CN102361797B

CN102361797B - 航天器防护

Info

Publication number: CN102361797B
Application number: CN201080013803.0A
Authority: CN
Inventors: R·班福德; B·宾厄姆
Original assignee: SCIENCE AND TECHNOLOGY FACILIT
Current assignee: United Kingdom Research and Innovation
Priority date: 2009-03-26
Filing date: 2010-03-26
Publication date: 2016-08-03
Anticipated expiration: 2030-03-26
Also published as: WO2010109207A1; CA2756650C; CA2756650A1; EP2411284A1; CN102361797A; EP2411284B1; US8740154B2; US20110049303A1; GB0905238D0

Abstract

描述了一种航天器(14)，该航天器(14)采用磁场源(16)来产生防护磁场(18)，以保护航天器免受高能带电粒子(10)的侵害。可以扰动该磁场以增强保护的有效性。还可以利用向防护腔内喷射物质，来增强本地的等离子体密度。

Description

航天器防护

技术领域

本发明涉及航天器以及涉及使航天器免受潜在的有害带电粒子的侵害的防护。这些带电粒子例如可以包括，在太阳质子事件期间产生的高能质子。

引言

太空环境由于存在包括高能光子(如宇宙射线、太阳伽马射线和X射线)和高能粒子(如太阳高能粒子(solarenergeticparticles，SEP))的多种辐射类型而对航天器和宇航员都是很危险的。特别地，SEP包括能量为数十到数百兆电子伏特(MeV)的大量质子和电子流，该质子和电子流由与日冕物质抛射和太阳耀斑相关的太阳质子事件产生。尽管特定卫星一般很少会遭遇太阳质子事件(一周可能几次，取决于太阳活动)，而且太阳质子事件的持续时间较短(数小时至数天)，但太阳质子事件存在对特别是在高轨道例如地球同步轨道(GEO)上的受来自地球自身磁层的天然防护较少的卫星或对星际航天器造成显著的迅速破坏的潜在可能，因此太阳质子事件引起特别关注。

航天器上搭载的电子器件随着功能性元件(例如逻辑电路和数字存储器)的尺寸的减小而越发易受辐射损害。尽管电子器件可以设计成带有抵抗适度水平的辐射损害的冗余量，但公知的一种操作技术是当预测到太阳质子事件时，关闭通信卫星中对辐射敏感的电子器件。

现有技术讨论

例如，在Levy和French的“Plasmaradiationshield-Conceptandapplicationtospacevehicles”(J.ofSpaceCraftandRockets，5，570-577，1968)中以及在CocksJ.，WatkinsS.A.等人(J.oftheBritishinter.Soc.50，479-484，1997)的文献中，已经考虑了针对航天器的辐射防护，特别是在认识到美国国家航空航天局(NASA)阿波罗计划的宇航员所遭遇的潜在危险之后用于保护前往月球和行星的宇航员。采用磁流体动力学假设，被认为的采用磁场或电场形态来保护航天器免受带电粒子辐射所需要的电力的量过大。特别地，人们认为防护区域的尺寸需要是类似于潜在有害带电粒子的拉莫尔轨道的尺寸，对于太阳质子事件中的质子而言，该尺寸为数十到数百公里。

近来，R.Bamford等人(PlasmaPhys.Control.Fusion50，2008)描述了用于测试偶极子式磁场和等离子体的、围绕航天器以形成“迷你磁层”的防护概念的新的实验。实验室实验确定了用于消除影响的磁化等离子体屏障的有效性，低贝塔超音速流高能等离子体表示太阳风。等离子体密度的光学和朗缪尔(Langmuir)探测数据、等离子体流速和偶极子场强度显示了窄的传送屏障区域和实际缺少高能等离子体例子的反磁性腔的产生。这被认为证实了能够在太阳风等离子体中产生具有拉莫尔轨道宽度量级的小“洞”的能力，位于该小“洞”中的载人航天器可以相对安全地存在。实验结果得到了三维粒子云网格(PIC)混合码模拟的支持。

