第一环节：空间辐射环境及效应原理

本环节为原理学习，分为2个步骤，目的为学生通过学习掌握辐射效应、原理及与辐射环境的关联性、防护的原理和规则，主要包括：

1  空间辐射环境学习：让学生掌握空间辐射环境的特征，归纳其轨道分布特征；

2  辐射效应原理学习：让学生掌握效应与防护的原理，掌握效应其与辐射环境参数的关系，防护设计的一般性规则和要求。

步骤1：空间辐射环境及效应学习

本步骤包括两个学习场景，日地空间辐射环境、卫星器件及材料，学生点击选取不同的空间辐射效应进行学习。学生依次点击“总剂量效应”、“单粒子效应”、“深层充电效应”和“位移损伤效应”，可点击对应效应的高亮的辐射类型如“银河宇宙线”、“太阳宇宙线”等。

学生在对应效应的界面上学习效应的卫星失效效果、学习效应类型及原理，学习导致效应的辐射类型特征（太阳宇宙线、银河宇宙线和地球辐射带）。 通过本步骤学生可掌握空间辐射环境-星上器件效应在参数上的关联。

在这个步骤效应与辐射环境有关联对应关系，学生要注意学习引起每种效应的对应辐射环境来源，并捋清楚其分布及粒子组成、能谱等特征。

图10 空间辐射环境与效应认知界面

图11 效应现象展示页面

步骤2：完成本环节考核

点击“环节考核”按钮，完成答题。

学生在“环节考核”进行答题，考核学生的基础专业知识。

考核环节：由系统随机给出5道选择题或判断题，提交通过后可进入下一环节。

图12第一环节考核界面

环节二：空间辐射效应规律与风险评估

在本环节，包括步骤3-14共12个实验步骤，卫星在轨运行面临的辐射环境与所处轨道位置、与屏蔽、与星上所用器件和材料息息相关，通过本环节的探究实验，根据辐射环境的分布规律，将参数简化为：圆轨道条件下的高度、倾角、屏蔽厚度和星上器件参数，掌握辐射效应随以上参数的规律性分布特性，主要包括：

1）获得卫星在不同轨道高度的辐射效应，通过辐射效应在不同高度对比，让学生掌握各类辐射效应的计算方法和强弱随高度的变化规律；

2）获得卫星在不同轨道倾角的辐射效应，通过辐射效应在不同倾角对比，让学生掌握各类辐射效应的计算方法和强弱随倾角的变化规律；

3）采用等效铝屏蔽的方法对辐射进行防护，获取辐射效应随屏蔽厚度变化曲线，通过屏蔽厚度对比实验，让学生掌握各类辐射效应的计算方法和强弱随屏蔽厚度变化规律；

4）获得星上不同器件和材料的辐射效应，让学生掌握辐射效应随器件和材料关键参数的计算方法和变化规律。

步骤3：计算不同高度条件下的辐射环境曲线

在预置卫星轨道为圆轨道、倾角为0°、无屏蔽的情况下，学生输入不同卫星轨道高度数值(400~36500km)，点击运行进行仿真计算。预设数值的高度为800、2000、7000、15000和33000km五个高度。

界面展示卫星在不同的轨道绕地球运行，其运行轨迹以及实时的位置参数和界面绘制不同辐射环境参数曲线，学生可设置5个轨道高度，运行完毕后，学生可查看对比不同轨道高度辐射环境参数曲线。

注意事项：学生选择的高度范围应涵盖低轨、中轨和高轨范围。

图13 轨道高度输入界面

图14 环境随轨道高度变化的运行界面

步骤4：计算不同高度条件下的卫星辐射效应值

在步骤三获得的辐射环境曲线基础上，可进一步点击计算获得不同轨道的星上器件和材料的对应效应数值大小。同时点击“单粒子效应计算”、“深层充电效应计算”、“总剂量计算”、“位移损伤效应计算”按钮，学生可获得每种效应的详细计算模型及过程。

