軍用無人機電源技術(shù)進展

石治國

（海軍駐天津地區(qū)兵器設(shè)備軍代表室，天津300381）

蓄電池是無人機飛行的最關(guān)鍵系統(tǒng)之一。機載電源，除了武器專用電源外，蓄電池還廣泛地用于無人機啟動引擎和輔助動力裝置，也為必要的航空電子控制設(shè)備提供支撐電源，為保障導(dǎo)航設(shè)備和飛行線路計算機做不間斷電源，鑒于這些功能都是起限制飛行任務(wù)的作用，所以對飛機電源首當(dāng)其沖的要求是安全可靠，性能必須穩(wěn)定耐久，能為飛機的各種應(yīng)急環(huán)境下維持航行控制系統(tǒng)工作提供支持。目前應(yīng)用在無人機上的電源主要有燃料電池、太陽電池和鋰離子電池等。

1 燃料電池

較大型的無人機配備燃燒式發(fā)動機，使用傳統(tǒng)燃油，如JP-8或混合燃油來驅(qū)動；小型的無人機則大多使用電力發(fā)動機，一般由鋰電池來驅(qū)動。隨著軍方對替代性能源的不斷開發(fā)，使用燃料電池取代鋰電池甚至內(nèi)燃機來驅(qū)動的技術(shù)逐漸吸引了人們的注意。它不但能量轉(zhuǎn)換效率高(一般都在40%～50%)、壽命長、比功率高，而且對環(huán)境無污染。世界上許多國家都非常重視燃料電池開發(fā)。近年來，由于電極材料、總體質(zhì)量、制造成本等方面的原因，人們對其短期內(nèi)進入實用化的可能性提出質(zhì)疑，因而減緩了研制進度。

但是，燃料電池技術(shù)的支持者們認為，燃料電池比現(xiàn)有的電池及內(nèi)燃發(fā)動機都擁有更多的優(yōu)勢。與傳統(tǒng)電池相比它們尺寸小質(zhì)量輕，工作時間長且安全性好；與內(nèi)燃發(fā)動機相比它們噪音低、排放量小，工作高效且能支持室內(nèi)作戰(zhàn)行動。保守觀點則認為燃料電池仍存在許多缺點，包括元件價格較高，如PEM電池的催化劑和交換膜都是由昂貴物質(zhì)制造的。另外電池內(nèi)發(fā)生反應(yīng)時會發(fā)熱，因此電池的工作溫度必須控制以防止出現(xiàn)熱損傷。對水和空氣的處理也非常關(guān)鍵。燃料電池運行時會產(chǎn)生熱量和水，假如處理不當(dāng)，沒有及時將生成的水排出，電極很可能會被“淹死”或是出現(xiàn)高溫導(dǎo)致一系列問題[1]。

2 蓄電池和燃料電池混合電源系統(tǒng)

為了解決軍用無人機在續(xù)航能力方面需求的不斷增加，這科學(xué)家正在工業(yè)界的幫助下，致力于克服現(xiàn)有蓄電池和燃料電池的局限性。他們面對的挑戰(zhàn)是開發(fā)續(xù)航時間更長的蓄電池和大功率的燃料電池，或是蓄電池和燃料電池的某種可靠結(jié)合體，以延長飛行器的工作時間。

美國空軍研究實驗室(AFRL)正在研制將蓄電池和燃料電池結(jié)合的組合系統(tǒng)。蓄電池可滿足峰值功率需求，但是巡航飛行不需要過大的功率。為了擁有更長的巡航飛行時間(大約1 h)，實驗室正在致力于將蓄電池和燃料電池相結(jié)合，以獲得更長的巡航時間。燃料電池可以將一個發(fā)動機的能量翻倍，但不能提供足夠的功率。美洲虎是航空環(huán)境公司的小型無人飛行系統(tǒng)系列投資之一。整個飛行器都由燃料電池提供穩(wěn)定的動力，當(dāng)需要更大的功率時就從蓄電池里提取能量。該系統(tǒng)聯(lián)合工作，并有一個動力控制設(shè)備，以控制動力的來源。蓄電池僅在功率需求高峰時使用，且每次只使用幾分鐘。當(dāng)無人機巡航飛行時，燃料電池為蓄電池充電。體積和質(zhì)量是燃料電池系統(tǒng)面臨的大問題。整個燃料電池系統(tǒng)包括一個泵、燃料罐和風(fēng)扇，占了美洲虎無人機質(zhì)量(5.9 kg)的三分之一。該燃料電池是氫動力的。為了將每個部分都小型化，需要更好的泵，而燃料電池系統(tǒng)也需要不同的燃料以達到更好的能量密度。AFRL正在研究使用丙烷和丁烷以及硼氫化納的燃料電池。當(dāng)開始對系統(tǒng)進行小型化時，整個燃料電池系統(tǒng)都要重新設(shè)計，隨著尺寸的縮小，集成的難度也越來越大。AFRL將與工業(yè)界合作，繼續(xù)研究更小的無人系統(tǒng)和動力系統(tǒng)。

