基于中性气体释放的航天器电位主动控制方法与流程

本发明属于航天器电位控制与防护设计技术领域，具体涉及一种基于中性气体释放的航天器电位控制方法。

背景技术：

在空间运行的航天器与周围等离子体、高能带电粒子、磁场和太阳辐射等环境因素的相互作用，导致电荷在航天器上积累，使航天器与空间等离子体间或航天器不同部位间出现相对电位差。当电位差太高时，会导致静电放电事件发生，干扰航天器与地面通讯，甚至造成航天器飞行任务的失败；此外，如果采用静电放电，则会使航天器表面材料产生物理损伤，导致其功能衰退。

[1]目前，控制航天器电位的方法通常分为两类：一类是被动式控制，一类是主动式控制。被动式控制(Lai S T.A Critical Overview on Spacecraft Charging Mitigation Methods[J].IEEE Transactions on Plasma Science,2003,V31(6):1118-1124)包括尖端放电法、二次电子抑制带电法；主动式控制(张书锋,路润喜.航天器主动电位控制.2008年计量与测试学术交流会论文集[C].2008:233-236)包括发射电子束、发射电子束、发射低能等离子体束等。被动式控制的几种方式具体阐述如下：

1、尖端放电法

在航天器的带电结构体上插入金属尖端，当结构体电位升高时，尖端的电场也随之增强，当电场增强到一定值时，金属尖端就会产生场致发射，将多余电子释放并使导体表面电位降低。

2、二次电子抑制带电法

材料的二次电子发射系数δ被定义为当材料受到入射粒子轰击时，激发的二次电子与入射粒子的数量之比。当航天器表面使用二次电子发射系数较高(δ>1)的材料时，当受到入射电子轰击时，二次电子带走的负电荷与航天器表面积累的电荷抵消，达到降低电位的目的。

主动式控制的几种方式具体阐述如下：

1、发射电子束

由于电子带走了负电荷，将使航天器带正电或者使航天器表面所带的负电位部分放电或完全放电。放电的程度取决于束流、能量和周围的环境条件。但电子束流过大会引起卫星的不等量充电。因此，这种放电方式的效率比较低。

2、发射离子束

直觉地看，发射离子束会使卫星表面的负电位更负，但是，在SCATHA卫星的试验中观察到，发射低能的离子束也可使卫星表面的负电位放电(由于低能离子被负电位吸引返回卫星表面，中和了负电位)。

3、发射低能等离子体束

这种发射方式要比发射单一的电子束或单一的低能离子束更有效地使卫星表面的负电荷放掉。这一现象在后来的ATS-6卫星上得到证实。也被后来的同步卫星DSCS电荷控制实验所证实。

上述各方法虽不乏成功应用的案例，但都有一定的应用局限性，而基于中性气体释放的航天器电位主动控制方法有效性高，简单易于操作，能够显著降低航天器的电位。

技术实现要素：

经过不懈的研究，本发明人出乎意料地发现利用中性气体的释放以及对喷气速率的控制，显著地降低了航天器的电位。因此，本发明的目的是利用 中性气体低气压放电的汤森模型，提供一种基于中性气体释放的航天器电位主动控制方法，将航天器电位控制在安全水平。

本发明的技术方案如下：

一种基于中性气体释放的航天器电位主动控制方法，包括如下步骤：

1)将中性气体的气瓶、放气电磁阀和喷管依次通过气体管路连接，使储存在气瓶的中性气体通过放气电磁阀流到喷管；喷管靠近且对准航天器的高压带电部件；喷管喷出的中性气体在高压带电部件与周围空间等离子体环境形成的强电场下发生汤森放电；放气电磁阀通过控制电路与电位探针进行电连接，电位探针位于航天器高压带电部件的表面并对电位进行监测，电位探针和控制电路对高压带电部件的电位进行实时监测，电位探针将监测的电压以电信号的方式传递给控制电路，用于控制电磁放气阀的开启和闭合。

