一种航天器表面电位主动控制系统技术方案

本发明专利技术提供了一种航天器表面电位主动控制系统，通过采用液态金属离子发射器向空间发射正离子流来修正航天器表面的电流平衡，控制航天器表面电位，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；本发明专利技术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；本发明专利技术的控制系统通过采用液态金属离子发射器对航天器表面电位进行控制，从卫星电源获得加热和高压供电，因此本系统具有结构简单，易于实现的特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及航天器空间环境效应防护领域，尤其涉及一种航天器电位主动控制系统。
技术介绍
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系统。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种航天器表面电位主动控制系统，通过采用液态金属离子发射器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，本专利技术是这样实现的：一种航天器电位主动控制系统，包括控制单元、电源单元、表面电位监测探头以及液态金属离子发射器；所述控制单元分别与电源单元、表面电位监测探头以及液态金属离子发射器相连；所述电源单元分别与液态金属离子发射器和航天器中的卫星电源相连；所述表面电位监测探头固定在航天器表面，用于实时采集航天器表面的电位，并将电位信号发送给所述控制单元；所述液态金属离子发射器固定在航天器表面，液态金属离子发射器和航天器外表面均接地，两者互相绝缘；液态金属离子发射器用于向航天器所在的空间发射正离子流，同时，将其内部金属池的温度信号至所述控制单元；所述电源单元根据所述液态金属离子发射器的供电需求，将来自卫星电源的供电进行转换，并根据从控制单元接收的控制信号对液态金属离子发射器的固态金属提供加热供电或对液态金属离子发射器的引出极提供高压供电；所述控制单元根据从液态金属离子发射器接收的温度信号，向所述电源单元发送控制信号，控制电源单元开始或结束对固态金属的加热供电，使金属池中的金属维持熔融状态；所述控制单元根据从所述表面电位监测探头接收的电位信号，向所述电源单元发送控制信号：当电位信号高于预设电位范围时，向电源单元发送开始高压供电控制信号；当电位信号等于或低于预设电位范围时，向电源单元发送结束高压供电控制信号，由此实现对航天器表面电位的主动控制。所述控制单元对航天器表面电位的主动控制包括对正电位的控制和对负电位的控制：对正电位进行主动控制时：当判定航天器表面电位Vs大于预设正电位Vl时，向所述电源单元发送开始高压供电控制信号；当航天器表面电位Vs达到或小于预设正电位Vl时，向所述电源单元发送停止高压供电控制信号；对负电位进行主动控制时：当判定航天器表面电位Vs小于预设的负电位下限值V2时，控制单元将液态金属离子发射器的接地断开，并同时向所述电源单元发送开始高压供电控制信号；当判定航天器表面电位Vs达到或大于预设负电位V3时，向所述电源单元发送停止高压供电控制信号；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；所述预设负电位V3大于预设的负电位下限值V2。所述液态金属离子发射器中的金属选用金属铟。所述液态金属离子发射器向控制单元实时反馈加载在液态金属离子发射器的引出极上的电压；所述控制单元将反馈的引出极加载电压与向电源单元输出的所述电压值进行比较，一次判断电源单元是否处于正常工作状态。所述控制单元还与航天器的卫星电源相连，用于对自身和表面电位监测探头进行供电。所述控制单元还与航天器的开关机控制设备相连，用于接收航天器的开关机信号，在接收到航天器的开机信号后，才开始对电源单元进行控制。所述控制单元还分别与航天器的通信总线相连，将航天器表面的电位信号上传至航天器。本专利技术具有如下有益效果：(1)本专利技术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)本专利技术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)本专利技术的控制系统通过采用液态金属离子发射器对航天器表面电位进行控制，从卫星电源获得加热和高压供电，因此本系统具有结构简单，易于实现的特点。附图说明图1为本专利技术的控制系统的结构示意图。图2为本专利技术的控制系统的原理图。其中，1-表面电位监测探头，2-液态金属离子发射器，3-控制单元，4-电源单元。具体实施方式下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述。本专利技术的一种航天器电位主动控制系统，如图1和2所示，包括控制单元、电源单元、表面电位监测探头以及液态金属离子发射器；控制单元分别与电源单元、表面电位监测探头以及液态金属离子发射器相连；电源单元分别与液态金属离子发射器和航天器中的卫星电源相连；表面电位监测探头固定在航天器表面，用于实时采集航天器表面的电位，并将电位信号发送给控制单元；液态金属离子发射器固定在航天器表面，液态金属离子发射器和航天器外表面均接地，两者互相绝缘；液态金属离子发射器用于向航天器所在的空间发射正离子流，同时，将其内部金属池的温度信号至控制单元；电源单元根据液态金属离子发射器的供电需求，将来自卫星电源的供电进行转换，并根据从控制单元接收的控制信号对液态金属离子发射器的固态金属提供加热供电或对引出极提供高压供电；控制单元根据从液态金属离子发射器接收的温度信号，向电源单元发送控制信号，控制电源单元开始或结束对固态金属的加热供电，使金属池中的金属维持熔融状态；控制单元根据从表面电位监测探头接收的电位信号，向电源单元发送控制信号：当电位信号高于预设电位时，向电源单元发送开始高压供电控制信号；当电位信号等于或低于预设电位时，向电源单元发送结束高压供电控制信号，由此实现对航天器表面电位的主动控制。其中，控制单元对航天器表面电位的主动控制包括对正电位的控制和对负电位的控制：对正电位进行主动控制时：当判定航天器表面电位Vs大于预设正电位Vl时，向电源单元发送开始高压供电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种航天器电位主动控制系统，其特征在于，包括控制单元、电源单元、表面电位监测探头以及液态金属离子发射器；所述控制单元分别与电源单元、表面电位监测探头以及液态金属离子发射器相连；所述电源单元分别与液态金属离子发射器和航天器中的卫星电源相连；所述表面电位监测探头固定在航天器表面，用于实时采集航天器表面的电位，并将电位信号发送给所述控制单元；所述液态金属离子发射器固定在航天器表面，液态金属离子发射器和航天器外表面均接地，两者互相绝缘；液态金属离子发射器用于向航天器所在的空间发射正离子流，同时，将其内部金属池的温度信号至所述控制单元；所述电源单元根据所述液态金属离子发射器的供电需求，将来自卫星电源的供电进行转换，并根据从控制单元接收的控制信号对液态金属离子发射器的固态金属提供加热供电或对液态金属离子发射器的引出极提供高压供电；所述控制单元根据从液态金属离子发射器接收的温度信号，向所述电源单元发送控制信号，控制电源单元开始或结束对固态金属的加热供电，使金属池中的金属维持熔融状态；所述控制单元根据从所述表面电位监测探头接收的电位信号，向所述电源单元发送控制信号：当电位信号高于预设电位范围时，向电源单元发送开始高压供电控制信号；当电位信号等于或低于预设电位范围时，向电源单元发送结束高压供电控制信号，由此实现对航天器表面电位的主动控制。...

