航天器在軌運行期間太陽光照條件下，受光電子發(fā)射影響，航天器光照表面的電位達到正的數(shù)十伏。航天器表面帶電現(xiàn)象會對其在軌安全穩(wěn)定運行和空間等離子體探測數(shù)據(jù)的準確性造成嚴重影響。帶正電航天器周圍電場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入傳感器，在低能量下引起高計數(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量變得異常困難。因此，必須對航天器的電位進行主動控制。液態(tài)金屬離子源電位主動控制器已在許多航天器上得到廣泛的應(yīng)用，通過主要介紹國外關(guān)于液態(tài)金屬離子源電位主動控制器在航天器上的應(yīng)用，為自主研制電位主動控制器滿足空間科學(xué)探測的需求提供參考，也為軍事和應(yīng)用衛(wèi)星在軌可靠運行提供防護方法。

　　引言

　　航天器在軌運行時，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量環(huán)境，引起測量的不準確性;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控制和被動控制。被動控制是在設(shè)計和加工生產(chǎn)期間，對航天器形狀、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。主動控制是通過航天器發(fā)射人造荷電粒子的方法控制表面帶電，與被動控制相比主動控制更具有靈活性、有效性和徹底性。

　　航天器電位主動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)缺點和應(yīng)用需求。電子發(fā)射對緩解電介質(zhì)表面的電勢作用不大，長期發(fā)射正離子會破壞航天器的電鍍層，單獨考慮控制效果，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)。

　　對于磁層空間環(huán)境監(jiān)測衛(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65 V，帶正電的航天器在軌等離子體測量，尤其電子測量，受到幾個方面的阻礙。帶正電航天器周圍電場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，等離子體的測量變得異常困難。而且產(chǎn)生的光電子被吸引進入傳感器，在低能量下引起高計數(shù)率，這不僅使冷環(huán)境電子數(shù)目探測困難，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，在冷等離子體中通過雙探針測量電場易受尾跡效應(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)的測量精度，真空技術(shù)網(wǎng)(http://smsksx.com/)認為利用液態(tài)金屬離子源向外發(fā)射正離子是有效的主動控制方法之一。文章針對這一需求，著重介紹了液態(tài)金屬離子源型電位主動控制在低密度等離子體空間測量中的典型應(yīng)用，對以后的空間環(huán)境探測中自主研發(fā)液態(tài)金屬離子源主動控制裝置以及航天器設(shè)計提供借鑒和依據(jù)。

1、液態(tài)金屬離子源電位主動控制的發(fā)展

　　早在20世紀80年代初期就已經(jīng)建立了電位主動控制基本原理，航天器電位主動控制儀器設(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航天器上得到測試。在1996年第一次發(fā)射Cluster航天器時對儀器本身做了描述。在Cluster-Ⅱ上，對一些硬件和軟件部分做了改進，但整個原理沒有做改動。2004年發(fā)射的雙星(Double Star)TC-1中的電位主動控制儀(ASPOC)是對Cluster 星的電位主動控制儀的進一步改進和完善。2014年發(fā)射的MMS星上搭載的電位主動控制儀是在總結(jié)已有的飛行經(jīng)驗和技術(shù)，進一步完善了液態(tài)金屬離子源電位主動控制儀。

　　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程研究，其由4顆航天器組成，運行在距地球100～10 000 km的距離，近地點和遠地點為4RE和19.6RE，運行軌跡規(guī)律性地進入極區(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年運行的液態(tài)金屬離子源作為Cluster星電位主動控制的手段。離子電流10 μA時航天器電位減少到7 V，20 μA時減小到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被認為是對等離子體測量的一個重要改進。降低的航天器電位減少了對等離子體測量的誤差，減少了光電子擾亂等離子體電子測量的能量帶，接近更低的儀器探測限制。從剩余電勢評估等離子體密度，航天器電位主動控制能夠提高等離子體的測量，圓滿完成科學(xué)探測任務(wù)。

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

圖1 ASPOC實體

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156.6 °C，具有高的原子量，低電離能和好的潤濕性，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。當在針和引出電極之間加上5～9 kV的電位時，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1～5 nm。Geotail和Equa⁃tor-S飛行經(jīng)驗證明，覆蓋在發(fā)射器針上的銦膜厚度值是一個非常敏感的參數(shù)。厚膜在適當?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火電壓和工作電壓。由于尖端有小的曲率半徑，當區(qū)部電場達到每納米數(shù)十伏特時足夠?qū)崿F(xiàn)場離子發(fā)射。離子源電流范圍有效運行在10～30 μA，但也可以支持短時間的更高電流運行。

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)射器運行時間和提供額外冗余，8個發(fā)射器組裝成兩個發(fā)射器模塊，一個模塊裝有4個獨立的發(fā)射器，模塊由獨立的高電壓供電，在某一時刻只有一個發(fā)射器工作，發(fā)射器如圖3所示。每個發(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。單個發(fā)射器具有4 000 h的運行時間，每個模塊都足以獲得5 000 h的設(shè)計要求，其他的發(fā)射器作為備份，設(shè)計壽命10 μA 時達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運行在ClusterⅡ上時，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控制器中控制單元和離子發(fā)射器的協(xié)同運行，實現(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)是實現(xiàn)電位主動控制的基礎(chǔ)，同樣面臨著技術(shù)難點和突破。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格，如何能長壽命、大電流地發(fā)射單電荷離子成為技術(shù)瓶頸。研究過程中需要多學(xué)科的交叉，需要多部門的配合和技術(shù)攻關(guān)。

　　經(jīng)過多年的飛行經(jīng)驗，液態(tài)金屬離子源電位主動控制儀進行了逐步的改進和完善，發(fā)射電流增大，穩(wěn)定可靠性增強，實現(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量提供了必要的保證。

　　隨著對空間環(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控制器。同時液態(tài)金屬離子源電位主動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行。未來空間攻防也成為各國研究的熱點，電位主動控制可預(yù)防人為充電環(huán)境對航天器的威脅。這項技術(shù)的研制，可以滿足空間科學(xué)探測的需求，為軍事和應(yīng)用衛(wèi)星在軌可靠運行提供防護技術(shù)和保障。