士兵系統(tǒng)電源保障技術(shù)發(fā)展進(jìn)程

龍知洲，李偉萍，劉凱峰，馬 天

(軍事科學(xué)院軍需工程技術(shù)研究所，北京 100010)

士兵系統(tǒng)作為信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中最小的作戰(zhàn)平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，具有極其重要的地位。電臺(tái)、夜視儀、降噪耳機(jī)等高科技裝備使得士兵作戰(zhàn)能力極大增強(qiáng)，但也增加了對(duì)電能的需求和依賴(lài)[1-2]。未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)各方將展開(kāi)非線性、非對(duì)稱(chēng)的激烈對(duì)抗，供電不足與彈盡糧絕同樣危險(xiǎn)。士兵系統(tǒng)如何確保穩(wěn)定、持續(xù)、高效的電能保障，成為各國(guó)軍隊(duì)和研究人員關(guān)注的熱點(diǎn)。

1 士兵系統(tǒng)電源保障技術(shù)現(xiàn)狀

士兵系統(tǒng)以人體為主要裝備承載平臺(tái)，因此主要采用便于攜帶的化學(xué)電池作為電源，包括一次電池(如鋰原電池、堿性鋅錳電池等)和二次電池(如鋰離子電池、氫鎳電池等)兩大類(lèi)[2-4]。上世紀(jì)90 年代士兵系統(tǒng)誕生之初，電池技術(shù)還不夠成熟，士兵攜帶的備用電池?cái)?shù)量過(guò)多，負(fù)荷過(guò)重，影響作戰(zhàn)。2006 年9 月，在北約部隊(duì)對(duì)阿富汗坎大哈地區(qū)展開(kāi)的“美杜莎”行動(dòng)中，加拿大一個(gè)步兵連在兩個(gè)星期內(nèi)消耗了17 500 節(jié)AA 電池[5]。表1 為2007 年美軍在阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)期間執(zhí)行一次72 h 作戰(zhàn)任務(wù)，“陸地勇士”各型裝備電池消耗情況，電池總質(zhì)量已經(jīng)達(dá)到士兵負(fù)重的20%[6-7]。該系統(tǒng)72 h 消耗電能618.05 Wh，70 塊電池總質(zhì)量7.027 kg，其質(zhì)量比能量平均值為88.0 Wh/kg。

表1 美軍“陸地勇士”士兵系統(tǒng)在阿富汗作戰(zhàn)72 h 耗電情況

近年來(lái)電池技術(shù)得到快速發(fā)展，表2 為當(dāng)前主流鋰原電池和鋰離子電池的質(zhì)量比能量[8-9]，較“陸地勇士”系統(tǒng)平均值已有明顯提升，促進(jìn)士兵系統(tǒng)電池快速更新?lián)Q代。除鋰電池外，燃料電池也逐漸得到推廣應(yīng)用，法國(guó)FELIN V1.3 和新加坡Ariele 等士兵系統(tǒng)均配套使用便攜式燃料電池[10-11]。高性能儲(chǔ)能技術(shù)的廣泛應(yīng)用極大緩解了士兵系統(tǒng)電池負(fù)荷過(guò)重的問(wèn)題。

表2 當(dāng)前主流鋰電池質(zhì)量比能量 Wh/kg

早期士兵系統(tǒng)大多采用一種裝備一種電池的分布式供電技術(shù)，為了解決電池型號(hào)多、接口不統(tǒng)一、后勤保障負(fù)擔(dān)重等問(wèn)題，美、俄等主要國(guó)家近年來(lái)相繼發(fā)展了混合式供電技術(shù)，如表3 所示[12-13]。士兵攜帶容量較大的電池包作為主電源，各個(gè)裝備通過(guò)線纜電池包聯(lián)通實(shí)現(xiàn)供電。其主要優(yōu)勢(shì)有：一是士兵無(wú)需額外攜帶大量不同型號(hào)的備用電池，在戰(zhàn)斗過(guò)程中設(shè)備可隨時(shí)充電，據(jù)美軍統(tǒng)計(jì)，該供電方式能減少30%的負(fù)重[14]；二是各個(gè)裝備中還自帶二次電池，因此具有一定自持能力，即使線纜損壞或電池包電能耗盡，也不會(huì)立即斷電失效，提高了系統(tǒng)可靠性；三是士兵可通過(guò)信息終端(一般是智能手機(jī))進(jìn)行電能管理，監(jiān)控各設(shè)備用電狀態(tài)并根據(jù)任務(wù)需要調(diào)整供電模式，極大提升作戰(zhàn)時(shí)電源保障的靈活性。

