集成儲能和姿態控制飛輪系統概述

  徐飛鵬，楊貴杰，李鐵才

(哈爾濱工業大學，黑龍江哈爾濱150001)

    摘要：飛輪作為一種新型的能量存儲方式，具有許多化學電池所沒有的優勢，正受到越來越多的關注：集成了能量存儲和姿態控制的飛輪系統，因其效率高，比能大，壽命長等優點，對空問飛行器性能的提高將起到重要作用。介紹了當前國內外對于集成儲能和姿態控制飛輪系統的研究成果，并對其工作原理及關鍵技術進行了分析。

    關鍵詞：飛輪；姿態控制；能量存儲；空間飛行器

    中圖分類號：TM341  文獻標識碼：A  文章編號：1004-7018(2008)01—0053—05

0引  言

    如何提高飛行器的性能，使其體積更小、成本更低、壽命更長，是各國科研人員不斷探索的方向。傳統的衛星等飛行器都用化學電池來儲存電能，如鎳鎘電池和鎳氫電池：但化學電池存在渚多不足，如壽命短、比能低、效率不高、受環境溫度影響大等，已經漸漸不能滿足新一代空間飛行器的要求。

    隨著飛輪技術的進步，使用飛輪作為飛行器上能量存儲手段，來取代現有的化學電池，已經成為發展趨勢。飛輪將能量存儲在高速旋轉的輪子中，是一種新型的機械儲能方式，它的能量存儲能力受轉子速度及轉動慣量等影響。飛輪電池和傳統化學電池相比，有以下優點：

    (1)比能(存儲能量／質量)大，是化學電池的5～lO倍。

    (2)壽命長，至少在10年以上，且不受充放電次數的影響。  

    (3)效率更高，可達百分之85～百分之95，而化學電池只有百分之70左右。

    (4)高充放電深度，且具有功率劇增能力。

    (5)充放電狀態容易測量。

    傳統的飛行器姿態控制所用的角動量通常是靠

控制力矩陀螺和反作用飛輪裝置實現的。為縮減體積，降低重量，一種新的飛輪應用方案——集成儲能和姿態控制飛輪系統，在上世紀70年代首次被提出。這種飛輪既能用作儲能元件，供給飛行器上負載所需電能，又能做姿態控制，控制飛行器的飛行姿態。它同時實現兩種功能，可以減輕飛行器的體積、質量及成本，還具有長壽命、高效率的優點。自從這個概念被提出以來，一直受到關注，相關的研究在不斷地展開和深入：下面將介紹集成儲能和姿態控制系統的歷史及****研究成果。

1國內外發展概況

    儲能飛輪在陸地上的應用研究開展較早。目前在某些民用領域，儲能飛輪已經有了一定規模的商業應用，已經有國外的公司可以提供商業化的儲能飛輪產品，如加拿大的nywheel Ene gy Systems公司和美國的Beacon P0wer公司=飛輪儲能在航天飛行器上的應用最早是Roes在1961年提出的^[1]。在文獻[1]中，作者設計了一種在兩個反方向旋轉的磁懸浮飛輪中儲存能量的系統。這個系統的能量密度為6l kJ運行速度9 500～19 000 r／min，轉子****線速度306～612 n1／s。

    an derson和Keckler在1973年的文獻[2]中首次提出了集成儲能和姿態控制飛輪系統(以下簡稱IPAcs)這個概念。美國航空航天局在這個時期開始了對IPAcs的研究。

    20世紀70年代，美國航空航天局的朗利研究中心對于IPAcs的概念進行了研究，并進行了一些地面試驗和理論分析，這些試驗是最早的對IPAcs的地而試驗。他們制造測試了一個完整的IPAcs單元，飛輪的轉子采用鈦制造，飛輪單元的總比能達到68 kJ／kg，運行速度在17 500～35000r／min之間，采用滾珠軸承，轉子直徑45．5 cm，轉子邊緣****線速度832 m／s。

    20世紀80年代，對于IPAcs的研究進一步深入。但是這期間的文獻多是理論上的分析及論證，例如飛輪的幾何形狀，轉子所用材料，適用范圍等，基本沒有相關的實物試驗。

    20世紀90年代中期，由于磁軸承技術和高強度復合材料技術的進步，飛輪技術獲得了新的關注。美國航空航天局和美國空軍展開合作，共同開發IPAcs，以滿足一致的長遠需要，參與開發的也包括一些大學和一些公司，如得克薩斯大學、HoneyweII公司、洛克希德馬丁公司等[3]。

    在過去的十幾年里，美國航空航天局下屬的格林研究中心的興趣主要放在飛輪儲能上，其次才是姿態控制的研究，他們的研究重點是將來在國際空間站(Iss)上用E輪電池取代鎳氫、鎳鎘電池。他們計劃先在低地球軌道上的能量等級在1 080～2 520kJ之間的