航天员生命安全保护神——空间站主动电位控制系统研制及在轨应用

胡向宇，孙迎萍，刘海波，赵振栋，崔梧玉，秦晓刚，王彦龙，陈昶文，李玉峰

（兰州空间技术物理研究所，兰州 730000）

空间站处于低地球轨道（LEO），采用100 V高压太阳能电池阵供电。电池阵在轨工作时，受LEO轨道稠密等离子体环境充电以及地磁场诱导充电影响，使空间站主体结构产生最高约-100 V的电压，危及航天员出舱安全，国际空间站将航天员出舱过程中舱体对航天员放电列为致命级的危害。主动电位控制系统实时监测空间站悬浮电位并将其控制在安全电压范围内，保证航天员出舱时的生命安全。

由于缺乏相关理论基础，我国一直未能掌握对空间飞行器进行结构电位控制的主动电位控制技术。为此研制团队研究了卫星电位自适应主动控制理论，获得了电位控制的解析模型，提出了采用空心阴极的电位主动控制方法，研制了测控一体的主动电位控制系统，突破了“悬浮电位检测技术”“电位主动控制技术”和“在轨诊断技术”三项关键技术。针对控制系统低功耗、实时检测的技术需求，采用电容分压高阻测量方法，降低电路泄露电流对传感器耦合电位的影响，使悬浮电位测量范围达到-150～0 V，测量精度±1 V。与常规动电容电位测量方法相比，该方法去除了活动部件，具有可靠性高、实时性强等优点。

为实现空间站整星结构的电位控制，研制团队研究了空心阴极电子发射特性，获得了触持极电压、氙气流量和空间等离子体等对发射电流的影响规律，研制了具有高强度发射电流的空心阴极，将悬浮电位从-100 V控制到-21 V以内。针对空间站设备在轨维修需要和系统的复杂性，利用在轨诊断技术对各单机的运行工况进行监控，提前发现隐患，为在轨维修提供基础数据支撑。此外，针对整星研制阶段无法对卫星施加高压以验证其工作原理，子系统级又无法模拟整星的问题，建立了空间站全舱段等效电容模型，设计了子系统地面验证试验方法，实现了系统性能的地面验证。主动电位控制系统实物图如图1所示。

图1 空间站主动电位控制系统

2021年5月10日，主动电位控制系统顺利完成了在轨测试，首次实现了我国卫星主动电位控制技术的在轨应用，将卫星电位监测、防护和控制技术集成为一体，与国际空间站对比，系统关键技术指标达到了国际先进。该系统是我国首个具有自主知识产权的电位主动控制系统，解决了航天员出舱时的生命安全保障问题，实现了我国电位主动控制系统从概念研究到型号应用的跨越。

关键词：空间站；主动电位控制；悬浮电位；在轨

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

中图分类号：V448文献标志码：A文章编号：1006-7086（2021）03-0303-01

DOI：10.3969/j.issn.1006-7086.2021.01.17