單兵班組供電保障裝備論證研究

于廣洲，楊秀月，李 淵，史棟杰

(中國人民解放軍63936 部隊(duì)，北京 102202)

隨著軍隊(duì)信息化建設(shè)延伸至戰(zhàn)術(shù)末端，為驅(qū)散戰(zhàn)場(chǎng)迷霧，士兵配備了更先進(jìn)的指控通信、偵察觀察、定位導(dǎo)航等便攜式信息化裝備，戰(zhàn)斗力較以往大幅提升，然而與之伴隨而來的是大量的電能消耗。文獻(xiàn)[1]提到了士兵在3 天任務(wù)中理論上攜帶電池重達(dá)7.26 kg。在士兵有限的攜行能力下，綜合考慮所有便攜式信息化裝備用電需求，如何科學(xué)論證和設(shè)計(jì)單兵班組供電保障裝備以確保維持持久作戰(zhàn)能力逐漸成為當(dāng)前迫切解決的問題。就此，本文主要從單兵班組供電保障裝備體系、指標(biāo)體系和論證方法三個(gè)方面開展了相關(guān)研究，并對(duì)未來工作進(jìn)行了展望。

1 單兵班組供電保障裝備體系

國內(nèi)外目前已形成單裝-單兵-班組三個(gè)層級(jí)的供電保障裝備體系，如圖1 所示。

圖1 國外單兵班組供電保障裝備

(1)單裝級(jí)。便攜式信息化裝備大多數(shù)情況下通過填充或卡接使用各自配套電池進(jìn)行供電，單裝配置獨(dú)立供電單元便于靈活使用。配套電池主要采用化學(xué)電池技術(shù)體制，如美軍普遍使用的2590 電池、5590 電池、LI145 電池等。

(2)單兵級(jí)。單兵穿戴士兵系統(tǒng)遂行任務(wù)，系統(tǒng)面向單兵一體化設(shè)計(jì)集中式電源，通過線纜按需為士兵系統(tǒng)用電裝備直接供電或?yàn)橄到y(tǒng)內(nèi)配套二次電池充電。士兵系統(tǒng)集中式電源更注重追求士兵供電整體效能，為適應(yīng)士兵體型特征往往采用共形結(jié)構(gòu)化學(xué)電池(如美軍的Conformal Wearable Battery)；為提升士兵持續(xù)作戰(zhàn)供電保障能力，根據(jù)需要編配小功率燃料電池(如美軍使用的JENNY600s 燃料電池)。

(3)班組級(jí)。班組內(nèi)通常由1 名士兵攜帶班組電源，在臨時(shí)集結(jié)地通過線纜為單兵班組裝備直接供電或?yàn)榘嘟M內(nèi)各裝備配套二次電池充電，實(shí)現(xiàn)班組作戰(zhàn)長時(shí)間電能續(xù)航補(bǔ)給。班組級(jí)電源具備更高的攜電能力和可再生能源發(fā)電能力，美軍主要采用便攜式燃料電池(如JENNY1200 燃料電池[4])、太陽電池等技術(shù)體制；為實(shí)現(xiàn)班組級(jí)電源高效管理，美軍使用SPM-622 班組電源管理器(SPM-622 Squad Power Manager)可為大多數(shù)軍用和商用可充電電池充電，使用ABC-812 箱式維護(hù)設(shè)備對(duì)電池進(jìn)行充電及維護(hù)?？傮w上看，單兵班組供電綜合了“分布式”和“集中式”供電方式，區(qū)分使用對(duì)象呈現(xiàn)出分層能源補(bǔ)給的特征。

鑒于上述裝備均為便攜裝備，承載平臺(tái)均為士兵，為避免重復(fù)建設(shè)、降低攜行質(zhì)量和方便籌措保障，目前單兵班組供電保障裝備建設(shè)逐漸由面向單裝獨(dú)立設(shè)計(jì)向面向單兵班組一體化設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變，電池、充電器及配套線纜型號(hào)逐漸壓減，單兵班組電源通用化程度更高。

2 單兵班組供電保障裝備指標(biāo)體系

單兵班組供電保障裝備既有裝備共性指標(biāo)，又有電性能指標(biāo)(見圖2)。

圖2 單兵班組電源裝備指標(biāo)體系

2.1 裝備共性指標(biāo)

