液态金属离子源在航天器电位主动控制的应用

蒋 锴，王先荣，杜杉杉，王胜杰

（1.兰州空间技术物理研究所 空间环境材料行为及评价技术重点实验室，甘肃 兰州730000；2.航天东方红卫星有限公司，北京 100094；3.北京航空航天大学 机械工程及自动化学院，北京 100191）

0 引言

航天器在轨运行时，受到空间等离子体、光照等复杂空间环境的相互作用，使得航天器表面产生电荷积累而带电。航天器表面所带电荷与空间等离子体或航天器不同表面的电位差形成的表面带电分为绝对带电和不等量带电。高能粒子穿透航天器表面可形成内带电。

航天器带较高电位可导致航天器发生异常和故障。航天器充放电可影响和污染等离子体测量环境，引起测量的不准确性；造成航天器材料损伤，导致航天器电控、热控性能发生改变；放电产生的电磁辐射影响航天器仪器设备的正常工作，干扰通信和数据传输等。

航天器电位控制方法主要有主动控制和被动控制。被动控制是在设计和加工生产期间，对航天器形状、结构、材料的选用和加工工艺等方面采取的减少带电的措施，如表面防静电处理、采用高二次电子发射率的材料等。主动控制是通过航天器发射人造荷电粒子的方法控制表面带电，与被动控制相比主动控制更具有灵活性、有效性和彻底性。

航天器电位主动控制最常用的有电子源、离子源和等离子体源三种。这三种发射方法各有其优缺点和应用需求。电子发射对缓解电介质表面的电势作用不大，长期发射正离子会破坏航天器的电镀层，单独考虑控制效果，等离子体源完全使航天器表面电荷得到泄放[1]，但等离子体需要消耗大量产生等离子体的工质。

对于磁层空间环境监测卫星，典型的表面电位在日照区从l V到几十伏，如等离子片区30～40 V，极盖区极端情况达65 V[2]，带正电的航天器在轨等离子体测量，尤其电子测量，受到几个方面的阻碍。带正电航天器周围电场中离子和电子的速率和空间分布被扭曲，低能量离子被抵制，使得其不可见，而等离子体电子在鞘层加速，等离子体的测量变得异常困难。而且产生的光电子被吸引进入传感器，在低能量下引起高计数率，这不仅使冷环境电子数目探测困难，而且加速仪器微通道板的老化。另外航天器有高的正电位时，在冷等离子体中通过双探针测量电场易受尾迹效应的影响[3]。

降低航天器表面的正电位可以提高低密度等离子体低能电子和离子分布函数的测量精度，利用液态金属离子源向外发射正离子是有效的主动控制方法之一[4-7]。文章针对这一需求，着重介绍了液态金属离子源型电位主动控制在低密度等离子体空间测量中的典型应用，对以后的空间环境探测中自主研发液态金属离子源主动控制装置以及航天器设计提供借鉴和依据。

1 液态金属离子源电位主动控制的发展

早在20世纪80年代初期就已经建立了电位主动控制基本原理[8]，航天器电位主动控制仪器设备已经成功应用在一些航天器上。在Cluster上应用的原理早在 Geotail[9]、Interball-Auroral[10]和 Equator-S[11]航天器上得到测试。在1996年第一次发射Cluster航天器时对仪器本身做了描述[12]。在Cluster-Ⅱ上，对一些硬件和软件部分做了改进，但整个原理没有做改动。2004年发射的双星（Double Star）TC-1中的电位主动控制仪（ASPOC）是对Cluster星的电位主动控制仪的进一步改进和完善。2014年发射的MMS星上搭载的电位主动控制仪是在总结已有的飞行经验和技术，进一步完善了液态金属离子源电位主动控制仪。

1.1 Cluster卫星

Cluster卫星[12-20]是欧空局用于地球磁层等离子体过程研究，其由4颗航天器组成，运行在距地球100～10 000 km的距离，近地点和远地点为4RE和19.6RE，运行轨迹规律性地进入极区和磁层裂片，这些区域等离子密度非常低（≪1cm-3）。2000年到2004年运行的液态金属离子源作为Cluster星电位主动控制的手段。离子电流10μA时航天器电位减少到7 V，20μA时减小到5 V，与高于50 V的悬浮电位相比较，航天器电位减少到7 V被认为是对等离子体测量的一个重要改进。降低的航天器电位减少了对等离子体测量的误差，减少了光电子扰乱等离子体电子测量的能量带，接近更低的仪器探测限制。从剩余电势评估等离子体密度，航天器电位主动控制能够提高等离子体的测量，圆满完成科学探测任务。

