伺服动力电源技术发展概述*

杨 斌，闫丽媛，杨 磊，郑再平，黄玉平

(北京精密机电控制设备研究所·北京·100076)

0 引 言

随着电机、功率器件、数字控制等技术的大力发展，以电机为能量转换及控制装置的机电伺服系统，以更好的整体效率、高可靠性、易维护性及较低成本的特点取得了显著发展，已成为运载火箭、导弹及飞机姿控系统的全新执行方式，推动着各领域技术向多电化方向发展，在提升了智能化水平的同时实现了运载火箭、导弹及飞机的轻量化，随之也推动了伺服动力电源技术的多样性发展。一次电池技术、二次电池技术、发电技术等均实现了工程应用，为不同类型的机电伺服系统提供了适合的初级能源。本文梳理了伺服动力电源的发展情况，详细介绍了国外运载火箭、导弹及飞机领域中典型的伺服动力电源的应用特点及技术发展方向，并就电源系统长时能量密度、短时功率密度、高可靠性及智能化等技术需求对未来伺服动力电源发展趋势的影响进行了分析及展望。

1 箭上伺服动力电源技术

在运载火箭上，伺服机构与火箭发动机喷管共同构成了推力矢量控制系统。目前，主流伺服机构主要为大功率阀控电液伺服机构。随着商业运载火箭对可靠性及成本要求的提升，机电伺服系统推力矢量控制系统得到了较为广泛的应用。

日本H-2A火箭由H-2衍生而来，其重大改进之一就包括了引入机电作动器，其基本型的固体助推、一级、二级及增强型的液体助推均使用了机电作动器来实现推力矢量控制。其中，在机电作动器动力电源方面采用了热电池作为初级能源，固体助推SRB-A采用了270V的热电池，单个作动器的电流不超过105A；主发动机和液体助推器LE-7A发动机姿控系统的电源设备由与SRB-A相同的热电池提供。同时，考虑到作动器的电压过高，且无法对热电池进行充电，当电机扭矩和转速方向相反时，产生的再生电能将通过消耗电阻进行耗散；二级LE-5B机电作动器的供电电压为28V，电流不大于25A，电能来自于LE-5B发动机控制系统[1]。

织女星(VEGA)火箭四级发动机采用机电作动器实现推力矢量控制，并采用锂离子电池作为伺服动力电源。火箭前三子级发动机(P80、Z23、Z9)的推力矢量控制要求电源具备短时大功率，因此其选用了SAFT公司的VL8P圆柱形锂离子电池。该电池单体2秒脉冲比功率可达20(kW/kg)，由15节单体组成一个模组。一子级伺服动力电源由6个模组构成，二子级伺服动力电源由3个模组构成，三子级伺服动力电源由1个模组构成。火箭四子级(AVUM)发动机(RD-869)的飞行时间更长，对比能量要求更高，伺服动力电源选用了SAFT公司的MPS176065电池[2]。电池单体容量为5.8Ah，能量密度为120(Wh/kg)，该电源采用15节串联、3节并联的方式形成电池组[3]，织女星各级发动机所使用的伺服动力电源如图1所示。同时，基于织女星的飞行经验及教训，开展了对织女星-C(VEGA-C)火箭的研制，其近地轨道的负载能力较织女星增加了700kg。对于推力矢量控制系统而言，其主要变化点在于一子级发动机P120和二子级发动机Z40，而三子级和四子级推力矢量控制系统与织女星保持一致，前两级伺服动力电源采用了ASB公司的热电池模块。其中，一子级发动机P120采用双模块组成热电池组，二子级发动机Z40采用单模块组成热电池组。更换热电池需主要考虑热电池的惰性特点，在存储及运输期间需要免维护。热电池模块的激活装置配备了两个点火头，可确保激活成功[4]。织女星和织女星-C的推力矢量控制系统如图2、图3所示。表1为典型箭用机电伺服产品伺服动力电源的参数。

