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摘要本文讨论了机载大功率电源系统的三种解决方案：传统电源系统加高效储能系统，脉冲电源系统，超导发电机。文章详细介绍了这三种电源系统的技术原理、国内外研究进展和应用前景。
关键词：机载电源系统；超导发电机；脉冲电源
随着电力技术的发展，机载大功率用电设备越来越多，这些设备的电力需求可能达到兆瓦级。目前，飞机上的电源系统发电功率一般在几百千瓦以内，无法满足这些设备的功率需求。若要提供大功率电源，必须采用的全新的发电技术，目前国外研究较多的有以下三种方案：传统电源系统加储能系统；脉冲电源系统；超导发电机，本文将分别描述。
1、传统电源系统加储能系统
要想提高机载电源系统功率，一个简单的方法就是将带有电源调节功能的传统发动机驱动的发电机与某种形式的能量储存装置结合起来，例如电池或者超级电容器或者双向DC DC转换器。超级电容器由于具有高能量密度，高功率密度等优点，因而备受青睐，现在美国多个公司及高校对此展开了研究，包括：Texas大学、洛马公司、Qynergy公司、JME公司等。
超级电容器是一种新型储能装置，也称电化学电容器，其原理为在同一电解液中放入两个电极，给电极施加电压后形成平衡的电荷，如图1所示。超级电容器集高能量密度、高功率密度、长寿命等特性于一身，具有工作温度高、可靠性高、可快速循环充放电和长时间放电等特点。
超级电容器是一种电化学元件，储能过程中不发生化学反应，且储能过程是可逆的，因此充放电次数可达到10万次，且不会造成环境污染，超级电容器具有非常高的功率密度，为电池的10100倍，适用于短时间高功率输出，充电速度快且模式简单，可以采用大电流充电，能在几十秒到数分钟内完成充电过程，无需检测是否充满，过充无危险，使用寿命长，低温性能优越，鉴于其优良的特性，超级电容器非常适合用于定向能武器储能系统。
美国Qynergy公司为定向能武器储能系统研制了一种超级电容器，如图2，其直径11.5cm，高12cm。在2011年已完成全尺寸样机的研制，达到3级技术成熟度。使用储能装置几乎不需要对飞行器进行改装，并且几乎能够提供瞬时功率，但是用电设备的持续工作时间受到储能装置能量密度的限制，因此这种方法最适合于工作时间相对短，并且工作间歇期相对长的设备，即，低占空比工作循环的系统。
2、脉冲电源系统
对于高占空比的用电设备，可以使用脉冲电源来驱动。所谓脉冲电源技术，就是把“慢”储存起来的具有较高密度的能量进行快速压缩，转换或直接释放给负载的电物理技术。一般说来，脉冲功率装置包括初级能源、中间储能和脉冲形成系统、转换系统及负载，如图3。通常把在10-9-10-3s持续时间内能产生10-109J以上能量的电脉冲装置定义为高功率脉冲电源。
高功率脉冲电源的工作，就其实质而言，就是能量的压缩过程。能量压缩就是在空间和时间上增加能量密度的过程。在空间上的压缩，即减小体积，方法包括提高初级能源的储能密度，以及选用合适的中间储能和脉冲形成系统并提高其储能密度。在时间上的压缩，就是缩短释能时间，方法为在储能元件和受能元件之间增添压缩元件，如：中间储能和脉冲形成系统、开关转换系统。
俄罗斯和美国在脉冲功率技术研究方面处于领先地位。1986年美国圣地亚国家实验室建成了PBFA-II装置，用于粒子束加速器的核聚变研究，电压12MV，电流8.4MA，脉宽40ns，功率108MW，是世界上最大的脉冲功率装置。俄罗斯1985年建成的AHrapa-5装置，輸出电压是2MV，电流40MA，脉宽90ns。日本长岗技术大学的ETIGO-II，电压为3MV，电流400kA，脉宽60ns。在国内，脉冲功率技术始于20世纪60年代，现在已有几十台高功率脉冲装置在运行，如，中国工程物理研究院的8MV，100Ka，脉宽80ns的“闪光一号”相对论电子加速器以及12MV，束流2kA的直线感应电子加速器，西北核技术研究所的“闪光二号”等。
