伺服動(dòng)力電源技術(shù)發(fā)展概述*

楊 斌，閆麗媛，楊 磊，鄭再平，黃玉平

(北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所·北京·100076)

0 引 言

隨著電機(jī)、功率器件、數(shù)字控制等技術(shù)的大力發(fā)展，以電機(jī)為能量轉(zhuǎn)換及控制裝置的機(jī)電伺服系統(tǒng)，以更好的整體效率、高可靠性、易維護(hù)性及較低成本的特點(diǎn)取得了顯著發(fā)展，已成為運(yùn)載火箭、導(dǎo)彈及飛機(jī)姿控系統(tǒng)的全新執(zhí)行方式，推動(dòng)著各領(lǐng)域技術(shù)向多電化方向發(fā)展，在提升了智能化水平的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了運(yùn)載火箭、導(dǎo)彈及飛機(jī)的輕量化，隨之也推動(dòng)了伺服動(dòng)力電源技術(shù)的多樣性發(fā)展。一次電池技術(shù)、二次電池技術(shù)、發(fā)電技術(shù)等均實(shí)現(xiàn)了工程應(yīng)用，為不同類型的機(jī)電伺服系統(tǒng)提供了適合的初級(jí)能源。本文梳理了伺服動(dòng)力電源的發(fā)展情況，詳細(xì)介紹了國(guó)外運(yùn)載火箭、導(dǎo)彈及飛機(jī)領(lǐng)域中典型的伺服動(dòng)力電源的應(yīng)用特點(diǎn)及技術(shù)發(fā)展方向，并就電源系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)能量密度、短時(shí)功率密度、高可靠性及智能化等技術(shù)需求對(duì)未來伺服動(dòng)力電源發(fā)展趨勢(shì)的影響進(jìn)行了分析及展望。

1 箭上伺服動(dòng)力電源技術(shù)

在運(yùn)載火箭上，伺服機(jī)構(gòu)與火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管共同構(gòu)成了推力矢量控制系統(tǒng)。目前，主流伺服機(jī)構(gòu)主要為大功率閥控電液伺服機(jī)構(gòu)。隨著商業(yè)運(yùn)載火箭對(duì)可靠性及成本要求的提升，機(jī)電伺服系統(tǒng)推力矢量控制系統(tǒng)得到了較為廣泛的應(yīng)用。

日本H-2A火箭由H-2衍生而來，其重大改進(jìn)之一就包括了引入機(jī)電作動(dòng)器，其基本型的固體助推、一級(jí)、二級(jí)及增強(qiáng)型的液體助推均使用了機(jī)電作動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)推力矢量控制。其中，在機(jī)電作動(dòng)器動(dòng)力電源方面采用了熱電池作為初級(jí)能源，固體助推SRB-A采用了270V的熱電池，單個(gè)作動(dòng)器的電流不超過105A；主發(fā)動(dòng)機(jī)和液體助推器LE-7A發(fā)動(dòng)機(jī)姿控系統(tǒng)的電源設(shè)備由與SRB-A相同的熱電池提供。同時(shí)，考慮到作動(dòng)器的電壓過高，且無法對(duì)熱電池進(jìn)行充電，當(dāng)電機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速方向相反時(shí)，產(chǎn)生的再生電能將通過消耗電阻進(jìn)行耗散；二級(jí)LE-5B機(jī)電作動(dòng)器的供電電壓為28V，電流不大于25A，電能來自于LE-5B發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)[1]。