(a)P80、Z23、Z9使用的电池模组

图2 织女星P80推力矢量控制系统Fig.2 Vega P80 thrust vector control system

图3 织女星-C P120推力矢量控制系统Fig.3 Vega-C P120 thrust vector control system

表1 典型箭用机电伺服产品伺服动力电源参数Tab.1 Typical parameters of electromechanical servo products for rockets

基于以上应用情况可知，在箭用伺服动力电源方面，化学电池是其最重要的选择，且由热电池、锂离子电池并存的情况向热电池倾斜，这其中的主要考虑因素依旧是热电池的高可靠性、短时高功率密度特性以及长期免维护性，以进一步简化维护流程、提升有效载荷的重量，以更好地适应商业化应用。随着大功率机电伺服系统在箭上的应用及火箭的多电化发展，单一贮备化学电池比能量较低的劣势将进一步显现，发展箭上化学燃料能源发电技术是箭上伺服动力电源的重要发展方向。

2 弹上伺服动力电源技术

2.1 弹上电池技术

弹上伺服动力电源的应用主要集中于机电伺服系统。伺服电动机诞生后，机电伺服系统即被广泛应用于苏联R-77蝰蛇(Adeer)中距空空导弹、美国AIM120中距空空导弹、美国战斧(Tomahawk)巡航导弹、美国响尾蛇(Sidewinder)AIM-9X近距空空导弹、法国魔术(Magic)R550空空导弹、美国毒刺(Stinger)FIM-92A近程防空导弹、以色列蝰蛇(Viper)反坦克导弹、南非短刀(Kukri)空空导弹、法国飞鱼(Exocet)反舰导弹、瑞典RBS-70便携式近程防空导弹等[5]。

俄罗斯R-77空空导弹采用4片矩形格栅式尾翼舵面，舵机舱位于导弹尾部，机电伺服系统由热电池进行供电[6]；美国AIM120中距空空导弹的结构如图4所示。姿控系统由四个独立的置于尾部的机电伺服系统组成，机电伺服系统主要由无刷直流伺服电机和以滚珠丝杠为主要部件的传动装置两部分组成，由三个锂-铝热电池组供电[7]；法国魔术R550空空导弹采用了三个机电伺服系统，分别控制偏航、俯仰和翻滚，电源为SOGEA提供的自激活锌银电池；美国近距空空导弹响尾蛇AIM-9X采用了机电伺服系统，动力电源为自动激活锌-银电池，其激活时间短，可在1s内输出额定电流和电压。美国毒刺FIM-92A采用机电伺服系统控制弹体偏转，电源采用了Ca/CaCrO4体系热电池，比能量为12Wh/kg，是上世纪70年代最好的热电池；法国飞鱼导弹MM40采用机电作动器控制弹上的涡喷发动机。MM-40 Block1和Block2导弹采用了两个ASB公司提供的热电池，一个热电池为辅助设备和机电作动器供电，另一个为导引头供电[8]。瑞典的RBS-70采用四个机电伺服系统驱动舵面，以控制导弹的俯仰和偏航，伺服动力电源为镍-镉电池。该电池的容量为1.8Ah，电压为12V。

图4 AIM-120导弹的结构示意图Fig.4 Schematic diagram of the AIM-120 missile structure

X-33、X-37、X-38、X-43、X-45、X-51A等高超声速飞行器的执行机构普遍采用了小型、轻质、响应速度快的机电伺服系统[9]。其中，X-51A使用锂离子电池作为弹上电源，分别为航电设备、飞行测试仪、尾翼控制装置及燃料泵提供28V、150V及270V的直流电源。该动力型离子电池由Quallion公司提供，电池单体容量为3.3Ah，开路电压为3.7V，大电流放电能力强，在超过10C的放电倍率下可运行50个循环，并能保持较高的安全性，质量比能量为120Wh/kg，体积比能量为252Wh/L[10]。X-51A所应用的电源除动力型锂离子电池外，还包括了一块用于飞行终止系统[11]的热电池。其弹上结构布局如图5所示，电池组位于弹体的前部。

