Космические корабли Скачать
презентацию
<<  Сварка в космосе Космические корабли  >>
Радиационная опасность на околоземных орбитах
Радиационная опасность на околоземных орбитах
Определение
Определение
Аномалии на космических аппаратах
Аномалии на космических аппаратах
Пример изменения мощности солнечных батарей
Пример изменения мощности солнечных батарей
Распределение мест возникновения одиночных сбоев
Распределение мест возникновения одиночных сбоев
Источники радиационных аномалий на КА
Источники радиационных аномалий на КА
Высокоэнергичная корпускулярная радиация
Высокоэнергичная корпускулярная радиация
Радиационные эффекты
Радиационные эффекты
Физическая величина
Физическая величина
Потери энергии заряженных частиц
Потери энергии заряженных частиц
Эффекты поглощенной дозы
Эффекты поглощенной дозы
Поглощенная доза
Поглощенная доза
Пример эффекта ионизационной дозы
Пример эффекта ионизационной дозы
Пример эффекта неионизационной дозы
Пример эффекта неионизационной дозы
Эквивалентная доза
Эквивалентная доза
Одиночные случайные эффекты
Одиночные случайные эффекты
Частота ОСЭ
Частота ОСЭ
Примеры сечения ОСЭ
Примеры сечения ОСЭ
Влияние радиационных эффектов
Влияние радиационных эффектов
Радиационная опасность
Радиационная опасность
Факторы космического полета
Факторы космического полета
Происхождение радиационных полей
Происхождение радиационных полей
Пример энергетических спектров частиц
Пример энергетических спектров частиц
Солнечная активность
Солнечная активность
Вариации потоков ядер
Вариации потоков ядер
Вариации потоков протонов
Вариации потоков протонов
Сравнение потоков ГКЛ и СКЛ
Сравнение потоков ГКЛ и СКЛ
Вековой дрейф магнитного поля Земли
Вековой дрейф магнитного поля Земли
Проникновение космических лучей в магнитосферу
Проникновение космических лучей в магнитосферу
Накопление поглощенной дозы
Накопление поглощенной дозы
Время полета
Время полета
Геомагнитная активность
Геомагнитная активность
Перемещение космического аппарата в пространстве
Перемещение космического аппарата в пространстве
Примеры расчетных зависимостей
Примеры расчетных зависимостей
Примеры изменения частоты
Примеры изменения частоты
Конструкция КА
Конструкция КА
Высокоэнергичные потоки частиц
Высокоэнергичные потоки частиц
Схема компьютерного пакета программ
Схема компьютерного пакета программ
Модели радиационного окружения
Модели радиационного окружения
Пример расчета эквивалентной дозы
Пример расчета эквивалентной дозы
Пример расчета частоты ОСЭ
Пример расчета частоты ОСЭ
Пример расчета поглощенной дозы
Пример расчета поглощенной дозы
Пример расчета частоты
Пример расчета частоты
Прогнозирование радиационной опасности
Прогнозирование радиационной опасности
Литература
Литература
Слайды из презентации «Аномалии на космических аппаратах» к уроку астрономии на тему «Космические корабли»

Автор: Кузнецов Н.В.. Чтобы увеличить слайд, нажмите на его эскиз. Чтобы использовать презентацию на уроке, скачайте файл «Аномалии на космических аппаратах.ppt» бесплатно в zip-архиве размером 895 КБ.

Скачать презентацию

Аномалии на космических аппаратах

содержание презентации «Аномалии на космических аппаратах.ppt»
СлайдТекст
1 Радиационная опасность на околоземных орбитах

Радиационная опасность на околоземных орбитах

и межпланетных траекториях космических аппаратов.

Н.В.Кузнецов

Обсуждаются представления, которые лежат в основе количественных оценок радиационной опасности, возникающей из-за возможного нарушения работоспособности бортового оборудования и приборов космических аппаратов при воздействии высокоэнергичных (>~100 кэВ) заряженных частиц космической радиации. Демонстрируются возможности расчетных моделей и методов для прогнозирования характеристик радиационной опасности на космических аппаратах в различных условиях его полета.