織女星(VEGA)火箭四級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)采用機(jī)電作動(dòng)器實(shí)現(xiàn)推力矢量控制，并采用鋰離子電池作為伺服動(dòng)力電源?；鸺叭蛹?jí)發(fā)動(dòng)機(jī)(P80、Z23、Z9)的推力矢量控制要求電源具備短時(shí)大功率，因此其選用了SAFT公司的VL8P圓柱形鋰離子電池。該電池單體2秒脈沖比功率可達(dá)20(kW/kg)，由15節(jié)單體組成一個(gè)模組。一子級(jí)伺服動(dòng)力電源由6個(gè)模組構(gòu)成，二子級(jí)伺服動(dòng)力電源由3個(gè)模組構(gòu)成，三子級(jí)伺服動(dòng)力電源由1個(gè)模組構(gòu)成?；鸺淖蛹?jí)(AVUM)發(fā)動(dòng)機(jī)(RD-869)的飛行時(shí)間更長(zhǎng)，對(duì)比能量要求更高，伺服動(dòng)力電源選用了SAFT公司的MPS176065電池[2]。電池單體容量為5.8Ah，能量密度為120(Wh/kg)，該電源采用15節(jié)串聯(lián)、3節(jié)并聯(lián)的方式形成電池組[3]，織女星各級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)所使用的伺服動(dòng)力電源如圖1所示。同時(shí)，基于織女星的飛行經(jīng)驗(yàn)及教訓(xùn)，開展了對(duì)織女星-C(VEGA-C)火箭的研制，其近地軌道的負(fù)載能力較織女星增加了700kg。對(duì)于推力矢量控制系統(tǒng)而言，其主要變化點(diǎn)在于一子級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)P120和二子級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)Z40，而三子級(jí)和四子級(jí)推力矢量控制系統(tǒng)與織女星保持一致，前兩級(jí)伺服動(dòng)力電源采用了ASB公司的熱電池模塊。其中，一子級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)P120采用雙模塊組成熱電池組，二子級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)Z40采用單模塊組成熱電池組。更換熱電池需主要考慮熱電池的惰性特點(diǎn)，在存儲(chǔ)及運(yùn)輸期間需要免維護(hù)。熱電池模塊的激活裝置配備了兩個(gè)點(diǎn)火頭，可確保激活成功[4]?？椗呛涂椗?C的推力矢量控制系統(tǒng)如圖2、圖3所示。表1為典型箭用機(jī)電伺服產(chǎn)品伺服動(dòng)力電源的參數(shù)。

(a)P80、Z23、Z9使用的電池模組

圖2 織女星P80推力矢量控制系統(tǒng)Fig.2 Vega P80 thrust vector control system

圖3 織女星-C P120推力矢量控制系統(tǒng)Fig.3 Vega-C P120 thrust vector control system

表1 典型箭用機(jī)電伺服產(chǎn)品伺服動(dòng)力電源參數(shù)Tab.1 Typical parameters of electromechanical servo products for rockets

基于以上應(yīng)用情況可知，在箭用伺服動(dòng)力電源方面，化學(xué)電池是其最重要的選擇，且由熱電池、鋰離子電池并存的情況向熱電池傾斜，這其中的主要考慮因素依舊是熱電池的高可靠性、短時(shí)高功率密度特性以及長(zhǎng)期免維護(hù)性，以進(jìn)一步簡(jiǎn)化維護(hù)流程、提升有效載荷的重量，以更好地適應(yīng)商業(yè)化應(yīng)用。隨著大功率機(jī)電伺服系統(tǒng)在箭上的應(yīng)用及火箭的多電化發(fā)展，單一貯備化學(xué)電池比能量較低的劣勢(shì)將進(jìn)一步顯現(xiàn)，發(fā)展箭上化學(xué)燃料能源發(fā)電技術(shù)是箭上伺服動(dòng)力電源的重要發(fā)展方向。

2 彈上伺服動(dòng)力電源技術(shù)

2.1 彈上電池技術(shù)

彈上伺服動(dòng)力電源的應(yīng)用主要集中于機(jī)電伺服系統(tǒng)。伺服電動(dòng)機(jī)誕生后，機(jī)電伺服系統(tǒng)即被廣泛應(yīng)用于蘇聯(lián)R-77蝰蛇(Adeer)中距空空導(dǎo)彈、美國(guó)AIM120中距空空導(dǎo)彈、美國(guó)戰(zhàn)斧(Tomahawk)巡航導(dǎo)彈、美國(guó)響尾蛇(Sidewinder)AIM-9X近距空空導(dǎo)彈、法國(guó)魔術(shù)(Magic)R550空空導(dǎo)彈、美國(guó)毒刺(Stinger)FIM-92A近程防空導(dǎo)彈、以色列蝰蛇(Viper)反坦克導(dǎo)彈、南非短刀(Kukri)空空導(dǎo)彈、法國(guó)飛魚(Exocet)反艦導(dǎo)彈、瑞典RBS-70便攜式近程防空導(dǎo)彈等[5]。

