论文部分内容阅读
能源技术作为士兵系统的关键技术之一,是士兵系统发展突破的一个瓶颈,各国都在努力寻求高效、轻量化的能源,为各种通信和夜视器材提供能源保障。随着高效能源技术的发展,步兵装备正向整合的方向前进,士兵系统的前景逐渐明朗。
正像美国“陆地勇士系统(LW)”和英国“未来士兵技术(FIST)”所描绘的那样,未来步兵的个人作战能力将得到大幅度提高,但是我们也会发现,士兵在获得各种“神通”的同时,也要为此付出代价——他们不得不携带繁重的能源装备为各种传感器、通信系统、导航定位系统、显示系统等功能模块提供能量来源。虽然各国军方投入了大量人力物力开发新型能源产品,但当前军用能源技术仍大部分依赖成熟的民用技术。
一次性锂电池
早先的锂电池被刺穿时易发生爆炸,锂燃烧时产生浓烟,容易造成环境污染和人员伤害。但锂电池成本较低、易于生产,长期储存后仍能够保持良好的性能。研究人员在锂电池基础上开发出一些混合类电池,比如锂锰(Li-MnO2)电池。不同于传统的锂电,锂锰电池由固态的锂金属阳极、二氧化锰阴极以及电解液组成。阳极和阴极之间有一个可熔性安全隔离区,当电池过热时,阳极和阴极之间会自动切断,以防止出现电解液外漏的现象。
美国的Ultralife公司是第一家参与到军用锂电池行业中的私人企业,该公司的锂锰系列电池现在的应用范围也已经从最初的电台、夜视镜扩展到遥感勘测系统、化学试剂的监控设备上。采用锂锰技术的BA-5390/U电池,其容电量超过了同等价格的锂硫(Li-SO2)电池,而供电量和供电时间则超过BA-550/U锂硫电池50%~60%。为了满足电池的实际工作温度,BA-5390/U电池设计了密封的塑料外壳,可以保证电池在-30℃~72℃范围内正常工作。虽然BA-5390/U电池质量偏大,但因其所具有的优点,美军SINC-GARS背负式PRC-119电台仍广泛采用。
充电锂电池
与一次性电池相比,充电电池显然可以为军方节约大量的经费,这一点在训练使用时尤为突出。可充电的镍-氢电池、镍-镉电池以其低成本的优势被广泛应用在军事领域。近期,锂离子电池技术在降低电池重量和提高电池能源密度等方面取得了巨大进步,体现了很好的发展势头。
英国ABSL公司现走在军民两用锂离子电池发展的最前沿。该公司提供的可充电电池组件在英国陆军“弓箭手”(Bowman)通信系统中起到了至关重要的作用。“弓箭手”系统的电池组件包括高频(HF)电台BB2590电池及超高频(VHF)电台电池。这些可充电的电池为“弓箭手”系统的电台提供了可靠的能源保障。
ABSL公司通过通用动力公司,将“弓箭手”系统的电池技术提供给荷兰,双方在2005年签订了一份价值140万英镑、为期两年的合约,为荷兰海军的新舰载综合通信情报系统提供电池、电池充电器以及相关辅助设备。
ABSL公司还负责英国“未来士兵技术”的能源管理项目。该公司设计了一套由两个可交替使用的锂离子电池组,可整体装入SA80步枪的枪弹袋中,具有热插拔能力,作为“FIST V2”系统的一部分已经通过了试验检测。
法国Saft公司也是一家实力不俗的电池厂商,他们以MP系列锂离子电池为基础,设计出的新型锂电池外形为扁平柱状,从而使各电池单元紧凑地结合在一起,一组棱柱形电池的能量储存可超出一组同体积圆筒形电池的20%。其由石墨做阴极,钴氧化物做阳极的设计方式可以保证充满电的电池在存储一个月后仍保留95%的电量。2006年1月,Saft公司赢得为法国FELIN士兵系统研制可充电锂电池的合同,要求在极端的温度和湿度条件下确保安全和可靠操作,要绝对坚固耐用,还必须能够经受住核生化(NBC)的检验,具有电磁兼容性,并使用Sagem公司的充电器充电。 FELIN计划的32000套综合士兵系统涉及Sagem公司提供的包括传输语音和数据的电子电台、GPS定位导航系统等产品,在需要强大能源支撑的情况下,要求电池有足够的能量支持。
经过技术攻关,2006年11月中旬, Saft公司推出了MP176065电池。该电池将电极装载和电解液合成物进行了最佳化组合,且采用铝壳代替不锈钢的外壳,其容电量增加到7.0Ah,使用次数增加了20%,可重复充电使用600次(增长了100次),质量则减轻了10g。该电池同MP174865电池和MP144350电池一起,被认为是最匹配于FELIN士兵系统的电池,2007年已投入生产。
锌-空气电池技术
