集成储能和姿态控制飞轮系统概述

  徐飞鹏，杨贵杰，李铁才

(哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨150001)

    摘要：飞轮作为一种新型的能量存储方式，具有许多化学电池所没有的优势，正受到越来越多的关注：集成了能量存储和姿态控制的飞轮系统，因其效率高，比能大，寿命长等优点，对空问飞行器性能的提高将起到重要作用。介绍了当前国内外对于集成储能和姿态控制飞轮系统的研究成果，并对其工作原理及关键技术进行了分析。

    关键词：飞轮；姿态控制；能量存储；空间飞行器

    中图分类号：TM341  文献标识码：A  文章编号：1004-7018(2008)01—0053—05

0引  言

    如何提高飞行器的性能，使其体积更小、成本更低、寿命更长，是各国科研人员不断探索的方向。传统的卫星等飞行器都用化学电池来储存电能，如镍镉电池和镍氢电池：但化学电池存在渚多不足，如寿命短、比能低、效率不高、受环境温度影响大等，已经渐渐不能满足新一代空间飞行器的要求。

    随着飞轮技术的进步，使用飞轮作为飞行器上能量存储手段，来取代现有的化学电池，已经成为发展趋势。飞轮将能量存储在高速旋转的轮子中，是一种新型的机械储能方式，它的能量存储能力受转子速度及转动惯量等影响。飞轮电池和传统化学电池相比，有以下优点：

    (1)比能(存储能量／质量)大，是化学电池的5～lO倍。

    (2)寿命长，至少在10年以上，且不受充放电次数的影响。  

    (3)效率更高，可达百分之85～百分之95，而化学电池只有百分之70左右。

    (4)高充放电深度，且具有功率剧增能力。

    (5)充放电状态容易测量。

    传统的飞行器姿态控制所用的角动量通常是靠

控制力矩陀螺和反作用飞轮装置实现的。为缩减体积，降低重量，一种新的飞轮应用方案——集成储能和姿态控制飞轮系统，在上世纪70年代首次被提出。这种飞轮既能用作储能元件，供给飞行器上负载所需电能，又能做姿态控制，控制飞行器的飞行姿态。它同时实现两种功能，可以减轻飞行器的体积、质量及成本，还具有长寿命、高效率的优点。自从这个概念被提出以来，一直受到关注，相关的研究在不断地展开和深入：下面将介绍集成储能和姿态控制系统的历史及****研究成果。

1国内外发展概况

    储能飞轮在陆地上的应用研究开展较早。目前在某些民用领域，储能飞轮已经有了一定规模的商业应用，已经有国外的公司可以提供商业化的储能飞轮产品，如加拿大的nywheel Ene gy Systems公司和美国的Beacon P0wer公司=飞轮储能在航天飞行器上的应用最早是Roes在1961年提出的^[1]。在文献[1]中，作者设计了一种在两个反方向旋转的磁悬浮飞轮中储存能量的系统。这个系统的能量密度为6l kJ运行速度9 500～19 000 r／min，转子****线速度306～612 n1／s。

    an derson和Keckler在1973年的文献[2]中首次提出了集成储能和姿态控制飞轮系统(以下简称IPAcs)这个概念。美国航空航天局在这个时期开始了对IPAcs的研究。

    20世纪70年代，美国航空航天局的朗利研究中心对于IPAcs的概念进行了研究，并进行了一些地面试验和理论分析，这些试验是最早的对IPAcs的地而试验。他们制造测试了一个完整的IPAcs单元，飞轮的转子采用钛制造，飞轮单元的总比能达到68 kJ／kg，运行速度在17 500～35000r／min之间，采用滚珠轴承，转子直径45．5 cm，转子边缘****线速度832 m／s。

    20世纪80年代，对于IPAcs的研究进一步深入。但是这期间的文献多是理论上的分析及论证，例如飞轮的几何形状，转子所用材料，适用范围等，基本没有相关的实物试验。

    20世纪90年代中期，由于磁轴承技术和高强度复合材料技术的进步，飞轮技术获得了新的关注。美国航空航天局和美国空军展开合作，共同开发IPAcs，以满足一致的长远需要，参与开发的也包括一些大学和一些公司，如得克萨斯大学、HoneyweII公司、洛克希德马丁公司等[3]。

    在过去的十几年里，美国航空航天局下属的格林研究中心的兴趣主要放在飞轮储能上，其次才是姿态控制的研究，他们的研究重点是将来在国际空间站(Iss)上用E轮电池取代镍氢、镍镉电池。他们计划先在低地球轨道上的能量等级在1 080～2 520kJ之间的