航天器在軌運(yùn)行期間太陽(yáng)光照條件下，受光電子發(fā)射影響，航天器光照表面的電位達(dá)到正的數(shù)十伏。航天器表面帶電現(xiàn)象會(huì)對(duì)其在軌安全穩(wěn)定運(yùn)行和空間等離子體探測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性造成嚴(yán)重影響。帶正電航天器周圍電場(chǎng)中離子和電子的速率和空間分布被扭曲，等離子體電子在鞘層加速，光照產(chǎn)生的光電子被吸引進(jìn)入傳感器，在低能量下引起高計(jì)數(shù)率，而且加速儀器微通道板的老化，使低密度等離子體的測(cè)量變得異常困難。因此，必須對(duì)航天器的電位進(jìn)行主動(dòng)控制。液態(tài)金屬離子源電位主動(dòng)控制器已在許多航天器上得到廣泛的應(yīng)用，通過(guò)主要介紹國(guó)外關(guān)于液態(tài)金屬離子源電位主動(dòng)控制器在航天器上的應(yīng)用，為自主研制電位主動(dòng)控制器滿足空間科學(xué)探測(cè)的需求提供參考，也為軍事和應(yīng)用衛(wèi)星在軌可靠運(yùn)行提供防護(hù)方法。

　　引言

　　航天器在軌運(yùn)行時(shí)，受到空間等離子體、光照等復(fù)雜空間環(huán)境的相互作用，使得航天器表面產(chǎn)生電荷積累而帶電。航天器表面所帶電荷與空間等離子體或航天器不同表面的電位差形成的表面帶電分為絕對(duì)帶電和不等量帶電。高能粒子穿透航天器表面可形成內(nèi)帶電。航天器帶較高電位可導(dǎo)致航天器發(fā)生異常和故障。航天器充放電可影響和污染等離子體測(cè)量環(huán)境，引起測(cè)量的不準(zhǔn)確性;造成航天器材料損傷，導(dǎo)致航天器電控、熱控性能發(fā)生改變;放電產(chǎn)生的電磁輻射影響航天器儀器設(shè)備的正常工作，干擾通信和數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?/p>

　　航天器電位控制方法主要有主動(dòng)控制和被動(dòng)控制。被動(dòng)控制是在設(shè)計(jì)和加工生產(chǎn)期間，對(duì)航天器形狀、結(jié)構(gòu)、材料的選用和加工工藝等方面采取的減少帶電的措施，如表面防靜電處理、采用高二次電子發(fā)射率的材料等。主動(dòng)控制是通過(guò)航天器發(fā)射人造荷電粒子的方法控制表面帶電，與被動(dòng)控制相比主動(dòng)控制更具有靈活性、有效性和徹底性。

　　航天器電位主動(dòng)控制最常用的有電子源、離子源和等離子體源三種。這三種發(fā)射方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用需求。電子發(fā)射對(duì)緩解電介質(zhì)表面的電勢(shì)作用不大，長(zhǎng)期發(fā)射正離子會(huì)破壞航天器的電鍍層，單獨(dú)考慮控制效果，等離子體源完全使航天器表面電荷得到泄放，但等離子體需要消耗大量產(chǎn)生等離子體的工質(zhì)。

　　對(duì)于磁層空間環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星，典型的表面電位在日照區(qū)從l V到幾十伏，如等離子片區(qū)30～40 V，極蓋區(qū)極端情況達(dá)65 V，帶正電的航天器在軌等離子體測(cè)量，尤其電子測(cè)量，受到幾個(gè)方面的阻礙。帶正電航天器周圍電場(chǎng)中離子和電子的速率和空間分布被扭曲，低能量離子被抵制，使得其不可見，而等離子體電子在鞘層加速，等離子體的測(cè)量變得異常困難。而且產(chǎn)生的光電子被吸引進(jìn)入傳感器，在低能量下引起高計(jì)數(shù)率，這不僅使冷環(huán)境電子數(shù)目探測(cè)困難，而且加速儀器微通道板的老化。另外航天器有高的正電位時(shí)，在冷等離子體中通過(guò)雙探針測(cè)量電場(chǎng)易受尾跡效應(yīng)的影響。