期望进一步地改进这类航天器防护的效力和功率消耗效率，例如，减少沿磁场中的尖点抵达航天器的带电粒子的影响。

发明内容

本发明提供一种采用防护磁场形成的航天器防护层。控制器使得产生防护磁场的持续进行的或连续的扰动，以提高使航天器免受高能带电粒子侵害的对航天器的防护。该防护磁场优选地被布置成防护航天器免受具有高于10MeV并优选地达到至少50MeV能量的范围的太阳风粒子的侵害。

为了增加在实际功率消耗水平的防护的有效性，优选地使防护磁场以不规则或随机的方式扰动、变化或波动。可以采用各种扰动模式，该扰动模式包括在幅度、方向以及更复杂的结构参数方面的扰动。此外，优选地，可以控制持续进行的扰动在特征时间尺度期间发生，该特征时间尺度与围绕航天器的磁场环境和粒子的情况相关，典型地处于0.001至1.0秒的范围内。

邻近防护磁场与背景磁场(例如太阳风的背景磁场)的边界的磁场结构通过磁场间复杂的相互作用和包括要偏离航天器的高能带电粒子的相关联的等离子体确定。在恰当的时间尺度上的防护磁场的扰动导致了在邻近边界的等离子体内的复杂的磁场线结构，磁场线结构的深度具有电子集肤深度的量级，典型地，对于本地密度约为1×10¹¹m^-3的等离子体而言为数十米。通常认为复杂的磁场线结构通过多个小的轨道增量而使得外部高能带电粒子偏离航天器，而无需完成等效强度层状(laminar)磁场的整个拉莫尔轨道。

特别地，本发明提供了一种航天器，该航天器包括：磁场源或防护源，该磁场源或防护源被设置为产生防护磁场，以保护航天器免受高能带电粒子的侵害；以及源控制器，其被设置为操作磁场源，以提供对防护磁场的持续进行的扰动，以由此增强保护的有效性。

源控制器和磁场源优选地适于产生防护磁场，该防护磁场在磁场源处的平均场强为至少1×10-5特斯拉，更优选地为至少1×10-4特斯拉。

类似的，源控制器和磁场源可以适于产生防护磁场，该防护磁场在距磁场源至少10米的距离处、优选地在距磁场源至少100米的距离处具有至少1×10^-7特斯拉的平均强度。

源控制器可以被设置为以不规则方式、随机方式和伪随机方式中的一种或更多种方式使防护磁场发生持续进行的扰动。这种扰动优选地在延伸的时间周期期间，例如在至少10秒、更优选地至少100秒的周期期间维持在整个防护层的有效连续的或时间平均的场强度。

源控制器可以被设置为以一种或更多种动态模式使防护磁场发生持续进行的扰动，例如以选自以下变化中的一种或更多种变化使防护磁场发生持续进行的扰动：场幅度的变化；场方向的变化；场结构的变化；以及偶极子与可选的更高阶磁极子的数目、幅度、方向和强度的变化。

源控制器可被设置为使防护磁场发生持续进行的扰动，使得该扰动展示出0.001至10秒范围内的特征时间尺度，更优选地为0.01至0.1秒范围内的特征时间尺度。可以产生扰动，以展示出所述特征时间尺度上的特征动态范围，所述特征动态范围至少为3％，更优选地为至少10％。该动态范围可以涵盖例如根据场方向的变化、场强度的变化和其他的变化来确定的一个或多个动态模式。

为了产生防护磁场，航天器可包括电源，该电源被设置为向磁场源提供至少100瓦的电力，优选地为至少500瓦的电力，以及优选地为至少1000瓦的电力。

磁场源可以被设置为产生具有至少四极子或更高阶极子成分的防护磁场。该磁场源可以包括一个或更多个分离的线圈元件，扰动可以通过施加在线圈中的至少一个线圈上的电流的变化(例如在上述时间尺度上的持续进行的至少1％、至少3％、或至少10％的电流波动)来产生。