表3 外軍典型士兵系統(tǒng)電源保障情況

自發(fā)電技術(shù)也是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)，士兵可在作戰(zhàn)過(guò)程中補(bǔ)充電能，減少對(duì)后勤供應(yīng)的依賴(lài)。美國(guó)陸軍作戰(zhàn)能力發(fā)展司令部士兵中心發(fā)明的SPARK 發(fā)電鞋能夠收集腳踝關(guān)節(jié)動(dòng)能，在4.83 km/h 的行進(jìn)速度下，單腳發(fā)電功率為3～4 W。美國(guó)陸軍通信與電子研究發(fā)展工程中心等研發(fā)的EHAP 能量收集突擊背包可在4.83 km/h 的行進(jìn)速度下達(dá)到3 W 左右發(fā)電功率，同時(shí)還能緩解士兵負(fù)重時(shí)的疲勞感。2010 年開(kāi)始，美軍在阿富汗戰(zhàn)場(chǎng)逐步推廣可折疊太陽(yáng)電池，極大延長(zhǎng)了士兵系統(tǒng)持續(xù)供電時(shí)間。在一次為期4 天的演練測(cè)試中，裝備太陽(yáng)電池板的士兵系統(tǒng)完全不需要電池二次補(bǔ)給[6,10,15]。

2 士兵系統(tǒng)電源保障面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)

未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)將是機(jī)械化、信息化、智能化融合發(fā)展的復(fù)雜局面，作戰(zhàn)樣式或?qū)a(chǎn)生顛覆性變化，給士兵系統(tǒng)電源保障帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。

2.1 系統(tǒng)電能消耗不斷增加

過(guò)去20 年中，技術(shù)進(jìn)步促使電池容量擴(kuò)大了3 倍，但是電子設(shè)備對(duì)電能的消耗則飛速擴(kuò)大了20 倍[2]。美軍測(cè)算“陸地勇士”、“目標(biāo)部隊(duì)勇士”等早期士兵系統(tǒng)峰值功耗約為60 W，每天電能需求約為240 Wh(按12 h 估算)[3-4]。根據(jù)當(dāng)前各國(guó)士兵系統(tǒng)主要用電裝備類(lèi)型，估算一套典型士兵系統(tǒng)峰值功耗約為39.1 W，如圖1 所示。

圖1 典型裝備峰值功耗估測(cè)

盡管系統(tǒng)功耗顯著下降，但電能短缺問(wèn)題卻愈發(fā)嚴(yán)重。其主要原因有：一是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)前線-后方概念越來(lái)越模糊，戰(zhàn)斗隨時(shí)可能打響，人員必須長(zhǎng)期保持警戒狀態(tài)，系統(tǒng)持續(xù)工作時(shí)間延長(zhǎng)導(dǎo)致總能耗提升；二是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)高度依賴(lài)信息交互共享，導(dǎo)致通信裝備長(zhǎng)期滿負(fù)荷運(yùn)行，自組網(wǎng)電臺(tái)即使在待機(jī)狀態(tài)也要不斷更新路由信息保持網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通，根據(jù)美軍2014 年組織的9 人步兵班組72 h 能耗試驗(yàn)，電臺(tái)已達(dá)到全部裝備耗電量的74%；三是戰(zhàn)斗任務(wù)更加艱巨，士兵需要額外使用無(wú)人機(jī)、熱像儀等大功耗裝備，從而增加了電能缺口，根據(jù)美軍作戰(zhàn)能力發(fā)展司令部士兵中心測(cè)算，執(zhí)行72 h 持續(xù)作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)，步兵基本耗電量為586 Wh，班組長(zhǎng)由于需要攜帶背負(fù)式電臺(tái)、全球定位系統(tǒng)等裝備，綜合能耗增至1 346 Wh，如果攜帶核生化探測(cè)儀、地雷探測(cè)儀、路邊炸彈干擾儀等裝備，還要增加8～3 951 Wh[16]。

