單兵班組供電保障裝備建設(shè)發(fā)展研究

于廣洲，單文龍，魯文濤，賈曉磊，潘云劍

(1.中國人民解放軍63936 部隊(duì)，北京 102202；2.中國人民解放軍32178 部隊(duì)，北京 100012)

伴隨著信息化、無人化、智能化裝備大幅提升單兵班組作戰(zhàn)效能，供電保障能力逐漸成為制約單兵班組作戰(zhàn)能力生成的瓶頸。單兵班組供電保障裝備涉及到化學(xué)電池等儲(chǔ)能技術(shù)，燃料電池、便攜式油機(jī)、太陽電池等發(fā)電技術(shù)，以及配電管理技術(shù)等；近年來，國內(nèi)外持開展此方向技術(shù)軍事應(yīng)用研究。本文以當(dāng)前及未來一段時(shí)間內(nèi)單兵班組的用電需求為起點(diǎn)，通過構(gòu)建單兵班組供電保障裝備技術(shù)體系，結(jié)合新技術(shù)應(yīng)用等開展研究，提出了建設(shè)方案，并對下一步研究進(jìn)行了展望。

1 軍事需求

當(dāng)前，供電保障裝備已成為單兵班組信息化條件下作戰(zhàn)的基本保障。單兵班組供電保障裝備大量配發(fā)部隊(duì)，已成為戰(zhàn)術(shù)末端供電保障的重要組成部分。一直以來，國內(nèi)外都將供電保障作為單兵班組發(fā)展的重要方向。

近年來，士兵系統(tǒng)等快速發(fā)展不斷推動(dòng)單兵班組供電保障裝備建設(shè)。美、俄等世界軍事強(qiáng)國緊密部署未來士兵系統(tǒng)規(guī)劃，特別是發(fā)展便攜式無人系統(tǒng)成為強(qiáng)國提升士兵系統(tǒng)作戰(zhàn)能力共識(shí)。此外，美軍“班組X”持續(xù)推動(dòng)機(jī)器人、自主系統(tǒng)、人工智能在班組中融合應(yīng)用[1]?？梢灶A(yù)見，隨著無人系統(tǒng)引入班組，有人無人協(xié)同作戰(zhàn)將成為戰(zhàn)術(shù)末端重要作戰(zhàn)樣式，戰(zhàn)術(shù)末端作戰(zhàn)力量結(jié)構(gòu)將發(fā)生深刻變革。鑒于上述發(fā)展趨勢，單兵班組用電需求大幅增加。結(jié)合班組作戰(zhàn)樣式及作戰(zhàn)力量結(jié)構(gòu)的變革，當(dāng)前及未來一段時(shí)間內(nèi)單兵班組供電保障需求包括高效攜電、戰(zhàn)場發(fā)電、安全供電、靈活配電、裝備其他共性要求等。

1.1 高效攜電

單兵班組應(yīng)高效攜帶即取即用的電能，至少滿足72 h 戰(zhàn)斗任務(wù)需要。單兵攜行能力有限，戰(zhàn)斗負(fù)荷為其體重的30%，攜行方式主要為穿戴攜行；班組可依托伴隨式有人、無人平臺(tái)(主要依托地面平臺(tái))攜運(yùn)備用電能。鑒于此，在單兵層面，需要充分利用士兵的有限攜行能力，在不增加戰(zhàn)斗負(fù)荷的基礎(chǔ)上提升攜帶的即取即用電能；在班組層面，應(yīng)結(jié)合伴隨式有人、無人平臺(tái)(主要依托地面平臺(tái))攜帶即取即用電能，通過更換單兵系統(tǒng)電池、班組裝備配套電池等方式，實(shí)現(xiàn)能源伴隨式快速續(xù)航補(bǔ)給。

