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IPAcs)這個(gè)概念。美國(guó)航空航天局在這個(gè)時(shí)期開始了對(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)空軍展開合作，共同開發(fā)IPAcs，以滿足一致的長(zhǎng)遠(yuǎn)需要，參與開發(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之間的中型飛行器上應(yīng)用飛輪，然后逐漸在小于360 kJ的小型飛行器上應(yīng)用，最后將應(yīng)用擴(kuò)展到外星探測(cè)車及一些民用項(xiàng)目上。
在2004年9月2日，由格林飛輪開發(fā)小組設(shè)計(jì)制造的飛輪G2，成功地在41 000 r／min的轉(zhuǎn)速上運(yùn)行。研制G2飛輪的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)一個(gè)低成本的1毛輪系統(tǒng)模塊，以進(jìn)行飛輪各部件的集成和論證。G2飛輪達(dá)到額定速度的時(shí)間相比從前的飛輪更快，而且G2的運(yùn)行損耗和從前相比降低了百分之30，轉(zhuǎn)子溫度在9個(gè)小時(shí)的測(cè)試時(shí)間里只升高了10℃。格林研
究中心的研究工作推動(dòng)了飛輪技術(shù)的發(fā)展，尤其是轉(zhuǎn)子復(fù)合材料技術(shù)、能量管理系統(tǒng)等，他們的飛輪技術(shù)代表了當(dāng)今世界的****水平。
美國(guó)航空航天局的飛輪測(cè)試平臺(tái)主要被用來(lái)驗(yàn)證單軸的姿態(tài)控制和能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，并將被用來(lái)測(cè)試國(guó)際空間站上飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的原型。單軸試驗(yàn)的硬件結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸平行的飛輪模塊。
美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室(AFRL)的研究屬于“FAcETs(Flywheel Attitude C0ntml Energy Trailsmlsslon an dsmage)計(jì)劃”的一部分。這個(gè)計(jì)劃目前取得的****成果是建立了第一一個(gè)三自由度空間飛行器用飛輪儲(chǔ)能和姿態(tài)控制試驗(yàn)平臺(tái)AsTREx。AsTREx平臺(tái)采用磁懸浮軸承，可以提供飛行器姿態(tài)控制測(cè)試用的三自由度。這個(gè)平臺(tái)可以對(duì)同時(shí)發(fā)生的飛輪儲(chǔ)能和姿態(tài)控制性能進(jìn)行測(cè)試，也可以研究由飛輪的這兩種功能對(duì)系統(tǒng)帶來(lái)的擾動(dòng)。
H0nevwell公司針對(duì)AsTREx測(cè)試平臺(tái)而進(jìn)行了飛輪單元的研究制造。他們正在研制更高品質(zhì)的飛輪，以具備上天的能力。
洛克希德馬丁公司和格林研究所簽訂了合約，負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)制造和測(cè)試一種新型的IPAcs樣機(jī)，稱為c0MET(coordinated M0mentum an d Fne Trartsfel)飛輪系統(tǒng)。一個(gè)典型的IPAcs系統(tǒng)可以采用帶萬(wàn)向節(jié)的飛輪或者采用一對(duì)軸固定反方向旋轉(zhuǎn)的飛輪。在采用一對(duì)反方向旋轉(zhuǎn)飛輪的情況下，最少需要3個(gè)固定軸向的6個(gè)飛輪才能取得足夠的姿態(tài)控制能力。而COMET飛輪系統(tǒng)只用了4個(gè)固定軸的飛輪，它們以金字塔形放置。這個(gè)項(xiàng)目的目標(biāo)是論證cOMET飛輪系統(tǒng)集成動(dòng)量和能量存儲(chǔ)的可行性：
