太空僧，和尚洗头用飘柔 阅读原文 难道是要拉一根电线到地球么？否则怎么保证宇航员不触电呢？ 这个问题很专业，而且有好几层答案。我试着通俗易懂的表述来讲一下。（以下保证无公式，但略微有点长，估计 90%的人都不能坚持看完） 知识铺垫：接地是什么？ 在地球上，我们通常会将电气设备的金属外壳“接地”后使用，以避免表面漏电的风险。就拿漏电的洗衣机举例，如果没有三脚插头上那个较长的那个接地线，当人触摸壳体时，电流就会通过人体流向大地从而触电。如果有了那根接地线，电线比人体的电阻小很多，电流会尽量沿着阻力最小的路线流向大地，人就不会被电到了。 想想法拉第笼吧。接地是因为我们都站在地上，或与大地等电位的楼上。引起电击的不是实际电荷有多少，而是两个接触点间有电势差。鸟类能站在高压线上就是这个道理。我们家中接地线的目的就是让所有裸露的金属处在相同电位上。（接地和接零的关系就略了，突然想起了我二十年前的台式机箱，每次一摸都有麻麻的静电，双脚离地再摸就没了。这里不讲什么工作接地和保护接地等的区别，也不讲三相四线五线和 MEB 线什么的，简单点） 还有一个作用，就是用来建立零电位参考点，初中物理老师教过：“以大地为零电势位”。这个是人为定义的，方便计算而已。“电压”并不是一个绝对的数字，而是两点之间的电位差。电压为“6V”只代表测量的节点电位比地面零电位高 6 伏。因此零电位参考点是任意的，可以把它放在电路的任何地方。 可以说，电器不接地也能用（甚至，没零线就一根火线都能用。很多电网的主干线都没零线，电厂发电机零线直接接地，农村很多就是三根火线输电，零线是从每个村口的变压器引出来的，这里就不去说了。），但是这非常不安全，会产生静电和触电。另外，航空航天器上有大量的天线，静电场会与天线发出的电磁波耦合，会严重干扰导航和通信设备。 总结就是一句话：电流就像高山的水流一样，总想往低处流，它并不在意“低处”是哪里，地球只不过提供了一个足够大的“低处”而已。 答案第一层：像飞机一样接外壳 先从飞机说起吧。 我们知道，飞机上有很多电气设备，但并没有拖一根长长的地线到地面上。这是因为飞机上的航电系统和供电系统都是把飞机外壳作为“低处”，即零电位点[1]，设备的金属外壳就近连接到机体的金属结构上。专业一点说，飞机或船舶的“接地”其实是“等电位联结”。[2] 搭铁线 在飞机停着的时候，会有接地桩[3]还有避雷带与地面扣接（加上导电轮胎软接地、金属穿墙件、尾附件等），而起飞会飞机就是一个法拉第笼，铝合金等外壳是比人体更理想的良导体（非金属外壳飞机会镀有导电层），电流并不在乎大地在哪里，只要能形成回路就好。这样就能保护其内的乘客与电器的安全（尤其是被雷电击中时，平均每架飞机每年至少被击中一次或以上[4]）。 说到雷电，当飞机被雷击时，或者长时间飞行与空气摩擦后，表面会聚集大量的静电荷。另外，金属机翼切割地球磁感线也会产生较大的电动势。地面设备可以接地，大货车可以拖铁链，在空中飞行的飞机只能接触到空气。那也有办法。大家坐飞机的时候有没有仔细观察过飞机翅膀上有一些小毛刺？这就是用于释放静电的放电刷。 放电刷，或者叫“静电释放器”（Static Discharger） 一架空客 A320-200 上理论上应配有 37 根电阻为 6 到 200 兆欧的放电刷，会一边飞一边把机身上的静电通过尖端放电释放到空气中。 答案第二层：在真空中飞翔 看到这儿了，终于开始说空间站了。 太空中飞行的空间站的接地原理与飞机是相似的。下图是国际空间站日本希望号实验舱的电力系统简图。注意看左下角直流 DC 的负极处理。 JEM 日本段的电力系统 EPS 但空间站与飞机有三点很大的不同。 第一点，这是最容易想到的，空间站周围几乎没有大气，没法像飞机一样在气体中尖端放电。 第二点，是空间站是需要与地面不断飞来的运输飞船对接，要保证两个航天器不放电。 第三点，是宇航员会有出舱 EVA，相当于站在法拉第笼外面碰笼子。 关于第一点，真空确实可以看作是一个良好的绝缘体。但空间站所在的 400 公里 LEO 轨道处于地球电离层 F2 区，高速运动的空间站会接触大量高密度低温等离子体和高能带电粒子（此处有考点：范艾伦带辐射），其导电性足以让航空器保持合理的低电压，但仍使航天器表面带一定的负电。