1.2 戰(zhàn)場發(fā)電

士兵除攜帶即取即用電能外，還需要采用燃料、太陽能等多種形式的能源在戰(zhàn)場發(fā)電。為隱蔽作戰(zhàn)意圖，發(fā)電時(shí)應(yīng)盡量減少光學(xué)、紅外、聲學(xué)特征等。鑒于此，在單兵層面，應(yīng)實(shí)現(xiàn)單兵攜行狀態(tài)下低特征發(fā)電；在班組層面，依托部分伴隨式有人、無人平臺(tái)(主要依托地面平臺(tái))搭載較大功率等級(jí)的低特征發(fā)電裝備，對班組用電裝備續(xù)航供電，必要時(shí)為臨時(shí)指揮節(jié)點(diǎn)等大功率用電節(jié)點(diǎn)或裝備提供供電保障。此外，為隱蔽作戰(zhàn)意圖，伴隨式有人、無人平臺(tái)應(yīng)具備電驅(qū)動(dòng)機(jī)動(dòng)能力。

1.3 安全供電

鑒于士兵往往通過穿戴等方式攜帶電能源，應(yīng)避免執(zhí)行戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作(沖擊等)影響下電能源燃爆風(fēng)險(xiǎn)，以及電能源在槍擊、破片擊穿下發(fā)生燃爆造成的二次傷害。應(yīng)通過安全性設(shè)計(jì)，盡量減少易燃、易爆、有毒或強(qiáng)腐蝕性燃料或副產(chǎn)物等帶來的安全隱患。

1.4 靈活配電

鑒于單兵班組裝備多，用電裝備電壓等級(jí)、功率需求不同，單兵班組供電保障裝備應(yīng)具備自動(dòng)適配能力，使單兵班組能夠相互取用電，以及從上級(jí)靈活取電；充電方式應(yīng)滿足行軍和作戰(zhàn)快速轉(zhuǎn)換要求。

1.5 裝備其他共性要求

單兵班組供電保障裝備應(yīng)具備裝備的共有屬性。極端環(huán)境下供電是軍用電能源作為裝備的固有特性，是區(qū)別于民用電池的顯著特征；此外，應(yīng)具備乘車機(jī)動(dòng)、徒步機(jī)動(dòng)等環(huán)境下可靠工作的能力，以及支持依托車輛、船(艇)、直升機(jī)、運(yùn)輸機(jī)等各類平臺(tái)實(shí)現(xiàn)投送補(bǔ)給。

2 技術(shù)體制

單兵班組供電保障裝備技術(shù)主要分為儲(chǔ)能技術(shù)、發(fā)電技術(shù)和配電管理技術(shù)。單兵班組主要依托儲(chǔ)能技術(shù)實(shí)現(xiàn)高效攜帶即取即用的電能，采用發(fā)電技術(shù)在戰(zhàn)場上發(fā)電以滿足長時(shí)間任務(wù)需要，采用配電管理技術(shù)實(shí)現(xiàn)靈活配電。對照美軍現(xiàn)役和在研單兵班組供電保障裝備，其技術(shù)體系如圖1 所示。

圖1 單兵班組供電保障裝備技術(shù)體系

3 應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析

對照圖1 所示技術(shù)體系，按照儲(chǔ)能技術(shù)、發(fā)電技術(shù)、配電管理技術(shù)等，梳理美軍單兵班組供電保障裝備應(yīng)用現(xiàn)狀，并分析未來發(fā)展趨勢。

3.1 儲(chǔ)能技術(shù)

美軍長期以來使用一次和二次化學(xué)電池作為單兵班組儲(chǔ)能手段。鋰一次電池主要有BA-5590 鋰二氧化硫電池、BA-5390鋰二氧化錳電池、半尺寸BA-5590 鋰氟化碳電池等；其中半尺寸BA-5590 鋰氟化碳電池比能量最高，約為360 Wh/kg。鋰二次電池主要有CWB150 共形可穿戴鋰離子電池、BB-2590 鋰離子電池、Li-145 鋰離子電池等，比能量約為125～186 Wh/kg。基于CWB150 共形可穿戴鋰離子電池，2019 年美軍制備硅負(fù)極鋰離子電池樣機(jī)(減重29%)；2020 年，該電池用于為集成視覺增強(qiáng)系統(tǒng)(Integrated Visual Augmentation System)供電。此外，美軍還設(shè)計(jì)新型電解質(zhì)實(shí)現(xiàn)電池安全、防彈性能提升。圖2 所示為美軍可穿戴儲(chǔ)能電池。