1

2 Определение

Определение

Содержание.

Аномалии на космических аппаратах Определение. Примеры аномалий. Источники и причина радиационной опасности. Выводы. Радиационные эффекты Механизмы возникновения. Линейная передача энергии. Потери энергии частиц. Классификация радиационных эффектов. Эффекты поглощенной дозы. Одиночные случайные эффекты. Выводы. Факторы космического полета Происхождение радиационных полей. Солнечная активность. Вековой дрейф магнитного поля Земли. Проникновение космических лучей в магнитосферу. Геомагнитная активность. Движение КА вдоль траектории полета. Перемещение КА на траектории. Конструкция КА (защитные экраны). Выводы Прогнозирование радиационной опасности Методика прогнозирования. Примеры. Выводы.

2

3 Аномалии на космических аппаратах

Аномалии на космических аппаратах

Внешние факторы воздействия на космический аппарат

Корпускулярная радиация Низкоэнергичная (<~10-100 кэВ) Высокоэнергичная (> 100 кэВ)

Вакуум Невесомость Колебания температуры Электромагнитная радиация Метеориты Космический мусор, Вибрация и высокие нагрузки при старте

Неизвестные

3

4 Пример изменения мощности солнечных батарей

Пример изменения мощности солнечных батарей

Аномалии на космических аппаратах.

Пример изменения мощности солнечных батарей

Cкачки понижения мощности наблюдают во время больших солнечных cобытий (R.J. Walters, 2004)

Сентябрь 2001 Ноябрь 2003

http://esa-spaceweather.net/spweather/workshops/eswwII/ proc/Session4/Presentation_KEIL.pps

4

5 Распределение мест возникновения одиночных сбоев

Распределение мест возникновения одиночных сбоев

Аномалии на космических аппаратах.

Распределение мест возникновения одиночных сбоев на космических аппаратах, находящихся на разной высоте

650 до 750 км

1250 до 1350 км

2450 до 2550 км

http://radhome.gsfc.nasa.gov/radhome/papers/202_SSR.pdf (Poivey C., et al.,2002)

5

6 Источники радиационных аномалий на КА

Источники радиационных аномалий на КА

Аномалии на космических аппаратах.

Источники радиационных аномалий на КА

Радиационный пояс Земли (РПЗ) электроны протоны

Галактические космические лучи (ГКЛ) протоны ядра

Солнечные космические лучи (СКЛ) протоны ионы

Вторичное излучение ?-кванты протоны нейтроны

Причина радиационных аномалий - радиационные эффекты в изделиях космической техники:

Терморегулирующих покрытиях Полимерных покрытиях Оптических покрытиях Солнечных элементах Изделиях микро- и оптоэлектроники

6

7 Высокоэнергичная корпускулярная радиация

Высокоэнергичная корпускулярная радиация

Выводы к разделу «Аномалии на космических аппаратах».

Высокоэнергичная корпускулярная радиация космического пространства. является одним из важных внешних факторов, который инициирует возникновение аномалий на КА, Причиной радиационных аномалий на КА является возникновение радиационных эффектов в изделиях космической техники.

7

8 Радиационные эффекты

Радиационные эффекты

Механизмы возникновения.

Передача кинетической энергии от налетающих частиц веществ (первичный процесс)

Ионизационные эффекты

Структурные нарушения

Неравновесные электроны и дырки

Разорванные атомные связи

Вакансии и междоузлия

Разупорядочен- ные области

Релаксационные процессы термостабилизации и электронейтрализации (релаксационный процесс)

Рекомбинация Образование объемного заряда Радио-люминисценция Генерация тока

Рекомбинация Уход на стоки (примесные дефекты) Объединение в комплексы (собственные дефекты)

Образование объемных дефектов (кластеры)

Латентные треки Свободные химические радикалы

Н.В.Кузнецов. Радиационная опасность на космических аппаратах

8

9 Физическая величина

Физическая величина

ЛПЭ - основная физическая величина, которая количественно характеризует энергетический вклад одной частицы в образование радиационного эффекта, ЛПЭ, L - средняя энергия, которую вещество может получить от налетающей заряженной частицы на единице ее пути. Единицы измерения ЛПЭ - МэВ/см или МэВ/(г/см2).

