NASA如何為太空的強(qiáng)烈輻射做好準(zhǔn)備

在一個(gè)由四英尺高的混凝土圍成的小型方形房間里，空氣聞起來就好像一道閃電般的風(fēng)暴剛剛通過 - 清潔和刺激，就像清潔用品一樣。在外面，這就是閃電扯下空氣中的氧氣的氣味，這些氧氣很容易重新變成臭氧。但是在NASA輻射效應(yīng)設(shè)施的一個(gè)房間的地下，高能輻射測試后，臭氧氣味依然存在。工程師用來測試電子設(shè)備進(jìn)行太空飛行的輻射是如此強(qiáng)大，它會(huì)破壞房間內(nèi)的氧氣。

每個(gè)用于航天飛行的NASA儀器的每個(gè)部分都經(jīng)過輻射測試，以確保它能夠在太空中生存。作為宇宙飛船并不容易; 無形的，充滿活力的粒子在整個(gè)空間中拉鏈 - 雖然很少有空間被認(rèn)為是真空，但是那里有什么包裝。微小的顆粒會(huì)對(duì)我們發(fā)送到太空的電子設(shè)備造成嚴(yán)重破壞。

隨著NASA探索太陽系，輻射測試變得越來越重要。位于馬里蘭州格林貝爾特的美國國家航空航天局戈達(dá)德太空飛行中心的輻射效應(yīng)設(shè)施有助于檢查使NASA探索月球，太陽和太陽系的硬件 - 從尋求了解宇宙起源的任務(wù)到Artemis計(jì)劃的前往月球的旅程離家更近。

“我們將能夠確保人類，電子，航天器和儀器 - 我們實(shí)際發(fā)送到太空的任何東西 - 將在我們投入的環(huán)境中生存，” 輻射效應(yīng)和分析小組的航空航天工程師 Megan Casey說。在戈達(dá)德。

航天器遇到的確切條件取決于它的前進(jìn)方向，因此工程師仔細(xì)測試并選擇適合每個(gè)航天器目的地的部件。例如，地球的磁場將成群的粒子捕獲在稱為輻射帶的兩個(gè)環(huán)形帶中。其他行星也有輻射帶，如木星，它的腰帶比地球的強(qiáng)度高10,000倍。一般來說，越接近太陽，太陽能粒子的洗滌越嚴(yán)厲，稱為太陽風(fēng)。而遠(yuǎn)離太陽系外的爆炸恒星的星系宇宙射線 -粒子碎片 - 可以在任何地方遇到。

時(shí)機(jī)也是一個(gè)因素。太陽經(jīng)歷了自然的11年周期，從高活動(dòng)期到低活動(dòng)期。在太陽最小相對(duì)平靜的情況下，宇宙射線很容易滲入太陽的磁場，流入太陽系。另一方面，在太陽最大值期間，頻繁的太陽耀斑會(huì)使高能粒子泛濫。

“根據(jù)他們的目的地，我們告訴任務(wù)設(shè)計(jì)師他們的空間環(huán)境會(huì)是什么樣的，他們帶著他們的儀器計(jì)劃回到我們面前，問道：”這些部件能在那里生存嗎?“”凱西說。“答案總是肯定，不，或者我不知道。如果我們不知道，那就是我們進(jìn)行額外的測試。這是我們工作的絕大部分。”

戈達(dá)德的輻射中心 - 以及遍布全國的合作伙伴設(shè)施 - 能夠模擬太空輻射的范圍，從太陽風(fēng)的持續(xù)刺激到熾熱的輻射帶以及太陽耀斑和宇宙射線的殘酷打擊。

工程師使用計(jì)算機(jī)模型來確定航天器的目的地將是什么樣的 - 它將在那里遇到多少輻射 - 以及他們需要什么樣的測試來反映實(shí)驗(yàn)室中的環(huán)境。

輻射是波浪或微小的亞原子粒子形式的能量。對(duì)于航天器，主要關(guān)注的是粒子輻射。這種包括質(zhì)子和電子的輻射可以通過兩種方式影響它們的電子器件。

第一種，稱為單一事件效應(yīng)，是直接威脅 - 當(dāng)太陽粒子或宇宙射線穿過電路時(shí)快速爆發(fā)能量。英國薩里大學(xué)太空中心的電氣工程師 Clive Dyer說：“高能粒子會(huì)在你的電子產(chǎn)品中釋放能量。” “單一事件效果會(huì)讓你的計(jì)算機(jī)陷入困境，將數(shù)據(jù)加密二進(jìn)制代碼 - 從1到0。”

許多航天器都能夠從這些帶有粒子的小沖突中恢復(fù)過來。但是一些罷工可能會(huì)擾亂航天器運(yùn)行的程序，影響通信或?qū)Ш较到y(tǒng)并導(dǎo)致計(jì)算機(jī)崩潰。在最壞的情況下，結(jié)果可能是災(zāi)難性的。多年前，航天飛機(jī)上的宇航員筆記本電腦在通過輻射帶特別多毛的部分時(shí)墜毀，美國宇航局的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡在通過該地區(qū)時(shí)先發(fā)制人地關(guān)閉了科學(xué)儀器。