圖2 美軍可穿戴儲(chǔ)能電池

美軍單兵儲(chǔ)能電池發(fā)展呈現(xiàn)以下特征：(1)集中式+分布式組合儲(chǔ)能。集中式儲(chǔ)能即依托共形可穿戴電池為士兵系統(tǒng)集中供電；分布式儲(chǔ)能即士兵系統(tǒng)用電裝備(如電臺(tái)、夜視儀、終端等)配套電池，可支持裝備短時(shí)間內(nèi)獨(dú)立工作。(2)重視利用單兵攜行能力。在確保安全的前提下，不斷采用各種新材料和新工藝制備高能量密度的電池，高效利用士兵攜行質(zhì)量。采用共形結(jié)構(gòu)貼合人體，減少對單兵執(zhí)行戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作的影響；提升電池對士兵系統(tǒng)的附加能力(如將電池設(shè)計(jì)具備防手槍彈的功能)，高效利用士兵攜行體積。(3)一次和二次電池并重。一次電池?cái)y電能力高，但不具備充電能力，且美軍在實(shí)戰(zhàn)中暴露出一次電池浪費(fèi)嚴(yán)重等問題；二次電池?cái)y電能力較一次電池低，但可使用戰(zhàn)場車輛直流電源、燃料電池、太陽電池、士兵動(dòng)能等進(jìn)行能源補(bǔ)給。兩者按照作戰(zhàn)用電需求靈活配置。此外，鑒于單兵儲(chǔ)能電池可與伴隨作戰(zhàn)的微小型無人系統(tǒng)電池共用的需求，具有標(biāo)準(zhǔn)接口的、可組合使用的模塊化電池是未來發(fā)展趨勢。

3.2 發(fā)電技術(shù)

當(dāng)前美軍主要采用燃料電池、太陽電池等實(shí)現(xiàn)單兵班組戰(zhàn)場發(fā)電，不斷提高動(dòng)能發(fā)電對士兵長時(shí)間任務(wù)的能源補(bǔ)給能力。

3.2.1 燃料電池

百瓦級(jí)以下燃料電池方面，美軍自2004 年至今主要發(fā)展了XX25、XX55 等甲醇重整燃料電池，采購了德國JENNY 600S、JENNY 1200 直接甲醇燃料電池。如圖3 所示，JENNY 1200 直接甲醇燃料電池額定功率為50 W，在100 h 工作條件下可發(fā)電5 kWh，系統(tǒng)質(zhì)量僅7.7 kg；而滿足相同容量儲(chǔ)能要求，卻需要30.8 kg 的BB-2590 鋰離子電池。此外，2017 年美國加州大學(xué)圣地亞哥分校開發(fā)了一款柔性生物燃料電池(圖4)，通過氧化人類汗液中的乳酸產(chǎn)生電流，可驅(qū)動(dòng)小型電子設(shè)備運(yùn)行；但其存在電極退化、汗液乳酸濃度稀釋影響發(fā)電等問題，目前尚不具備實(shí)用條件。

圖3 JENNY 1200直接甲醇燃料電池

圖4 美國加州大學(xué)柔性生物燃料電池

百瓦級(jí)燃料電池方面，美軍不斷攻關(guān)便攜式百瓦級(jí)燃料電池用于為無人平臺(tái)、先進(jìn)ISR 系統(tǒng)供電，以及為單兵電池充電等，逐漸具備遠(yuǎn)征作戰(zhàn)隱蔽供電保障能力。目前已經(jīng)研制出D350 便攜式陶瓷燃料電池(圖5)，質(zhì)量5.1 kg，功率350 W，可使用多種燃料，5.8 kg 丙烷可產(chǎn)生13 kWh 電能，噪聲60 dB(A)，工作溫度-20～55 ℃，工作時(shí)長600 h。