在机载应用方面，美国UE8公司设计了一种使用独立的涡轮发动机发电的脉冲电源系统，如图4，并对其性能进行了评估。其设计发电功率为3.8兆瓦，如果采用传统发电机，系统重量将达到13吨，超出了美国空军试验室要求的4.6吨；如果使用超导发电机和先进的功率调节技术，系统重量可降至3.2吨，然而如果加上燃油、载荷分配和跟踪装置的重量，系统统重量仍然会超标。图4用于“涡轮交流发电机-电池”载荷分配的脉冲电源部件
美国创新电源公司（Innovative Power Solutions，现已被Zodiac收购）设计了一种高功率脉冲式发电机，其瞬态功率为1MW，持续功率为500kW，其尺寸如图5所示。
3、超导发电机
超导材料具有零电阻的特性，通电时几乎没有任何热损耗，而且能承受极高的电流密度。超导材料可以在不使用铁芯的情况下产生极高的强磁场，因此用超导材料制成的发电机将具有结构简单、能量密度高、效率高等突出的技术优点。超导发电机和常规发电机相比，重量将减轻80-90%。现在应用较广泛的是高温超导材料（临界温度在液氮的沸点77K以上）。
由于超导发电机体积小，效率高等特点，可实现兆瓦级功率输出，很适合为机载大功率武器系统提供电能。近年来，美国NASA和欧洲空客公司都在探索将超导发电用于未来大型客机的推进系统。在军用飞机方面，美国空军正在研究一种为机载设备提供电源的超导发电系统。
2004年美国空军研究试验室启动了一项“兆瓦级电源系统（MEPS）”项目，旨在为机载定向能武器开发一种超导发电系统，验证一种功率密度为8.8kw/kg的高温超导发电机，为将来更高能量密度的超导发电机的研发奠定基础。美国GE公司承担该项目，GE公司在2007年研制完成了一台1MW的发电机样机，见图6，发电机使用YBCO高温超导线，在设计转速为10krpm下可输出1.3Mw电量，系统整体效率达到了97%（低温冷却剂的损失也计算在内），试验证明了这种单极感应子同步发电机结构是可行的，公司还对5兆瓦发电系统进行了概念设计。
结束语
本文介绍了机载大功率用电设备的三种解决方案，带储能系统的传统电源系统技术比较成熟，将成为飞行器大功率电源系统的首选方案；超导发电技术由于结构简单、能量密度高、效率高等优点，在军用和民用都备受关注，随着高温超导材料技术的发展，发电系统体积重量问题有望得到突破，届时超导发电技术将在航空领域大放异彩。
关键词：机载电源系统；超导发电机；脉冲电源
随着电力技术的发展，机载大功率用电设备越来越多，这些设备的电力需求可能达到兆瓦级。目前，飞机上的电源系统发电功率一般在几百千瓦以内，无法满足这些设备的功率需求。若要提供大功率电源，必须采用的全新的发电技术，目前国外研究较多的有以下三种方案：传统电源系统加储能系统；脉冲电源系统；超导发电机，本文将分别描述。
1、传统电源系统加储能系统
要想提高机载电源系统功率，一个简单的方法就是将带有电源调节功能的传统发动机驱动的发电机与某种形式的能量储存装置结合起来，例如电池或者超级电容器或者双向DC DC转换器。超级电容器由于具有高能量密度，高功率密度等优点，因而备受青睐，现在美国多个公司及高校对此展开了研究，包括：Texas大学、洛马公司、Qynergy公司、JME公司等。
超级电容器是一种新型储能装置，也称电化学电容器，其原理为在同一电解液中放入两个电极，给电极施加电压后形成平衡的电荷，如图1所示。超级电容器集高能量密度、高功率密度、长寿命等特性于一身，具有工作温度高、可靠性高、可快速循环充放电和长时间放电等特点。
超级电容器是一种电化学元件，储能过程中不发生化学反应，且储能过程是可逆的，因此充放电次数可达到10万次，且不会造成环境污染，超级电容器具有非常高的功率密度，为电池的10100倍，适用于短时间高功率输出，充电速度快且模式简单，可以采用大电流充电，能在几十秒到数分钟内完成充电过程，无需检测是否充满，过充无危险，使用寿命长，低温性能优越，鉴于其优良的特性，超级电容器非常适合用于定向能武器储能系统。
美国Qynergy公司为定向能武器储能系统研制了一种超级电容器，如图2，其直径11.5cm，高12cm。在2011年已完成全尺寸样机的研制，达到3级技术成熟度。使用储能装置几乎不需要对飞行器进行改装，并且几乎能够提供瞬时功率，但是用电设备的持续工作时间受到储能装置能量密度的限制，因此这种方法最适合于工作时间相对短，并且工作间歇期相对长的设备，即，低占空比工作循环的系统。