Радиационные эффекты. Линейная передача энергии (ЛПЭ)

Н.В.Кузнецов. Радиационная опасность на космических аппаратах

9

10 Потери энергии заряженных частиц

Потери энергии заряженных частиц

Радиационные эффекты Потери энергии заряженных частиц.

e Si

(dE/dx)e

(dE/dx)e

(dE/dx)n

(dE/dx)n

Ядерные реакции

10

11 Эффекты поглощенной дозы

Эффекты поглощенной дозы

проявляются в результате суммирования энергии, которую множество частиц передает чувствительному объему вещества, Случайные одиночные эффекты возникают при передаче энергии от одной частицы чувствительному объему вещества.

Радиационные эффекты Классификация

11

12 Поглощенная доза

Поглощенная доза

Радиационные эффекты Поглощенная доза.

По определению: Поглощенная доза D - энергия, переданная от излучения элементарному объему вещества единичной массы

При воздействии потока заряженных частиц Ф [1/см2 ] с энергией E0=const

При воздействии потока частиц Фi(E) 1/см2МэВ разного типа и разной энергии

- спектр ЛПЭ потока всех частиц

Где

12

13 Пример эффекта ионизационной дозы

Пример эффекта ионизационной дозы

Радиационные эффекты Пример эффекта ионизационной дозы.

Смещение порога вольт-амперной характеристики в n-канальном транзисторе металл-окисел-полупроводник

Пороговое напряжение

Иониз. доза

Изменение заряда на границе окисел-полупроводник

Изменение объемного заряда в окисле

13

14 Пример эффекта неионизационной дозы

Пример эффекта неионизационной дозы

Радиационные эффекты Пример эффекта неионизационной дозы.

Уменьшение тока короткого замыкания солнечных элементов (Walters, et.al., 2004)

Неионизационная доза, МэВ/г

Ток короткого замыкания, отн.ед.

14

Электроны 1 МэВ Протоны 1 МэВ Протоны 0.4 МэВ Электроны 1 МэВ

15 Эквивалентная доза

Эквивалентная доза

Радиационные эффекты Эквивалентная доза.

Количественной мерой радиационного эффекта в радиобиологии принято использовать величину эквивалентной дозы

ЛПЭ, кэВ/мкм

W(L)

15

16 Одиночные случайные эффекты

Одиночные случайные эффекты

Радиационные эффекты Одиночные случайные эффекты.

Прямой механизм возникновения от ионов

Ядерный механизм возникновения от протонов

Условие возникновения: энергия ?E, переданная частицей чувствительному объему, должна быть выше пороговой величины Ec, характеризующей функциональное свойство этого объема.

Чувствительный объем

Ядерная реакция

Протон, нейтрон или легкое ядро

Тяжелое ядро

16

17 Частота ОСЭ

Частота ОСЭ

Радиационные эффекты Одиночные случайные эффекты.

Количественной мерой возникновения ОСЭ при воздействии потока частиц является частота ОСЭ

При воздействии плотности потока частиц F (1/см2с) с энергией E0=const и углом падения ?0 = const

При воздействии плотности изотропного потока частиц Fi(E) (1/см2сМэВ) разного типа и разной энергии

или используя модельные представления для прямого механизма возникновения ОСЭ

где F(L)- дифференциальный спектр ЛПЭ плотности потока частиц

17

18 Примеры сечения ОСЭ

Примеры сечения ОСЭ

Радиационные эффекты Одиночные случайные эффекты.

