一种飞行器表面静电电位监控系统及方法

本发明属于航天，尤其涉及一种飞行器表面静电电位监控系统及方法。

背景技术：

1、在复杂的空间环境中，飞行器受到多种因素对表面电位的影响。宇宙空间中的等离子体占超过99%，包括太阳风等离子体、天体抛出的等离子体以及飞行器与空间等离子体相互作用产生的二次粒子。高速轨道运行的飞行器由于表面几何形状、介电特性、光照情况和等离子体运动速度的不同，会在表面积累带电粒子，形成电位差，可能引发静电放电，导致充放电效应。空间气象环境中辐射和穿越星云等活动也对飞行器电位产生影响，飞行器表面受到带电粒子的影响，增加表面电荷可能引起电位的变化，对飞行器的电子设备、探测设备和表面材料造成潜在危害，严重时可导致飞行器瘫痪。此外，空间武器的使用可能改变飞行器周围的等离子体和电场，对飞行器的表面电位产生影响，对电子设备和导航系统造成干扰，影响正常运行和安全性。

2、为确保飞行器的可靠运行和安全完成航天任务，必须全面监测表面电位，并在发现异常时迅速反馈。采取相应措施，包括主动进行姿态调控等操作，以减轻外界环境对飞行器的威胁，确保其在复杂环境下的电位稳定性，保障正常运行和任务的平稳执行。

3、现阶段研究学者分别研究了飞行器表面电位监控的方法和表面电位调控的方法，很少关注利用监控得到的电位信息进行下一步飞行器的调控。

4、中国发明专利申请文件cn111175584a公开了一种低轨道飞行器悬浮电位检测装置及方法，主要提出了采用高阻电容分压测量方式测量悬浮金属导体与飞行器结构地之间的电位差，金属小球长期置于空间等离子体环境中，这种外置电极的方法可能导致空间等离子体中的局部扰动，且电极表面可能会因等离子体中的带电粒子与电极发生相互作用而产生电位差，外置电极进行探测容易产生探测误差。

5、现有技术中，有学者用朗缪尔探针进行空间电位测量，但探针测量回路结构复杂，并不很适用于空天环境电位测量。

6、中国发明专利cn104260905b公开了一种飞行器表面电位主动控制方法，提出采用液态金属离子发射器进行表面电位控制，但是这种方法存在一定的实际操作上的不便；中国发明专利cn106697338b中公开了基于中性气体释放的飞行器电位主动控制方法，但是这种方法需要外带气瓶的方法增加了飞行器的负担，存在一定的实际操作上的不便。

技术实现思路

1、针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种飞行器表面静电电位监控系统及方法，本发明要解决的技术问题是在实现静电电位的准确探测的情况下，还能实现根据电位信号对飞行器姿态进行调整，保证飞行器的安全。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种飞行器表面静电电位监控系统，包括电极、集成实时监测系统、采样电阻和终端；

3、电极与集成实时监测系统电连接；集成实时监测系统与采样电阻电连接；采样电阻与终端电连接；终端与飞行器的发动机控制系统电连接；

4、电极将探测到的电位信号传输到集成实时监测系统；集成实时监测系统对电位信号进行处理后，通过采样电阻传输到终端；终端生成表面电位评估结果，并将表面电位评估结果传输给发动机控制系统。

5、本发明提供了一种飞行器表面静电电位监控方法，利用上述的飞行器表面静电电位监控系统，包括以下步骤：

6、步骤s1：在飞行器的多个部位处设置电极，将电极贴附于各部位的内表面；

7、步骤s2：电极将探测到的某部位的电位信号传输到集成实时监测系统；

8、步骤s3：集成实时监测系统对电位信号进行放大处理后，通过采样电阻传输到终端；

9、步骤s4：根据接受到的电位信号信息，终端生成该部位的表面电位评估结果，并将该部位的表面电位评估结果传输给发动机控制系统；

10、步骤s5：根据该部位的表面电位评估结果，发动机控制系统调整相关联位置的发动机的动力，实现飞行器姿态的调控，规避外来风险。

11、进一步的，所述步骤s1中，在飞行器的机身、太阳能电池板和天线的内表面贴附电极。

12、进一步的，所述步骤s4中，终端将接受到的电位信号信息中的电位值与该部位的安全电位阈值进行对比，当电位值超出该部位的安全电位阈值的范围时，表示该部位有电场目标接近，然后生成该部位的表面电位评估结果。