3 太陽電池

在眾多新型飛行器中特別值得一提的是太陽能無人機。太陽能無人機是利用太陽光輻射能作為動力在高高空連續(xù)飛行數(shù)周以上的無人駕駛飛行器，它利用太陽電池將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，通過電動機驅(qū)動螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生飛行動力。白天，太陽能無人機依靠機體表面鋪設(shè)的太陽電池將吸收的太陽光輻射能轉(zhuǎn)換為電能，維持動力系統(tǒng)、航空電子設(shè)備和有效載荷的運行，同時對機載二次電源充電；夜間，太陽能無人機釋放二次電源中儲存的電能，維持整個系統(tǒng)的正常運行。如果白天儲存的能量能滿足夜間飛行的需要，則太陽能無人機理論上可以實現(xiàn)“永久”飛行。研制太陽能無人機要解決兩項關(guān)鍵技術(shù)，一是能有效地將太陽能聚集起來，二是如何解決夜間和陽光微弱時的能源問題。

據(jù)報道，由于透明柔性染料敏化太陽電池(DSSCs)具備較佳的光電轉(zhuǎn)換效率和良好的擴展性，華盛頓大學(xué)多學(xué)科聯(lián)合攻關(guān)小組(MURI)的斯塔亞博士正在進行一項將其應(yīng)用于航空器的研究。據(jù)介紹，DSSCs與傳統(tǒng)硅系太陽電池的結(jié)構(gòu)不同，其納米半導(dǎo)體表面的涂料能捕獲光子并將其轉(zhuǎn)化為電子。這種太陽電池具有較佳的光電轉(zhuǎn)換效率和良好的擴展性能，在價格上也更易進行推廣。經(jīng)過多次試驗，研究人員最終采用了薄膜電池技術(shù)，使用輕型薄膜太陽電池的試驗飛機終于試飛成功。目前該小組正致力于研制出面積更大、光電轉(zhuǎn)換效率更高、更柔韌的DSSCs涂料，以便將其應(yīng)用到美國空軍的無人飛機上。

太陽電池的發(fā)展水平是決定太陽能無人機性能的根本。目前在太陽電池的研究方面進步較快，各種材質(zhì)的高效電池不斷涌現(xiàn)，但航空領(lǐng)域?qū)μ栯姵氐囊蟛⒉粌H僅是較高的轉(zhuǎn)化效率，它還要求電池具有良好的物理特性，如耐高/低溫變化、耐輻射、耐腐蝕、高可靠性等。我們必須結(jié)合航空領(lǐng)域?qū)μ栯姵氐木唧w要求，從現(xiàn)有電池中尋找理想產(chǎn)品并把它成功應(yīng)用于太陽能無人機。對比當(dāng)前各種電池，高端單晶硅產(chǎn)品憑借其高效、無毒無污染、技術(shù)成熟等特性成為當(dāng)前太陽能航空器中應(yīng)用最為廣泛的電池品種。而各種輕質(zhì)、低成本柔性薄膜電池和多元化合物電池將隨著其效率的提高逐步取代硅基剛性電池，成為今后太陽能無人機的動力電源。

(1)太陽電池與燃料電池混合電源系統(tǒng)

儲能系統(tǒng)是太陽能無人機中重要的組成部分，目前國外太陽能無人機概念設(shè)計階段都提出儲能器應(yīng)選擇高能量密度、高效率的燃料電池。

在美國國家航空航天局(NASA)的支持下，AeroVironment公司研制成功一架使用燃料電池作推進無人太陽能飛機的備份動力的無人駕駛飛機太陽神號(helios)。太陽神機翼上有62 000枚太陽電池，以此驅(qū)動由小型電力馬達所轉(zhuǎn)動的14具螺旋槳。Aero Vironment公司正在發(fā)展可重復(fù)充電的氫氧能源儲存系統(tǒng)。太陽神號白天多余的太陽能轉(zhuǎn)存至燃料電池以在夜間使用，實現(xiàn)能在空中飛行幾個月時間，提高飛行半徑和對偏遠地區(qū)的偵探。

