[发明专利]航天器悬浮电位试验验证方法

说明书

本发明公开了一种地面航天器悬浮电位试验验证方法，包括搭建航天器空间悬浮电位测量模拟试验平台，将试验平台上的等离子体发生器机壳连接到三态开关的第一触点上，三态开关的第二触点、第三触点分别形成充电回路和泄放回路，采用示波器、与等离子发生器机壳电连接的朗谬探针来测量真空室内等离子体密度和悬浮电位即电容电压的变化，来验证航天器空间环境下的悬浮电位变化。本发明的方法，通过多次试验并进行实际测量，利用示波器和朗谬探针的测量手段配合获取的试验数据真实准确，能够准确快捷的判断航天器悬浮电位变化情况。

技术领域

本发明属于航天器悬浮电位控制技术领域，具体涉及一种在地面上通过电容模拟验证航天器悬浮电位的试验方法。

背景技术

典型的LEO轨道环境，处于350—400km的高度。等离子体温度Te约为0.2eV，等离子体密度Ne约为10¹⁰—10¹²m^-3。航天器带电水平主要取决于环境等离子体的电子温度，因此，LEO等离子体环境本身不会导致货运飞船严重带电。然而，由于航天器采用了高压太阳电池阵，带电情况则有所不同。以国际货运飞船为例，采用的高压电池阵是160V，航天器结构体与电池阵的负端连接。假设起始时电池阵中点为零电位(参见图1)，则正偏压部分的暴露导体从周围等离子体环境中收集电子，而负偏压部分收集离子。由于电子电流密度远远大于离子电流密度：

I_e＞＞I_i

结果使得电池阵负偏压部分面积远大于正偏压部分，才能保证航天器表面发射的光电子、空间等离子体电子和离子的总电流和为零I_ph+I_e+I_i+I_a＝0，从而达到平衡状态，如图1右图所示。当达到充电平衡时，大约90％的太阳帆板悬浮于负电位，连接于电池阵负端的结构体可能处于-140V左右的悬浮电位。

当航天器上裸露导体相对于空间等离子体的电位为Ф，航天器表面发射的光电子电流、空间等离子体电子收集电流、离子收集电流以及人工发射的电流都随着电位的变化而变化，直至达到垂直流过航天器表面的净电流为零。

在空间等离子体环境中，航天器通过自动调整与等离子体的电位来满足流出航天器的净电流为零的要求。简单分析Ipho，IioIeo,上式中忽略Ipho和Iio的贡献，则：

从上式看出，当主动控制电流Iao增加时，航天器的电位将升高。当Iao处于一个适当的值，航天器的电位就控制在一个安全的范围。这就是等离子体接触器控制航天器电位的主要物理原理。

以上是国际货运飞船早期的分析结果，实际观测及研究表明，决定航天器最终结构体悬浮电位的因素比较复杂。一方面，结构体带电不仅取决于太阳帆板上的暴露导体面积，结构体桁架上的暴露导体面积也有贡献；其次，电池阵上玻璃盖片缝隙的暴露导体在收集电子时存在堵塞效应，不能有效地收集电子；另外，货运飞船上还存在其他多种带电机理，如切割磁力线带电等。最新的观测结果表明，在出地影瞬间结构体电位可达到-70V。

早期前苏联的货运飞船采用脉冲等离子体喷射器(PPT)作为货运飞船电位主动控制的等离子体源。国际货运飞船(ISS)上采用的是基于等离子体接触器(Plasmacontactor)的主动电位控制措施，等离子体接触器的核心单元是空心阴极放电管。

然而，如何在地面开展航天器悬浮电位的验证，以确保空间环境下的带电安全，还是没有得到很好的解决。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种地面航天器悬浮电位试验验证方法，该方法操作简单，且能够消除航天器在低轨道飞行时各部件性能下降及损坏的危险，免除航天器内电子设备受到干扰。