图5 X-51A弹上结构布局Fig.5 X-51A structure layout

2.2 弹上发电技术

当以电池作为绝大部分弹上电源时，在某些导弹产品上还形成了以发电机作为能量转换装置的电源系统，为弹上电气负载进行供电。在飞鱼(Exocet)MM40 Block 3中，选用TRI40涡喷发动机作为主发动机，其结构如图6所示。涡喷发动机内置的发电机可同时为燃油喷射系统、伺服机构、辅助设备和导引头提供电力，发电机的电压等级为270V，发电功率为4kW[12]。阿斯派德(Aspide)导弹配备了电气与液压能源组合，该能源组合由意大利微技术公司设计。该能源系统由燃气发生器带动涡轮，以8r/min的转速旋转，涡轮的输出轴由减速齿轮箱带动交流发电机和滑动活塞泵，比功率为1kW/kg，电机功率约为5kW，舵机为液压形式，电源为弹上电气负载供电；鲨蛇(Snake)的导弹电源是由主发动机带动的60kW的三相交流发电机，其输出电压为115±1.7V和200±3V，频率为400Hz。其在经整流器处理后，变为20V/200A直流电，供电气负载使用[13]。

图6 TRI40发动机内结构示意图Fig.6 Schematic diagram of the internal structure of the TRI40 engine

通过以上分析可知，弹用伺服动力电源以化学电池为主，化学电池的体系多样。发电方案则依托于发动机类别，并形成了较大容量的电源以实现向全弹供电，机电伺服系统仅是其主要电能用户之一。基于各类导弹的贮存需求，其伺服动力电源均需具备优良的贮存特性，而由贮备特性带来的突出问题是弹上伺服动力电源的不可检不可测，这对发射的可靠性将产生影响。采用可检、可测的二次电池则存在着电池自放电问题，必须对电池进行定时维护以确保电池电量在许用范围之内。因此，兼顾二者要求而形成的新型伺服动力电源是未来的重要发展方向。

3 飞机伺服动力电源技术

在21世纪，三种飞机的相继投入使用引起了业界的广泛关注。这三种飞机分别为空客公司的大型客机A380、波音公司的客机B787，以及由美国洛克希德·马丁公司研制的第四代战斗机F-35。这三种飞机均被称为多电飞机。其先进的电源系统配合多种类、多余度的伺服机构，大幅提升了飞机的可靠性和智能化水平，并有效降低了伺服机构的重量。

A380为四发动机飞机，装配了4台罗罗公司的Trent900涡轮风扇发动机或发动机联盟公司的GP7200发动机。A380飞机的每台发动机装配了1台宽频交流发电机，发电机的额定容量为150kW，频率为360～800Hz，电压为115/200V，同时配备了2台额定容量为120kW、电压为115/200V、频率为400Hz的辅助动力装置发电机，一台额定容量为70kW、电压为115/200V、频率为400Hz的冲压空气涡轮发电机，以及4台电压为24V、电流为50Ah的蓄电池[14]。A380飞机的作动系统除传统的液压作动器外，还包括了8台机电静压作动器(Electro Hydrostatic Actuator，EHA)、8台电备份液压作动器(Electro Backup Hydrostatic Actuator，EBHA)，以及3台机电作动器(Electro Mechanical Actuator，EMA)[15]，从而可通过电能供应实现舵面作动，而这是多电飞机的显著特征。机电静压作动器、电备份液压作动器以及机电作动器的电源均由4台发动机上的附件机匣的变频交流发电机供电。交流电先经自耦式变压整流器整流为270V直流电，再向EHA、EBHA及EMA的交流伺服电动机供电。机电伺服系统的电源系统包含两条电能路径[16]。B787与A380的供电系统类似，由多台发电机组成飞机电源系统，飞控作动系统在部分舵面上采用了机电作动器(EMA)，采用一套独立的电源系统为其供电[17]。