2.2 電池能量密度提升困難

便于攜帶、全天候工作的化學(xué)電池仍將是士兵系統(tǒng)的主要電源，衡量電池性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一就是質(zhì)量比能量。過(guò)去數(shù)十年中，電池比能量一直在穩(wěn)步提升，從30 Wh/kg 發(fā)展到300 Wh/kg[3]，鋰氟化碳等新型一次鋰電池已超過(guò)400 Wh/kg。然而，當(dāng)前電池行業(yè)還未迎來(lái)顛覆性的技術(shù)突破，提升比能量已經(jīng)越來(lái)越困難。美軍規(guī)劃未來(lái)士兵系統(tǒng)儲(chǔ)能電池比能量應(yīng)達(dá)到600～800 Wh/kg[17]，當(dāng)前廣泛應(yīng)用的鋰離子電池還難以達(dá)到，需要新的電池體系破解上述難題。鋰硫電池理論比能量為2 600 Wh/kg，既能制成二次電池也能作為一次電池使用，因其較低的成本、極高的比能量和環(huán)境友好性，成為未來(lái)高比能電池首選之一。國(guó)內(nèi)已有比能量達(dá)到609 Wh/kg 的鋰硫二次電池相關(guān)報(bào)道，未來(lái)研發(fā)的鋰硫一次電池比能量可能達(dá)到1 200 Wh/kg 以上[18]。但是鋰硫電池存在的循環(huán)壽命低、自放電率高等系列問(wèn)題尚未得到突破，短期內(nèi)還無(wú)法取代技術(shù)成熟的鋰離子電池。

2.3 自發(fā)電技術(shù)不能滿足未來(lái)作戰(zhàn)需求

光伏發(fā)電技術(shù)能在實(shí)戰(zhàn)中得到應(yīng)用與作戰(zhàn)樣式緊密相關(guān)，過(guò)去十余年全球反恐戰(zhàn)爭(zhēng)中，美英等聯(lián)軍部隊(duì)在空中和地面形成了壓倒性優(yōu)勢(shì)，即使是執(zhí)行艱巨的徒步作戰(zhàn)任務(wù)，士兵也能夠利用太陽(yáng)電池板等待2～3 h 為電池包充電[10,19]。未來(lái)信息化戰(zhàn)場(chǎng)將是強(qiáng)敵之間的激烈對(duì)抗，士兵們連續(xù)數(shù)小時(shí)在陽(yáng)光下充電待命，很容易被各類(lèi)先進(jìn)偵察手段發(fā)現(xiàn)，遭到遠(yuǎn)程火力的精確殺傷。太陽(yáng)電池“靠天吃飯”的特點(diǎn)也不滿足全天候作戰(zhàn)需求。近年來(lái)，研究人員尋找不依賴(lài)自然條件的發(fā)電技術(shù)，利用人體自身能量轉(zhuǎn)換為電能的技術(shù)是當(dāng)前研究熱點(diǎn)。加拿大Bionic Power 公司在2018 年法國(guó)防務(wù)展上展出了一款Power Walk 的能量收集系統(tǒng)，系統(tǒng)約2.2 kg，由穿戴在士兵雙腿上的外骨骼發(fā)電，然而其對(duì)人體活動(dòng)的干涉情況和戰(zhàn)場(chǎng)適應(yīng)性還有待檢驗(yàn)。利用人體溫差發(fā)電、摩擦發(fā)電、乳酸糖酵解發(fā)電等不干涉人體活動(dòng)的發(fā)電技術(shù)只能產(chǎn)生毫瓦甚至微瓦級(jí)電能[6]，實(shí)戰(zhàn)可靠性不高。