在计算结果界面会向学生展示不同轨道的效应数值对应大小及其详细的计算过程。学生可以判断辐射效应与环境之间的关联规律。

图15 环境-效应转换界面

步骤5：查看总结实验结果

点击星下点轨迹，查看实验的星下点轨迹图，核实其轨道曲线；点击实验记录，查看不同轨道星下点轨迹，整理效应具体数值及曲线，总结其规律变化，点击风险评估按钮，评估其故障风险。

学生可查阅星下点轨迹图，确定轨道的正确性；根据实验结果总结规律性变化和评估风险

注意事项：界面只记录学生最新5次运算结果，不同的运算学生应总结记录

图17 星下点轨迹显示界面

图18 实验记录界面-轨道高度

图19 椭圆轨道高度界面

步骤6：计算不同倾角时的辐射环境曲线

在预置卫星轨道为圆轨道、轨道高度为10000km、无屏蔽的情况下，学生输入不同卫星轨道倾角数值(0~180°)，点击运行进行仿真计算

界面展示卫星的轨道，卫星运行的实时位置参数，并获得不同辐射环境参数曲线，卫星依次运行5次，学生查看对比不同轨道高度辐射环境参数曲线。

要注意倾角的范围为（0~90°），应覆盖大范围的倾角，以总结规律。

图20 轨道倾角输入界面

图21 环境随轨道倾角变化的运行界面

步骤7：计算不同轨道倾角时的卫星辐射效应值

在步骤六获得的辐射环境曲线基础上，可进一步点击计算获得不同轨道倾角的星上器件和材料的对应效应数值大小。同时点击“单粒子效应计算”、“深层充电效应计算”、“总剂量计算”、“位移损伤效应计算”按钮，学生可获得每种效应的详细计算模型及过程。

界面展示不同卫星轨道环境对应的辐射效应值的大小，展示其计算过程。学生应总结规律。

图22 环境-效应转换界面

步骤8：查看总结实验结果

点击星下点轨迹，查看实验的星下点轨迹图，核实其轨道曲线；点击实验记录，整理不同轨道倾角的效应具体数值及曲线，总结其规律变化，点击风险评估按钮，评估其故障风险。

学生在实验记录中，可以查看倾角实验结果，并总结规律

注意：一次实验系统记录5次最新实验结果，超过5次的有用数据，学生需记录。

图23 不同轨道的星下点轨迹图

图24 实验记录界面-轨道倾角

步骤9：计算屏蔽厚度条件下的辐射环境曲线

在已计算的轨道高度，倾角为0°的情况下，学生输入5个不同等效铝屏蔽厚度数值，点击运行进行仿真计算。预设等效屏蔽厚度参数为：0,2,6,10,15g/cm².

卫星运行5次，显示卫星轨道、实时轨道位置参数信息，并获得不同辐射环境参数曲线，学生对比整理不同轨道高度辐射环境参数曲线。

注意:等效屏蔽厚度范围为：(0~20g/cm²)

图25 环境随屏蔽厚度倾角变化的运行界面

图26 屏蔽厚度输入及运行界面

步骤10：计算不同屏蔽厚度条件下的卫星辐射效应值

在步骤就获得的辐射环境曲线基础上，可进一步点击计算获得屏蔽厚度屏蔽后的星上器件和材料的对应效应数值大小。同时点击“单粒子效应计算”、“深层充电效应计算”、“总剂量计算”、“位移损伤效应计算”按钮，学生可获得每种效应的详细计算模型及过程。

界面展示不同卫星轨道环境对应的辐射效应值的大小，展示其计算过程。学生应总结规律。

图27 环境-效应转换界面

步骤11：查看总结实验结果

点击实验记录，整理不同轨道倾角的效应具体数值及曲线，总结其规律变化，点击风险评估按钮，评估其故障风险。

学生在实验记录中，可以查看等效屏蔽厚度实验结果，并总结规律

注意：一次实验系统记录5次最新实验结果，超过5次的有用数据，学生需记录。

图28 实验记录界面-屏蔽厚度

步骤12：器件及材料参数影响

学生输入近地点、远地点，在倾角为0°、无屏蔽情况下，首先查看星上主要器件MOSFET、SRAM、CCD和介质材料针对总剂量、单粒子、位移损伤和深层充电效应的关键参数，学生选择对应的器件/材料，拖到对应的类别框中，点击运行