2、脉冲电源系统
对于高占空比的用电设备，可以使用脉冲电源来驱动。所谓脉冲电源技术，就是把“慢”储存起来的具有较高密度的能量进行快速压缩，转换或直接释放给负载的电物理技术。一般说来，脉冲功率装置包括初级能源、中间储能和脉冲形成系统、转换系统及负载，如图3。通常把在10-9-10-3s持续时间内能产生10-109J以上能量的电脉冲装置定义为高功率脉冲电源。
高功率脉冲电源的工作，就其实质而言，就是能量的压缩过程。能量压缩就是在空间和时间上增加能量密度的过程。在空间上的压缩，即减小体积，方法包括提高初级能源的储能密度，以及选用合适的中间储能和脉冲形成系统并提高其储能密度。在时间上的压缩，就是缩短释能时间，方法为在储能元件和受能元件之间增添压缩元件，如：中间储能和脉冲形成系统、开关转换系统。
俄罗斯和美国在脉冲功率技术研究方面处于领先地位。1986年美国圣地亚国家实验室建成了PBFA-II装置，用于粒子束加速器的核聚变研究，电压12MV，电流8.4MA，脉宽40ns，功率108MW，是世界上最大的脉冲功率装置。俄罗斯1985年建成的AHrapa-5装置，輸出电压是2MV，电流40MA，脉宽90ns。日本长岗技术大学的ETIGO-II，电压为3MV，电流400kA，脉宽60ns。在国内，脉冲功率技术始于20世纪60年代，现在已有几十台高功率脉冲装置在运行，如，中国工程物理研究院的8MV，100Ka，脉宽80ns的“闪光一号”相对论电子加速器以及12MV，束流2kA的直线感应电子加速器，西北核技术研究所的“闪光二号”等。
在机载应用方面，美国UE8公司设计了一种使用独立的涡轮发动机发电的脉冲电源系统，如图4，并对其性能进行了评估。其设计发电功率为3.8兆瓦，如果采用传统发电机，系统重量将达到13吨，超出了美国空军试验室要求的4.6吨；如果使用超导发电机和先进的功率调节技术，系统重量可降至3.2吨，然而如果加上燃油、载荷分配和跟踪装置的重量，系统统重量仍然会超标。图4用于“涡轮交流发电机-电池”载荷分配的脉冲电源部件
美国创新电源公司（Innovative Power Solutions，现已被Zodiac收购）设计了一种高功率脉冲式发电机，其瞬态功率为1MW，持续功率为500kW，其尺寸如图5所示。
3、超导发电机
超导材料具有零电阻的特性，通电时几乎没有任何热损耗，而且能承受极高的电流密度。超导材料可以在不使用铁芯的情况下产生极高的强磁场，因此用超导材料制成的发电机将具有结构简单、能量密度高、效率高等突出的技术优点。超导发电机和常规发电机相比，重量将减轻80-90%。现在应用较广泛的是高温超导材料（临界温度在液氮的沸点77K以上）。
由于超导发电机体积小，效率高等特点，可实现兆瓦级功率输出，很适合为机载大功率武器系统提供电能。近年来，美国NASA和欧洲空客公司都在探索将超导发电用于未来大型客机的推进系统。在军用飞机方面，美国空军正在研究一种为机载设备提供电源的超导发电系统。
2004年美国空军研究试验室启动了一项“兆瓦级电源系统（MEPS）”项目，旨在为机载定向能武器开发一种超导发电系统，验证一种功率密度为8.8kw/kg的高温超导发电机，为将来更高能量密度的超导发电机的研发奠定基础。美国GE公司承担该项目，GE公司在2007年研制完成了一台1MW的发电机样机，见图6，发电机使用YBCO高温超导线，在设计转速为10krpm下可输出1.3Mw电量，系统整体效率达到了97%（低温冷却剂的损失也计算在内），试验证明了这种单极感应子同步发电机结构是可行的，公司还对5兆瓦发电系统进行了概念设计。
结束语
本文介绍了机载大功率用电设备的三种解决方案，带储能系统的传统电源系统技术比较成熟，将成为飞行器大功率电源系统的首选方案；超导发电技术由于结构简单、能量密度高、效率高等优点，在军用和民用都备受关注，随着高温超导材料技术的发展，发电系统体积重量问题有望得到突破，届时超导发电技术将在航空领域大放异彩。