2.4 混合式供電架構(gòu)存在一定缺陷

混合式供電雖然是當(dāng)前士兵系統(tǒng)的主流供電模式，但這種系統(tǒng)架構(gòu)仍有一些問(wèn)題：一是外露的線纜容易發(fā)生鉤掛，影響戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作，軀干部位的線纜雖然可以與作戰(zhàn)服進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，但是與頭盔、下肢部位的連接仍然無(wú)法擺脫線纜束縛，作戰(zhàn)過(guò)程中士兵進(jìn)行奔跑、匍匐、翻滾等動(dòng)作時(shí)，線纜和接口反復(fù)受到彎折、拉扯，也會(huì)導(dǎo)致線纜損壞、插頭松脫或接觸不良；二是電池包體積較大，不便放置，無(wú)論電池包放置在腹部、肋部還是背部都會(huì)造成明顯不適感，化學(xué)電池在放電時(shí)會(huì)釋放大量熱量，如無(wú)法及時(shí)散熱，還可能灼傷皮膚；三是系統(tǒng)可靠性受到影響，以美國(guó)“奈特勇士”系統(tǒng)為例，如圖2 所示[12]，集線器作為系統(tǒng)電能和數(shù)據(jù)的交換中心一旦受損出現(xiàn)故障會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)斷電失效，而且集線器接口數(shù)量有限，限制了系統(tǒng)的擴(kuò)展能力。

圖2 美國(guó)“奈特勇士”供電系統(tǒng)示意圖

3 士兵系統(tǒng)電源保障技術(shù)發(fā)展方向

為了滿足未來(lái)作戰(zhàn)需求，士兵系統(tǒng)電源保障技術(shù)可在以下幾個(gè)方面重點(diǎn)改進(jìn)，促進(jìn)持續(xù)作戰(zhàn)能力提升。

3.1 發(fā)展燃料電池技術(shù)滿足高能耗需求

化學(xué)電池主要用于士兵自身攜行裝備供電，解決無(wú)人機(jī)、智能計(jì)算單元等大功耗裝備電源保障問(wèn)題，需要依靠比能量更高的供電裝置。燃料電池具有運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、比能量高、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn)，具有較好應(yīng)用前景，部分燃料電池燃料的理論質(zhì)量比能量(采用燃值換算)以及金屬空氣電池的理論質(zhì)量比能量如表4～5 所示[3]。

表4 部分燃料電池采用燃料的比能量理論值 Wh/kg

表5 部分金屬空氣電池比能量理論值 Wh/kg

目前比較成熟的燃料電池有直接甲醇燃料電池、重整甲醇燃料電池、氫燃料電池等，從應(yīng)用角度考慮，只有解決燃料持續(xù)供應(yīng)問(wèn)題才具有軍事價(jià)值。甲醇、氫氣都不是標(biāo)準(zhǔn)燃料，還存在毒性和不易儲(chǔ)運(yùn)等問(wèn)題，相比之下，固體氧化物燃料電池適用于汽油、柴油、丙烷、丁烷等液體燃料，其中汽、柴油類(lèi)屬于標(biāo)準(zhǔn)后勤燃料，丁烷氣罐可以在超市采購(gòu)，其燃料廣譜適應(yīng)性更適合復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境。Ultra-USSI 公司已推出采用丙烷為燃料的D245XR 型固體氧化物燃料電池，輸出功率和電壓分別為245 W 和28 V，質(zhì)量只有2.6 kg，可滿足無(wú)人機(jī)和無(wú)人車(chē)的使用需求[20]。金屬空氣電池[3,21-22]作為一種半燃料電池，陽(yáng)極材料作為消耗品可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)快速更換實(shí)現(xiàn)“充電”，也是滿足士兵系統(tǒng)持續(xù)供電需求的研究方向之一。