然后，有些效果隨著時(shí)間的推移而惡化。帶電粒子可以聚集在航天器表面并在數(shù)小時(shí)內(nèi)產(chǎn)生電荷。就像穿過鋪有地毯的房間并轉(zhuǎn)動(dòng)金屬門把手一樣，充電會(huì)觸發(fā)靜電，從而損壞電子設(shè)備，傳感器和太陽能電池板。2010年4月，充電禁用了Galaxy 15衛(wèi)星的通信系統(tǒng)，使其漂浮了8個(gè)月。

航天器必須在整個(gè)生命過程中抵御輻射。長期輻射 - 稱為總劑量 - 磨損材料，隨著它們?cè)谲壍郎系臅r(shí)間越長，儀器性能逐漸降低。即使相對(duì)溫和的輻射也會(huì)使太陽能電池板和電路劣化。

相鄰的房間隱藏在相鄰的房間內(nèi)，距離輻射安全距離，測試設(shè)施的工程師在儀器組件上拾取一堆高能粒子，尋找無力的跡象。

通常，他們的測試效果不明顯。溫度或電流的跳躍可能表明單個(gè)粒子撞擊了電路。另一方面，在總劑量測試期間，工程師注意緩慢，優(yōu)雅的退化，大多數(shù)任務(wù)可以生存的太空旅行的副作用，因?yàn)樗麄冇凶銐虻臅r(shí)間來完成他們的科學(xué)目標(biāo)。

“最糟糕的情況是破壞性的單一事件效應(yīng)，當(dāng)你看到一個(gè)災(zāi)難性的失敗，因?yàn)閮x器已經(jīng)短路，”凱西說。“這對(duì)任務(wù)來說是個(gè)壞消息，但這些對(duì)我們來說是最有趣的。有時(shí)會(huì)有很多能量，你實(shí)際上會(huì)看到一些事情發(fā)生 - 在某些情況下會(huì)發(fā)生輕微或焦痕。”

抵御輻射風(fēng)暴

那么，工程師如何保護(hù)航天器免受空間輻射的持續(xù)危害?一種策略是制造能夠抵抗來自其基礎(chǔ)的輻射的部件。工程師可以選擇某些不易受粒子撞擊或充電影響的材料。

航天器設(shè)計(jì)者依靠屏蔽來保護(hù)他們的儀器免受長期影響。分層的鋁或鈦減緩了高能粒子，阻止它們到達(dá)敏感的電子元件。“現(xiàn)在，我們假設(shè)所有任務(wù)都有一個(gè)屏蔽厚度 - 宇宙飛船或儀器的墻壁有多厚 - 大約十分之一英寸，”凱西說。

在測試之后，工程師會(huì)根據(jù)環(huán)境要求提出屏蔽的具體建議。屏蔽增加了體積和重量，這增加了燃料需求或成本，因此工程師總是傾向于盡可能少地使用。“如果我們能夠改進(jìn)我們的模型并更加精確地改善輻射環(huán)境的樣子，我們可以將這些墻壁縮小，”她說。

從各種空間環(huán)境中收集觀測資料是改進(jìn)模型的關(guān)鍵步驟。“改進(jìn)我們的太空輻射模型最終有助于我們更好地選擇器件，”美國宇航局太空環(huán)境試驗(yàn)臺(tái)項(xiàng)目科學(xué)家團(tuán)隊(duì)成員Michael Xapsos表示，該團(tuán)隊(duì)致力于研究輻射對(duì)硬件的影響。“通過更多數(shù)據(jù)，工程師可以在他們選擇的電子設(shè)備中在風(fēng)險(xiǎn)，成本和性能之間進(jìn)行更好的交易。”

即使屏蔽很重，也無法避免最有活力的顆粒。在測試單個(gè)事件效果后，工程師會(huì)計(jì)算出這種打擊發(fā)生頻率的預(yù)測。例如，航天器可能每1000天就有一次粒子撞擊的可能性。這些孤立的事件很可能發(fā)生在衛(wèi)星第一天太空的第1000天 - 而且任務(wù)設(shè)計(jì)者可以決定他們承擔(dān)多大的風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)單一事件影響的常見策略是為儀器配備同時(shí)協(xié)同工作的多個(gè)相同部件。如果一個(gè)計(jì)算機(jī)芯片被粒子打擊暫時(shí)禁用，那么它的對(duì)應(yīng)物可以獲得松弛。

工程師可以規(guī)劃和制定此類緩解策略 - 但最好在他們真正了解衛(wèi)星正在經(jīng)過的空間環(huán)境時(shí)完成?？臻g環(huán)境測試平臺(tái)或SET計(jì)劃于6月底啟動(dòng)的任務(wù) - 以及輻射效應(yīng)設(shè)施的建模工作確保他們獲得該信息。