另外，考虑到巨大航天站切割磁场充电及太阳能电池板充放电的影响，也会有大量电荷在航天器表面积累，航天器与空间等离子体间、航天器不同部位间会出现电位差从而形成静电放电。这些电荷有时会穿透航天器的屏蔽，在电缆和电路板上逐渐积累，并引发突然放电现象，导致设备损坏。那这些电荷有多少呢？空间站装有电位探测器，或者叫“浮动电位测量单元( FPMU)”来测量空间站上的电荷[5]。 FPMU 由四个探头组成：等离子体阻抗探头（PIP）、宽扫朗缪尔探头（WLP）、窄扫朗缪尔探头（NLP）和浮动电位探头（FPP） 为什么说是“浮动”呢？这是因为，空间站外壳上的电位是规律波动的。下图是 2013 年 2 月 9 日这一天 FPMU 的 FPP 等测量的电位变化。当进出地球阴影时，160 伏的电压波动让太阳能板边缘的电荷随之变化。[6] 灰色代表进入地球阴影（日食），白色代表有阳光照射太阳能板.就如同上文所说的鸟儿或法拉第笼的例子，外壳的小幅电荷波动基本不影响其内的电器与宇航员。 by STK 另外，与飞机最大的不同，是太阳能板有电子收集问题，即所谓的“充电效应”（不只是等离子体造成电子聚集和切割磁感线，原理略了，马尔特效应也不写了）。当太阳能板开始发电时，空间站的主体结构也倾向于浮动到接近太阳能板的电压。 图片下半部分的 PCU 后文会讲。图 by Boeing 我们以中国的天宫一号 100V 的太阳能板为例。如果把初始空间等离子体定义为零电位（0V）的话，刚进入空间时。空间站核心舱主体结构的相对电位为 -15V，而太阳能电池板的相对电位为 +85V。它们中间存在 100V 的电位差。这个电位差也是空间站工作电压的来源。空间站的充电过程在太阳能板上产生操作电压，吸收大量电子，假设太阳能板在空间等离子体的相对充电效率为 90%，则相对电位会如下变化[7]： 从上图的数字容易看到，空间站主体与空间等离子体间的相对电位差由一开始的 15V 变为了 205V，出舱宇航员在舱外作业将冒很大风险。宇航员在空间站外部工作时，内衬衣物常被汗水浸透，从而与防止漂走的安全带连通。（宇航员会有一条钢制安全缆从舱外航天服腰环连接到空间站上）。经计算，在 15V 的电压下，电击所生的电流值在 15 毫安～18 毫安之间[8]。 神经、心脏和大脑用蓝色表示。电极以红色表示。电极放置考虑了两种情况：汗水浸透的前胸到右腰的路径（左）和左手腕到右腰的路径（右）。 一般情况下，流经人体的电流超过 1 毫安就会有感觉，超过 10 毫安有明显麻痹感，并出现摆脱电极困难的情况。[9] 这还只是在 15V 电位差的情况下的计算，还没有算上面所述的 205V 的最大电位差。哦对了，国际空间站用的是 160VDC 的太阳能板，比中国的 100VDC 还要高，那触电风险将会更大。 看来，光靠外壳被动放电是无法满足上述第二点和第三点的要求的。 答案第三层：主动放电 没想到你能看到这里。 我上面讲的这些，都可以称为“被动电位控制”，即从结构设计和材料工艺等方面来防止充电效应和 ESD。对于有巨大太阳能电池阵列的空间站来说，其高电势差所带来的安全隐患已经无法单纯通过这种被动方法来防护了。 那主动排出电荷行不行呢？ 于是，空间站上出现了一个叫等离子体接触器 PCU（Plasma Contactor Unit）的装置，就是下面圈出来的这个： 国际空间站桁架结构的 Z1 段安装了两台等离子体接触器 早在 1986 年和平号空间站服役期间，莫航就搞出了空心阴极做主动电位控制单元，一用就是 11 年。后来 1992 年美国自由号空间站提出使用 PCU，1998 年在国际空间站上正式运行。 国际空间站等离子体接触器单元（PCU） PCU 的原理也很简单，就是充当“接地棒”，通过指令控制喷射 10 A 电子束（负的）或等离子体（通常是正的氙离子）来弥补充入太阳能板的电子，从而中和航天器积聚的静电，可将整个空间站表面的电位从数千伏降低到安全电压，[10]但仅在宇航员出舱或飞船对接等必要时才开启，从而让宇航员可以脱离电脐带完成真正的太空行走[11][12]。 等离子体接触器的空心阴极组件 继美俄之后，我国的 510 所（就是研发霍尔推力器的那个）也采用类似的技术[13]，以六硼化镧做为主动发射的空心阴极组件，将少量气体转换为离子和电子并排放到太空来实现。 我估计没有人能读到这里吧。。。。。读到这里请加个关注吧，我会继续写无用的知识给你看的。谢谢。 阅读原文