Примеры сечения ОСЭ у микросхем памяти при нормальном угле падения в зависимости от:

ЛПЭ ионов энергии протонов

18

19 Влияние радиационных эффектов

Влияние радиационных эффектов

Выводы к разделу «Радиационные эффекты».

В настоящее время изучено влияние радиационных эффектов на свойства многих материалов и изделий космической техники. Радиационных эффекты в изделиях космической техники подразделяются на эффекты поглощенной дозы (ЭПД) и одиночные случайные эффекты (ОСЭ). Количественной мерой радиационной опасности от ЭПД служит расчетная величина поглощенной дозы (ионизационной и неионизационной). Количественной мерой радиационной опасности от ОСЭ служит расчетная частота одиночных случайных эффектов.

19

20 Радиационная опасность

Радиационная опасность

Выводы (продолжение) к разделу «Радиационные эффекты».

Радиационная опасность для изделий космической техники на борту КА, зависит от: индивидуальных особенностей материала и прибора, которые характеризуются величиной линейной передачи энергии или сечением одиночных случайных эффектов и отражают их радиационную стойкость (чувствительность), воздействующего радиационного окружения, которое характеризуется дифференциальными энергетическими спектрами потока Ф(Е) или плотности потока F(E) частиц и отражают радиационные условия на КА.

20

21 Факторы космического полета

Факторы космического полета

Глобальные: Происхождение радиационных полей Солнечная активность, Дрейф магнитного поля Земли Экранирующее свойство магнитосферы Земли (для частиц космических лучей) Геомагнитные возмущения Локальные Перемещение космического аппарата в пространстве Конструкция КА (защитные экраны) Анизотропия потоков частиц и тень Земли

21

22 Происхождение радиационных полей

Происхождение радиационных полей

Факторы космического полета Происхождение радиационных полей.

В межпланетном пространстве существуют галактические космические лучи (ГКЛ), в состав которых входят протоны и ядра химических элементов; солнечные космические лучи (СКЛ), в состав которых входят протоны и ионы химических элементов ; В околоземном космическом пространстве существуют радиационные пояса Земли (РПЗ), которые в основном состоят из электронов и протонов, захваченных магнитным полем Земли. Потоки частиц космических лучей также проникают в магнитосферу Земли.

22

23 Пример энергетических спектров частиц

Пример энергетических спектров частиц

Факторы космического полета.

Пример энергетических спектров частиц на орбитах КА

23

24 Солнечная активность

Солнечная активность

Факторы космического полета Солнечная активность.

Пример солнечно- циклических вариаций потоков протонов РПЗ с Е=80-215 МэВ на разных дрейфовых оболочках L (Huston, S. L., 1996)

http://radhome.gsfc.nasa.gov/radhome/papers/ slideshow10/SC_NSREC97/img001.gif

24

Интенсивность радиочастоты 10.7 гц

25 Вариации потоков ядер

Вариации потоков ядер

Факторы космического полета Солнечная активность.

Пример солнечно- циклических вариации потоков ядер гелия ГКЛ с энергией 70-95 МэВ/нуклон и чисел Вольфа в зависимости от календарного времени. Точки – экспериментальные данные спутника IMP-8.

25

26 Вариации потоков протонов

Вариации потоков протонов

Факторы космического полета Солнечная активность.

Солнечно- циклические вариации потоков протонов СКЛ (E>30 МэВ) и чисел Вольфа в зависимости от календарного времени

Пиковые потоки протонов СКЛ в зависимости от чисел Вольфа

26

27 Сравнение потоков ГКЛ и СКЛ

Сравнение потоков ГКЛ и СКЛ

Факторы космического полета Солнечная активность.

Сравнение потоков ГКЛ и СКЛ в межпланетном пространстве

Б)

А)

Дифференциальные энергетические спектры протонов (а) и поглощенные дозы (б), полученные по данным спутника IMP8 для периодов минимума (W<40) и максимума (W>145) солнечной активности с 1965 по 1997 г.г.