單兵班組供電保障裝備，屬于保障裝備，具備裝備共有的共性指標(biāo)，主要包括：質(zhì)量、尺寸、人機(jī)工程、可靠性、維修性、保障性、測(cè)試性、安全性、環(huán)境適應(yīng)性、電磁兼容性等。環(huán)境適應(yīng)性指標(biāo)，主要基于裝備作戰(zhàn)需求并結(jié)合參考GJB150.A-2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法》進(jìn)行論證，主要包括工作溫度、儲(chǔ)存溫度、低氣壓(工作海拔)、淋雨、鹽霧、砂塵、振動(dòng)、沖擊等指標(biāo)；電磁兼容性，主要基于裝備作戰(zhàn)需求并結(jié)合參考GJB151B-2013《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測(cè)量》進(jìn)行論證，主要包括傳導(dǎo)發(fā)射和傳導(dǎo)敏感度等指標(biāo)。

2.2 電性能指標(biāo)

2.2.1 電源電性能指標(biāo)

電源電性能指標(biāo)區(qū)分通用指標(biāo)和專用指標(biāo)，通用指標(biāo)主要包括容量、輸出功率、標(biāo)稱電壓等。不同技術(shù)體制的電源，又存在專用指標(biāo)，具體為：

(1)化學(xué)電池。國外已用裝備配套化學(xué)電池主要有一次電池和二次電池，專用指標(biāo)包括荷電保持能力、充電電流、充電截止電壓、循環(huán)次數(shù)等，后三項(xiàng)為二次電池的專項(xiàng)指標(biāo)。

(2)燃料電池。當(dāng)前國外單兵班組主流燃料電池主要有質(zhì)子交換膜燃料電池、金屬空氣電池等，專用指標(biāo)包括發(fā)電效率、起動(dòng)時(shí)間、壽命、工作表面溫度、工作噪聲、適配燃料種類、危險(xiǎn)防護(hù)等。

(3)太陽電池。當(dāng)前應(yīng)用較多的太陽電池主要為晶體硅、硅基薄膜、銅銦鎵硒薄膜、砷化鎵薄膜等太陽電池，專用指標(biāo)包括光電轉(zhuǎn)換效率、光致衰退效應(yīng)、弱光條件發(fā)電功率、遮擋下發(fā)電功率等。

(4)人力發(fā)電裝置。專用指標(biāo)包括轉(zhuǎn)換效率、工作噪聲等。

2.2.2 電源管理設(shè)備電性能指標(biāo)

(1)交直流適配器。主要電性能指標(biāo)包括輸入/輸出適配電壓、額定功率、紋波系數(shù)、工作表面溫度等。

(2)直流電源管理器。主要電性能指標(biāo)包括輸入/輸出適配電壓、充電模式、額定功率、效率、電量估算等。

(3)一體化維護(hù)設(shè)備。主要電性能指標(biāo)包括輸入/輸出適配電壓、充電模式、額定功率、效率、電量估算、級(jí)聯(lián)能力、燃爆防護(hù)(電池隔離、壓力釋放、阻燃、防靜電)等。

3 單兵班組供電保障裝備論證方法

單兵班組供電保障裝備涉及指標(biāo)多，在裝備論證階段，應(yīng)把握主次矛盾，在滿足基本作戰(zhàn)要求的基礎(chǔ)上，合理確定關(guān)鍵重要指標(biāo)和擇優(yōu)指標(biāo)，使之符合使用主體要求。

3.1 以能力需求為牽引，確定關(guān)鍵重要指標(biāo)

圍繞使用主體對(duì)電源在用電總量、用電功率、攜行方式、操作環(huán)境等方面的需求，確定容量、功率、質(zhì)量、尺寸、環(huán)境適應(yīng)性等作為電源的關(guān)鍵重要指標(biāo)：

(1)用電總量。充足的電量是電源保障使用主體遂行任務(wù)的基本前提，電源容量指標(biāo)應(yīng)不低于使用主體在任務(wù)周期內(nèi)消耗的用電總量。

(2)用電功率。電源輸出功率決定了使用主體能否直接用電和高效充電補(bǔ)給。為確保電源能滿足被保障對(duì)象直接供電或快速能源補(bǔ)給需求，電源功率指標(biāo)應(yīng)不低于被保障對(duì)象用電功率或快速充電功率。

(3)攜行方式。士兵主要通過穿戴方式攜帶電源，而士兵戰(zhàn)斗負(fù)荷有限(參考美軍士兵戰(zhàn)斗負(fù)荷為其體重的30%[2])，為避免影響戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作執(zhí)行，電源尺寸規(guī)格應(yīng)盡量小巧，電源體積指標(biāo)不能超過士兵系統(tǒng)攜行具(或附包)的尺寸，電源質(zhì)量與士兵其他戰(zhàn)斗物資質(zhì)量之和不能超過士兵負(fù)荷能力。