学生可查看到卫星的运行轨道、实时轨道位置参数和卫星所面临的辐射环境及星上器件的效应值。

图29 器件及材料参数选择界面

图30 环境-效应转换界面

步骤13：对比器件与材料不同参数的效应数值

重复步骤12的操作，在器件库中挑选其它器件进行实验

可获取在同一个轨道条件下同一类型不同器件的效应数值，也可获得不同轨道在同一星上器件的辐射效应数值。

注意这里可同时选定不同器件和不同的轨道，学生在实验记录中，一次实验系统记录5次最新实验结果，超过5次的有用数据，学生需记录。

图31 实验记录界面-材料参数

步骤14：生成环节实验报告

完成实验步骤3-13后，学生点击实验记录，生成实验报告，提交系统，系统根据实验的完整性、结果总结的准确性给出环节考核分数。

    注意：如果在高度、倾角和屏蔽厚度选择上不合适，则获得的结果无法总结规律。

环节三：空间辐射防护实践设计

在本环节，包括步骤15-19共5个实验步骤，学生运用在第二个环节辐射环境及效应的规律和风险评估结论，在本环节学生完成卫星失效任务实践和卫星场景任务设计两项内容，目的是考察学生将所学知识运用到实际的航天工程实践，通过优化轨道、优选器件和材料、合理运用屏蔽设置的方式，在最低经济耗费情况下卫星运行达到设计寿命。

步骤15

学生选择系统设定实践案例，按要求输入案例卫星轨道参数（近地点、远地点、倾角），查阅资料输入太阳活动参数、关键器件的参数，计算卫星运行计算实时和累积的辐射效应值。学生根据卫星的故障报警，选择对应器件进行故障处理：检查器件参数，更换器件或者增加屏蔽厚度。根据学生要应对的效应和更换的器件参数，系统判定处理是否合理。驱动模型、装载新的器件进行实验。

具体案例：银河-15通信卫星故障（高能单子导致的深层充电效应）

事件详情：2010时4月5日09时48分，国际通信卫星组织（IntelSat）宣布所属的银河-15卫星发生故障，相关的业务转向银河-12卫星。

注意：设计时，应充分总结第二环节的规律，如果其它器件选择不合理，则会产生其它的故障失效方式。

图32 案例介绍界面

步骤16

实验结束，系统判定故障处理是否成功，如果失败系统给出卫星失效画面，学生根据系统给出的效应数值，重新排除故障，重新设计，运行。

如果设计成功，学生可查看设计评分，可以重新设计进行优化，也可以完成实验，提交实验结果。

注意：可根据系统提示的分数，进行优化。

图33 银河-15卫星历史运行及环境界面

图34 任务重新设计页面

步骤17

学生领取卫星任务，系统任务分为低轨、中轨、高轨三个卫星任务，分别对应不同的要求和难度。领取任务后，学生根据任务要求输入轨道参数、倾角和设计寿命；选定星上所用器件及材料，确定屏蔽厚度，系统给出设计总费用。点击运行，卫星绕地球根据轨道参数运动，实时显示位置参数等并获得轨道辐射环境曲线。

图36 领取任务及运算环境页面

图37 任务设计完毕运行页面

步骤18

卫星在轨运行，若设计失败，则卫星报警显示设计失败，查看任务设计实验报告，显示任务参数，点击可查看详细的参数和故障器件及效应数值，分析故障参数，并重复17的设计步骤重新设计运行。若成功，查看任务设计实验报告及成绩，可选择优化设计或提交实验设计。

注意：故障发生后，学生可从更换器件、优化轨道、增加屏蔽三个方面考虑其优化设计方案。

图38 卫星防护失败示意图

图39 防护结果界面

步骤19：实验结束，返回大厅，查阅实验报告。

学生确定实验分数，并再次检查是否需要优化设计步骤。

图40 返回主页面，提交实验报告