圖5 美軍便攜式燃料電池D350

在千瓦級(jí)燃料電池方面，美國通用汽車公司開發(fā)了Hydrotec 燃料電池用于SURUS 4×4 多用途機(jī)動(dòng)平臺(tái)(圖6)和雪佛蘭品牌的ZH2 皮卡，并于2018 年向美國陸軍坦克機(jī)動(dòng)車輛司令部推薦了上述兩型車輛[2]。

圖6 SURUS 4×4多用途機(jī)動(dòng)平臺(tái)

燃料電池已形成單兵-班組-連排供電保障鏈路，作為可替代能源，可有效緩解美軍對傳統(tǒng)能源的依賴。美軍單兵班組燃料電池發(fā)展呈現(xiàn)以下特征：(1)隱蔽高效供電是燃料電池軍事應(yīng)用的重要方向。針對目前仍以內(nèi)燃機(jī)為主要?jiǎng)恿Φ那闆r，燃料電池成熟應(yīng)用一方面可大幅提高燃料的利用效率，使燃料利用率突破卡諾循環(huán)限制；另一方面，可大幅降低噪聲、紅外特征和黑煙光學(xué)特征，隱蔽作戰(zhàn)意圖，并提高用電單元戰(zhàn)場生存性。(2)多元化燃料供應(yīng)是發(fā)展方向。美國陸軍當(dāng)前發(fā)電主要依賴柴油以及JP-8 通用航空煤油等傳統(tǒng)油料，燃料電池的發(fā)展使美軍初步形成了甲醇供電的保障鏈條；此外，不斷發(fā)展可兼容軍用JP-8 燃料以及民用丙烷、天然氣等燃料的電池技術(shù)，使得戰(zhàn)場能源保障更加靈活方便。

3.2.2 太陽電池

美軍已使用的太陽電池(圖7)主要有62 W REPPS 增強(qiáng)型背包便攜式電源系統(tǒng)、90 W 可折疊非晶硅太陽電池、200 W非晶硅太陽能帳篷等，其中90 W 可折疊非晶硅太陽電池的質(zhì)量為2.27 kg。雖然太陽電池具備可再生發(fā)電能力，有助于減少后勤補(bǔ)給負(fù)擔(dān)，但其光學(xué)和紅外特征明顯，容易被無人機(jī)等偵察裝備探測進(jìn)而暴露作戰(zhàn)意圖，使用環(huán)境嚴(yán)重受限。其發(fā)展趨勢為：(1)進(jìn)一步提升光伏組件的發(fā)電效率、弱光發(fā)電能力；(2)面向單兵班組一體化設(shè)計(jì)，在結(jié)構(gòu)上具備柔性特征，圖案上與士兵系統(tǒng)保持一致；(3)降低太陽能光伏組件的價(jià)格，使其具備大量配發(fā)的基礎(chǔ)，根據(jù)需要規(guī)模形成可再生能源保障。

圖7 美軍太陽電池(組)

3.3 穿戴式動(dòng)能發(fā)電裝置

士兵運(yùn)動(dòng)本身就是一種能源。在72 h 的任務(wù)中，大量攜帶電池會(huì)影響士兵行軍速度，最終影響任務(wù)效率。鑒于此，加拿大仿生動(dòng)力公司開發(fā)了Power Walk 可穿戴動(dòng)能發(fā)電系統(tǒng)(圖8)，可在士兵行軍過程中將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，為士兵攜帶的電池充電，減少了攜行電池的質(zhì)量，降低了士兵后勤補(bǔ)給的挑戰(zhàn)。該系統(tǒng)質(zhì)量為1.1 kg，在士兵正常行軍條件下發(fā)電功率為10～12 W，負(fù)重下山時(shí)發(fā)電功率達(dá)20 W。下一步系統(tǒng)的目標(biāo)是質(zhì)量不超過0.9 kg。美國陸軍和海軍陸戰(zhàn)隊(duì)計(jì)劃測試該系統(tǒng)的效費(fèi)情況。其發(fā)展趨勢為：引進(jìn)新材料，在不降低發(fā)電效率的基礎(chǔ)上降低質(zhì)量；與士兵系統(tǒng)集成，降低攜行承載負(fù)荷對腿部的壓力；與外骨骼集成設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)能量獲取以及驅(qū)動(dòng)外骨骼對外做功。