源控制器可以包括计算机元件，该计算机元件被设置为执行扰动控制算法，以由此产生防护控制信号，该防护控制信号用于控制磁场源以根据该算法产生防护磁场。

航天器可以包括太阳风粒子探测器和磁场探测器中的至少一种探测器，该至少一种探测器可操作地与源控制器相耦接，而计算机元件可以被设置为在产生防护控制信号时采用来自至少一种探测器的测量结果。

类似的，航天器还可以包括遥测信号接收器，其中计算机元件被设置为在产生防护控制信号时采用来自接收到的遥测信号的数据。

航天器还可以包括适于向防护磁场内喷射物质的喷射元件，以通过增强由防护磁场形成的保护腔内的等离子体密度来增强防护效力。这种喷射元件还可以随非扰动的或基本静态的防护磁场而被使用，该非扰动的或基本静态的防护磁场可以另外地具有强度特点，或可采用上述的驱动装置和电流来产生。本发明还提供了相应的方法。

本发明还提供了一种防护航天器免受高能带电粒子的侵害的方法，例如通过提供上面所述的防护磁场来防护航天器免受高能带电粒子的侵害的方法。该方法优选地适于防护航天器免受范围在1MeV以上、优选地至少达到或超过50MeV的能量的质子的侵害。

附图说明

下面将参照附图仅以示例的方式对本发明的实施方式进行说明，附图中：

图1是适于形成根据本发明的粒子防护层的航天器的示意图；以及

图2例示了图1中的航天器，例示了可用于在防护过程中提供帮助的元件的进一步的示例性细节。

具体实施方式

参见图1，根据背景磁场12形成等离子体的高能带电粒子10逼近实施本发明的航天器14。航天器14装载有磁场源16，该磁场源16可操作用于在航天器处于太空环境中时(例如处于对地静止轨道或行星际轨道时)，生成用于保护航天器14免受高能带电粒子10损害的防护磁场18。源控制器20控制对磁场源的操作，并由此控制邻近磁场源的防护磁场的形态。电源22为生成磁场提供功率。

一方面防护磁场和与该防护磁场相关联的任何密度增强的防护等离子体之间的相互作用，以及另一方面高能带电粒子和相关联的背景磁场之间的相互作用，限定了围绕航天器的保护腔的边界。该“迷你磁层”通过使用磁场和等离子体的结合，起到阻挡高能粒子的屏障的作用。磁场生成与也可以从航天器释放到腔中的等离子体的结合导致等离子体集体效应，该集体效应产生电场。集体电场主要负责高能带电粒子的散射和偏转，与单个粒子或MHD模式形成对比，在MHD模式下高能粒子被v×B的力偏转。

源控制器20使磁场源处的防护磁场变化或波动，优选地不规律或无节奏地变化或波动。该对防护磁场持续进行的扰动增进了高能带电粒子10偏离航天器14。防护磁场可以基本上是偶极子场，或者更优选地可以包括大量的四极子和/或别的多极子元素。

为了提供有效的防护，在磁场源16处的防护磁场18的强度优选地至少为1×10^-4特斯拉(Tesla)。为了在离航天器达几百米的距离处获得防护磁场18和大约1×10^-7特斯拉(可能在5×10^-8到5×10^-6特斯拉之间，取决于太阳风的情况)的典型太阳风背景磁场之间的边界，在磁场源16处小于0.1特斯拉的场强度通常就足够。考虑到等离子体环境中的场持续性(persistence)作用，电源22可以提供从约100W到10kW，更优选地从约500W到5kW的平均电功率，以驱动磁场源生成防护磁场。

源控制器可以控制磁场源以多种方式随时间扰动磁场。该扰动可以以平滑连续的方式或者可以在感应效应允许的程度上不连续。但是，一般来说，这些变化应当在特征时间尺度上或具有特征频率或频率范围，该特征频率或频率范围与邻近防护磁场18和背景磁场12之间的边界的等离子体和磁场的行为相关。在地球同步轨道上，背景磁场通常为约1×10^-7特斯拉，使得质子的运转周期(gyroperiod)是约0.1秒，太阳高能粒子事件中常见的重阿尔法粒子和更高质量离子(例如C⁶⁺，N⁷⁺，O⁸⁺)的运转周期是约0.2秒。因此，防护磁场在约0.01到0.1秒的特征时间尺度上或更一般地在从约0.001到约1.0秒的特征时间尺度上的扰动或变化是适当的，并且可以相应地设计场源、控制器和电源。