　　降低航天器表面的正電位可以提高低密度等離子體低能電子和離子分布函數(shù)的測(cè)量精度，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.mp99x.cn/)認(rèn)為利用液態(tài)金屬離子源向外發(fā)射正離子是有效的主動(dòng)控制方法之一。文章針對(duì)這一需求，著重介紹了液態(tài)金屬離子源型電位主動(dòng)控制在低密度等離子體空間測(cè)量中的典型應(yīng)用，對(duì)以后的空間環(huán)境探測(cè)中自主研發(fā)液態(tài)金屬離子源主動(dòng)控制裝置以及航天器設(shè)計(jì)提供借鑒和依據(jù)。

1、液態(tài)金屬離子源電位主動(dòng)控制的發(fā)展

　　早在20世紀(jì)80年代初期就已經(jīng)建立了電位主動(dòng)控制基本原理，航天器電位主動(dòng)控制儀器設(shè)備已經(jīng)成功應(yīng)用在一些航天器上。在Cluster上應(yīng)用的原理早在Geotail、Interball-Auroral和Equator-S航天器上得到測(cè)試。在1996年第一次發(fā)射Cluster航天器時(shí)對(duì)儀器本身做了描述。在Cluster-Ⅱ上，對(duì)一些硬件和軟件部分做了改進(jìn)，但整個(gè)原理沒有做改動(dòng)。2004年發(fā)射的雙星(Double Star)TC-1中的電位主動(dòng)控制儀(ASPOC)是對(duì)Cluster 星的電位主動(dòng)控制儀的進(jìn)一步改進(jìn)和完善。2014年發(fā)射的MMS星上搭載的電位主動(dòng)控制儀是在總結(jié)已有的飛行經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，進(jìn)一步完善了液態(tài)金屬離子源電位主動(dòng)控制儀。

　　1.1、Cluster衛(wèi)星

　　Cluster衛(wèi)星是歐空局用于地球磁層等離子體過(guò)程研究，其由4顆航天器組成，運(yùn)行在距地球100～10 000 km的距離，近地點(diǎn)和遠(yuǎn)地點(diǎn)為4RE和19.6RE，運(yùn)行軌跡規(guī)律性地進(jìn)入極區(qū)和磁層裂片，這些區(qū)域等離子密度非常低(≪1 cm-3)。2000年到2004年運(yùn)行的液態(tài)金屬離子源作為Cluster星電位主動(dòng)控制的手段。離子電流10 μA時(shí)航天器電位減少到7 V，20 μA時(shí)減小到5 V，與高于50 V的懸浮電位相比較，航天器電位減少到7 V被認(rèn)為是對(duì)等離子體測(cè)量的一個(gè)重要改進(jìn)。降低的航天器電位減少了對(duì)等離子體測(cè)量的誤差，減少了光電子擾亂等離子體電子測(cè)量的能量帶，接近更低的儀器探測(cè)限制。從剩余電勢(shì)評(píng)估等離子體密度，航天器電位主動(dòng)控制能夠提高等離子體的測(cè)量，圓滿完成科學(xué)探測(cè)任務(wù)。

　　Cluster 衛(wèi)星電位主動(dòng)控制儀(ASPOC)主要包括一個(gè)電子箱和兩個(gè)圓柱體離子發(fā)射模塊，如圖1所示，兩個(gè)發(fā)射器模塊安裝在電子箱上。電子箱壁厚為0.8 mm，有四個(gè)印制電路板和一個(gè)母版。