27

28 Вековой дрейф магнитного поля Земли

Вековой дрейф магнитного поля Земли

Факторы космического полета Вековой дрейф магнитного поля Земли.

Отношение потоков протонов с энергией более 40 МэВ, рассчитанное с использованием базы данных модели AP8MAX, для эпохи 1991 и 1970 г.г. над Бразильской аномалией на высоте 500 км. (Энциклопедия, 2000)

Энергетические спектры протонов на круговой орбите с высотой 500 км и наклонением 82 градуса, рассчитанные по модели для эпох 1970 и 2000 г.г.

28

29 Проникновение космических лучей в магнитосферу

Проникновение космических лучей в магнитосферу

Земли Функция проникновения частиц в точку.

Где RC(X)

Жесткость заряженной частицы

Функция проникновения в точку Х

Эффективная жесткость обрезания

Поток заряженных частиц в магнитосфере в точке X

Поток заряженных частиц в межпланетном пространстве

Массовое число частицы

Энергия на нуклон

Масса протона

Заряд частицы

29

30 Накопление поглощенной дозы

Накопление поглощенной дозы

Проникновение космических лучей в магнитосферу Земли Функция проникновения частиц в точку.

Накопление поглощенной дозы на станции «Мир при возникновении событий СКЛ в июле и ноябре 2000 г. в зависимости от времени с момента появления потоков СКЛ вблизи Земли.

Эффективная жесткость геомагнитного обрезания на орбите станции «Мир» в зависимости от времени полета

30

31 Время полета

Время полета

Проникновение космических лучей в магнитосферу Земли Функция проникновения частиц на орбиту.

Время полета

Энергетический спектр потока частиц космических лучей на орбите

31

32 Геомагнитная активность

Геомагнитная активность

Пример распределения потоков электронов в РПЗ, зарегистрированных на спутнике SAMPEX до и после магнитной бури 9-10 января 1997 г.

http://www.haystack.mit.edu/~jcf/jan97/sampex.gif

32

33 Перемещение космического аппарата в пространстве

Перемещение космического аппарата в пространстве

Пример распределения потоков протонов в околоземном пространстве

space-env.esa.int/EMA_Events/SPENVIS_WS2002/Proceedings/bourdarie.pdf

33

34 Примеры расчетных зависимостей

Примеры расчетных зависимостей

Перемещение космического аппарата в пространстве.

Примеры расчетных зависимостей потоков протонов (сплошные кривые) и электронов (пунктирные кривые) РПЗ на орбитах КА от времени полета

Орбита МКС, 400-450 км, 51 град.

Высокоэллиптическая орбита 500-40000 км, 63 град.

34

35 Примеры изменения частоты

Примеры изменения частоты

Перемещение космического аппарата в пространстве.

Примеры изменения частоты сбоев в микросхеме памяти (объем 16М) в зависимости от времени полета КА

Орбита международной космической станции H = 426 км, I= 51,6 градусов; Солнечносинхронная орбита H= 900 км, I= 97 градусов; Высокоэллиптическая орбита H= 500-40000 км, I= 63 градуса; Геостационаоная орбита H= 36000 км, I= 0 градусов

35

36 Конструкция КА

Конструкция КА

(защитные экраны).

Энергетические спектры протонов и вторичных нейтронов, возникающие за защитой при воздействии протонов ГКЛ и СКЛ.

36

37 Высокоэнергичные потоки частиц

Высокоэнергичные потоки частиц

Выводы к главе «Факторы космического полета».

В околоземном космическом пространстве существуют высокоэнергичные потоки частиц РПЗ, ГКЛ и СКЛ, которые необходимо учитывать при прогнозировании радиационной опасности на КА. Разработанные модели устанавливают энергетические спектры сглаженных (усредненных за несколько месяцев) потоков частиц с учетом влияния солнечной активности и позволяют прогнозировать вариации этих потоков, связанные с изменением положения КА в пространстве. Существующие ядерно-физические данные позволяют рассчитывать характеристики радиационной опасности для материалов и приборов, расположенных за защитными экранами внутри КА.

