NASA如何为太空的强烈辐射做好准备

在一个由四英尺高的混凝土围成的小型方形房间里，空气闻起来就好像一道闪电般的风暴刚刚通过 - 清洁和刺激，就像清洁用品一样。在外面，这就是闪电扯下空气中的氧气的气味，这些氧气很容易重新变成臭氧。但是在NASA辐射效应设施的一个房间的地下，高能辐射测试后，臭氧气味依然存在。工程师用来测试电子设备进行太空飞行的辐射是如此强大，它会破坏房间内的氧气。

每个用于航天飞行的NASA仪器的每个部分都经过辐射测试，以确保它能够在太空中生存。作为宇宙飞船并不容易; 无形的，充满活力的粒子在整个空间中拉链 - 虽然很少有空间被认为是真空，但是那里有什么包装。微小的颗粒会对我们发送到太空的电子设备造成严重破坏。

随着NASA探索太阳系，辐射测试变得越来越重要。位于马里兰州格林贝尔特的美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心的辐射效应设施有助于检查使NASA探索月球，太阳和太阳系的硬件 - 从寻求了解宇宙起源的任务到Artemis计划的前往月球的旅程离家更近。

“我们将能够确保人类，电子，航天器和仪器 - 我们实际发送到太空的任何东西 - 将在我们投入的环境中生存，” 辐射效应和分析小组的航空航天工程师 Megan Casey说。在戈达德。

航天器遇到的确切条件取决于它的前进方向，因此工程师仔细测试并选择适合每个航天器目的地的部件。例如，地球的磁场将成群的粒子捕获在称为辐射带的两个环形带中。其他行星也有辐射带，如木星，它的腰带比地球的强度高10,000倍。一般来说，越接近太阳，太阳能粒子的洗涤越严厉，称为太阳风。而远离太阳系外的爆炸恒星的星系宇宙射线 -粒子碎片 - 可以在任何地方遇到。

时机也是一个因素。太阳经历了自然的11年周期，从高活动期到低活动期。在太阳最小相对平静的情况下，宇宙射线很容易渗入太阳的磁场，流入太阳系。另一方面，在太阳最大值期间，频繁的太阳耀斑会使高能粒子泛滥。

“根据他们的目的地，我们告诉任务设计师他们的空间环境会是什么样的，他们带着他们的仪器计划回到我们面前，问道：”这些部件能在那里生存吗?“”凯西说。“答案总是肯定，不，或者我不知道。如果我们不知道，那就是我们进行额外的测试。这是我们工作的绝大部分。”

戈达德的辐射中心 - 以及遍布全国的合作伙伴设施 - 能够模拟太空辐射的范围，从太阳风的持续刺激到炽热的辐射带以及太阳耀斑和宇宙射线的残酷打击。

工程师使用计算机模型来确定航天器的目的地将是什么样的 - 它将在那里遇到多少辐射 - 以及他们需要什么样的测试来反映实验室中的环境。

辐射是波浪或微小的亚原子粒子形式的能量。对于航天器，主要关注的是粒子辐射。这种包括质子和电子的辐射可以通过两种方式影响它们的电子器件。

第一种，称为单一事件效应，是直接威胁 - 当太阳粒子或宇宙射线穿过电路时快速爆发能量。英国萨里大学太空中心的电气工程师 Clive Dyer说：“高能粒子会在你的电子产品中释放能量。” “单一事件效果会让你的计算机陷入困境，将数据加密二进制代码 - 从1到0。”

许多航天器都能够从这些带有粒子的小冲突中恢复过来。但是一些罢工可能会扰乱航天器运行的程序，影响通信或导航系统并导致计算机崩溃。在最坏的情况下，结果可能是灾难性的。多年前，航天飞机上的宇航员笔记本电脑在通过辐射带特别多毛的部分时坠毁，美国宇航局的哈勃太空望远镜在通过该地区时先发制人地关闭了科学仪器。

然后，有些效果随着时间的推移而恶化。带电粒子可以聚集在航天器表面并在数小时内产生电荷。就像穿过铺有地毯的房间并转动金属门把手一样，充电会触发静电，从而损坏电子设备，传感器和太阳能电池板。2010年4月，充电禁用了Galaxy 15卫星的通信系统，使其漂浮了8个月。

航天器必须在整个生命过程中抵御辐射。长期辐射 - 称为总剂量 - 磨损材料，随着它们在轨道上的时间越长，仪器性能逐渐降低。即使相对温和的辐射也会使太阳能电池板和电路劣化。

相邻的房间隐藏在相邻的房间内，距离辐射安全距离，测试设施的工程师在仪器组件上拾取一堆高能粒子，寻找无力的迹象。

通常，他们的测试效果不明显。温度或电流的跳跃可能表明单个粒子撞击了电路。另一方面，在总剂量测试期间，工程师注意缓慢，优雅的退化，大多数任务可以生存的太空旅行的副作用，因为他们有足够的时间来完成他们的科学目标。

“最糟糕的情况是破坏性的单一事件效应，当你看到一个灾难性的失败，因为仪器已经短路，”凯西说。“这对任务来说是个坏消息，但这些对我们来说是最有趣的。有时会有很多能量，你实际上会看到一些事情发生 - 在某些情况下会发生轻微或焦痕。”

抵御辐射风暴

那么，工程师如何保护航天器免受空间辐射的持续危害?一种策略是制造能够抵抗来自其基础的辐射的部件。工程师可以选择某些不易受粒子撞击或充电影响的材料。

航天器设计者依靠屏蔽来保护他们的仪器免受长期影响。分层的铝或钛减缓了高能粒子，阻止它们到达敏感的电子元件。“现在，我们假设所有任务都有一个屏蔽厚度 - 宇宙飞船或仪器的墙壁有多厚 - 大约十分之一英寸，”凯西说。

在测试之后，工程师会根据环境要求提出屏蔽的具体建议。屏蔽增加了体积和重量，这增加了燃料需求或成本，因此工程师总是倾向于尽可能少地使用。“如果我们能够改进我们的模型并更加精确地改善辐射环境的样子，我们可以将这些墙壁缩小，”她说。

从各种空间环境中收集观测资料是改进模型的关键步骤。“改进我们的太空辐射模型最终有助于我们更好地选择器件，”美国宇航局太空环境试验台项目科学家团队成员Michael Xapsos表示，该团队致力于研究辐射对硬件的影响。“通过更多数据，工程师可以在他们选择的电子设备中在风险，成本和性能之间进行更好的交易。”

即使屏蔽很重，也无法避免最有活力的颗粒。在测试单个事件效果后，工程师会计算出这种打击发生频率的预测。例如，航天器可能每1000天就有一次粒子撞击的可能性。这些孤立的事件很可能发生在卫星第一天太空的第1000天 - 而且任务设计者可以决定他们承担多大的风险。

针对单一事件影响的常见策略是为仪器配备同时协同工作的多个相同部件。如果一个计算机芯片被粒子打击暂时禁用，那么它的对应物可以获得松弛。

工程师可以规划和制定此类缓解策略 - 但最好在他们真正了解卫星正在经过的空间环境时完成。空间环境测试平台或SET计划于6月底启动的任务 - 以及辐射效应设施的建模工作确保他们获得该信息。