俄羅斯R-77空空導(dǎo)彈采用4片矩形格柵式尾翼舵面，舵機(jī)艙位于導(dǎo)彈尾部，機(jī)電伺服系統(tǒng)由熱電池進(jìn)行供電[6]；美國(guó)AIM120中距空空導(dǎo)彈的結(jié)構(gòu)如圖4所示。姿控系統(tǒng)由四個(gè)獨(dú)立的置于尾部的機(jī)電伺服系統(tǒng)組成，機(jī)電伺服系統(tǒng)主要由無刷直流伺服電機(jī)和以滾珠絲杠為主要部件的傳動(dòng)裝置兩部分組成，由三個(gè)鋰-鋁熱電池組供電[7]；法國(guó)魔術(shù)R550空空導(dǎo)彈采用了三個(gè)機(jī)電伺服系統(tǒng)，分別控制偏航、俯仰和翻滾，電源為SOGEA提供的自激活鋅銀電池；美國(guó)近距空空導(dǎo)彈響尾蛇AIM-9X采用了機(jī)電伺服系統(tǒng)，動(dòng)力電源為自動(dòng)激活鋅-銀電池，其激活時(shí)間短，可在1s內(nèi)輸出額定電流和電壓。美國(guó)毒刺FIM-92A采用機(jī)電伺服系統(tǒng)控制彈體偏轉(zhuǎn)，電源采用了Ca/CaCrO4體系熱電池，比能量為12Wh/kg，是上世紀(jì)70年代最好的熱電池；法國(guó)飛魚導(dǎo)彈MM40采用機(jī)電作動(dòng)器控制彈上的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)。MM-40 Block1和Block2導(dǎo)彈采用了兩個(gè)ASB公司提供的熱電池，一個(gè)熱電池為輔助設(shè)備和機(jī)電作動(dòng)器供電，另一個(gè)為導(dǎo)引頭供電[8]。瑞典的RBS-70采用四個(gè)機(jī)電伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)舵面，以控制導(dǎo)彈的俯仰和偏航，伺服動(dòng)力電源為鎳-鎘電池。該電池的容量為1.8Ah，電壓為12V。

圖4 AIM-120導(dǎo)彈的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the AIM-120 missile structure

X-33、X-37、X-38、X-43、X-45、X-51A等高超聲速飛行器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)普遍采用了小型、輕質(zhì)、響應(yīng)速度快的機(jī)電伺服系統(tǒng)[9]。其中，X-51A使用鋰離子電池作為彈上電源，分別為航電設(shè)備、飛行測(cè)試儀、尾翼控制裝置及燃料泵提供28V、150V及270V的直流電源。該動(dòng)力型離子電池由Quallion公司提供，電池單體容量為3.3Ah，開路電壓為3.7V，大電流放電能力強(qiáng)，在超過10C的放電倍率下可運(yùn)行50個(gè)循環(huán)，并能保持較高的安全性，質(zhì)量比能量為120Wh/kg，體積比能量為252Wh/L[10]。X-51A所應(yīng)用的電源除動(dòng)力型鋰離子電池外，還包括了一塊用于飛行終止系統(tǒng)[11]的熱電池。其彈上結(jié)構(gòu)布局如圖5所示，電池組位于彈體的前部。

圖5 X-51A彈上結(jié)構(gòu)布局Fig.5 X-51A structure layout

2.2 彈上發(fā)電技術(shù)