F-35为单发动机飞机，发动机为惠普公司的JFS119-611加力涡扇发动机。飞机的主电源为高转速的内置式12/8开关磁阻起动/发电机。发电机的额定功率为250kW，发电电压为270V，转速范围为13465-22224r/min，电机本体重为46.6kg。电机内有两套独立的三相绕组，其分别与两个三相功率变换器、两台输出滤波器和两台控制器相连，这构成了结构如图7所示的双通道高可靠主电源。两个发电通道相互独立，负载可大可小，甚至可实现一个通道空载、另一个通道过载[18]。F-35的主飞控舵面控制全部采用机电静压作动器[19]。其中，方向舵和副翼为单一配置，水平尾翼和襟副翼为双串联形式。

图7 250kW开关磁阻起动/发电系统电气框图Fig.7 Electrical block diagram of 250kW switched reluctance starting/generation system

多电飞机具备容错电力系统，电能来源包括主电源、辅助电源、应急电源、电池等，并形成了多个供电体系，且飞机的电网容量远大于机电伺服系统的用电容量。机电伺服系统对飞机电源的外部特性影响较小，但采用多发电机并网供电的能源产生方式及采用制动能量反馈电网的能源利用方式而形成可靠性高、智能化的飞机电源，为弹、箭伺服动力电源的发展提供了新的思路。

4 伺服动力电源比较

基于以上分析，机电伺服系统的常用电源包括热电池、锌银电池、锂离子电池以及涡轮发电机。热电池具有比功率高、大电流放电能力强、电压建立时间短、适应环境能力强、贮存期间免维护等优点，已成为了武器装备的首选电源。但是，其比能量相对较低。另外，由于激活后其电解质工作于高温熔融状态，因此工作时间相对较短。锌银电池的质量比能量和体积比能量相对较高、荷电保持能力强、安全性好，但其比功率较低，价格较为昂贵。锂离子电池具有比功率高、比容量高、无记忆效应等优异的综合特征，被称为第三代航天电池，其在卫星方面已得到了广泛应用。但是，锂离子电池属于二次电池，一般需要在三个月至半年内维护一次。其高倍率放电的安全性问题还没有得到彻底解决，而目前这些技术问题仍是限制动力型锂离子电池在导弹武器系统中获得应用的主要因素。涡轮发电系统根据工质不同，包括了燃气涡轮、氢气涡轮等，并可配置为具备起动功能的起动发电一体化电源系统。该发电系统具有较高的比能量和比功率，工作时间长，可拓展功率大。其在形成高速发电系统后，比能量可获得大幅提升，能够为后续的大功率EMA、EHA、电动泵等电力负载在各类航天器上的广泛应用提供大容量的电能供应。文献提出，结合氢气涡轮发电的机电静压伺服机构与国内外现有技术相比，是较大的创新。我国已掌握了20kW级的氢气涡轮技术，具备开展超高速涡轮发电技术研究的能力[20]。几种常见的伺服动力电源性能如表2所示。

表2 几种常见的伺服动力电源性能Tab.2 Performance comparison of several common servo power supplies

5 伺服动力电源的发展趋势

机电伺服系统的功率级别大、对可靠性的要求高、用电特性复杂，对伺服动力电源提出了高可靠、轻质化、智能管理等全新要求。本文基于国内外伺服动力电源的应用现状及技术发展方向，提出了伺服动力电源的主要发展趋势。

(1)高压电源技术

为适应机电伺服系统功率等级的大幅提升，普遍采用提高供电电压等级的方法，以减小电机、功率器件及供电线缆的质量，提升单位面积线缆的供电功率、减少欧姆耗散，进而形成了以270VDC为主的高压直流供电体系，并将其运用在飞机、火箭的伺服动力电源上，其功率可达几十至上百千瓦。但在低气压条件下，空气的介电常数显著下降，电晕的起始电压和击穿电压降低，从而使电晕放电或电弧表面放电的危险性增加。一旦形成放电通路，将使电源系统发生严重故障或失效，因此需突破低气压环境下的高压电力传输、变换、管理等技术，以实现高压供电条件下的绝缘安全。