圖8 可穿戴動(dòng)能發(fā)電系統(tǒng)

3.4 配電管理技術(shù)

目前班組以下主要區(qū)分單兵、班組兩層實(shí)現(xiàn)配電管理，分別通過士兵系統(tǒng)、班組電源管理器實(shí)現(xiàn)電能源管理。美軍在用的班組電源管理器為SPM-622(圖9)，能夠從化學(xué)電池、太陽電池、車輛電源、交直流適配器等獲取電能，用于單兵班組裝備直接供電和配套二次電池充電。質(zhì)量為454 g，支持BB-2590，BB-2557、車輛電源、太陽電池、單兵共形電池等軍用電源以及AA、AAA、民用車輛電源等商用電源，具備6 個(gè)端口，可同時(shí)給5 塊電池充電，輸入輸出電壓范圍3～34 V。

圖9 美軍SPM-622班組電源管理器

美國陸軍未來司令部（United States Army Futures Command）正在研發(fā)可集成到戰(zhàn)術(shù)背心中的柔性電源線，旨在提高下車士兵在戰(zhàn)場上的機(jī)動(dòng)能力，該新型柔性電纜質(zhì)量比傳統(tǒng)電纜減輕50%[3]。無線充電方面，2012年美軍納蒂克士兵研究開發(fā)與工程中心就開展了頭盔與戰(zhàn)術(shù)背心之間的無線能量傳輸系統(tǒng)研發(fā)，傳輸效率約50%；美陸軍坦克車輛研發(fā)和工程中心開展了50英尺以上距離無線輸能效率提高的研究[4]。

綜合來看，未來發(fā)展趨勢是：(1)綜合利用有線和無線方式實(shí)現(xiàn)供電。有線供電將分布式供電和集中式供電組合起來構(gòu)建士兵體域-班組-連排供配電網(wǎng)絡(luò)，體域供電網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量充分降低，并進(jìn)一步降低對士兵戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作的羈絆；無線供電網(wǎng)絡(luò)用于實(shí)現(xiàn)士兵乘車快速充電以及對微小型無人作戰(zhàn)群機(jī)動(dòng)中續(xù)航充電。(2)可實(shí)時(shí)掌握各模塊電量等參數(shù)，便于按需供配電。

4 有人無人協(xié)同班組供電保障設(shè)計(jì)方案

對標(biāo)有人無人協(xié)同作戰(zhàn)條件下單兵班組供電保障需求、裝備現(xiàn)狀以及技術(shù)發(fā)展趨勢，我們按照單裝級(jí)-單兵級(jí)-班組級(jí)分層設(shè)計(jì)了有人無人協(xié)同班組供電保障建設(shè)的簡要方案。

4.1 單裝級(jí)

主要用于便攜式信息化裝備獨(dú)立供電，分為有人便攜式用電裝備配套電池、伴隨式無人系統(tǒng)配套電池兩類。(1)有人便攜式用電裝備配套電池，主要采用化學(xué)電池技術(shù)，通過嵌入式或卡接方式為裝備供電。(2)伴隨式無人系統(tǒng)配套電池，區(qū)分功率等級(jí)、使用方式，采用化學(xué)電池或燃料電池技術(shù)，通過嵌入式或卡接方式為裝備供電。伴隨式無人系統(tǒng)具備有線、無線供電接口，支持有線和無線近距離充電；伴隨式無人系統(tǒng)供電保障余量信息可自動(dòng)采集上報(bào)，支撐補(bǔ)給保障需求形成及方案制定。

