CN104260905A - 一种航天器表面电位主动控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种航天器表面电位主动控制方法，通过发射正离子束修正航天器表面的电流平衡，降低航天器表面电位，避免不等量带电现象，也可减少光电子扰乱等离子体离子和电子测量的能量带，接近仪器测量限制的范围，提高测量的稳定性和准确性；电位主动控制方法可以同时控制正电位和负电位，因此具有更广泛的应用范围；在对负电位进行控制时，通过设置两个阈值，即预设表面电位下限值V2和预设电位V3，分别控制液态金属离子源的开机和关机，由于两个阈值之间有一定差值，液态金属离子源开机后，发射正离子流以提高表面电位，经过一段时间后表面电位达到预设电位V3，液态金属离子源关机，因此，该方法不会引起液态金属离子源的频繁开机，对延长其寿命提高稳定性具有重要作用。

Description

一种航天器表面电位主动控制方法
技术领域
本发明涉及航天器空间环境效应防护领域，尤其涉及一种航天器表面电位主动控制方法。
背景技术
航天器在轨运行期间，受空间等离子体、光照等空间环境影响，将产生表面电荷积累造成的带电现象。在地球阴影区，航天器表面电位有可能达到负的数千伏甚至上万伏；而在太阳光照条件下，受光电子发射影响，航天器光照表面的电位有可能达到正的数十伏。航天器表面带电现象会对其在轨安全稳定运行和探测数据的准确性造成严重影响：
(1)航天器表面不可避免的要采用多种不同特性的材料，这些材料的介电常数、二次电子发射系数、光电子发射系数等参数都存在差异，因此在同种环境下也会产生电位差；航天器表面经常使用介质材料，在航天器表面光照区和非光照区的同种介质材料也会存在电位差。当上述电位差达到一定程度时，可能会发生放电，击穿表面材料或者干扰航天器运行；
(2)航天器对空间环境尤其是等离子体环境进行精确测量时，要求航天器具有较低的电位，而航天器表面带电现象造成的表面电位会影响航天器周围等离子体的轨迹和能量，使等离子体分布函数变得扭曲，难以准确测量离子分布函数和低能电子谱。
我国航天器设计过程中采用了严格接地等措施来防止不等量带电现象的发生。但是随着我国各轨道航天器的尺寸增大、寿命延长、工作电压提高等影响，单纯接地措施已经越来越难以满足要求。尤其是各类空间环境探测卫星对航天器电位控制提出了近乎苛刻的要求，因此，有必要开发一种航天器表面电位控制方法。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种航天器表面电位主动控制方法，通过采用液态金属离子源向空间发射正离子流来控制航天器表面电位，避免不等量带电现象，提高测量的稳定性和准确性，并可同时控制表面正电位和负电位，具有广泛的应用前景。
为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
一种航天器表面电位主动控制方法，采用液态金属离子源对航天器表面电位进行控制，其中，所述液态金属离子源和航天器外表面均接地，但两者互相绝缘，该方法具体包括如下步骤：
(1)在航天器进入轨道阴影区之前，对所述液态金属离子源的固态金属进行预加热，使固态金属熔化并保持在熔融状态；
(2)当航天器进入轨道阴影后，实时获取航天器表面电位Vs；
(3)对航天器表面电位Vs进行实时判定：
当航天器表面电位Vs大于0并且大于预设的正电位限制值Vl时，执行步骤(4)-(5)；当航天器表面电位Vs小于0且小于预设的负电位下限值V2时，执行步骤(6)-(7)；其中，所述预设的负电位下限值V2取为航天器表面不发生放电的最低安全电位；
(4)控制液态金属离子源向远离航天器方向的空间发射正离子流；
(5)当航天器表面电位Vs达到或小于预设的正电位限制值Vl时，控制液态金属离子源停止发射正离子流，判断航天器是否离开轨道阴影区：如果未离开，返回步骤(2)；如果离开轨道阴影区，执行步骤(8)；
(6)将液态金属离子源的接地断开，同时控制液态金属离子源向远离航天器方向的空间发射正离子流；
(7)当航天器表面电位Vs达到或大于预设的负电位V3时，控制液态金属离子源停止发射正离子流，并恢复液态金属离子源接地；判断航天器是否离开轨道阴影区：如果未离开，返回步骤(2)；如果离开轨道阴影区，执行步骤(8)；所述预设的负电位V3大于预设的负电位下限值V2；
(8)停止对液态金属离子源加热，由此完成对航天器表面电位的主动控制。