圖1 ASPOC實(shí)體

1. 離子發(fā)射模塊;2. 電子箱

　　離子由固體鎢針射出，液態(tài)金屬離子源(LMIS)用銦作為放電工質(zhì)材料。銦的熔點(diǎn)156.6 °C，具有高的原子量，低電離能和好的潤(rùn)濕性，安全可靠，可在大氣中處理。發(fā)射原理如圖2所示，固體鎢針針尖半徑2～5 μm，安裝在銦加熱池中，且鎢針用銦膜浸濕。當(dāng)在針和引出電極之間加上5～9 kV的電位時(shí)，在鎢針尖端的靜電壓力將克服液態(tài)金屬表面張力，液態(tài)金屬推向引出極形成尖角為98.6°的泰勒錐，泰勒錐尖端直徑可達(dá)1～5 nm。Geotail和Equa⁃tor-S飛行經(jīng)驗(yàn)證明，覆蓋在發(fā)射器針上的銦膜厚度值是一個(gè)非常敏感的參數(shù)。厚膜在適當(dāng)?shù)母唠妷合履軌虬l(fā)射更大的電流，但是也增加了平均點(diǎn)火電壓和工作電壓。由于尖端有小的曲率半徑，當(dāng)區(qū)部電場(chǎng)達(dá)到每納米數(shù)十伏特時(shí)足夠?qū)崿F(xiàn)場(chǎng)離子發(fā)射。離子源電流范圍有效運(yùn)行在10～30 μA，但也可以支持短時(shí)間的更高電流運(yùn)行。

圖2 LMIS發(fā)射原理

1. 液態(tài)金屬膜;2、4. 離子束;3. 加速極;5. 射流;6. 泰勒錐;7. 液態(tài)金屬池;8. 針

　　Cluster 星為了增大發(fā)射器運(yùn)行時(shí)間和提供額外冗余，8個(gè)發(fā)射器組裝成兩個(gè)發(fā)射器模塊，一個(gè)模塊裝有4個(gè)獨(dú)立的發(fā)射器，模塊由獨(dú)立的高電壓供電，在某一時(shí)刻只有一個(gè)發(fā)射器工作，發(fā)射器如圖3所示。每個(gè)發(fā)射器嵌入在有低熱導(dǎo)率多孔陶瓷中(<5×10-4 W ⋅ K-1⋅ cm-1)，可使加熱功率消耗保持在0.5 W。單個(gè)發(fā)射器具有4 000 h的運(yùn)行時(shí)間，每個(gè)模塊都足以獲得5 000 h的設(shè)計(jì)要求，其他的發(fā)射器作為備份，設(shè)計(jì)壽命10 μA 時(shí)達(dá)10 000 h。Cluster星電位變化如圖4所示，S/C-1和S/C-2分別為ClusterⅠ和ClusterⅡ電位變化曲線，ClusterⅠ和Ⅱ幾乎遇到相同的等離子體環(huán)境，ASPOC運(yùn)行在ClusterⅡ上時(shí)，能夠?qū)㈦娢槐３衷?～9 V的范圍內(nèi)。

2、討論與結(jié)論

　　液態(tài)金屬離子源電位主動(dòng)控制器中控制單元和離子發(fā)射器的協(xié)同運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)有效的離子束發(fā)射。研制高性能的液態(tài)金屬離子源和電控系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)電位主動(dòng)控制的基礎(chǔ)，同樣面臨著技術(shù)難點(diǎn)和突破。液態(tài)金屬離子源是關(guān)鍵部件，其發(fā)射電流的特性，制備工藝及方法要求嚴(yán)格，如何能長(zhǎng)壽命、大電流地發(fā)射單電荷離子成為技術(shù)瓶頸。研究過(guò)程中需要多學(xué)科的交叉，需要多部門的配合和技術(shù)攻關(guān)。

　　經(jīng)過(guò)多年的飛行經(jīng)驗(yàn)，液態(tài)金屬離子源電位主動(dòng)控制儀進(jìn)行了逐步的改進(jìn)和完善，發(fā)射電流增大，穩(wěn)定可靠性增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了航天器表面正電位的有效控制，為提高低密度等離子體的精確測(cè)量提供了必要的保證。

　　隨著對(duì)空間環(huán)境深入研究方面的需求日益增加，有必要自主研制液態(tài)金屬離子源電位主動(dòng)控制器。同時(shí)液態(tài)金屬離子源電位主動(dòng)控制器可以減小航天器表面充電產(chǎn)生的異常和危害，保證航天器在軌安全運(yùn)行。未來(lái)空間攻防也成為各國(guó)研究的熱點(diǎn)，電位主動(dòng)控制可預(yù)防人為充電環(huán)境對(duì)航天器的威脅。這項(xiàng)技術(shù)的研制，可以滿足空間科學(xué)探測(cè)的需求，為軍事和應(yīng)用衛(wèi)星在軌可靠運(yùn)行提供防護(hù)技術(shù)和保障。