其中，中性气体为惰性气体，包括氦气、氩气和氖气等。

其中，喷管为拉瓦尔喷管。

其中，气体喷射速率为超音速。

其中，中性气体来自航天器用于姿态控制或助推器产生的气体。

其中，喷管与高压带电部件的距离保持为10cm。

其中，当电位探针监测到航天器高压带电部件的电压超过安全阀值时，控制电路控制电磁放气阀开启，通过喷气使高压带电部件放电，直至电位探针监测到高压带电部件的电位下降到安全水平以下时，电位探针将电信号传递给控制电路，控制电路控制电磁放气阀关闭，停止喷气，电位探针和控制电路对高压带电部件的电位再进行实时监测。

与现有技术相比，基于中性气体释放的航天器电位主动控制方法有效性高，简单新颖，且中性气体可以来自航天器用于姿态控制或助推器产生的气体，这样实际应用该方法控制航天器电位时，不必携带大量中性气体，有利于减轻航天器的重量。本方法通过中性气体在强电场中低气压汤森放电产生的等离子体，可将航天器带的数千伏的负电压瞬间降低到安全水平，

附图说明

图1为本发明的基于中性气体释放的航天器电位主动控制系统的示意图

其中，1－气瓶；2－放气电磁阀；3-喷管；4-控制系统；5-电位探针；6-航天器的高压带电部件。

图2显示了本发明的基于中性气体释放的航天器电位主动控制方法进行主动放电控制时高压带电部件的电压随放电时间的关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的基于中性气体释放的航天器电位主动控制进行进一步说明，该说明仅仅是示例性的，并不旨在限制本发明的保护范围。

图1为本发明的基于中性气体释放的航天器电位主动控制系统的示意图。该方法的控制系统包括气瓶1、电磁放气阀2、喷管3、控制电路4、电位探针5以及需要进行电位控制的航天器高压带电部件6，该高压带电部件与航天器结构体相连。

在一具体实施方式中，实施控制时，氦气气瓶1、放气电磁阀2和拉瓦尔喷管3通过气体管路连接，使储存在气瓶的中性气体通过放气电磁阀流2到拉瓦尔喷管3；拉瓦尔喷管3与高压带电部件6保持10cm并对准高压带电部件6；拉瓦尔喷管3以超音速喷出氦气气体,喷出的氦气气体在高压带电部件6与周围空间等离子体环境形成的强电场下发生低气压汤森放电；放气电磁阀2、控制电路4与电位探针5三者之间采用电连接，电位探针5位于带电部件表面，将监测的电压以电信号的方式传递给控制电路4，用于控制电磁放气阀2的开启和闭合。

航天器在空间环境运行时，与周围空间等离子体相互作用，往往会使航天器部件带上千伏的负电。下面将结合附图1介绍本发明控制航天器电位的具体步骤。

步骤1：当电位探针5监测到航天器高压带电部件6的电压超过安全阀 值(如将太阳帆板的安全阀值设为正负40V)时，电位探针5将电信号传递给控制电路4，控制电路4控制电磁放气阀2开启，氦气气瓶1的氦气气体通过放气阀2和气体管路扩散到拉瓦尔喷管3，并向高压带电部件6喷气。氦气气体在高压带电部件6与周围空间等离子体环境形成的强电场下发生汤森放电形成等离子体，从而在拉瓦尔喷管3与高压带电部件6之间形成等离子体区域。

步骤2：氦气气体电离形成的等离子体中的离子将被高压带电部件6的负电位吸引，中和负电位，从而使高压带电部件6的负电位降低；而等离子体中的电子受高压带电部件6的负电位排斥，远离高压带电部件6，且在远离过程中与氦气发生碰撞，使喷出的氦气气体进一步发生汤森放电，电离形成更多的等离子体。这样离子用来中和负电位，电子用来碰撞电离氦气气体，周而复始。

步骤3：直至电位探针5监测到高压带电部件6的电位下降到安全水平以下时，电位探针5将电信号传递给控制电路4，控制电路4控制电磁放气阀2关闭，停止喷气。

步骤4：电位探针和控制电路又回到实时监测模式。当航天器又发生高压带电时，本发明的控制方法将重复步骤1、2、3。

本实施方式的放电降低电位的效果如图2所示，图2显示了本发明的基于中性气体释放的航天器电位主动控制方法进行主动放电控制时高压带电部件的电压随放电时间的关系图。其中，横轴表示放电时间，纵轴表示结构体电压，在放电开始后的τ时间内，电压从初始的U0衰减到U。

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。