3.2 運(yùn)用新能源發(fā)電技術(shù)延長(zhǎng)供電時(shí)間

在士兵無(wú)法及時(shí)獲取電能補(bǔ)給的情況下，自發(fā)電技術(shù)作為應(yīng)急供電手段仍有現(xiàn)實(shí)意義。以增加人體疲勞、影響戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作、降低可靠性能為代價(jià)的自發(fā)電技術(shù)，其作戰(zhàn)運(yùn)用都有較大局限性，未來(lái)應(yīng)重點(diǎn)發(fā)展不依賴(lài)人體自身的新能源發(fā)電技術(shù)。光伏電池正在向更輕薄、更柔軟、光電轉(zhuǎn)化效率更高的方向發(fā)展，可折疊、彎曲的太陽(yáng)電池板更加便于攜行，還能制成各種可穿戴發(fā)電裝備。美軍作戰(zhàn)能力發(fā)展司令部士兵中心研發(fā)了太陽(yáng)能發(fā)電背包及發(fā)電頭盔，士兵在晝間行軍、作戰(zhàn)過(guò)程中可以隨時(shí)補(bǔ)充電能[23]。智能發(fā)電織物技術(shù)一旦取得突破，能夠真正與作戰(zhàn)服融為一體，能夠不破壞偽裝防護(hù)、防寒保暖、攜行承載等，具有廣闊的發(fā)展前景。3H、63Ni、238Pu 等同位素電池利用放射性同位素衰變產(chǎn)生的粒子及能量進(jìn)行發(fā)電，具有超長(zhǎng)壽命、極高容量、主動(dòng)工作、安全可靠等突出優(yōu)點(diǎn)，幾乎不受環(huán)境、壓力、溫度等因素影響。盡管輸出功率相對(duì)受限，但該電池能夠數(shù)年穩(wěn)定供電，從而極大延長(zhǎng)士兵系統(tǒng)持續(xù)作戰(zhàn)時(shí)間[6,24]。

3.3 采取無(wú)線供電技術(shù)改變供電模式

無(wú)線供電技術(shù)近年來(lái)得到快速發(fā)展，盡管目前尚不夠成熟，傳輸效率也無(wú)法與輸電線纜相比，但無(wú)線技術(shù)將會(huì)徹底改變士兵系統(tǒng)電源保障模式，未來(lái)將具有重要發(fā)展?jié)摿25]。無(wú)線供電應(yīng)用于士兵裝備的主要優(yōu)勢(shì)有：一是取消輸電線纜不再發(fā)生鉤掛現(xiàn)象，極大改善士兵系統(tǒng)人機(jī)工效性，特別是頭盔與軀干部分的線纜，通常會(huì)限制士兵頭部活動(dòng)范圍，造成強(qiáng)烈不適感，美軍納蒂克士兵中心于2012 年研發(fā)了一款無(wú)線供電頭盔樣機(jī)[26]，傳輸效率為50%，為滿足未來(lái)盔載裝備供電需求指明了方向；二是無(wú)線供電技術(shù)不再需要容易損壞的物理電氣接口，解決了不同裝備和電池接口不統(tǒng)一、不匹配的問(wèn)題，同時(shí)提高了系統(tǒng)可靠性，2018 年新加坡推出的Ariele士兵系統(tǒng)已率先在攜行背心上集成無(wú)線充電器，傳輸效率達(dá)到75%[11]，信息終端插入攜行附包即可充電，不再需要充電線纜和接口；三是利用智能電子織物在作戰(zhàn)服上構(gòu)建電能傳輸網(wǎng)絡(luò)，仍以電池包作為主電源供電，將電能輸送到作戰(zhàn)服上的多個(gè)供電端口，信息化裝備靠近供電端口即可實(shí)現(xiàn)接入供電，提高系統(tǒng)擴(kuò)展性能；四是不再需要集線器作為電池包與用電設(shè)備之間唯一的轉(zhuǎn)換樞紐，系統(tǒng)的冗余性得以改善，即使部分供電端口故障也不會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)斷電失效。

4 結(jié)論

短期看，士兵系統(tǒng)電源保障領(lǐng)域不會(huì)產(chǎn)生革命性技術(shù)進(jìn)步，電能短缺問(wèn)題仍將長(zhǎng)期存在。士兵系統(tǒng)對(duì)電能的需求必然會(huì)牽引相關(guān)保障技術(shù)的快速發(fā)展。未來(lái)應(yīng)緊貼士兵系統(tǒng)實(shí)戰(zhàn)需求開(kāi)展研發(fā)工作，不僅從技術(shù)創(chuàng)新自身出發(fā)，還要綜合考慮人機(jī)工效、使用環(huán)境、后勤保障、可靠性等因素，從而更好地滿足戰(zhàn)場(chǎng)持續(xù)供電需求。