本發(fā)明屬于航天器電位控制與防護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于中性氣體釋放的航天器電位控制方法。

背景技術(shù)：

在空間運(yùn)行的航天器與周圍等離子體、高能帶電粒子、磁場和太陽輻射等環(huán)境因素的相互作用，導(dǎo)致電荷在航天器上積累，使航天器與空間等離子體間或航天器不同部位間出現(xiàn)相對電位差。當(dāng)電位差太高時，會導(dǎo)致靜電放電事件發(fā)生，干擾航天器與地面通訊，甚至造成航天器飛行任務(wù)的失?。淮送?，如果采用靜電放電，則會使航天器表面材料產(chǎn)生物理損傷，導(dǎo)致其功能衰退。

[1]目前，控制航天器電位的方法通常分為兩類：一類是被動式控制，一類是主動式控制。被動式控制(Lai S T.A Critical Overview on Spacecraft Charging Mitigation Methods[J].IEEE Transactions on Plasma Science,2003,V31(6):1118-1124)包括尖端放電法、二次電子抑制帶電法；主動式控制(張書鋒,路潤喜.航天器主動電位控制.2008年計(jì)量與測試學(xué)術(shù)交流會論文集[C].2008:233-236)包括發(fā)射電子束、發(fā)射電子束、發(fā)射低能等離子體束等。被動式控制的幾種方式具體闡述如下：

1、尖端放電法

在航天器的帶電結(jié)構(gòu)體上插入金屬尖端，當(dāng)結(jié)構(gòu)體電位升高時，尖端的電場也隨之增強(qiáng)，當(dāng)電場增強(qiáng)到一定值時，金屬尖端就會產(chǎn)生場致發(fā)射，將多余電子釋放并使導(dǎo)體表面電位降低。

2、二次電子抑制帶電法

材料的二次電子發(fā)射系數(shù)δ被定義為當(dāng)材料受到入射粒子轟擊時，激發(fā)的二次電子與入射粒子的數(shù)量之比。當(dāng)航天器表面使用二次電子發(fā)射系數(shù)較高(δ>1)的材料時，當(dāng)受到入射電子轟擊時，二次電子帶走的負(fù)電荷與航天器表面積累的電荷抵消，達(dá)到降低電位的目的。

主動式控制的幾種方式具體闡述如下：

1、發(fā)射電子束

由于電子帶走了負(fù)電荷，將使航天器帶正電或者使航天器表面所帶的負(fù)電位部分放電或完全放電。放電的程度取決于束流、能量和周圍的環(huán)境條件。但電子束流過大會引起衛(wèi)星的不等量充電。因此，這種放電方式的效率比較低。

2、發(fā)射離子束

直覺地看，發(fā)射離子束會使衛(wèi)星表面的負(fù)電位更負(fù)，但是，在SCATHA衛(wèi)星的試驗(yàn)中觀察到，發(fā)射低能的離子束也可使衛(wèi)星表面的負(fù)電位放電(由于低能離子被負(fù)電位吸引返回衛(wèi)星表面，中和了負(fù)電位)。

3、發(fā)射低能等離子體束

這種發(fā)射方式要比發(fā)射單一的電子束或單一的低能離子束更有效地使衛(wèi)星表面的負(fù)電荷放掉。這一現(xiàn)象在后來的ATS-6衛(wèi)星上得到證實(shí)。也被后來的同步衛(wèi)星DSCS電荷控制實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。

上述各方法雖不乏成功應(yīng)用的案例，但都有一定的應(yīng)用局限性，而基于中性氣體釋放的航天器電位主動控制方法有效性高，簡單易于操作，能夠顯著降低航天器的電位。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

經(jīng)過不懈的研究，本發(fā)明人出乎意料地發(fā)現(xiàn)利用中性氣體的釋放以及對噴氣速率的控制，顯著地降低了航天器的電位。因此，本發(fā)明的目的是利用 中性氣體低氣壓放電的湯森模型，提供一種基于中性氣體釋放的航天器電位主動控制方法，將航天器電位控制在安全水平。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種基于中性氣體釋放的航天器電位主動控制方法，包括如下步驟：

1)將中性氣體的氣瓶、放氣電磁閥和噴管依次通過氣體管路連接，使儲存在氣瓶的中性氣體通過放氣電磁閥流到噴管；噴管靠近且對準(zhǔn)航天器的高壓帶電部件；噴管噴出的中性氣體在高壓帶電部件與周圍空間等離子體環(huán)境形成的強(qiáng)電場下發(fā)生湯森放電；放氣電磁閥通過控制電路與電位探針進(jìn)行電連接，電位探針位于航天器高壓帶電部件的表面并對電位進(jìn)行監(jiān)測，電位探針和控制電路對高壓帶電部件的電位進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，電位探針將監(jiān)測的電壓以電信號的方式傳遞給控制電路，用于控制電磁放氣閥的開啟和閉合。

