大型低轨道载人航天器电位主动控制

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1、航空学报May252016V01．37No．51563．1572ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaISSN1000．6893ON11．1929／Vhttp：Ehkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn大型低轨道载人航天器电位主动控制蒋锴*，王先荣，秦晓刚，杨生胜，杨威，史亮，李得天兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室，兰州730000摘要1采用高电压太阳电池阵供电系统的低轨道(LEO)大型航天器会收集周围空间环境电子电流，使其被充电到较高的负电位，从而对航天器交会对

2、接和航天员出舱产生严重的危害，因此对这种航天器表面电位进行主动控制可有效降低航天器运行风险和保障航天员安全。采用地面模拟试验的方法，利用空心阴极等离子体接触器发射电子的手段，模拟太空环境下对带负电航天器表面电位进行有效控制。研究结果表明，最小工质流率大于4．0sccIn时空心阴极发射的电子电流可以抵消航天器吸收的电子电流，实现航天器电位的自适应控制，将航天器表面电位钳制在20V之内；且随着氙气流率的增加，钳位电压会更小。这一方法将有效避免航天员出舱活动和航天器交会对接时的放电危险，对中国航天器带电效应防护具有很重要的意义。关键词：高

3、压太阳电池阵；载人航天器；空心阴极；电位主动控制；表面带电中图分类号：V416文献标识码：A文章编号：1000-6893(2016)05—1563—10航天器作为一个整体运行在空间中，其结构相对于空间等离子体存在一个电位。由于航天器结构相对空间相当于一个电容器，在空间带电环境作用下会收集电荷，使结构电位随之漂移。对于采用了高压能源系统的大型航天器，其结构电位会更高。采用高压大功率太阳电池阵的低轨航天器，将会产生太阳电池阵工作电压90％左右的结构电位[】≈]，当太阳电池阵上裸露的正电极电位高于等离子体电位时，航天器将从等离子体环境中吸

4、收电子，引起航天器结构电位(相对于空间等离子体)升高，在很小的暴露区域上将产生比较大的收集电流，从而导致高压太阳电池阵电流收集增强效应的发生。同时，尺寸较大的航天器，其结构切割地磁场也会在航天器的两端产生感应电势，这两种电位叠加在一起会造成大型航天器结构具有较高的电位，从而对舱外活动中的宇航员生命、空间交会对接、航天器热控系统和能源系统的安全产生重要影响[3‘4]，因此，必须对大型低轨道(LEO)航天器结构电位进行控制，以保障航天器各项任务的完成。国际空间站太阳电池阵供电电压为160V，在不采取任何电位控制措施的情况下，其本体电位会

5、达到～140～一120V，对空间站和航天员的安全造成极大威胁[5]。而在国际空间站运行过程中，发现其表面电位通常不会超过一25V，但是当空间站穿过地球阴影区时，则在数秒内充电至一70V左右，发生“快速充电事件”L6‘7J。因此，专门研制了等离子体接触器主动电位控制系统，通过向空间喷射等离子流产生电子电流通路使之维持在一40---．0V的安全范围内[5]。国际空间站受到切割磁感线产生的电势约为20V，若要控制国收稿日期：2015．06-01；退修日期：2015-07—24；录用日期：2015．10-26；网络出版时间：2015-11·

6、0214：32网络出版地址：www．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20151102．1432．002．hlmI*通讯作者Tel．：0931-4585530E-mail：jiangkai510@163．com戮用格武；蒋锴．王先荣．秦晓礤。等．大型低轨道载人航天器电位主动控钢EJj．航空学报。2016．37(5)：1563-1572．JIANGK。WANGxR．Q／NXG-eta1．LargemannedspacecraftwithactivepotentialcontrolatLEo[Jj．ActaA

7、eronauticaetAstronauticaSinica。2016。37(5)：1563-1572．航空学报May252016Y01．37No．5际空间站电势在40V(绝对值)的安全电压，电位主动控制器空心阴极等离子体接触器应将结构电位控制在20V以下[8]。中国低轨道载人航天器同样面临着带电引起的安全问题，但相关研究起步较晚。近年来，随着载人航天的发展和空间站的逐步建设，国内学者开始研究空间环境带电问题[9。1I，例如中国科学院空间中心的鲁文涛口嵋利用脉冲等离子体源对航天器表面电位主动控制进行了研究，但也没有在型号上得到具体应

8、用实例。本文利用空心阴极等离子体接触器发射电子的方法，研究低轨道载人航天器电位主动控制方法，为中国低轨道载人航天器表面电位控制提供重要参考。1电位主动控制机理分析在低轨等离子体环境中，存在大量低能量高密度等离子体，电子的密度和温度与离