Cluster卫星电位主动控制仪（ASPOC）主要包括一个电子箱和两个圆柱体离子发射模块，如图1所示[13]，两个发射器模块安装在电子箱上。电子箱壁厚为0.8 mm，有四个印制电路板和一个母版。

图1 ASPOC实体

离子由固体钨针射出，液态金属离子源（LMIS）用铟作为放电工质材料。铟的熔点156.6°C，具有高的原子量，低电离能和好的润湿性，安全可靠，可在大气中处理。发射原理如图2所示[13]，固体钨针针尖半径2～5μm，安装在铟加热池中，且钨针用铟膜浸湿。当在针和引出电极之间加上5～9 kV的电位时，在钨针尖端的静电压力将克服液态金属表面张力，液态金属推向引出极形成尖角为98.6°的泰勒锥，泰勒锥尖端直径可达1～5 nm。Geotail和Equa⁃tor-S飞行经验证明[9，11]，覆盖在发射器针上的铟膜厚度值是一个非常敏感的参数。厚膜在适当的高电压下能够发射更大的电流，但是也增加了平均点火电压和工作电压。由于尖端有小的曲率半径，当区部电场达到每纳米数十伏特时足够实现场离子发射。离子源电流范围有效运行在10～30μA，但也可以支持短时间的更高电流运行。

图2 LMIS发射原理

Cluster星为了增大发射器运行时间和提供额外冗余，8个发射器组装成两个发射器模块，一个模块装有4个独立的发射器，模块由独立的高电压供电，在某一时刻只有一个发射器工作，发射器如图3所示[13]。每个发射器嵌入在有低热导率多孔陶瓷中（<5×10-4W⋅K-1⋅cm-1），可使加热功率消耗保持在0.5 W。单个发射器具有4 000 h的运行时间，每个模块都足以获得5 000 h的设计要求，其他的发射器作为备份，设计寿命10μA时达10 000 h。

Cluster星电位变化如图4所示[17]，S/C-1和S/C-2分别为ClusterⅠ和ClusterⅡ电位变化曲线，ClusterⅠ和Ⅱ几乎遇到相同的等离子体环境，ASPOC运行在ClusterⅡ上时，能够将电位保持在6～9 V的范围内。

2001年2月4日、2002年5月21日、2002年6月12日飞行分析表明[15]，在低等离子体密度的裂片区、极区及这些区域的临近边界附近，当维持航天器电势小于8 V时有利于识别低能量电子光谱特性和精确的计算。当ASPOC开启时航天器电势从40 V降到8 V的过程中，电子分布函数也随着变化。研究还表明低密度环境下离子束不会产生空间充电对环境电子测量进行影响，且发现产生的光电子计数率明显减少，从而使电子探测器能量分辨率显著提高。因此，液态金属离子源航天器电位主动控制改善了Cluster航天器低能电子的测量，尤其在低密度测量环境下光电子数的减少和能量分辨率的提高是最显而易见。

图3 针式离子发射器

图4 Cluster1和Cluster2航天器电位

1.2 探测双星（Double Star）

“地球空间双星探测计划”简称双星计划，是我国首次自主提出的空间探测计划进行国际合作的科学探测项目。双星与欧空局Cluster星相配合对地球空间进行六点探测，欧空局提供了双星中TC-1的液态金属离子源电位主动控制仪[21-22]。

双星TC-1在飞行轨道的大多数部分由于太阳紫外（EUV）辐射光效应使航天器带正电荷。这些正电势扰乱了在轨低能量等离子体的测量。通过发射正离子束减小电势，因此同样可改善低密度等离子体的测量。TC-1上的ASPOC衍生于Cluster的ASPOC，其具有相同的继承特性，如表1所示[13，22]。

与双星不同的是ClusterⅡ星ASPOC离子束有聚焦系统，将束流张开角限制在±15°，而TC-1离子束流没有聚焦，其束流宽度为±30°，可获得更大的发射范围。因而减少了聚焦电极引起的束流对内部电极溅射的污染，同时也增大了输出电流变化的范围。电位主动控制仪中只有4个发射器，2个发射器组成一个发射器模块，设计平均电流15μA时20 000 h的总寿命也更满足双星任务的需求。由于较少的发射器数量，使其有足够的空间完全隔离，从而预防发射器之间的交叉污染。TC-1上没有双探针电场仪，去除了其电连接口，其软件部分也相应地做了些改善。