當(dāng)以電池作為絕大部分彈上電源時(shí)，在某些導(dǎo)彈產(chǎn)品上還形成了以發(fā)電機(jī)作為能量轉(zhuǎn)換裝置的電源系統(tǒng)，為彈上電氣負(fù)載進(jìn)行供電。在飛魚(Exocet)MM40 Block 3中，選用TRI40渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)作為主發(fā)動(dòng)機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)置的發(fā)電機(jī)可同時(shí)為燃油噴射系統(tǒng)、伺服機(jī)構(gòu)、輔助設(shè)備和導(dǎo)引頭提供電力，發(fā)電機(jī)的電壓等級(jí)為270V，發(fā)電功率為4kW[12]。阿斯派德(Aspide)導(dǎo)彈配備了電氣與液壓能源組合，該能源組合由意大利微技術(shù)公司設(shè)計(jì)。該能源系統(tǒng)由燃?xì)獍l(fā)生器帶動(dòng)渦輪，以8r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，渦輪的輸出軸由減速齒輪箱帶動(dòng)交流發(fā)電機(jī)和滑動(dòng)活塞泵，比功率為1kW/kg，電機(jī)功率約為5kW，舵機(jī)為液壓形式，電源為彈上電氣負(fù)載供電；鯊蛇(Snake)的導(dǎo)彈電源是由主發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的60kW的三相交流發(fā)電機(jī)，其輸出電壓為115±1.7V和200±3V，頻率為400Hz。其在經(jīng)整流器處理后，變?yōu)?0V/200A直流電，供電氣負(fù)載使用[13]。

圖6 TRI40發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of the internal structure of the TRI40 engine

通過以上分析可知，彈用伺服動(dòng)力電源以化學(xué)電池為主，化學(xué)電池的體系多樣。發(fā)電方案則依托于發(fā)動(dòng)機(jī)類別，并形成了較大容量的電源以實(shí)現(xiàn)向全彈供電，機(jī)電伺服系統(tǒng)僅是其主要電能用戶之一?；诟黝悓?dǎo)彈的貯存需求，其伺服動(dòng)力電源均需具備優(yōu)良的貯存特性，而由貯備特性帶來的突出問題是彈上伺服動(dòng)力電源的不可檢不可測(cè)，這對(duì)發(fā)射的可靠性將產(chǎn)生影響。采用可檢、可測(cè)的二次電池則存在著電池自放電問題，必須對(duì)電池進(jìn)行定時(shí)維護(hù)以確保電池電量在許用范圍之內(nèi)。因此，兼顧二者要求而形成的新型伺服動(dòng)力電源是未來的重要發(fā)展方向。

3 飛機(jī)伺服動(dòng)力電源技術(shù)

在21世紀(jì)，三種飛機(jī)的相繼投入使用引起了業(yè)界的廣泛關(guān)注。這三種飛機(jī)分別為空客公司的大型客機(jī)A380、波音公司的客機(jī)B787，以及由美國(guó)洛克希德·馬丁公司研制的第四代戰(zhàn)斗機(jī)F-35。這三種飛機(jī)均被稱為多電飛機(jī)。其先進(jìn)的電源系統(tǒng)配合多種類、多余度的伺服機(jī)構(gòu)，大幅提升了飛機(jī)的可靠性和智能化水平，并有效降低了伺服機(jī)構(gòu)的重量。

A380為四發(fā)動(dòng)機(jī)飛機(jī)，裝配了4臺(tái)羅羅公司的Trent900渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)盟公司的GP7200發(fā)動(dòng)機(jī)。A380飛機(jī)的每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配了1臺(tái)寬頻交流發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)的額定容量為150kW，頻率為360～800Hz，電壓為115/200V，同時(shí)配備了2臺(tái)額定容量為120kW、電壓為115/200V、頻率為400Hz的輔助動(dòng)力裝置發(fā)電機(jī)，一臺(tái)額定容量為70kW、電壓為115/200V、頻率為400Hz的沖壓空氣渦輪發(fā)電機(jī)，以及4臺(tái)電壓為24V、電流為50Ah的蓄電池[14]。A380飛機(jī)的作動(dòng)系統(tǒng)除傳統(tǒng)的液壓作動(dòng)器外，還包括了8臺(tái)機(jī)電靜壓作動(dòng)器(Electro Hydrostatic Actuator，EHA)、8臺(tái)電備份液壓作動(dòng)器(Electro Backup Hydrostatic Actuator，EBHA)，以及3臺(tái)機(jī)電作動(dòng)器(Electro Mechanical Actuator，EMA)[15]，從而可通過電能供應(yīng)實(shí)現(xiàn)舵面作動(dòng)，而這是多電飛機(jī)的顯著特征。機(jī)電靜壓作動(dòng)器、電備份液壓作動(dòng)器以及機(jī)電作動(dòng)器的電源均由4臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)上的附件機(jī)匣的變頻交流發(fā)電機(jī)供電。交流電先經(jīng)自耦式變壓整流器整流為270V直流電，再向EHA、EBHA及EMA的交流伺服電動(dòng)機(jī)供電。機(jī)電伺服系統(tǒng)的電源系統(tǒng)包含兩條電能路徑[16]。B787與A380的供電系統(tǒng)類似，由多臺(tái)發(fā)電機(jī)組成飛機(jī)電源系統(tǒng)，飛控作動(dòng)系統(tǒng)在部分舵面上采用了機(jī)電作動(dòng)器(EMA)，采用一套獨(dú)立的電源系統(tǒng)為其供電[17]。