其中，中性氣體為惰性氣體，包括氦氣、氬氣和氖氣等。

其中，噴管為拉瓦爾噴管。

其中，氣體噴射速率為超音速。

其中，中性氣體來自航天器用于姿態(tài)控制或助推器產(chǎn)生的氣體。

其中，噴管與高壓帶電部件的距離保持為10cm。

其中，當(dāng)電位探針監(jiān)測到航天器高壓帶電部件的電壓超過安全閥值時，控制電路控制電磁放氣閥開啟，通過噴氣使高壓帶電部件放電，直至電位探針監(jiān)測到高壓帶電部件的電位下降到安全水平以下時，電位探針將電信號傳遞給控制電路，控制電路控制電磁放氣閥關(guān)閉，停止噴氣，電位探針和控制電路對高壓帶電部件的電位再進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，基于中性氣體釋放的航天器電位主動控制方法有效性高，簡單新穎，且中性氣體可以來自航天器用于姿態(tài)控制或助推器產(chǎn)生的氣體，這樣實(shí)際應(yīng)用該方法控制航天器電位時，不必?cái)y帶大量中性氣體，有利于減輕航天器的重量。本方法通過中性氣體在強(qiáng)電場中低氣壓湯森放電產(chǎn)生的等離子體，可將航天器帶的數(shù)千伏的負(fù)電壓瞬間降低到安全水平，

附圖說明

圖1為本發(fā)明的基于中性氣體釋放的航天器電位主動控制系統(tǒng)的示意圖

其中，1－氣瓶；2－放氣電磁閥；3-噴管；4-控制系統(tǒng)；5-電位探針；6-航天器的高壓帶電部件。

圖2顯示了本發(fā)明的基于中性氣體釋放的航天器電位主動控制方法進(jìn)行主動放電控制時高壓帶電部件的電壓隨放電時間的關(guān)系圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的基于中性氣體釋放的航天器電位主動控制進(jìn)行進(jìn)一步說明，該說明僅僅是示例性的，并不旨在限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

圖1為本發(fā)明的基于中性氣體釋放的航天器電位主動控制系統(tǒng)的示意圖。該方法的控制系統(tǒng)包括氣瓶1、電磁放氣閥2、噴管3、控制電路4、電位探針5以及需要進(jìn)行電位控制的航天器高壓帶電部件6，該高壓帶電部件與航天器結(jié)構(gòu)體相連。

在一具體實(shí)施方式中，實(shí)施控制時，氦氣氣瓶1、放氣電磁閥2和拉瓦爾噴管3通過氣體管路連接，使儲存在氣瓶的中性氣體通過放氣電磁閥流2到拉瓦爾噴管3；拉瓦爾噴管3與高壓帶電部件6保持10cm并對準(zhǔn)高壓帶電部件6；拉瓦爾噴管3以超音速噴出氦氣氣體,噴出的氦氣氣體在高壓帶電部件6與周圍空間等離子體環(huán)境形成的強(qiáng)電場下發(fā)生低氣壓湯森放電；放氣電磁閥2、控制電路4與電位探針5三者之間采用電連接，電位探針5位于帶電部件表面，將監(jiān)測的電壓以電信號的方式傳遞給控制電路4，用于控制電磁放氣閥2的開啟和閉合。

航天器在空間環(huán)境運(yùn)行時，與周圍空間等離子體相互作用，往往會使航天器部件帶上千伏的負(fù)電。下面將結(jié)合附圖1介紹本發(fā)明控制航天器電位的具體步驟。

步驟1：當(dāng)電位探針5監(jiān)測到航天器高壓帶電部件6的電壓超過安全閥 值(如將太陽帆板的安全閥值設(shè)為正負(fù)40V)時，電位探針5將電信號傳遞給控制電路4，控制電路4控制電磁放氣閥2開啟，氦氣氣瓶1的氦氣氣體通過放氣閥2和氣體管路擴(kuò)散到拉瓦爾噴管3，并向高壓帶電部件6噴氣。氦氣氣體在高壓帶電部件6與周圍空間等離子體環(huán)境形成的強(qiáng)電場下發(fā)生湯森放電形成等離子體，從而在拉瓦爾噴管3與高壓帶電部件6之間形成等離子體區(qū)域。

步驟2：氦氣氣體電離形成的等離子體中的離子將被高壓帶電部件6的負(fù)電位吸引，中和負(fù)電位，從而使高壓帶電部件6的負(fù)電位降低；而等離子體中的電子受高壓帶電部件6的負(fù)電位排斥，遠(yuǎn)離高壓帶電部件6，且在遠(yuǎn)離過程中與氦氣發(fā)生碰撞，使噴出的氦氣氣體進(jìn)一步發(fā)生湯森放電，電離形成更多的等離子體。這樣離子用來中和負(fù)電位，電子用來碰撞電離氦氣氣體，周而復(fù)始。

步驟3：直至電位探針5監(jiān)測到高壓帶電部件6的電位下降到安全水平以下時，電位探針5將電信號傳遞給控制電路4，控制電路4控制電磁放氣閥2關(guān)閉，停止噴氣。

步驟4：電位探針和控制電路又回到實(shí)時監(jiān)測模式。當(dāng)航天器又發(fā)生高壓帶電時，本發(fā)明的控制方法將重復(fù)步驟1、2、3。

本實(shí)施方式的放電降低電位的效果如圖2所示，圖2顯示了本發(fā)明的基于中性氣體釋放的航天器電位主動控制方法進(jìn)行主動放電控制時高壓帶電部件的電壓隨放電時間的關(guān)系圖。其中，橫軸表示放電時間，縱軸表示結(jié)構(gòu)體電壓，在放電開始后的τ時間內(nèi)，電壓從初始的U0衰減到U。

盡管上文對本發(fā)明的具體實(shí)施方式給予了詳細(xì)描述和說明，但是應(yīng)該指明的是，我們可以依據(jù)本發(fā)明的構(gòu)想對上述實(shí)施方式進(jìn)行各種等效改變和修改，其所產(chǎn)生的功能作用仍未超出說明書及附圖所涵蓋的精神時，均應(yīng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。