航天員生命安全保護神
——空間站主動電位控制系統(tǒng)研制及在軌應用

胡向宇，孫迎萍，劉海波，趙振棟，崔梧玉，秦曉剛，王彥龍，陳昶文，李玉峰

（蘭州空間技術物理研究所，蘭州 730000）

空間站處于低地球軌道（LEO），采用100 V高壓太陽能電池陣供電。電池陣在軌工作時，受LEO軌道稠密等離子體環(huán)境充電以及地磁場誘導充電影響，使空間站主體結(jié)構產(chǎn)生最高約-100 V的電壓，危及航天員出艙安全，國際空間站將航天員出艙過程中艙體對航天員放電列為致命級的危害。主動電位控制系統(tǒng)實時監(jiān)測空間站懸浮電位并將其控制在安全電壓范圍內(nèi)，保證航天員出艙時的生命安全。

由于缺乏相關理論基礎，我國一直未能掌握對空間飛行器進行結(jié)構電位控制的主動電位控制技術。為此研制團隊研究了衛(wèi)星電位自適應主動控制理論，獲得了電位控制的解析模型，提出了采用空心陰極的電位主動控制方法，研制了測控一體的主動電位控制系統(tǒng)，突破了“懸浮電位檢測技術”“電位主動控制技術”和“在軌診斷技術”三項關鍵技術。針對控制系統(tǒng)低功耗、實時檢測的技術需求，采用電容分壓高阻測量方法，降低電路泄露電流對傳感器耦合電位的影響，使懸浮電位測量范圍達到-150～0 V，測量精度±1 V。與常規(guī)動電容電位測量方法相比，該方法去除了活動部件，具有可靠性高、實時性強等優(yōu)點。

為實現(xiàn)空間站整星結(jié)構的電位控制，研制團隊研究了空心陰極電子發(fā)射特性，獲得了觸持極電壓、氙氣流量和空間等離子體等對發(fā)射電流的影響規(guī)律，研制了具有高強度發(fā)射電流的空心陰極，將懸浮電位從-100 V控制到-21 V以內(nèi)。針對空間站設備在軌維修需要和系統(tǒng)的復雜性，利用在軌診斷技術對各單機的運行工況進行監(jiān)控，提前發(fā)現(xiàn)隱患，為在軌維修提供基礎數(shù)據(jù)支撐。此外，針對整星研制階段無法對衛(wèi)星施加高壓以驗證其工作原理，子系統(tǒng)級又無法模擬整星的問題，建立了空間站全艙段等效電容模型，設計了子系統(tǒng)地面驗證試驗方法，實現(xiàn)了系統(tǒng)性能的地面驗證。主動電位控制系統(tǒng)實物圖如圖1所示。

圖1 空間站主動電位控制系統(tǒng)

2021年5月10日，主動電位控制系統(tǒng)順利完成了在軌測試，首次實現(xiàn)了我國衛(wèi)星主動電位控制技術的在軌應用，將衛(wèi)星電位監(jiān)測、防護和控制技術集成為一體，與國際空間站對比，系統(tǒng)關鍵技術指標達到了國際先進。該系統(tǒng)是我國首個具有自主知識產(chǎn)權的電位主動控制系統(tǒng)，解決了航天員出艙時的生命安全保障問題，實現(xiàn)了我國電位主動控制系統(tǒng)從概念研究到型號應用的跨越。

關鍵詞：空間站；主動電位控制；懸浮電位；在軌

Key words：space station；active potential control；floating potential；in orbit

中圖分類號：V448文獻標志碼：A文章編號：1006-7086（2021）03-0303-01

DOI：10.3969/j.issn.1006-7086.2021.01.17