在文獻(xiàn)[4]中，德克薩斯大學(xué)的研究人員研制了一種采用高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承的小型衛(wèi)星上微機(jī)電系統(tǒng)(MEMIS)用的儲(chǔ)能／姿態(tài)控制飛輪系統(tǒng)。飛輪質(zhì)量1．1 kg，直徑12.7 cm，高5 cm，電動(dòng)機(jī)／發(fā)電機(jī)采用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。這種飛輪的角動(dòng)量為0.083 kg-m2／s，在530 kr／min的時(shí)候可以存儲(chǔ)動(dòng)能2．32 kJ。它的比能大約是162 kw，體能量密度大約是370 kJ／L。這樣的系統(tǒng)適合低地球軌道上的小衛(wèi)星的能量供應(yīng)以及姿態(tài)控制。
其它的一些IPAcs研究成果有，文獻(xiàn)[5]提出了一種適用于小型衛(wèi)星的微型飛輪設(shè)想，這種飛輪可以用硅晶元制成，具有儲(chǔ)能和姿態(tài)控制的能力。文章預(yù)計(jì)，一個(gè)10cm直徑的飛輪角動(dòng)量密度可以達(dá)到9kg·m2／s，能量密度可以達(dá)到50 kJ。
我國(guó)的863項(xiàng)目也對(duì)集成儲(chǔ)能和姿態(tài)控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，參與的單位有502所和長(zhǎng)春光機(jī)所等。他們采用碳纖維／環(huán)氧樹脂外環(huán)和鈦合金輪轂?zāi)z接的方式設(shè)計(jì)和制造出的E輪轉(zhuǎn)子，其極限轉(zhuǎn)速為30 000 r／min，飛輪角動(dòng)量19 kg·m2／s，輸出力矩0．13 N·m，并建立了基于高精度氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)的單軸儲(chǔ)能與姿態(tài)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來(lái)模擬飛輪組儲(chǔ)能、放能
以及進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整的過(guò)程。國(guó)內(nèi)其它許多研究機(jī)構(gòu)也對(duì)集成飛輪的關(guān)鍵技術(shù)展開了研究。如清華大學(xué)研制的儲(chǔ)能飛輪裝置達(dá)到了42 000 r／m油的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，總儲(chǔ)能達(dá)到l 789 kJ[6]。
值得一提的是，目前的IPAcs的研究還局限于理論分析，仿真驗(yàn)證以及地面試驗(yàn)上，距離IPAcs在空間的試驗(yàn)和應(yīng)用還有待時(shí)日。
2飛輪結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)
集成儲(chǔ)能和姿態(tài)控制飛輪系統(tǒng)是一種高度集成的復(fù)雜飛輪系統(tǒng)，涉及到力學(xué)、電磁學(xué)、材料學(xué)、控制學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。一個(gè)典型的飛輪結(jié)構(gòu)包括電動(dòng)機(jī)／發(fā)電機(jī)、儲(chǔ)能轉(zhuǎn)子、磁軸承、安全容器等。接下來(lái)將介紹集成飛輪系統(tǒng)的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。
(1)儲(chǔ)能轉(zhuǎn)子
飛輪轉(zhuǎn)子的儲(chǔ)能量E可以由下式表示：
式中：E表示轉(zhuǎn)子存儲(chǔ)的動(dòng)能，J表示轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ω表示轉(zhuǎn)子角速度，m表示轉(zhuǎn)子質(zhì)量，Ks表示轉(zhuǎn)子形狀系數(shù)，σ表示材料許用應(yīng)力，p表示轉(zhuǎn)子密度。
形狀系數(shù)取決于毪輪轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)形狀、飛輪材料的物理特性以及飛輪內(nèi)部的應(yīng)力分布。典型的復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)模型包括扁平轉(zhuǎn)子、錐形截面轉(zhuǎn)子及其它形狀的轉(zhuǎn)子。理想情況下的形狀系數(shù)****值為l，而實(shí)際中金屬材料形狀系數(shù)****值為O．8左右。