F-35為單發(fā)動(dòng)機(jī)飛機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)為惠普公司的JFS119-611加力渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。飛機(jī)的主電源為高轉(zhuǎn)速的內(nèi)置式12/8開關(guān)磁阻起動(dòng)/發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)的額定功率為250kW，發(fā)電電壓為270V，轉(zhuǎn)速范圍為13465-22224r/min，電機(jī)本體重為46.6kg。電機(jī)內(nèi)有兩套獨(dú)立的三相繞組，其分別與兩個(gè)三相功率變換器、兩臺(tái)輸出濾波器和兩臺(tái)控制器相連，這構(gòu)成了結(jié)構(gòu)如圖7所示的雙通道高可靠主電源。兩個(gè)發(fā)電通道相互獨(dú)立，負(fù)載可大可小，甚至可實(shí)現(xiàn)一個(gè)通道空載、另一個(gè)通道過載[18]。F-35的主飛控舵面控制全部采用機(jī)電靜壓作動(dòng)器[19]。其中，方向舵和副翼為單一配置，水平尾翼和襟副翼為雙串聯(lián)形式。

圖7 250kW開關(guān)磁阻起動(dòng)/發(fā)電系統(tǒng)電氣框圖Fig.7 Electrical block diagram of 250kW switched reluctance starting/generation system

多電飛機(jī)具備容錯(cuò)電力系統(tǒng)，電能來源包括主電源、輔助電源、應(yīng)急電源、電池等，并形成了多個(gè)供電體系，且飛機(jī)的電網(wǎng)容量遠(yuǎn)大于機(jī)電伺服系統(tǒng)的用電容量。機(jī)電伺服系統(tǒng)對(duì)飛機(jī)電源的外部特性影響較小，但采用多發(fā)電機(jī)并網(wǎng)供電的能源產(chǎn)生方式及采用制動(dòng)能量反饋電網(wǎng)的能源利用方式而形成可靠性高、智能化的飛機(jī)電源，為彈、箭伺服動(dòng)力電源的發(fā)展提供了新的思路。

4 伺服動(dòng)力電源比較

基于以上分析，機(jī)電伺服系統(tǒng)的常用電源包括熱電池、鋅銀電池、鋰離子電池以及渦輪發(fā)電機(jī)。熱電池具有比功率高、大電流放電能力強(qiáng)、電壓建立時(shí)間短、適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)、貯存期間免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，已成為了武器裝備的首選電源。但是，其比能量相對(duì)較低。另外，由于激活后其電解質(zhì)工作于高溫熔融狀態(tài)，因此工作時(shí)間相對(duì)較短。鋅銀電池的質(zhì)量比能量和體積比能量相對(duì)較高、荷電保持能力強(qiáng)、安全性好，但其比功率較低，價(jià)格較為昂貴。鋰離子電池具有比功率高、比容量高、無記憶效應(yīng)等優(yōu)異的綜合特征，被稱為第三代航天電池，其在衛(wèi)星方面已得到了廣泛應(yīng)用。但是，鋰離子電池屬于二次電池，一般需要在三個(gè)月至半年內(nèi)維護(hù)一次。其高倍率放電的安全性問題還沒有得到徹底解決，而目前這些技術(shù)問題仍是限制動(dòng)力型鋰離子電池在導(dǎo)彈武器系統(tǒng)中獲得應(yīng)用的主要因素。渦輪發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)工質(zhì)不同，包括了燃?xì)鉁u輪、氫氣渦輪等，并可配置為具備起動(dòng)功能的起動(dòng)發(fā)電一體化電源系統(tǒng)。該發(fā)電系統(tǒng)具有較高的比能量和比功率，工作時(shí)間長(zhǎng)，可拓展功率大。其在形成高速發(fā)電系統(tǒng)后，比能量可獲得大幅提升，能夠?yàn)楹罄m(xù)的大功率EMA、EHA、電動(dòng)泵等電力負(fù)載在各類航天器上的廣泛應(yīng)用提供大容量的電能供應(yīng)。文獻(xiàn)提出，結(jié)合氫氣渦輪發(fā)電的機(jī)電靜壓伺服機(jī)構(gòu)與國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)相比，是較大的創(chuàng)新。我國(guó)已掌握了20kW級(jí)的氫氣渦輪技術(shù)，具備開展超高速渦輪發(fā)電技術(shù)研究的能力[20]。幾種常見的伺服動(dòng)力電源性能如表2所示。