【技术特征摘要】
1.一种航天器电位主动控制系统，其特征在于，包括控制单元、电源单元、
表面电位监测探头以及液态金属离子发射器；所述控制单元分别与电源单元、
表面电位监测探头以及液态金属离子发射器相连；所述电源单元分别与液态金
属离子发射器和航天器中的卫星电源相连；
所述表面电位监测探头固定在航天器表面，用于实时采集航天器表面的电
位，并将电位信号发送给所述控制单元；
所述液态金属离子发射器固定在航天器表面，液态金属离子发射器和航天
器外表面均接地，两者互相绝缘；液态金属离子发射器用于向航天器所在的空
间发射正离子流，同时，将其内部金属池的温度信号至所述控制单元；
所述电源单元根据所述液态金属离子发射器的供电需求，将来自卫星电源
的供电进行转换，并根据从控制单元接收的控制信号对液态金属离子发射器的
固态金属提供加热供电或对液态金属离子发射器的引出极提供高压供电；
所述控制单元根据从液态金属离子发射器接收的温度信号，向所述电源单
元发送控制信号，控制电源单元开始或结束对固态金属的加热供电，使金属池
中的金属维持熔融状态；
所述控制单元根据从所述表面电位监测探头接收的电位信号，向所述电源
单元发送控制信号：当电位信号高于预设电位范围时，向电源单元发送开始高
压供电控制信号；当电位信号等于或低于预设电位范围时，向电源单元发送结
束高压供电控制信号，由此实现对航天器表面电位的主动控制。
2.根据权利要求1所述的一种航天器电位主动控制系统，其特征在于，所
述控制单元对航天器表面电位的主动控制包括对正电位的控制和对负电位的控
制：
对正电位进行主动控制时：当判定航天器表面电位Vs大于预设正电位Vl

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋锴，秦晓刚，王先荣，杨生胜，史亮，王鷁，李得天，
申请(专利权)人：兰州空间技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：甘肃;62