[0001] 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。

[0002] 引言

[0003] 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(solar energetic particles，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。

[0004] 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。

[0005] 现有技术讨论

[0006] 例如，在Levy和French的“Plasma radiation shield-Concept and application to space vehicles”(J.of Space Craft and Rockets，5，570-577，1968)中以及在Cocks J.，Watkins S.A.等人(J.of the British inter.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。

[0007] 近来，R.Bamford等人(Plasma Phys.Control.Fusion 50，2008)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。

[0008] 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。

[0028] 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。

[0029] 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。

[0030] 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。

[0031] 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1×10-4-7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 特斯-8 -6
拉(可能在5×10 到5×10 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。

[0032] 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-71×10 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
6+ 7+ 8+
的重阿尔法粒子和更高质量离子(例如C ，N ，O )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。

[0033] 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。

[0034] 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。

[0035] 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。

[0036] 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。

[0037] 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。

[0038] 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。

[0039] 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。

[0040] 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。

[0041] 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。