由式(1)可以看出，提高飛輪轉(zhuǎn)子儲(chǔ)能能力，就耍提高轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和旋轉(zhuǎn)速度。同時(shí)對(duì)于航天應(yīng)用，要求重量體積盡可能小，對(duì)比能W/m提出很高的要求。為提高比能，除了優(yōu)化轉(zhuǎn)子外形，提高形狀系數(shù)外，還要盡量采用高強(qiáng)度、低密度的材料。姿態(tài)控制要求角動(dòng)量(H=Jω)存儲(chǔ)能力，轉(zhuǎn)子****設(shè)計(jì)是薄的輪緣，如w型片狀轉(zhuǎn)子，如圖1所示。
過(guò)去飛輪轉(zhuǎn)子多采用高強(qiáng)度金屬或合金。金屬材料密度較大，比能并不比化學(xué)電池高，而且安全性較差。現(xiàn)今飛輪轉(zhuǎn)子一般都采用復(fù)合材料制成，如碳纖維和玻璃纖維等。復(fù)合材料轉(zhuǎn)子的形狀系數(shù)要比金屬轉(zhuǎn)子小一半左右(有文獻(xiàn)說(shuō)對(duì)多層轉(zhuǎn)子，Ks=0．45就是實(shí)際設(shè)計(jì)的上限)，但是復(fù)合材料的許用應(yīng)力大、密度小，因此理想狀態(tài)下的復(fù)合材料轉(zhuǎn)子比能要比理想狀態(tài)下的金屬轉(zhuǎn)子大5倍。復(fù)合材料的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，一旦纖維材料在高速旋轉(zhuǎn)下破壞，碰到保護(hù)外殼后會(huì)變成粉末，避免了對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的破壞。因此現(xiàn)代高強(qiáng)度纖維復(fù)合材料是制作飛輪轉(zhuǎn)子的理想材料。
研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，切向應(yīng)力要大于徑向應(yīng)力，而復(fù)合材料是各向異性材料，在纖維方向上強(qiáng)度很大，垂直纖維方向強(qiáng)度很小。為****限度利用材料性能，復(fù)合材料轉(zhuǎn)子多設(shè)計(jì)成圓環(huán)狀，圍繞固定在輪轂上而成。為實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，外環(huán)可以采用高成本、高強(qiáng)度的材料，內(nèi)環(huán)可以采用低成本、強(qiáng)度較弱的材料。
(2)磁軸承
目前姿態(tài)控制飛輪多采用滾珠機(jī)械軸承。機(jī)械軸承的軸與軸承間不可避免存在接觸，摩擦損耗大、壽命較短、且需要潤(rùn)滑劑等。機(jī)械軸承對(duì)于較低速的反作用飛輪或控制力矩陀螺尚可以接受，對(duì)于高速儲(chǔ)能飛輪，必須要采用更先進(jìn)的磁軸承。
磁軸承是一種新型的軸承，利用磁場(chǎng)的作用力實(shí)現(xiàn)軸與軸承的穩(wěn)定懸浮，與現(xiàn)有的滾珠軸承等傳統(tǒng)支承形式相比，實(shí)現(xiàn)了軸與軸承的無(wú)接觸，消除了機(jī)械摩擦，無(wú)需潤(rùn)滑劑，可超高速運(yùn)轉(zhuǎn)，更適合低溫、強(qiáng)射線等各種惡劣環(huán)境，具有廣闊應(yīng)用前景。國(guó)內(nèi)外對(duì)于飛輪用磁軸承的研究已有幾十年的歷史。
磁軸承按是否有源分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種。
主動(dòng)式磁軸承根據(jù)轉(zhuǎn)子偏移中心的位置，控制勵(lì)磁電流，使轉(zhuǎn)子受到一個(gè)回復(fù)的磁力，將之拉回中心位置。主動(dòng)式磁軸承需要傳感器、功率放大器以及復(fù)雜的控制系統(tǒng)，消耗功率較大，如圖2所示。但因?yàn)槠鋭偠容^大，可以承受較大的載荷，已進(jìn)入實(shí)用階段，如法國(guó)的s2M公司就提供商品化的主動(dòng)式磁軸承產(chǎn)品。