防护磁场可以以几种不同模式中的一种或更多种而随时间变化，这几种不同模式包括幅度、极子方向以及磁场形状和极子结构的更具体的布置细节。

可以根据背景磁场、本地等离子体环境和要偏转的高能带电粒子的特性谱来选择防护磁场的时间尺度、动态范围和变化模式的细节。然而，典型地，在一个或更多个可能的模式中，防护磁场的在平均值的至少1％的特征范围内的变化，以及更优选地在平均值的至少3％或10％的特征范围内的变化都可以是合适的。

例如可以将扰动的时间尺度定义成防护磁场中的一个点在幅度或方向上变化至少1％、更优选地至少3％、可选地10％或更多时的频率。当然，磁场的一些部分可能比其他部分变化得更多，这取决于磁场布置，因此，可以在预定点(如100米距离处的最大变化的点)或距离飞船100米距离处的面上的平均值处实施这类测量。

图2更详细地例示了航天器14，其具有多种可选的和示例性的特征。磁场源16可以包括一个或多个线圈，该一个或多个线圈被设置为用于产生磁场布置和扰动的期望范围。驱动器电路30根据从计算机元件34接收到的防护控制信号32为线圈提供电力。驱动器电路30提供给磁场源的功率由电源38提供，电源38例如可以从太阳能电池板源40获得。

计算机元件34采用存储在计算机存储器中的算法42来产生防护控制信号。该算法可以采用各种形式，例如在防护磁场的强度、和/或方向、和/或偶极子和更高阶极子成分的组合方面提供随机的或伪随机的变量。可以根据施加到磁场源的线圈中的一个或更多个线圈上的电流来限定扰动，例如通过要求施加到这种线圈上的电流在本文别处讨论过的特征时间尺度内例如在0.1Hz和1000Hz之间的频率，或更优选地在1Hz和100Hz之间的频率波动至少1％、至少3％或至少10％来限定扰动。

在利用采用算法42来产生控制信号时，计算机元件还可以考虑来自其他元件如一个或更多个环境传感器44的输入和来自遥测接收器46的数据和指令。例如，可以设置太阳风粒子传感器，并且防护磁场的强度或扰动的速率、大小或性质可以根据探测到的粒子流或谱线而变化。类似的，可以采用太阳风磁场探测器。遥测技术可以用来接收别处探测到的太阳风的变化的预先警报，从而在针对预期的高能粒子的爆发所作的准备中可以适当地配置防护磁场。

在产生保护腔方面的一个主要元素可能是生成防护磁场结构的特定方案的能力，该防护磁场结构能够诱捕并增加腔中的等离子体密度到远超背景媒质的密度。这无疑是防护等离子体密度大大增强的情况。具有相当大的防护等离子体密度对于建立负责偏转高能带电粒子的空间电荷电场非常重要。对于要建立自洽电磁场的高能粒子，优选地是使它们与密度上短暂过渡的防护等离子体进行相互作用。如果防护磁场成波纹状，则防护等离子体密度将同样具有类似结构，并且相互作用的表面将显得不平滑，这将有助于粒子的偏转。入射的高能带电粒子将不仅经历它们与防护磁场相互作用时通过有质动力建立的空间电荷场，还将使得通过与防护腔内防护等离子体的直接相互作用而建立它们自身的空间电荷场。入射到防护等离子体上的高能离子将引起对电子的吸引力。这些电子几乎会同时响应而形成围绕高能离子的空间电荷防护层。作为吸引电子而不是等离子体离子的结果，显示出入射高能离子的空间电荷场形成。为了让此有效，形成屏障的防护等离子体必须比周围太阳风等离子体具有更大的密度，而且在周围等离子体和形成屏障的防护等离子体之间应当具有急剧的过渡。