(2)太陽電池與鋰電池的混合電源系統(tǒng)

燃料電池盡管應(yīng)用于大型飛行器已獲得成功，但對于輕、微型飛行器，其現(xiàn)有的體積和質(zhì)量是無法獲得應(yīng)用的。目前國外輕、微型太陽能無人機都采用高比能量的鋰電池。鋰電池技術(shù)成熟，應(yīng)用簡單方便、安全性和可靠性都較好。可充電的鋰電池，具有很好的能量質(zhì)量比，不使用時電量損失也較慢，但在大功率下工作時間有限。

鋰-硫可充電電池具有的能量在任意兩種可組合物質(zhì)形成的電池中是最高的，同時，也是一種相對便宜的材料[2]。硫基鋰鹽的理論比能量為2.5Wh/kg，是鋰離子電池0.58Wh/kg的四倍多。由于結(jié)構(gòu)中不含重金屬，鋰-硫電池與其它電池相比更環(huán)保，也更容易處理。鋰-硫電池供電時間將比鋰離子電池更長。美國Sion Power宣布，其專有的鋰硫(Li-S)電池，在英國的奎奈蒂克公司(QinetiQ)的微風(fēng)(Zephyr)無人機連續(xù)超過336 h的飛行中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。"微風(fēng)"由超輕的碳纖維制造，質(zhì)量僅為53 kg，機翼約長22.5m，上表面覆蓋著薄膜非晶硅太陽電池和鋰硫蓄電池。同時，通過無人機航電系統(tǒng)控制電池組的能力也得到提升。白天，太陽能給該無人機提供動力的同時，也給機翼上安裝的鋰硫電池充電；晚上，飛機依靠電池繼續(xù)飛行。與傳統(tǒng)飛機或者無人機不同的是，微風(fēng)不需要定期返回地面補充燃料。在無人駕駛飛機中，由太陽能/電池提供無人駕駛飛機的全部動力。

4 鋅-空氣電池及溫差電池

據(jù)報道，美國Arotech公司研制的一種裝于海軍陸戰(zhàn)隊“龍眼”無人機上的原型鋅電池已在弗吉尼亞州匡蒂科通過了里程碑試驗。在地面試驗期間，該電池表明它能支持“龍眼”無人機。Arotech在聲明中說，它認為鋅航空電池能延長無人機的續(xù)航性。美陸軍也已投資正在研制該電池。“龍眼”是世界上投入使用的無人機當(dāng)中最小的，它重2.3 kg，長3英尺，翼展45英寸?！褒堁邸睙o人機是美軍在陸戰(zhàn)隊作戰(zhàn)實驗室開始研發(fā)的，僅花費了620萬美元就開發(fā)成功。該機可以使用由Arotech公司電燃料(ElectricFuel)子公司開發(fā)的鋅-空氣電池。ElectricFuel公司的無人機電池是該公司最先進的鋅-空氣電池的改型，具有功率大、質(zhì)量輕特點。該公司認為，它的鋅-空氣電池具有大幅度延長這種偵察飛機任務(wù)耐航時間的潛力。

此外，美國國防預(yù)研計劃局大部分用于微型無人機“賦能技術(shù)”（使微型無人機"能飛"的技術(shù)）的投資都集中于提高推進效率，其中包括“微中子”狄塞爾發(fā)動機/半導(dǎo)體薄膜溫差電池，由D-STAR工程公司/布萊克斯堡技術(shù)公司研制，發(fā)動機功率80W，組件直徑2 cm。溫差電池采用先進量子阱技術(shù)，附在發(fā)動機壁上直接把熱能變?yōu)殡娫矗? cm3內(nèi)燃機廢熱產(chǎn)生20W功率。

5 展望

綜上所述，各種能源技術(shù)在無人機電源中都有應(yīng)用，但根據(jù)航空飛行器的體積和用途，太陽電池、燃料電池及蓄電池的研究和應(yīng)用價值各有不同，因此，三者的聯(lián)合應(yīng)用更能符合未來軍事的需求。

[1] 李國欣.新型化學(xué)電源技術(shù)概論[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2007.

[2] LINDEN D,REDDY T B.電池手冊[M].汪繼強，譯.3版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.