表2 幾種常見的伺服動(dòng)力電源性能Tab.2 Performance comparison of several common servo power supplies

5 伺服動(dòng)力電源的發(fā)展趨勢(shì)

機(jī)電伺服系統(tǒng)的功率級(jí)別大、對(duì)可靠性的要求高、用電特性復(fù)雜，對(duì)伺服動(dòng)力電源提出了高可靠、輕質(zhì)化、智能管理等全新要求。本文基于國(guó)內(nèi)外伺服動(dòng)力電源的應(yīng)用現(xiàn)狀及技術(shù)發(fā)展方向，提出了伺服動(dòng)力電源的主要發(fā)展趨勢(shì)。

(1)高壓電源技術(shù)

為適應(yīng)機(jī)電伺服系統(tǒng)功率等級(jí)的大幅提升，普遍采用提高供電電壓等級(jí)的方法，以減小電機(jī)、功率器件及供電線纜的質(zhì)量，提升單位面積線纜的供電功率、減少歐姆耗散，進(jìn)而形成了以270VDC為主的高壓直流供電體系，并將其運(yùn)用在飛機(jī)、火箭的伺服動(dòng)力電源上，其功率可達(dá)幾十至上百千瓦。但在低氣壓條件下，空氣的介電常數(shù)顯著下降，電暈的起始電壓和擊穿電壓降低，從而使電暈放電或電弧表面放電的危險(xiǎn)性增加。一旦形成放電通路，將使電源系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障或失效，因此需突破低氣壓環(huán)境下的高壓電力傳輸、變換、管理等技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)高壓供電條件下的絕緣安全。

(2)高比功率電源技術(shù)

機(jī)電伺服系統(tǒng)具備高動(dòng)態(tài)、快響應(yīng)的工作特點(diǎn)，同時(shí)其對(duì)質(zhì)量和體積參數(shù)極為敏感，進(jìn)而要求伺服動(dòng)力電源具備高比功率和高比能量特性。馬歇爾飛行中心曾開展了化學(xué)電池與電容的并聯(lián)試驗(yàn)，在270VDC伺服動(dòng)力電源中，通過將鋅銀電池與由100個(gè)4.7F、2.3V的電容器單體串聯(lián)而成的電容器組并聯(lián)，使峰值負(fù)載條件下的電源負(fù)載調(diào)整率由37%下降到了9%[21]。國(guó)內(nèi)也開展了對(duì)類似超級(jí)電容器、電容炭摻混等技術(shù)的研究。在后續(xù)伺服動(dòng)力電源的研發(fā)過程中，應(yīng)充分結(jié)合電池的高比能量和電容的高比功率特性，形成“雙高”伺服動(dòng)力電源。

(3)長(zhǎng)貯免激活化學(xué)電池技術(shù)

激活式貯備電池具有優(yōu)良的貯存特性，但其存在著激活前電池電壓的不可檢測(cè)問題。該問題對(duì)發(fā)射可靠性存在一定的不利影響，因此有必要推進(jìn)對(duì)如長(zhǎng)貯型非激活鋰氟化碳等體系電池的研究。該類型化學(xué)電池的濕擱置周期可達(dá)五年及以上，年自放電率不足1%[22]。利用激活式貯備電池的高比能量特性，并結(jié)合具備峰值補(bǔ)償、制動(dòng)能量吸收、過壓泄放、智能管理等功能的電源管理器，能夠在滿足長(zhǎng)時(shí)小功率、瞬時(shí)高功率、制動(dòng)負(fù)功率[23]的伺服用電特性的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步減小電池的質(zhì)量，并提升導(dǎo)彈的智能化水平，實(shí)現(xiàn)電源狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)，有效提升發(fā)射可靠性，降低故障率。因此，長(zhǎng)貯型非激活化學(xué)電池是未來伺服動(dòng)力電源發(fā)展的重要方向之一。