所述金属离子源的固态金属采用金属铟时，预加热温度控制在180℃至200℃的范围内。
所述液态金属离子源的数量为1个或者大于1个。
所述预设负电位V3根据航天器在轨道阴影区的飞行时间以及航天器表面电位的变化速度确定，其大小保证航天器在轨道阴影区运行过程中，其表面电位不会再次下降到预设表面电位下限值V2。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明通过发射正离子束修正航天器表面的电流平衡，降低航天器表面电位，避免不等量带电现象，也可减少光电子扰乱等离子体离子和电子测量的能量带，接近仪器测量限制的范围，提高测量的稳定性和准确性；
(2)本发明的电位主动控制方法可以同时控制正电位和负电位，因此具有更广泛的应用范围；
(3)在对负电位进行控制时，通过设置两个阈值，即预设表面电位下限值V2和预设电位V3，分别控制液态金属离子源的开机和关机，由于两个阈值之间有一定差值，液态金属离子源开机后，发射正离子流以提高表面电位，经过一段时间后表面电位达到预设电位V3，液态金属离子源关机，因此，该方法不会引起液态金属离子源的频繁开机，对延长其寿命提高稳定性具有重要作用。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明的一种航天器表面电位主动控制方法，采用液态金属离子源对航天器表面电位进行控制，其中，液态金属离子源是由场致发射和电流体理论相结合而开发的一种离子源，广泛应用在微分析(形貌观察、成分分析等)、微加工(薄膜沉积、无掩膜刻蚀等)、电子工业(半导体器件加工、集成电路修整等)等领域。典型的液态金属离子源主要由发射极、液态金属贮存池和离子引出电极组成。其发射原理是液态金属通过表面张力流动到发射极尖端(0.5～5μm)，在引出电极上加数千伏的电压，由表面张力和电场相互作用，在发射极尖端会液态金属会形成锥形(尖端～5nm)，称为泰勒锥。当电场达到约1010V/m时，锥形液态金属尖端发生场致发射产生离子束流。
本发明的液态金属离子源固定在航天器的外表面，液态金属离子源和航天器外表面均接地，但两者互相绝缘，该方法具体包括如下步骤：
(1)在航天器进入轨道阴影区之前，对所述液态金属离子源的固态金属进行预加热，使固态金属熔化并保持在熔融状态；
(2)航天器进入轨道阴影区之后，实时获取航天器表面电位Vs；
(3)对航天器表面电位Vs进行实时判定：
当航天器表面电位Vs大于0并且大于预设的正电位限制值Vl时，执行步骤(4)-(5)；预设的正电位限制值Vl根据航天器的任务要求确定，其值要保证在仪器测量限制的范围内。
当航天器表面电位Vs小于0且小于预设的负电位下限值V2时，执行步骤(6)-(7)；其中，所述预设的负电位下限值V2取为航天器表面不发生放电的最低安全电位；
(4)控制液态金属离子源向远离航天器方向的空间发射正离子流，降低航天器表面的正电位；
(5)当航天器表面电位Vs降低到或小于预设的正电位限制值Vl时，控制液态金属离子源停止发射正离子流，判断航天器是否离开轨道阴影区：如果未离开，返回步骤(2)，继续监测表面电位并进行电位控制；如果离开轨道阴影区，执行步骤(8)；
(6)将液态金属离子源的接地断开，同时控制液态金属离子源向远离航天器方向的空间发射正离子流，由于航天器表面为负电位，发射的正离子流在引力作用下会回到航天器表面，由于液态金属离子源接地断开，并和航天器表面绝缘，发射正离子流并不会聚集电子，因此，回落的正离子中和了航天器表面的负电荷，由此提高了航天器表面电位；
(7)当航天器表面电位Vs逐渐升高到预设负电位V3时，控制液态金属离子源停止发射正离子流，并恢复液态金属离子源接地；
判断航天器是否离开轨道阴影区：如果未离开，返回步骤(2)，继续监测表面电位，并进行电位控制；如果离开轨道阴影区，执行步骤(8)；为避免液态金属离子源频繁开机，所述预设负电位V3要大于预设的负电位下限值V2；为了延长液态金属离子源的使用寿命，要尽量减少液态金属离子源的开关机次数，因此预设负电位V3的大小要尽量保证航天器在轨道阴影区运行过程中，其表面电位不会再次下降到预设的负电位下限值V2，如此，液态金属离子源只需开关机一次即可将表面电位升高到安全值，反之，如果预设负电位V3达不到上述要求，当液态金属离子源发射正离子，表面电位升高，当达到预设负电位V3，液态金属离子源关机，由于航天器还没离开轨道阴影区，表面电位会继续下降，在飞出阴影区之前还有可能下降到预设的负电位下限值V2，这时还需要打开液态金属离子源，以升高表面电位。本发明中可根据航天器在阴影区的飞行时间，以及航天器表面电位的变化速度，计算出预设的负电位V3，使其满足上述要求。