(4)操作環(huán)境。裝備在實(shí)戰(zhàn)和日常訓(xùn)練中存在使用、投送、補(bǔ)給等過程，操作環(huán)境較民用電源更為苛刻，能否適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境條件是檢驗(yàn)電源技術(shù)型號(hào)研制可行性的一項(xiàng)重要指標(biāo)。考慮到難以“一塊電池包打天下”，宜結(jié)合不同技術(shù)體制的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

圍繞使用主體對(duì)電源管理設(shè)備在高效配電管理以及日常維護(hù)等的需求，確定輸入/輸出適配電壓、充電模式、額定功率、效率、電量估算等作為電源管理設(shè)備的關(guān)鍵重要指標(biāo)：

(1)高效配電管理。單兵班組電源種類多樣，尺寸規(guī)格不同，電壓等級(jí)多，需要依托高效配電管理實(shí)現(xiàn)電能互聯(lián)通用，即實(shí)現(xiàn)接入多種電源為用電裝備輸出供電，以及為裝備配套化學(xué)電池適配充電；為適應(yīng)快速戰(zhàn)斗節(jié)奏，應(yīng)具備快速充電模式以及較高的配電功率；為有效利用有限電能，電源管理應(yīng)盡量提升效率；為指導(dǎo)任務(wù)規(guī)劃和形成補(bǔ)給需求，電源管理應(yīng)具備電量評(píng)估能力。

(2)日常維護(hù)。一體化維護(hù)設(shè)備應(yīng)滿足對(duì)裝備配套化學(xué)電池的充放電維護(hù)需求。

3.2 通過典型作戰(zhàn)場(chǎng)景構(gòu)想，明確指標(biāo)具體要求

圍繞前文論證得出的電源容量、功率、質(zhì)量、尺寸、環(huán)境適應(yīng)性以及電源管理設(shè)備的輸入/輸出適配電壓、充電模式、額定功率、效率、電量估算等關(guān)鍵重要指標(biāo)，基于典型作戰(zhàn)場(chǎng)景和編組運(yùn)用等，明確指標(biāo)具體要求。我們以班組供電保障裝備指標(biāo)論證為例，進(jìn)行簡(jiǎn)要說明。

(1)明確單兵班組裝備編配。根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)中各士兵的能力需求、攜行負(fù)荷約束等攜帶裝備，形成裝備編配矩陣。

(a)根據(jù)班組執(zhí)行的任務(wù)種類，構(gòu)建任務(wù)矩陣A，A=[a1，a2，…，aZ]，Z代表班組執(zhí)行典型任務(wù)種類的數(shù)量，通過部隊(duì)調(diào)研方式獲得；aMaxC代表最大用電需求的任務(wù)，以此為典型來設(shè)計(jì)班組供電保障裝備容量、功率等典型參數(shù)；

(b)以aMaxC作為典型任務(wù)進(jìn)行編組，構(gòu)建任務(wù)角色矩陣R，R=[r1，r2，…，rj，…，rS]，S為編組內(nèi)士兵數(shù)量；

(c)士兵按照能力需求攜帶各自裝備，主要有感知、指控、通信、打擊、機(jī)動(dòng)、防護(hù)、保障等裝備構(gòu)成，可以初步構(gòu)建裝備矩陣Q，Q=[q1，q2，…，qi，…，qN，q(N+1)，q(N+2)，…，q(N+S)，…，q(N+P)]，N為單兵班組攜帶的已定型裝備型譜數(shù)量，P為新增電源裝備數(shù)量；其對(duì)應(yīng)的裝備質(zhì)量屬性矩陣M，M=[m1，m2，…，mi，…，mN，m(N+1)，m(N+2)，…，m(N+S)，…，m(N+P)]；

(d)構(gòu)建班組裝備編配矩陣O：

式中：矩陣中oij的數(shù)值代表第j名士兵編配第i型裝備的情況，oij取1 或0，1 代表編配該裝備，0 代表不編配該裝備；

(e)計(jì)算得出士兵攜行負(fù)荷∑M，∑M=MO，∑Mj代表第j名士兵的攜行負(fù)荷；

(f)士兵攜行負(fù)荷約束項(xiàng)為不超過士兵體重的30%，按照士兵體重80 kg 計(jì)量，∑Mj≤24。

(2)明確單兵班組裝備用電模式。根據(jù)任務(wù)特點(diǎn)，明確指揮、通信、偵察、引導(dǎo)等編配裝備的使用時(shí)機(jī)、使用模式。指揮、通信裝備通常按照一定的工作和待機(jī)時(shí)間比模式使用，偵察、引導(dǎo)裝備通常按照持續(xù)時(shí)間/次數(shù)模式使用。