13、进一步的，所述步骤s4中，空间站结构体的安全电位阈值的范围是- 40 v 至+40v之间。

14、进一步的，所述步骤s4中，发动机的管口处安装有线性栅网，该线性栅网与电阻相连，实现对飞行器的隔离保护。

15、进一步的，所述步骤s4中，通过调节线性栅网的电位，改变燃料燃烧产生的等离子体浓度，以调整飞行器表面电位。

16、进一步的，线性栅网的材质为导体。

17、进一步的，线性栅网的材质密度为在0.4g/cm³到1.0g/cm³之间。

18、本发明一种飞行器表面静电电位监控系统，采用在飞行器各部位内表面贴附电极的结构，具体的，在飞行器的机身、太阳能电池板和天线的内表面贴附电极，以避免外部等离子体对电极探测的干扰，避免等离子体附着对电位监测精度的影响提高电位监测的精准性和可靠性。

19、本发明一种飞行器表面静电电位监控方法，通过实时对飞行器多个关键部位进行电位检测，来预警飞行器在高速飞行过程中可能遇到的其他的一些外来威胁，如空间碎片、空间武器、太阳风暴等，通过异常电位给出的信号和发动机进行联动，改变飞行器整体姿态，进而规避外来风险。同时对发动机局部进行结构处理，减小羽流对飞行器表面充电的影响。

20、本发明一种飞行器表面静电电位监控方法，终端将接受到的电位信号信息中的电位值与该部位的安全电位阈值进行对比，当电位值超出该部位的安全电位阈值的范围时，表示该部位有强电场目标接近，生成该部位的表面电位评估结果，并传输给发动机控制系统，发动机控制系统调整相关联位置的发动机的动力，实现飞行器姿态的调控，避免与空间强场目标的进一步接近，甚至发生碰撞，保证了飞行器的安全性，提高飞行器自我保护能力；针对发动机的羽流（由燃料燃烧产生的等离子体），在发动机的管口处安装有材质轻和导电性能好的线性栅网，该线性栅网与高阻值电阻相连，实现对飞行器的隔离保护，在发动机工作时，能够减少发动机羽流对飞行器表面的充电影响；羽流与线性栅网相互作用，减缓高速羽流对飞行器表面的冲击。在必要时，能够通过调节线性栅网电位，改变燃料燃烧产生的等离子体浓度，以调整发动机附近飞行器表面电位。本方法有效实现了飞行器表面电位的实时监测，并确保航天器在复杂环境下的电位稳定性，提高了飞行器的安全性能。

技术特征：

1.一种飞行器表面静电电位监控系统，其特征在于，包括电极、集成实时监测系统、采样电阻和终端；

2.一种飞行器表面静电电位监控方法，其特征在于，利用如权利要求1所述的飞行器表面静电电位监控系统，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的飞行器表面静电电位监控方法，其特征在于，所述步骤s1中，在飞行器的机身、太阳能电池板和天线的内表面贴附电极。

4.根据权利要求2所述的飞行器表面静电电位监控方法，其特征在于，所述步骤s4中，终端将接受到的电位信号信息中的电位值与该部位的安全电位阈值进行对比，当电位值超出该部位的安全电位阈值的范围时，表示该部位有电场目标接近，然后生成该部位的表面电位评估结果。

5. 根据权利要求4所述的飞行器表面静电电位监控方法，其特征在于，所述步骤s4中，空间站结构体的安全电位阈值的范围是- 40 v 至+40 v之间。

6.根据权利要求2所述的飞行器表面静电电位监控方法，其特征在于，所述步骤s4中，发动机的管口处安装有线性栅网，该线性栅网与电阻相连，实现对飞行器的隔离保护。

7.根据权利要求6所述的飞行器表面静电电位监控方法，其特征在于，所述步骤s4中，通过调节线性栅网的电位，改变燃料燃烧产生的等离子体浓度，以调整飞行器表面电位。

8.根据权利要求6-7任一项所述的飞行器表面静电电位监控方法，其特征在于，线性栅网的材质为导体。

9.根据权利要求6-7任一项所述的飞行器表面静电电位监控方法，其特征在于，线性栅网的材质密度为在0.4g/cm³到1.0g/cm³之间。

技术总结本发明提供了一种飞行器表面静电电位监控系统及方法，属于航天技术领域，本系统包括电极、集成实时监测系统、采样电阻和终端；电极与集成实时监测系统电连接；集成实时监测系统与采样电阻电连接；采样电阻与终端电连接；终端与飞行器的发动机控制系统电连接；电极将探测到的电位信号传输到集成实时监测系统；集成实时监测系统对电位信号进行处理后，通过采样电阻传输到终端；终端生成表面电位评估结果，并将表面电位评估结果传输给发动机控制系统。本方法通过对多部位电位的实时监测改变发动机工作状态，实现飞行器姿态的调控，避免与空间强场目标的进一步接近，甚至发生碰撞，保证了飞行器的安全性，提高飞行器自我保护能力。技术研发人员：李鹏斐,王嫚屿,韩若愚,陈曦,秦泗超,王伟受保护的技术使用者：北京理工大学技术研发日：技术公布日：2024/4/17