(2)高比功率电源技术

机电伺服系统具备高动态、快响应的工作特点，同时其对质量和体积参数极为敏感，进而要求伺服动力电源具备高比功率和高比能量特性。马歇尔飞行中心曾开展了化学电池与电容的并联试验，在270VDC伺服动力电源中，通过将锌银电池与由100个4.7F、2.3V的电容器单体串联而成的电容器组并联，使峰值负载条件下的电源负载调整率由37%下降到了9%[21]。国内也开展了对类似超级电容器、电容炭掺混等技术的研究。在后续伺服动力电源的研发过程中，应充分结合电池的高比能量和电容的高比功率特性，形成“双高”伺服动力电源。

(3)长贮免激活化学电池技术

激活式贮备电池具有优良的贮存特性，但其存在着激活前电池电压的不可检测问题。该问题对发射可靠性存在一定的不利影响，因此有必要推进对如长贮型非激活锂氟化碳等体系电池的研究。该类型化学电池的湿搁置周期可达五年及以上，年自放电率不足1%[22]。利用激活式贮备电池的高比能量特性，并结合具备峰值补偿、制动能量吸收、过压泄放、智能管理等功能的电源管理器，能够在满足长时小功率、瞬时高功率、制动负功率[23]的伺服用电特性的基础上，进一步减小电池的质量，并提升导弹的智能化水平，实现电源状态的实时检测，有效提升发射可靠性，降低故障率。因此，长贮型非激活化学电池是未来伺服动力电源发展的重要方向之一。

(4)发电技术

大功率EMA、EHA的应用以及长航时飞行需求的提出，对伺服动力电源的比能量提出了更高要求。传统化学电池的供电能量来源于正负极材料间的氧化还原反应所放出的化学能。受电池体系及电池本体正负极材料质量的限制，传统化学电池的比能量一般不高于300Wh/kg[24]，而功率型电池的比能量参数还可进一步降低。为适应对长航时、大功率伺服动力电源的需求，可将涡轮与电机组成的发电系统作为伺服动力电源。发电系统可将飞行器燃料的化学能向电能转化，由于伺服系统的需求功率相比发动机的需求功率存在巨大的体量差异，发动机系统对汲取能量不敏感，电源比能量水平较高，但其系统结构相对于电池更为复杂，比较适合长时、大功率的电源系统。随着高速涡轮、高速电机、可控整流技术的日趋成熟，高速涡轮发电、起动发电一体电源系统将成为伺服动力电源的一种新的实现方式。

(5)一体化/智能化/高可靠电源技术

航空、航天领域对可靠性的要求极为苛刻。机电伺服系统作为姿态控制的核心装置，其能源可靠性基本要在0.9995以上。随着弹、箭、飞机的电气化、智能化发展，电能用户的种类和数量逐步增多，如电子设备、机电伺服系统、火工品、电动阀、电动泵等。用电设备的电压等级、功率等级、工作时间等均存在较大差异，需单独配置供电电源。一体化电源以大容量电池或发电系统提供弹、箭所需的全部电能，不再对每个负载单独配置电池，而通过高压配电或无线传能方式进行供电，利用电源变换装置完成电能的二次分配，可优化飞行器的供配电体系，为不同电能用户提供电能供应，并在此基础上实现故障检测、隔离、系统重构及余度管理等功能，在提升电源可靠性的同时，可降低电源系统的重量。

6 结 论

本文通过对运载火箭、导弹及飞机伺服动力电源的应用分析，明确了在高可靠、轻质化、低成本需求下，大功率机电伺服系统的广泛应用将会推动伺服动力电源向高压、高比功率、高比能量、智能化方向发展。通过对伺服动力电源的需求特性进行分析，以及对各类伺服动力电源的技术特点进行比对，提出了高压、高比功率、高比能量的新型电池及发电技术，进而明确了一体化/智能化/高可靠的伺服动力电源将成为未来先进伺服动力电源乃至整个弹、箭电源系统的重要发展方向。