(4)發(fā)電技術(shù)

大功率EMA、EHA的應(yīng)用以及長(zhǎng)航時(shí)飛行需求的提出，對(duì)伺服動(dòng)力電源的比能量提出了更高要求。傳統(tǒng)化學(xué)電池的供電能量來源于正負(fù)極材料間的氧化還原反應(yīng)所放出的化學(xué)能。受電池體系及電池本體正負(fù)極材料質(zhì)量的限制，傳統(tǒng)化學(xué)電池的比能量一般不高于300Wh/kg[24]，而功率型電池的比能量參數(shù)還可進(jìn)一步降低。為適應(yīng)對(duì)長(zhǎng)航時(shí)、大功率伺服動(dòng)力電源的需求，可將渦輪與電機(jī)組成的發(fā)電系統(tǒng)作為伺服動(dòng)力電源。發(fā)電系統(tǒng)可將飛行器燃料的化學(xué)能向電能轉(zhuǎn)化，由于伺服系統(tǒng)的需求功率相比發(fā)動(dòng)機(jī)的需求功率存在巨大的體量差異，發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)對(duì)汲取能量不敏感，電源比能量水平較高，但其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)于電池更為復(fù)雜，比較適合長(zhǎng)時(shí)、大功率的電源系統(tǒng)。隨著高速渦輪、高速電機(jī)、可控整流技術(shù)的日趨成熟，高速渦輪發(fā)電、起動(dòng)發(fā)電一體電源系統(tǒng)將成為伺服動(dòng)力電源的一種新的實(shí)現(xiàn)方式。

(5)一體化/智能化/高可靠電源技術(shù)

航空、航天領(lǐng)域?qū)煽啃缘囊髽O為苛刻。機(jī)電伺服系統(tǒng)作為姿態(tài)控制的核心裝置，其能源可靠性基本要在0.9995以上。隨著彈、箭、飛機(jī)的電氣化、智能化發(fā)展，電能用戶的種類和數(shù)量逐步增多，如電子設(shè)備、機(jī)電伺服系統(tǒng)、火工品、電動(dòng)閥、電動(dòng)泵等。用電設(shè)備的電壓等級(jí)、功率等級(jí)、工作時(shí)間等均存在較大差異，需單獨(dú)配置供電電源。一體化電源以大容量電池或發(fā)電系統(tǒng)提供彈、箭所需的全部電能，不再對(duì)每個(gè)負(fù)載單獨(dú)配置電池，而通過高壓配電或無線傳能方式進(jìn)行供電，利用電源變換裝置完成電能的二次分配，可優(yōu)化飛行器的供配電體系，為不同電能用戶提供電能供應(yīng)，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)、隔離、系統(tǒng)重構(gòu)及余度管理等功能，在提升電源可靠性的同時(shí)，可降低電源系統(tǒng)的重量。

6 結(jié) 論

本文通過對(duì)運(yùn)載火箭、導(dǎo)彈及飛機(jī)伺服動(dòng)力電源的應(yīng)用分析，明確了在高可靠、輕質(zhì)化、低成本需求下，大功率機(jī)電伺服系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用將會(huì)推動(dòng)伺服動(dòng)力電源向高壓、高比功率、高比能量、智能化方向發(fā)展。通過對(duì)伺服動(dòng)力電源的需求特性進(jìn)行分析，以及對(duì)各類伺服動(dòng)力電源的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行比對(duì)，提出了高壓、高比功率、高比能量的新型電池及發(fā)電技術(shù)，進(jìn)而明確了一體化/智能化/高可靠的伺服動(dòng)力電源將成為未來先進(jìn)伺服動(dòng)力電源乃至整個(gè)彈、箭電源系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。