航天員生命安全保護神
——空間站主動電位控制系統研制及在軌應用

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境充電以及地磁場誘導充電影響，使空間站主體結構產生最高約-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。主動電位控制系統實時監測空間站懸浮電位并將其控制在安全電壓范圍內，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構電位控制的主動電位控制技術。為此研制團隊研究了衛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，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、實時性強等優點。

為實現空間站整星結構的電位控制，研制團隊研究了空心陰極電子發射特性，獲得了觸持極電壓、氙氣流量和空間等離子體等對發射電流的影響規律，研制了具有高強度發射電流的空心陰極，將懸浮電位從-100 V控制到-21 V以內。針對空間站設備在軌維修需要和系統的復雜性，利用在軌診斷技術對各單機的運行工況進行監控，提前發現隱患，為在軌維修提供基礎數據支撐。此外，針對整星研制階段無法對衛星施加高壓以驗證其工作原理，子系統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，設計了子系統地面驗證試驗方法，實現了系統性能的地面驗證。主動電位控制系統實物圖如圖1所示。

圖1 空間站主動電位控制系統

2021年5月10日，主動電位控制系統順利完成了在軌測試，首次實現了我國衛星主動電位控制技術的在軌應用，將衛星電位監測、防護和控制技術集成為一體，與國際空間站對比，系統關鍵技術指標達到了國際先進。該系統是我國首個具有自主知識產權的電位主動控制系統，解決了航天員出艙時的生命安全保障問題，實現了我國電位主動控制系統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