被動(dòng)式磁軸承是無(wú)源的，且無(wú)需施加控制，利用磁場(chǎng)的固有特性使轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮。被動(dòng)磁軸承包括超導(dǎo)磁軸承、渦流效應(yīng)磁軸承、抗磁體軸承等。高溫超導(dǎo)磁軸承承載能力較強(qiáng)，但需要溫度冷卻裝置，應(yīng)用不多：文獻(xiàn)[7]對(duì)渦流效應(yīng)磁軸承進(jìn)行了研究，成功地懸浮了3.2 kg重的轉(zhuǎn)子，但是實(shí)驗(yàn)僅在幾十赫茲的低速下進(jìn)行，且整個(gè)裝置體積較大。利用抗磁體制成的磁軸承在常溫下承載力很小，無(wú)法實(shí)用。
考慮到主動(dòng)式和被動(dòng)式磁軸承各自的優(yōu)缺點(diǎn)，目前的儲(chǔ)能飛輪磁軸承大多采用主動(dòng)軸承加被動(dòng)軸承的混合式磁軸承，這樣既能保證較大的承載能力，又能大幅降低功耗。如上述的G2飛輪就是采用混合式磁軸承。
(3)安全容器
飛輪系統(tǒng)的安全性決定著飛輪各部件的設(shè)計(jì)和制造。因?yàn)轱w輪的轉(zhuǎn)子是一種工作在高轉(zhuǎn)速下的機(jī)械結(jié)構(gòu)，多種原因可能會(huì)導(dǎo)致故障，包括轉(zhuǎn)子復(fù)合材料破裂．或者復(fù)合材料和輪轂脫離，或者軸承損壞等。如果沒(méi)有可靠的安全容器，飛出的轉(zhuǎn)子將對(duì)飛行器造成嚴(yán)重的破壞。
空間應(yīng)用要求盡量降低容器的重量和體積，從安全性考慮，外殼不能被失控的復(fù)合材料轉(zhuǎn)子穿透，且要考慮轉(zhuǎn)子和外殼摩擦?xí)r瞬間產(chǎn)生的高溫。目前較好的安全容器設(shè)計(jì)理論是由美國(guó)德克薩斯大學(xué)開發(fā)的多襯套設(shè)計(jì)理論，該理論的核心是，飛輪容器使用石墨增強(qiáng)的復(fù)合材料圓筒襯套消耗掉來(lái)自轉(zhuǎn)子碎片的徑向動(dòng)能，降低傳給轉(zhuǎn)子支座和支承硬件的力矩負(fù)載；同時(shí)，這種圓筒襯套可以旋轉(zhuǎn)，通過(guò)摩擦耗散掉碎片的旋轉(zhuǎn)能量。
(4)控制技術(shù)
集成儲(chǔ)能和姿態(tài)控制飛輪系統(tǒng)必須同時(shí)執(zhí)行姿態(tài)控制和能量供給兩種功能。飛輪靠改變轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)充放電，靠改變凈角動(dòng)量矢量來(lái)提供姿態(tài)控制轉(zhuǎn)矩。如何讓飛輪在保證姿態(tài)控制精度的前提下實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能，是集成飛輪控制技術(shù)要解決的中心問(wèn)題。
首先介紹儲(chǔ)能飛輪的工作方式。對(duì)于低地球軌道上的飛行器(比如國(guó)際空間站)，陽(yáng)光不能一直給太陽(yáng)能電池陣列充電，儲(chǔ)能飛輪有三種模式，即充電模式、充電減少模式和放電模式。圖3為典型的采用儲(chǔ)能飛輪的飛行器能量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。太陽(yáng)能電池將光能轉(zhuǎn)換成電能，一方面提供負(fù)載所需電能，一方面給飛輪系統(tǒng)充電，飛輪放電電可以供給負(fù)載電能：根據(jù)直流總線電壓的監(jiān)測(cè)結(jié)果，控制器以一定的控制規(guī)則管理飛輪的充放電，使之在三種模式之間切換。三種工作模式原理如下。
(a)充電模式
當(dāng)太陽(yáng)全面照射時(shí)，太陽(yáng)能電池提供負(fù)載電流Iload和飛輪額定充電電流Ige，此時(shí)飛輪工作在充電模式，直流總線電壓由太陽(yáng)能電池陣列調(diào)節(jié)，并有  (b)充電減少模式
當(dāng)太陽(yáng)部分照射時(shí)，由太陽(yáng)能電池所產(chǎn)生的電流不足以滿足負(fù)載要求和飛輪的額定充電電流要求，此時(shí)飛輪工作在充電減少模式下，直流總線電壓由飛輪系統(tǒng)調(diào)節(jié)，并有：
(c)放電模式
當(dāng)陽(yáng)光完全不見(jiàn)的情況下，飛輪提供所有的負(fù)載電流，此時(shí)飛輪工作在放電模式下，直流總線電壓由飛輪系統(tǒng)調(diào)節(jié)，并有：  飛輪的姿態(tài)控制功能可以按照反作用飛輪或者變速控制力矩陀螺兩種方式運(yùn)行：反作用飛輪采用固定軸，通過(guò)改變飛輪速率來(lái)改變角動(dòng)量；控制力矩陀螺采用萬(wàn)向節(jié)，恒速運(yùn)行，通過(guò)改變?nèi)f向節(jié)軸向來(lái)改變角動(dòng)量：
