NASA如何為太空的強烈輻射做好準備

在一個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)備進行太空飛行的輻射是如此強大，它會破壞房間內(nèi)的氧氣。

每個用于航天飛行的NASA儀器的每個部分都經(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空間中拉鏈 - 雖然很少有空間被認為是真空，但是那里有什么包裝。微小的顆粒會對我們發(fā)送到太空的電子設(shè)備造成嚴重破壞。

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。在戈達德。

航天器遇到的確切條件取決于它的前進方向，因此工程師仔細測試并選擇適合每個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度高10,000倍。一般來說，越接近太陽，太陽能粒子的洗滌越嚴厲，稱為太陽風。而遠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。

時機也是一個因素。太陽經(jīng)歷了自然的11年周期，從高活動期到低活動期。在太陽最小相對平靜的情況下，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)計師他們的空間環(huán)境會是什么樣的，他們帶著他們的儀器計劃回到我們面前，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，那就是我們進行額外的測試。這是我們工作的絕大部分。”

戈達德的輻射中心 - 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。

工程師使用計算機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驗室中的環(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 - 當太陽粒子或宇宙射線穿過電路時快速爆發(fā)能量。英國薩里大學太空中心的電氣工程師 Clive Dyer說：“高能粒子會在你的電子產(chǎn)品中釋放能量。” “單一事件效果會讓你的計算機陷入困境，將數(shù)據(jù)加密二進制代碼 - 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過來。但是一些罷工可能會擾亂航天器運行的程序，影響通信或?qū)Ш较到y(tǒng)并導致計算機崩潰。在最壞的情況下，結(jié)果可能是災(zāi)難性的。多年前，航天飛機上的宇航員筆記本電腦在通過輻射帶特別多毛的部分時墜毀，美國宇航局的哈勃太空望遠鏡在通過該地區(qū)時先發(fā)制人地關(guān)閉了科學儀器。

然后，有些效果隨著時間的推移而惡化。帶電粒子可以聚集在航天器表面并在數(shù)小時內(nèi)產(chǎn)生電荷。就像穿過鋪有地毯的房間并轉(zhuǎn)動金屬門把手一樣，充電會觸發(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個月。

航天器必須在整個生命過程中抵御輻射。長期輻射 - 稱為總劑量 - 磨損材料，隨著它們在軌道上的時間越長，儀器性能逐漸降低。即使相對溫和的輻射也會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，因為他們有足夠的時間來完成他們的科學目標。

“最糟糕的情況是破壞性的單一事件效應(yīng)，當你看到一個災(zāi)難性的失敗，因為儀器已經(jīng)短路，”凱西說。“這對任務(wù)來說是個壞消息，但這些對我們來說是最有趣的。有時會有很多能量，你實際上會看到一些事情發(fā)生 - 在某些情況下會發(fā)生輕微或焦痕。”

抵御輻射風暴

那么，工程師如何保護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)計者依靠屏蔽來保護他們的儀器免受長期影響。分層的鋁或鈦減緩了高能粒子，阻止它們到達敏感的電子元件。“現(xiàn)在，我們假設(shè)所有任務(wù)都有一個屏蔽厚度 - 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模型的關(guān)鍵步驟。“改進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)境試驗臺項目科學家團隊成員Michael Xapsos表示，該團隊致力于研究輻射對硬件的影響。“通過更多數(shù)據(jù)，工程師可以在他們選擇的電子設(shè)備中在風險，成本和性能之間進行更好的交易。”

即使屏蔽很重，也無法避免最有活力的顆粒。在測試單個事件效果后，工程師會計算出這種打擊發(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)計者可以決定他們承擔多大的風險。

針對單一事件影響的常見策略是為儀器配備同時協(xié)同工作的多個相同部件。如果一個計算機芯片被粒子打擊暫時禁用，那么它的對應(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)境時完成?？臻g環(huán)境測試平臺或SET計劃于6月底啟動的任務(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。