4.2 單兵級(jí)

主要包括士兵系統(tǒng)電源及配電網(wǎng)絡(luò)。單兵依托士兵系統(tǒng)電源供電，電源采用化學(xué)電池、燃料電池(按需)，在化學(xué)電池上加裝無線充電模塊，支持乘車機(jī)動(dòng)時(shí)依托車輛座椅等進(jìn)行短距離無線充電；依托士兵體域網(wǎng)絡(luò)對士兵系統(tǒng)各用電模塊進(jìn)行充電或直接供電，體域供電網(wǎng)絡(luò)采用柔性電源線纜與作戰(zhàn)背心一體化集成設(shè)計(jì)，減輕士兵系統(tǒng)質(zhì)量。

4.3 班組級(jí)

主要用于伴隨式快速續(xù)航補(bǔ)給，對班組用電裝備續(xù)航供電，必要時(shí)為臨時(shí)指揮節(jié)點(diǎn)等大功率用電節(jié)點(diǎn)或裝備提供供電保障，分為主電源、備用電源、配電管理裝備等。(1)主電源。班組采用高比功率燃料電池技術(shù)發(fā)電，支持班組內(nèi)士兵系統(tǒng)快速高效充電，為班組其他用電裝備(如無人機(jī)、雷達(dá)、電臺(tái)等裝備)充電或直接供電，以及滿足其他大功率用電的時(shí)機(jī)需求。采用伴隨有人或無人車輛攜運(yùn)，同時(shí)支持1～2 人攜行機(jī)動(dòng)，機(jī)動(dòng)速度和作戰(zhàn)節(jié)奏滿足班組要求。(2)備用電源。通過有人或無人車輛攜運(yùn)單裝、單兵級(jí)的備用電池，備用電池支持在臨時(shí)集結(jié)地以及車輛機(jī)動(dòng)時(shí)充電。(3)配電管理裝備。通過小型化微電網(wǎng)技術(shù)，將主電源、備用電源靈活組合使用，構(gòu)建更寬功率范圍的供電系統(tǒng)，以及滿足即插即用、高效對上銜接的供電保障體系。

5 總結(jié)與展望

綜合當(dāng)前及未來軍事需求、前沿技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用情況，單兵班組供電保障裝備發(fā)展方向主要有：(1)儲(chǔ)能技術(shù)方面，應(yīng)在確保安全性的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升比能量，在不增加士兵生理負(fù)擔(dān)的基礎(chǔ)上提升單兵班組攜電能力；此外，可充電電池應(yīng)注重提升倍率充電性能，提升單兵班組電能快速補(bǔ)給能力；(2)發(fā)電技術(shù)方面，應(yīng)能支持多種能源發(fā)電方式，在保持低特征發(fā)電的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升比功率，提升電能持久保障能力和戰(zhàn)場生存能力；(3)在配電管理技術(shù)方面，應(yīng)探索柔性導(dǎo)電纖維等技術(shù)，充分降低士兵可穿戴配電網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量，發(fā)展小型化微電網(wǎng)技術(shù)，在班組級(jí)乃至更高級(jí)別實(shí)現(xiàn)電能管理；采用無線充電技術(shù)滿足士兵、有人車輛、無人系統(tǒng)間近距離充電，提升單兵班組電能敏捷保障能力。

未來新的作戰(zhàn)模式將對單兵班組供電保障提出新的需求，以化學(xué)電池、燃料電池、微電網(wǎng)、無線充電等為代表的新能源技術(shù)的蓬勃發(fā)展為單兵班組供電保障提供了有力的技術(shù)支撐。后續(xù)我們將根據(jù)未來作戰(zhàn)場景，細(xì)化單兵班組供電保障需求及方案論證，不斷深化該領(lǐng)域裝備建設(shè)研究。