(3)明確班組電源容量指標(biāo)。

(a)梳理構(gòu)建裝備平均用電功率，形成裝備平均用電功率矩陣此處記

(b)根據(jù)用電模式，規(guī)劃任務(wù)周期內(nèi)用電裝備使用時(shí)間矩陣T，T=[t1，t2，…，ti，…，tN，t(N+1)，t(N+2)，…，t(N+S)，…，t(N+P)]，其中t(N+1)，t(N+2)，…，t(N+S)，…，t(N+P)為0；

(c)根據(jù)裝備編配矩陣、裝備平均用電功率矩陣以及裝備使用時(shí)間矩陣，計(jì)算任務(wù)周期內(nèi)每名士兵用電電量E；

(d)計(jì)算班組電源容量C，其中y≥1 為裕度值。

(4)明確班組電源功率指標(biāo)(區(qū)分額定功率Pr和峰值功率Pk)。

(a)梳理構(gòu)建用電裝備峰值功率矩陣W=[w1，w2，…，wi，…，wN，w(N+1)，w(N+2)，…，w(N+S)，…，w(N+P)]，此處記w(N+1)，w(N+2)，…，w(N+S)，…，w(N+P)為0；

(b)額定功率指標(biāo)不得低于班組供電保障裝備容量(Wh)/任務(wù)周期(h)，即Pr≥C/t(t為任務(wù)周期)，同時(shí)基本能夠滿足便攜用電裝備直接供電需求；

(c)峰值功率能夠滿足較大功率便攜裝備的短時(shí)間內(nèi)直接供電Pk≥max(wi)，同時(shí)綜合考慮配套電池快速充電。

(5)明確班組電源尺寸和質(zhì)量指標(biāo)。尺寸以便于置于攜行具(或附包)攜帶為宜，質(zhì)量指標(biāo)為便于靈活編配和組合使用，單體質(zhì)量不宜超過2.5 kg。

(6)明確班組電源環(huán)境適應(yīng)性指標(biāo)。綜合考慮裝備遂行各類任務(wù)的環(huán)境等，明確環(huán)境適應(yīng)性指標(biāo)并滿足GJB150.A-2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法》中明確的工作溫度、貯存溫度、使用最高海拔、淋雨(降雨和吹雨)、濕熱、鹽霧、砂塵(吹塵)、振動(dòng)(散裝貨物運(yùn)輸)、沖擊(運(yùn)輸?shù)?等相關(guān)測(cè)試要求。

(7)明確電源管理部分的適配性等指標(biāo)。根據(jù)任務(wù)矩陣A可能存在的任務(wù)種類，梳理電源管理設(shè)備接入電源、適配充電電池以及適配供電裝備，輸入/輸出適配電壓至少滿足5～32 V，具備標(biāo)準(zhǔn)充電和快速充電模式，具備電量估算功能；電源管理器額定功率、效率、電量估算精度等指標(biāo)在招標(biāo)完成后予以明確。梳理一體化維護(hù)設(shè)備接入的電源、適配的電池，明確一體化維護(hù)設(shè)備滿足市電、野戰(zhàn)游擊等電源接入的物理接口和電壓范圍，以及支持維護(hù)的電池種類和數(shù)量。

3.3 實(shí)物招標(biāo)確定技術(shù)方案，完善其余指標(biāo)要求

在滿足關(guān)鍵重要指標(biāo)要求的基礎(chǔ)上，利用裝備采購信息網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行擇優(yōu)，明確招標(biāo)文件和比測(cè)大綱，指導(dǎo)比測(cè)擇優(yōu)工作。關(guān)鍵重要指標(biāo)設(shè)置為基本項(xiàng)，對(duì)照指標(biāo)體系設(shè)置擇優(yōu)項(xiàng)，通過分項(xiàng)分值區(qū)分不同指標(biāo)權(quán)重。

4 展望

由于長期以來被視為裝備配套組件，單兵班組供電保障裝備論證對(duì)比其他主戰(zhàn)裝備論證尚存在差距。本文主要是定性論述了單兵班組供電保障裝備體系、指標(biāo)及論證方法，基于編配矩陣進(jìn)行建模的方法已經(jīng)用于某供電保障裝備論證。后續(xù)我們將借鑒主戰(zhàn)裝備論證方法開展效能評(píng)估分析，使單兵班組供電保障裝備論證深化全面。