集成儲(chǔ)能和姿態(tài)控制飛輪系統(tǒng)概述
徐飛鵬，楊貴杰，李鐵才
(哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱150001)
摘要：飛輪作為一種新型的能量存儲(chǔ)方式，具有許多化學(xué)電池所沒(méi)有的優(yōu)勢(shì)，正受到越來(lái)越多的關(guān)注：集成了能量存儲(chǔ)和姿態(tài)控制的飛輪系統(tǒng)，因其效率高，比能大，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)空問(wèn)飛行器性能的提高將起到重要作用。介紹了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)于集成儲(chǔ)能和姿態(tài)控制飛輪系統(tǒng)的研究成果，并對(duì)其工作原理及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析。
關(guān)鍵詞：飛輪；姿態(tài)控制；能量存儲(chǔ)；空間飛行器
中圖分類(lèi)號(hào)：TM341 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(zhǎng)，是各國(guó)科研人員不斷探索的方向。傳統(tǒng)的衛(wèi)星等飛行器都用化學(xué)電池來(lái)儲(chǔ)存電能，如鎳鎘電池和鎳氫電池：但化學(xué)電池存在渚多不足，如壽命短、比能低、效率不高、受環(huán)境溫度影響大等，已經(jīng)漸漸不能滿足新一代空間飛行器的要求。
隨著飛輪技術(shù)的進(jìn)步，使用飛輪作為飛行器上能量存儲(chǔ)手段，來(lái)取代現(xiàn)有的化學(xué)電池，已經(jīng)成為發(fā)展趨勢(shì)。飛輪將能量存儲(chǔ)在高速旋轉(zhuǎn)的輪子中，是一種新型的機(jī)械儲(chǔ)能方式，它的能量存儲(chǔ)能力受轉(zhuǎn)子速度及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等影響。飛輪電池和傳統(tǒng)化學(xué)電池相比，有以下優(yōu)點(diǎn)：
(1)比能(存儲(chǔ)能量／質(zhì)量)大，是化學(xué)電池的5～lO倍。
(2)壽命長(zhǎng)，至少在10年以上，且不受充放電次數(shù)的影響。
(3)效率更高，可達(dá)百分之85～百分之95，而化學(xué)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(tài)容易測(cè)量。
傳統(tǒng)的飛行器姿態(tài)控制所用的角動(dòng)量通常是靠
控制力矩陀螺和反作用飛輪裝置實(shí)現(xiàn)的。為縮減體積，降低重量，一種新的飛輪應(yīng)用方案——集成儲(chǔ)能和姿態(tài)控制飛輪系統(tǒng)，在上世紀(jì)70年代首次被提出。這種飛輪既能用作儲(chǔ)能元件，供給飛行器上負(fù)載所需電能，又能做姿態(tài)控制，控制飛行器的飛行姿態(tài)。它同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩種功能，可以減輕飛行器的體積、質(zhì)量及成本，還具有長(zhǎng)壽命、高效率的優(yōu)點(diǎn)。自從這個(gè)概念被提出以來(lái)，一直受到關(guān)注，相關(guān)的研究在不斷地展開(kāi)和深入：下面將介紹集成儲(chǔ)能和姿態(tài)控制系統(tǒng)的歷史及****研究成果。
1國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況
儲(chǔ)能飛輪在陸地上的應(yīng)用研究開(kāi)展較早。目前在某些民用領(lǐng)域，儲(chǔ)能飛輪已經(jīng)有了一定規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用，已經(jīng)有國(guó)外的公司可以提供商業(yè)化的儲(chǔ)能飛輪產(chǎn)品，如加拿大的nywheel Ene gy Systems公司和美國(guó)的Beacon P0wer公司=飛輪儲(chǔ)能在航天飛行器上的應(yīng)用最早是Roes在1961年提出的[1]。在文獻(xiàn)[1]中，作者設(shè)計(jì)了一種在兩個(gè)反方向旋轉(zhuǎn)的磁懸浮飛輪中儲(chǔ)存能量的系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)的能量密度為6l kJ運(yùn)行速度9 500～19 000 r／min，轉(zhuǎn)子****線速度306～612 n1／s。
an derson和Keckler在1973年的文獻(xiàn)[2]中首次提出了集成儲(chǔ)能和姿態(tài)控制飛輪系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)IPAcs)這個(gè)概念。美國(guó)航空航天局在這個(gè)時(shí)期開(kāi)始了對(duì)IPAcs的研究。
20世紀(jì)70年代，美國(guó)航空航天局的朗利研究中心對(duì)于IPAcs的概念進(jìn)行了研究，并進(jìn)行了一些地面試驗(yàn)和理論分析，這些試驗(yàn)是最早的對(duì)IPAcs的地而試驗(yàn)。他們制造測(cè)試了一個(gè)完整的IPAcs單元，飛輪的轉(zhuǎn)子采用鈦制造，飛輪單元的總比能達(dá)到68 kJ／kg，運(yùn)行速度在17 500～35000r／min之間，采用滾珠軸承，轉(zhuǎn)子直徑45．5 cm，轉(zhuǎn)子邊緣****線速度832 m／s。
20世紀(jì)80年代，對(duì)于IPAcs的研究進(jìn)一步深入。但是這期間的文獻(xiàn)多是理論上的分析及論證，例如飛輪的幾何形狀，轉(zhuǎn)子所用材料，適用范圍等，基本沒(méi)有相關(guān)的實(shí)物試驗(yàn)。
20世紀(jì)90年代中期，由于磁軸承技術(shù)和高強(qiáng)度復(fù)合材料技術(shù)的進(jìn)步，飛輪技術(shù)獲得了新的關(guān)注。美國(guó)航空航天局和美國(guó)空軍展開(kāi)合作，共同開(kāi)發(fā)IPAcs，以滿足一致的長(zhǎng)遠(yuǎn)需要，參與開(kāi)發(fā)的也包括一些大學(xué)和一些公司，如得克薩斯大學(xué)、HoneyweII公司、洛克希德馬丁公司等[3]。
在過(guò)去的十幾年里，美國(guó)航空航天局下屬的格林研究中心的興趣主要放在飛輪儲(chǔ)能上，其次才是姿態(tài)控制的研究，他們的研究重點(diǎn)是將來(lái)在國(guó)際空間站(Iss)上用E輪電池取代鎳氫、鎳鎘電池。他們計(jì)劃先在低地球軌道上的能量等級(jí)在1 080～2 520kJ之間的 |