37

38 Схема компьютерного пакета программ

Схема компьютерного пакета программ

Прогнозирование радиационной опасности Схема компьютерного пакета программ.

Геоцентрические координаты КА

Геомагнитные координаты

Спектры частиц на орбите КА (РПЗ, ГКЛ, СКЛ)

Параметры орбиты и время полета КА

Модель геомагнитного поля

Модели потоков электронов и протонов РПЗ

Модели прохождения частиц за защиту

Спектры частиц за защитой (электроны, протоны, нейтроны, ионы)

Модель расчета дозы

Поглощенная и эквивалентная доза

Модель возникновения одиночных случайных эффектов

Частота сбоев в электронных приборах

Модель потоков частиц ГКЛ

Модель проникновения частиц КЛ на орбиты

Модель потоков частиц СКЛ

38

39 Модели радиационного окружения

Модели радиационного окружения

Прогнозирование радиационной опасности Модели радиационного окружения в интерактивных информационных системах.

Радиационное поле

Модель

Радиационный пояс Земли (протоны)

AP8-MIN; AP8-MAX

Радиационный пояс Земли (электроны)

AE8-MIN; AE8-MAX

Галактические космические лучи (протоны и ядра)

CREME96; Badhwar&O'Neill

Солнечные космические лучи (протоны)

JPL92

Солнечные космические лучи (ионы)

CREME96;

Информационные системы: CREME96 - http://creme96.nrl.navy.mil SPENVIS - http://www.spenvis.oma.be/spenvis SIREST - http://www.sirest.larc.nas.gov

39

40 Пример расчета эквивалентной дозы

Пример расчета эквивалентной дозы

Прогнозирование радиационной опасности Пример расчета эквивалентной дозы.

Полет на Марс

Орбита МКС

40

41 Пример расчета частоты ОСЭ

Пример расчета частоты ОСЭ

Прогнозирование радиационной опасности Пример расчета частоты ОСЭ.

Перемежающиеся отказы (сбои) в «типичной» микросхеме памяти

41

42 Пример расчета поглощенной дозы

Пример расчета поглощенной дозы

Прогнозирование радиационной опасности Пример расчета поглощенной дозы на круговых околоземных орбитах.

Поглощенная доза (10 лет) в зависимости от высоты круговой орбиты КА (защита 1 г/см2)

42

43 Пример расчета частоты

Пример расчета частоты

Прогнозирование радиационной опасности Пример расчета частоты (количества) одиночных случайных эффектов на круговых околоземных орбитах.

Количество одиночных отказов (10 лет) в микросхемах с Lс = 20 МэВ/(мг/см2) в зависимости от высоты круговой орбиты КА (защита 1 г/см2)

Частота одиночных сбоев в микросхемах памяти в зависимости от высоты круговой орбиты КА (защита 1 г/см2)

43

44 Прогнозирование радиационной опасности

Прогнозирование радиационной опасности

Выводы к разделу «Прогнозирование радиационной опасности».

Существующие интегрированные пакеты программ, разработанные с использованием моделей потоков частиц радиационного окружения и моделей радиационных эффектов, позволяют оперативно и с необходимой полнотой обеспечить количественную оценку радиационной опасности, ожидаемую на борту КА на заданной орбите и в заданный период времени.

44

45 Литература

Литература

45

«Аномалии на космических аппаратах»
http://900igr.net/prezentatsii/astronomija/Anomalii-na-kosmicheskikh-apparatakh/Anomalii-na-kosmicheskikh-apparatakh.html
cсылка на страницу
Урок

Астрономия

25 тем
Слайды
Презентация: Аномалии на космических аппаратах.ppt | Тема: Космические корабли | Урок: Астрономия | Вид: Слайды
900igr.net > Презентации по астрономии > Космические корабли > Аномалии на космических аппаратах.ppt