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，但等离子体需要消耗大量产生等离子体的工质。
1.1 Cluster 卫星
Cluster卫星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(≪1 cm-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10 A时航天器电位减少到7 V，20 A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。
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。固体钨针针尖半径2～5 m，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，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10～30 A，但也可以支持短时间的更高电流运行。
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。
1.3 MMS 星
NASA 将在 2014 年发射的 MMS 星，如图 5所示，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。
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。
