服。

目前最普遍的故障因素主要是單粒子效應。這種效應除了較為輕微的翻轉現象外，還有栓鎖，燒毀，擊穿等較為嚴重的不可恢復現象。隨著目前技術的發展，質子誘發的單粒子效應，在地球空間範圍內已經得到較好的防護效果，而目前深空探測的物件尚未延伸到具比地球輻射帶粒子輻射更強的行星，所以在目前技術水平下，單粒子效應多由宇宙線等高能重離子誘發，而且太陽活動低年，隨著太陽磁場遮蔽的減弱，進入太陽系的銀河宇宙線粒子增多，單粒子效應反而更普遍一些，這類現象通過加厚遮蔽層無法有效防護，是一種隨機現象，但是好在嚴重事件機率非常非常低，簡單的翻轉現象是可以恢復的。

因此，設計時，還需要考慮發射的時段、經歷的空間環境、目標的空間環境等，不同的時空範圍，粒子輻射環境特徵不同，需要區分。

2樓：ZX Huo

先說充放電。宇宙空間中充滿了等離子體，比如太陽風、地球磁層等等，等離子體帶電荷，又是良好導體，因此就會與太空飛行器相互作用，使得太空飛行器表面充放電，或者太陽能帆板供電洩露，甚至出現弧光放電等等。具體來說，帶電粒子與太空飛行器相互作用時，使得電荷在太空飛行器表面積累，太空飛行器區域性出現電壓，電壓如果超過特定的閾值，就會引起非預期的放電，可能導致裝置故障甚至損壞。

對空間充放電的防護措施，首先是任務層面的，然後才是技術層面的。

先對任務進行分析，對飛行區域進行建模，研究是否有產生空間充放電效應的可能

對太空飛行器進行分析，定位敏感部元件

如果可能，優化飛行程式，走安全的軌道

太空飛行器外面包裹導電的鋁箔，讓充放電都沿著鋁箔進行；內部敏感元器件裝到法拉第籠子裡

所以，我們看到的衛星、探測器，常常是金光閃閃的，那是為了防範空間充放電而包裹上的鋁箔。當然，鋁箔還有別的用處，比如用來做被動的隔熱。

再說輻射損傷。主要是空間環境高能射線（例如宇宙射線）中能量較高的質子、氦核等原子核，與太空飛行器物質的發生反應。比如高能粒子可以敲掉太空飛行器材料的化學鍵，改變材料特性，或者直接與太空飛行器物質發生原子核反應，引起核嬗變（從一種原子核變成另一種原子核，比如氮14被高能氦核砸一下，變成放射性的氧17以及乙個質子）。

輻射損傷的防護就是用遮蔽層。一般來說，原子序數高的材料遮蔽效果好。而遮蔽層越厚，高能粒子穿透遮蔽層的機率越小。

最後說單粒子翻轉。我們都知道，積體電路中的儲存器靠電荷數來儲存布林數或者整數。當宇宙射線或者其他高能粒子穿透了太空飛行器的外層材料，恰好打中積體電路的敏感區域，有可能造成電荷數錯誤，進而導致數位電路出錯。

這種故障和上面兩種不一樣，上面的故障是永久性的，而這裡的單粒子翻轉更像是軟體的Bug. 讀出速度越快、儲存電荷深度越小的器件對這種錯誤越是脆弱。而且這種錯誤是偶發的，對乙個器件同時發生兩次事例的機率幾乎可以忽略。

因此，防範單粒子翻轉的方法就是優化電路設計，比如加入校驗、降低讀出速度、增加深度（類似數位相機的CMOS，畫素越大訊雜比越好）等等。

綜上所述，空間輻射防護有成熟的技術。要素是：1、對輻射環境建模；2、定位輻射過程和敏感部件；3、設計防護方法。

但不管是增加鋁箔、法拉第籠子、遮蔽層，還是使用抗單粒子翻轉的電路，都是要增加成本的（太空飛行器體積越做越大、重量增加）。所以最終的效果是成本增加、風險下降，所以最後也是一筆投入產出的賬。

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