如果按照反作用飛輪來(lái)沒(méi)計(jì)，飛輪安置可以有兩種方式：采用反向旋轉(zhuǎn)的飛輪對(duì)，至少需要3組飛輪對(duì)，軸向互相垂直；或4個(gè)獨(dú)立飛輪，安放在4邊形的4個(gè)頂點(diǎn)上：為獲得一定的容錯(cuò)能力，還要有備用飛輪。這樣一個(gè)集成飛輪系統(tǒng)需要4組反向飛輪對(duì)或5個(gè)獨(dú)立飛輪。反向旋轉(zhuǎn)飛輪對(duì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于每個(gè)軸上飛輪的角動(dòng)量和都為零，這樣輸出電能不必帶來(lái)角動(dòng)量的變化，控制較容易：：而獨(dú)立飛輪結(jié)構(gòu)的兩種功能是耦合的，控制較復(fù)雜。
如果集成飛輪采用單萬(wàn)向節(jié)的變速控制力矩陀螺結(jié)構(gòu)會(huì)帶來(lái)更難的控制問(wèn)題：這種結(jié)構(gòu)的集成E輪靠改變轉(zhuǎn)子軸向提供姿態(tài)控制所用的角動(dòng)量，通過(guò)改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)充放電。但是改變轉(zhuǎn)速也會(huì)改變角動(dòng)量：對(duì)于姿態(tài)控制系統(tǒng)模型，有兩個(gè)方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，一是將維持總線電壓所需的轉(zhuǎn)矩信號(hào)視為附加轉(zhuǎn)矩，二是將之視為干擾。
文獻(xiàn)[8]以動(dòng)能圓和動(dòng)量線的形式分析了集成儲(chǔ)能和姿態(tài)控制飛輪的工作原理，指出了同時(shí)滿足儲(chǔ)能和姿態(tài)控制的基本要求是在放電模式的最后，最小動(dòng)量線和最小動(dòng)能圓相切。3集成儲(chǔ)能和姿態(tài)控制飛輪系統(tǒng)展望 集成儲(chǔ)能和姿態(tài)控制飛輪是一種全新的概念，這種一輪兩用的系統(tǒng)可以大大降低E行器的體積和質(zhì)量，進(jìn)而提高飛行器的整體性能，應(yīng)用前景廣闊。
姿態(tài)控制飛輪目前已有成熟的技術(shù)，早已在航空航天上應(yīng)用，可以達(dá)到滿意的效果。相比之下儲(chǔ)能飛輪是一種較新的技術(shù)，目前技術(shù)還不甚完善，還未在空間上實(shí)際應(yīng)用。但是，因?yàn)轱w輪電池具有不可替代的優(yōu)勢(shì)，用儲(chǔ)能飛輪取代化學(xué)電池，已經(jīng)成為航天技術(shù)的下一個(gè)目標(biāo)。除此之外，飛輪在地面民用領(lǐng)域中也用途廣泛，如分布式能源系統(tǒng)、汽車電池
和不間斷電源，是應(yīng)對(duì)世界能源、環(huán)境問(wèn)題的一個(gè)有力手段。由此可見(jiàn)，發(fā)展儲(chǔ)能飛輪也有重大意義。
集成飛輪系統(tǒng)涉及到許多學(xué)科和領(lǐng)域，是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)。目前集成飛輪系統(tǒng)的難題還有很多，尚有許多關(guān)鍵技術(shù)不夠理想，比如低損耗的軸承、可靠的安全容器，還有復(fù)雜的控制算法等。以磁軸承來(lái)說(shuō)，目前集成飛輪普遍采用主動(dòng)式加被動(dòng)式的混合磁軸承，這只是一種折中方案，不夠理想。如能找到一種剛度大、零能耗或低能耗且穩(wěn)定的被動(dòng)
磁軸承，將極大地推動(dòng)飛輪技術(shù)的發(fā)展：
綜觀文獻(xiàn)，集成儲(chǔ)能和姿態(tài)控制飛輪系統(tǒng)目前尚處于研究階段，只有少數(shù)機(jī)構(gòu)在進(jìn)行相關(guān)研究：以目前的情況來(lái)看，這種集成飛輪系統(tǒng)還有很多技術(shù)難題要解決，暫時(shí)達(dá)不到實(shí)用水平，即使技術(shù)達(dá)到，在上天之前還要經(jīng)歷幾年的壽命檢驗(yàn)，這意味著這項(xiàng)技術(shù)是面向未來(lái)的。隨著復(fù)合材料技術(shù)、磁軸技術(shù)、電力電子技術(shù)以及相關(guān)控制方法的不斷進(jìn)步，可以相信集成儲(chǔ)能和姿態(tài)控制飛輪系統(tǒng)將來(lái)定出現(xiàn)在太空飛行器上。
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