表1 电位主动控制仪器主要参数

双星中航天器TC-1上的液态金属离子源电位主动控制仪继承了Cluster星电位主动控制仪的许多特性，并对离子发射器和电子单元做了进一步的改进，离子发射器可产生比Cluster星更大的离子束流。

1.3 MMS星

NASA将在2014年发射的MMS星[23-26]，如图5所示[24]，4个航天器将置于低倾度（28°）的椭圆轨道，近地点为1.2RE，远地点轨道1为12RE、轨道2为25RE。航天器通过近赤道轨道附近来研究微观物理的三个基本的等离子体过程：地磁重联、能粒子加速和湍流。这就需要通过航天器主动控制仪来实现对航天器的电位控制，实现高精度、无干扰等离子体和电场的测量。MMS任务的成功在于等离子体参数的精确测量和相距数十千米的4个航天器不同的测量数据。

沿着MMS运动轨迹，将会遭遇不同的等离子体环境，包括低密度等离子体区，如地球磁层尾部裂片区。在这期间太阳光照影响航天器光电子电流平衡，面航天器趋于正电势，测量仪器充分高吸引剩余光电子超过等离子体电子，等离子体电流与光电流相比小的多，严重影响低密度等离子体电子和离子的测量精度。

MMS电位主动控制仪基于欧空局Cluster和探测双星（Double Star）任务的继承，但根据具体不同任务做了重要的改变和提高。ASPOC用毛细管型铟液态金属源产生离子束，每个航天器上有2个ASPOC在反平行方向，同时运行产生反平行离子束[24]。

ASPOC如图6所示[25]，包括底部的电子箱和其顶部2个离子发射器模块。每个发射器模块有2个发射器，如图7所示[25]。覆盖离子发射器的聚四氟乙烯多层绝缘物保护盖在发射之前移除。安装在左下方的净化连接头，在储存过程中提供一个连续流动的氮气。普通控制单元由低电压功率供应，4个发射器满足寿命和冗余。每个发射器附有高电压倍增器。MMS电位主动控制仪主要参数如表2所示[26]。

图5 MMS卫星编队及运行轨道

图6 MMS上ASPOC设备

图7 发射器模块

表2 MMS电位主动控制仪主要参数

MMS与Cluster和双星相比，ASPOC主要的改进有以下几个方面[26]：

（1）航天器两个电位主动控制仪发射的两束离子束可提高鞘层的对称性，两倍离子电流达到40μA；

（2）根据之前的任务，设计20μA两年的寿命和冗余，金属池必须增大，金属池由0.5 g增加到1.2 g。随着金属池的增大，引出极距离也加大；

（3）钽毛细管型发射器代替之前的钨针型，确保在运行和热循环期间发射器尖端产生大的毛细张力，具有更高的可靠性。与钨针相比毛细管型重量轻，但毛细管型在运行时需要更高的运行电压，高于20μA的束流发射时，其质量效率会降低；

（4）钽代替以前的不锈钢或锆池，这可以减小在运行过程中对铟的污染；

（5）在储存过程中发射器没有密封机构，而是用可移除的塑料盖板，发射之前通氮气净化贮存。发射器和模块的热隔离进行了改进；

（6）提高了高电压供应能力。新的电压限制在12 kV，确保发射器电压（低于7 kV）在尖端污染后能有冗余维持发射器正常运行；

（7）增加了高电压电阻和点火保护二极管，应用在发射器和电子模块中保护发射器和引出极之间的点火损坏。

2 讨论与结论

液态金属离子源电位主动控制器中控制单元和离子发射器的协同运行，实现有效的离子束发射。研制高性能的液态金属离子源和电控系统是实现电位主动控制的基础，同样面临着技术难点和突破。液态金属离子源是关键部件，其发射电流的特性，制备工艺及方法要求严格，如何能长寿命、大电流地发射单电荷离子成为技术瓶颈。研究过程中需要多学科的交叉，需要多部门的配合和技术攻关。

经过多年的飞行经验，液态金属离子源电位主动控制仪进行了逐步的改进和完善，发射电流增大，稳定可靠性增强，实现了航天器表面正电位的有效控制，为提高低密度等离子体的精确测量提供了必要的保证。

随着对空间环境深入研究方面的需求日益增加，有必要自主研制液态金属离子源电位主动控制器。同时液态金属离子源电位主动控制器可以减小航天器表面充电产生的异常和危害，保证航天器在轨安全运行。未来空间攻防也成为各国研究的热点，电位主动控制可预防人为充电环境对航天器的威胁。这项技术的研制，可以满足空间科学探测的需求，为军事和应用卫星在轨可靠运行提供防护技术和保障。

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