另外一家活跃在电池行业中的企业是美国的Arotech公司。该公司成为美军高能锌-空气电池的惟一供应商。2006年6月,Arotech公司得到美国通信电子部(CECOM)70万美元的资金支持,用于为FFW系统研制下一代(第四代)锌-空气电池。据Arotech公司主席和首席执行官罗伯特·埃利希介绍,锌-空气电池的带状设计可以有效提高电池的使用寿命,公司认为此类电池具有很高的能量密度,很好的环境适应性、操作安全性,而且在质量上要比锂电池轻很多,可减轻士兵的负荷,满足战术使用的需求。
燃料电池
随着对军用电池的需求日益攀高,为满足军方对军用电源,特别是未来士兵系统电源的需求,以燃料电池为代表的新能源技术正试图填补这个缺口。军用燃料电池的研究和发展已有50多年,美国陆军能源部陆地勇士系统燃料电池技术组就非常钟情于燃料电池,已经制定了便携式电池和车载式电池的订购计划,而英国最新的FIST系统和英国陆军FRES(快速反应系统)也将采用燃料电池作为能源。
燃料电池具有较高的燃料利用率,不会产生较强的热源信号,因此选择一种质量轻、技术成熟、利用率高的液体燃料作为能源燃料是非常必要的。如氢电池,原理是将氢的化学能转换成电能,氢和来自空气中的氧通过化学反应之后产生水,同时也产生电能。因为反应过程的惟一副产物是水,不会产生有毒物质,因此对环境没有任何污染,是一种既安全又环保的能源。
Voller能源公司致力于研制便携式燃料电池和移动发电机,该公司引进了燃料电池技术,开发了相关系统软件,用来对能源输入和电源输出数据进行监控,力求研制出高效能的燃料电池系统。其为军方设计的VE10M燃料电池功率为10W,已经处于演示验证阶段。
美国陆军已将甲醇作为一种具有潜力的能源进行研究,MTI公司有可能被指定为美军甲醇燃料电池的直接供应商。该公司称,甲醇电池有望在满足72小时供电任务的情况下,质量控制在普通电池的一半,1块甲醇电池就能完成9块BA5590电池才能完成的作战任务。
德国的SFC(Smart Fuel Cell)公司已经设计出一种高能量密度并能直接供电的甲醇燃料电池。其充电燃料筒可以很方便地进行更换,质量只有0.47kg,长宽为18cm×8cm,体积非常小。该燃料电池在14.4V额定电压下,最大功率为40W,质量仅为1kg,在完成72小时供电任务的同时,可将士兵在电源上的负重减少到原来的80%,该燃料电池系统现正处在测试阶段。
该甲醇燃料电池系统的升级产品也正在研制过程中,系统可通过甲醇燃料提供25W的功率输出,而且能与任何标准的军用锂电池配套使用。如将高能量密度和连续供电的优点集于一身的“詹妮”甲醇燃料电池质量仅为原来同等能量电池的80%,配有一个350ml容量的燃料筒,可以提供350KWh的电量,质量只有0.36kg,可以代替2块质量达2kg的传统电池。“詹妮”甲醇燃料电池可以配装于独立的士兵系统,也可以配装在无人值守设备上。目前已经有包括德国、英国、挪威和荷兰在内的8个国家对 “詹妮”甲醇燃料电池提出了订货。
挑战新技术,
满足不断增长的军事需求
近10多年来,军用电池技术的发展一直不能满足迅速增长的军事需求,在未来士兵系统电源技术发展方面的表现尤为明显。许多电池系统都在改进原有的工艺设计来降低成本,且改进电池的性能,从而提高市场竞争力。
位于美国亚拉巴马州的奥本大学论证了用斯特灵(Stirling)交流发电机解决电池的再充电技术问题。自由活塞式斯特灵交流发电机已经有超过40年的历史,可以利用柴油发动机将热能转换成电能。奥本大学介绍说,因为外部的热能来源多种多样,其因此比较符合军用能源的条件。
ABSL公司研制出一种新型智能电池系统“Smart”。该电池配有一个独立的小型充电指示器,并设计有小型电池寿命指示器,可以显示电池容电量的衰减量,植入的ILS软件可以优化电池与士兵系统的连接,从而提高电池的功效。尽管要增加一些成本,但是这些设计可以降低电池使用和储存过程中的耗费,减少能源浪费,并且有助于士兵操作使用。
许多公司也在努力尝试着其他的能源方案,比如微型发电机电池,即只有硬币大小的钮扣电池,由一个微型发电机产生电能,具有比传统电池更持久的使用寿命,而且质量特别小。
随着研制工作的开展,许多技术瓶颈相继出现,要把众多技术巧妙融合到一个系统之内,并满足军事应用的高性能要求,还有一段较长的路要走。
SFC公司的“詹妮”电池
“FIST”系统对能源不断增长的需求是未来士兵系统对能源需求的典型体现
Ultralife公司BA-5390/U电池系统
ABSL公司为“弓箭手”系统设计的电源系统
Saft公司Batterles系列BB2590电池
Voller公司VE10M电池