为此，航天器14还可以设置有喷射器元件48，该喷射器元件48被设置为向航天器附近喷射气体或其他粒子，特别是向通过背景场12与入射高能粒子之间以及防护磁场与防护腔等离子体的相互作用而形成的防护腔内喷射。例如，可以释放出钡或锂原子。这些粒子的电离接着可以导致航天器附近的增加的等离子体密度，增强了防护磁场的有效性。

对于本领域技术人员而言，在不脱离本发明的范围的情况下对描述的实施方式作出的各种修改与变形是明显的。

Claims

1.一种航天器，该航天器包括：

磁场源(16)，该磁场源(16)被设置为产生保护所述航天器免受高能带电粒子的侵害的防护磁场(18)；以及

源控制器(20)，该源控制器(20)被设置为操作所述磁场源，以提供所述防护磁场的持续进行的扰动，

其中，所述源控制器(20)控制所述磁场源(16)以多种方式随时间扰动磁场，所述多种方式在特征时间尺度上具有特征频率或频率范围，该特征频率或频率范围与邻近防护磁场(18)和背景磁场(12)之间的边界的等离子体和磁场的行为相关。

2.根据权利要求1所述的航天器，其中，所述源控制器(20)被设置为以不规则方式、随机方式和连续方式中的多种方式使所述防护磁场发生持续进行的扰动。

3.根据权利要求1或2所述的航天器，其中，所述源控制器被设置为以选自以下模式中的多种动态模式使所述防护磁场发生持续进行的扰动：幅度的变化、方向的变化、结构的变化、和磁极数目的变化。

4.根据权利要求1所述的航天器，其中，所述源控制器被设置为使所述防护磁场发生持续进行的扰动，使得所述扰动展示出0.001至10秒范围内的特征时间尺度。

5.根据权利要求4所述的航天器，其中，所述源控制器被设置为使所述防护磁场发生持续进行的扰动，使得所述扰动展示出0.01至0.1秒范围内的特征时间尺度。

6.根据权利要求4所述的航天器，其中，所述源控制器被设置为使所述防护磁场发生持续进行的扰动，使得所述扰动在多个动态模式中展示出所述特征时间尺度上的特征动态范围，所述特征动态范围为平均值的至少1％、至少3％或至少10％。

7.根据权利要求1所述的航天器，其中，所述源控制器和所述磁场源适于产生防护磁场，该防护磁场在所述磁场源处的平均场强为至少1×10^-5特斯拉。

8.根据权利要求7所述的航天器，其中，该防护磁场在所述磁场源处的平均场强为至少1×10^-4特斯拉。

9.根据权利要求1所述的航天器，其中，所述源控制器和所述磁场源适于产生防护磁场，该防护磁场在距所述磁场源至少10米的距离处具有1×10^-7特斯拉的平均场强。

10.根据权利要求9所述的航天器，其中，该防护磁场在距所述磁场源至少100米的距离处具有1×10^-7特斯拉的平均场强。

11.根据权利要求1所述的航天器，所述航天器进一步包括电源，所述电源适于向所述磁场源提供至少100W的电功率。

12.根据权利要求11所述的航天器，所述电源适于向所述磁场源提供至少500W的电功率。

13.根据权利要求1所述的航天器，其中，所述磁场源被设置为产生具有四极子和更高阶极子成分中的至少一种的防护磁场。

14.根据权利要求1所述的航天器，其中，所述磁场源被设置为使用一个或更多个磁线圈来产生所述防护磁场。

15.根据权利要求14所述的航天器，其中，所述源控制器被设置为通过改变所述线圈中至少一个线圈的电流来使所述防护磁场发生持续进行的扰动。

16.根据权利要求15所述的航天器，其中，所述源控制器被设置为通过将所述线圈中至少一个线圈的电流改变至少1％、至少3％或至少10％来使所述防护磁场发生持续进行的扰动。

