[發明專利]航天器防護

有效

• 申請號: 201080013803.0
• 申請日: 2010-03-26
• 公開（公告）號: CN102361797A
• 公開（公告）日: 2012-02-22
• 發明（設計）人: R·班福德;B·賓厄姆
• 申請（專利權）人: 科學技術設備委員會
• 主分類號: B64G1/54
• 分類號: B64G1/54
• 代理公司: 北京三友知識產權代理有限公司 11127
• 代理人: 李輝;呂俊剛

技術領域

本發明涉及航天器以及涉及使航天器免受潛在的有害帶電粒子的侵害的防護。這 些帶電粒子例如可以包括，在太陽質子事件期間產生的高能質子。

引言

太空環境由于存在包括高能光子(如宇宙射線、太陽伽馬射線和X射線)和高 能粒子(如太陽高能粒子(solar?energetic?particles，SEP))的多種輻射類型而對航 天器和宇航員都是很危險的。特別地，SEP包括能量為數十到數百兆電子伏特(MeV) 的大量質子和電子流，該質子和電子流由與日冕物質拋射和太陽耀斑相關的太陽質子 事件產生。盡管特定衛星一般很少會遭遇太陽質子事件(一周可能幾次，取決于太陽 活動)，而且太陽質子事件的持續時間較短(數小時至數天)，但太陽質子事件存在 對特別是在高軌道例如地球同步軌道(GEO)上的受來自地球自身磁層的天然防護較 少的衛星或對星際航天器造成顯著的迅速破壞的潛在可能，因此太陽質子事件引起特 別關注。

航天器上搭載的電子器件隨著功能性元件(例如邏輯電路和數字存儲器)的尺寸 的減小而越發易受輻射損害。盡管電子器件可以設計成帶有抵抗適度水平的輻射損害 的冗余量，但公知的一種操作技術是當預測到太陽質子事件時，關閉通信衛星中對輻 射敏感的電子器件。

現有技術討論

例如，在Levy和French的“Plasma?radiation?shield-Concept?and?application?to?space? vehicles”(J.of?Space?Craft?and?Rockets，5，570-577，1968)中以及在Cocks?J.，Watkins?S. A.等人(J.of?the?British?inter.Soc.50，479-484，1997)的文獻中，已經考慮了針對航天 器的輻射防護，特別是在認識到美國國家航空航天局(NASA)阿波羅計劃的宇航員 所遭遇的潛在危險之后用于保護前往月球和行星的宇航員。采用磁流體動力學假設， 被認為的采用磁場或電場形態來保護航天器免受帶電粒子輻射所需要的電力的量過 大。特別地，人們認為防護區域的尺寸需要是類似于潛在有害帶電粒子的拉莫爾軌道 的尺寸，對于太陽質子事件中的質子而言，該尺寸為數十到數百公里。

近來，R.Bamford等人(Plasma?Phys.Control.Fusion?50，2008)描述了用于測試 偶極子式磁場和等離子體的、圍繞航天器以形成“迷你磁層”的防護概念的新的實驗。 實驗室實驗確定了用于消除影響的磁化等離子體屏障的有效性，低貝塔超音速流高能 等離子體表示太陽風。等離子體密度的光學和朗繆爾(Langmuir)探測數據、等離子 體流速和偶極子場強度顯示了窄的傳送屏障區域和實際缺少高能等離子體例子的反 磁性腔的產生。這被認為證實了能夠在太陽風等離子體中產生具有拉莫爾軌道寬度量 級的小“洞”的能力，位于該小“洞”中的載人航天器可以相對安全地存在。實驗結果得 到了三維粒子云網格(PIC)混合碼模擬的支持。

期望進一步地改進這類航天器防護的效力和功率消耗效率，例如，減少沿磁場中 的尖點抵達航天器的帶電粒子的影響。

發明內容

本發明提供一種采用防護磁場形成的航天器防護層。控制器使得產生防護磁場的 持續進行的或連續的擾動，以提高使航天器免受高能帶電粒子侵害的對航天器的防 護。該防護磁場優選地被布置成防護航天器免受具有高于10MeV并優選地達到至少 50MeV能量的范圍的太陽風粒子的侵害。

為了增加在實際功率消耗水平的防護的有效性，優選地使防護磁場以不規則或隨 機的方式擾動、變化或波動。可以采用各種擾動模式，該擾動模式包括在幅度、方向 以及更復雜的結構參數方面的擾動。此外，優選地，可以控制持續進行的擾動在特征 時間尺度期間發生，該特征時間尺度與圍繞航天器的磁場環境和粒子的情況相關，典 型地處于0.001至1.0秒的范圍內。