(8)航天器离开轨道阴影区后，停止对液态金属离子源加热，由此完成对航天器表面电位的主动控制。
在本发明中，液态金属离子源选用金属铟。铟的熔点156.6℃，具有高的原子量，低电离能和好的润湿性，安全可靠，可在大气中处理。采用钨针作为发射尖，尖端半径3μm。采用脉冲控制加热液态金属，铂金电阻温度计(阻值100W)作为加热器和温度传感器。安装4个液态金属离子源。引出电极为同一电极。工作时开启一个液态金属离子发射器，其选择依据加热温度和每个发射器的已工作时间。
铟液态金属离子源电位主动控制工作时，先开启电压为30V的加热电源将液态金属加热在到180～200℃之间，通过表面电位检测仪监测表面电位，当表面电位大于预置电位时，开启点火电源，实际点火电压<8kV，点火成功后，实际运行电压<7kV；监测到离子能量为5～10keV，单个发射器离子束流为10～100μA，典型20μA时工作电压为6kV。通过实时检测表面电位，当表面电位降到预置电位时点火高压电源断电，液态金属离子发射器关闭，从而实现对表面正电位的主动控制。
为在地面验证此电位主动控制方法控制航天器表面正电位的有效性，以正电位控制为例，在装有太阳模拟器的真空系统中，安装液态金属离子源，作为简单模拟空间环境航天器充电电位主动控制试验。简要步骤如下：
1)将真空系统抽真空到10-5Pa以下；
2)打开液态金属离子源加热电源，使液态金属温度达到180℃至200℃；
3)打开太阳模拟器模拟空间环境充电，实时检测表面电位；
4)当表面电位达+40V时，开启液态金属离子源工作；
5)发射离子束流设定在20μA，可迅速将表面电位降低到2V以下。
通过以上举例和试验验证为例，说明此方法能够有效实现航天器表面电位的主动控制。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种航天器表面电位主动控制方法，其特征在于，采用液态金属离子源对航天器表面电位进行控制，其中，所述液态金属离子源和航天器外表面均接地，但两者互相绝缘，该方法具体包括如下步骤：
(1)在航天器进入轨道阴影区之前，对所述液态金属离子源的固态金属进行预加热，使固态金属熔化并保持在熔融状态；
(2)当航天器进入轨道阴影后，实时获取航天器表面电位Vs；
(3)对航天器表面电位Vs进行实时判定：
当航天器表面电位Vs大于0并且大于预设的正电位限制值Vl时，执行步骤(4)-(5)；当航天器表面电位Vs小于0且小于预设的负电位下限值V2时，执行步骤(6)-(7)；其中，所述预设的负电位下限值V2取为航天器表面不发生放电的最低安全电位；
(4)控制液态金属离子源向远离航天器方向的空间发射正离子流；
(5)当航天器表面电位Vs达到或小于预设的正电位限制值Vl时，控制液态金属离子源停止发射正离子流，判断航天器是否离开轨道阴影区：如果未离开，返回步骤(2)；如果离开轨道阴影区，执行步骤(8)；
(6)将液态金属离子源的接地断开，同时控制液态金属离子源向远离航天器方向的空间发射正离子流；
(7)当航天器表面电位Vs达到或大于预设的负电位V3时，控制液态金属离子源停止发射正离子流，并恢复液态金属离子源接地；判断航天器是否离开轨道阴影区：如果未离开，返回步骤(2)；如果离开轨道阴影区，执行步骤(8)；所述预设的负电位V3大于预设的负电位下限值V2；
(8)停止对液态金属离子源加热，由此完成对航天器表面电位的主动控制。
2.如权利要求1所述的一种航天器表面电位主动控制方法，其特征在于，在所述(1)中，所述金属离子源的固态金属采用金属铟时，预加热温度控制在180℃至200℃的范围内。
3.如权利要求1所述的一种航天器表面电位主动控制方法，其特征在于，所述液态金属离子源的数量为1个或者大于1个。
4.如权利要求1所述的一种航天器表面电位主动控制方法，其特征在于，所述预设负电位V3根据航天器在轨道阴影区的飞行时间以及航天器表面电位的变化速度确定，其大小保证航天器在轨道阴影区运行过程中，其表面电位不会再次下降到预设表面电位下限值V2。
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