17.根据权利要求15或16所述的航天器，其中，所述源控制器被设置为在0.1Hz和1000Hz之间的频率处改变所述电流。

18.根据权利要求17所述的航天器，其中，所述源控制器被设置为在1Hz和100Hz之间的频率处改变所述电流。

19.根据权利要求1所述的航天器，其中，所述源控制器包括计算机元件，所述计算机元件被设置为执行扰动控制算法以由此产生防护控制信号，所述防护控制信号用于控制所述磁场源根据所述算法产生防护磁场。

20.根据权利要求19所述的航天器，所述航天器包括太阳风粒子探测器和磁场探测器中的至少一种探测器，所述至少一种探测器可操作地耦接至所述源控制器。

21.根据权利要求20所述的航天器，其中，所述计算机元件被设置为在产生所述防护控制信号时采用来自所述至少一种探测器的测量结果。

22.根据权利要求19-21中任意一项所述的航天器，所述航天器还包括遥测信号接收器，其中，所述计算机元件被设置为在产生所述防护控制信号时采用来自接收到的遥测信号的数据。

23.根据权利要求1所述的航天器，所述航天器还包括适于向所述防护磁场中喷射物质的喷射器元件。

24.根据权利要求23所述的航天器，其中，喷射到所述防护磁场中的物质形成密度增大的防护等离子体，以由此增强使所述航天器免受所述高能带电粒子的侵害的对所述航天器的保护。

25.一种防护航天器免受高能带电粒子的侵害的方法，所述方法包括以下步骤：

产生防护磁场(18)，所述防护磁场(18)被设置为保护所述航天器免受高能带电粒子的侵害，其中所述防护磁场被产生为具有持续进行的扰动，

其中，源控制器(20)控制磁场源(16)以多种方式随时间扰动磁场，所述多种方式在特征时间尺度上具有特征频率或频率范围，该特征频率或频率范围与邻近防护磁场(18)和背景磁场(12)之间的边界的等离子体和磁场的行为相关。

26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述方法有效地防护所述航天器免受1MeV至50MeV的能量范围内的质子的侵害。

27.根据权利要求25或26所述的方法，其中，通过改变施加到一个或更多个磁线圈上的驱动电流来使所述持续进行的扰动发生。

28.根据权利要求27所述的方法，其中，根据预定的算法来改变所述驱动电流。

29.根据权利要求27所述的方法，其中，所述驱动电流在0.001至10秒范围内的特征时间尺度上发生改变。

30.根据权利要求29所述的方法，其中，所述驱动电流在0.01至0.1秒的特征时间尺度上发生改变。

31.根据权利要求25所述的方法，所述方法还进一步包括从所述航天器向所述防护磁场中喷射物质，以增加所述航天器附近的等离子体的密度，以由此增加使所述航天器免受所述高能带电粒子的侵害的对所述航天器的保护。

32.一种航天器，所述航天器包括：

磁场源，所述磁场源被设置为产生防护磁场(18)，以保护所述航天器免受高能带电粒子的侵害；

喷射器元件，所述喷射器元件适于向所述航天器外的防护磁场中喷射物质，以提高所述防护磁场中的等离子体密度，

其中，源控制器(20)控制磁场源以多种方式随时间扰动磁场，所述多种方式在特征时间尺度上具有特征频率或频率范围，该特征频率或频率范围与邻近防护磁场(18)和背景磁场(12)之间的边界的等离子体和磁场的行为相关。

33.根据权利要求32所述的航天器，其中，所述磁场源适于产生在距所述磁场源至少10米的距离处具有1×10^-7特斯拉的平均场强的防护磁场。

34.根据权利要求33所述的航天器，其中，所述磁场源适于产生在距所述磁场源至少100米的距离处具有1×10^-7特斯拉的平均场强的防护磁场。

35.根据权利要求32或33所述的航天器，其中，所述喷射器元件被设置为向所述航天器外的所述防护磁场内喷射钡和锂原子中的至少一种。