美陸軍研究全自動化電池 確保單兵系統(tǒng)作戰(zhàn)能力

美國陸軍的電子數(shù)據(jù)管理器能使機組成員中很多的人計劃任務(wù)，并在作戰(zhàn)過程中對任務(wù)的變化作出反應(yīng)。這些設(shè)備需要輕便持久的電源。超過1000套系統(tǒng)已經(jīng)被投入到了阿富汗和伊拉克的戰(zhàn)場上。

如果不能給很多設(shè)備提供電源，而士兵還有要依靠這些設(shè)備來保存自己以及進行致命性攻擊的話，那么向士兵提供網(wǎng)絡(luò)就沒有任何意義了。當(dāng)今快速發(fā)展的高技術(shù)戰(zhàn)場要求持久的、輕便的電池，美國陸軍正在與裝備設(shè)計人員合作，通過探究電池化學(xué)反應(yīng)和全自動化電池，來滿足這種要求。在某些領(lǐng)域，陸軍已經(jīng)取得了巨大的進步；在其它的一些領(lǐng)域，陸軍正在等待工業(yè)部門多年前就許諾的技術(shù)改進。負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)為士兵研發(fā)這中最高密度、最安全、消費比最高的能源技術(shù)的是陸軍指揮與控制理事會的能源部門。

這個理事會歸入到位于新澤西州蒙默斯的通信 -電子學(xué)研究、發(fā)展與工程中心（CERDEC），在這個部門中，負(fù)責(zé)電池研究的分部門的負(fù)責(zé)人斯蒂夫斯萊恩說，在需要更持久、更輕便的電池這個要求中，通信-電子學(xué)研究、發(fā)展與工程中心（CERDEC）研究了很多種可能性，從燃料電池發(fā)展到生物仿生學(xué)，再到納米技術(shù)。他的部門集中于一次性電池和可再充電電池的研究，現(xiàn)在正在檢測某些非常適合未來產(chǎn)生電能的可能方法，如收集熱能或運功發(fā)電。

改進電池技術(shù)的需要是要達(dá)到臨界質(zhì)量，因為每個軍種都要適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)概念注重實效的那個方面。單個士兵是網(wǎng)絡(luò)中的一些關(guān)鍵點，并且使用電子設(shè)備來收集信息，以及快速與其他人共享信息。為了完成這些多方面的任務(wù)，今天的士兵不但裝備了無線電，而且還裝備了紅外武器瞄準(zhǔn)具、激光測距機、手持全球定位系統(tǒng)（GPS）、瞄準(zhǔn)燈、生化檢測儀器和傳感器。通信-電子學(xué)研究、發(fā)展與工程中心（CERDEC）的大部分工作集中在簡易爆炸裝置探測與對抗上，斯萊恩指出。

來自于駐阿富汗和伊拉克的士兵的反饋表明電池仍然相對過重。此外，電子設(shè)備需要很多電能，電池不能夠持久供應(yīng)。“在軍隊和消費市場都普遍抱怨這種情況，在一定程度上，我們都很理解。在消費市場上不同的地方是公司更加關(guān)注能量的提取，有些時候，陸軍裝備研發(fā)人員在設(shè)計中不會將電能的提取作為主要的度量標(biāo)準(zhǔn)，”斯萊恩講。

過去，設(shè)備被發(fā)明出來，然后設(shè)計人員再找電池。“他們會突然想起我們并說，‘你在這個盒子的角落里有這么一個小空間用來放電池，哦，順便說一句，我們需要電池要能持久供電。’不能以這種方式工作。所以我們越早介入，越能更好地為士兵解決這個問題，”他說。

斯萊恩承認(rèn)士兵已經(jīng)想出了他們自己的非常聰明的解決電能問題的方法。戰(zhàn)士已經(jīng)利用車輛進行發(fā)電或用電纜將他們的設(shè)備連到更大的電池上。通信-電子學(xué)研究、發(fā)展與工程中心（CERDEC）沒有拒絕這種創(chuàng)新；事實上，它是鼓勵這種創(chuàng)新的。當(dāng)士兵與通信-電子學(xué)研究、發(fā)展與工程中心（CERDEC）分享他們關(guān)于如何更好地整合設(shè)備電源想法的時候，中心的官員通常會提高解決方案的健全性，然后使方案可用于所有軍兵種。

當(dāng)他們仔細(xì)檢查能源設(shè)備新方法的時候，中心的研究人員自己非常聰明，正向其它部門的專家伸出援助之手。他們與陸軍研究實驗室、國家實驗室、大學(xué)和國防先進研究項目部（DARPA）的研究人員進行了廣泛的合作，尋找更加先進的電池化學(xué)反應(yīng)。

此外，通信-電子學(xué)研究、發(fā)展與工程中心（CERDEC）的研究組正在研究全自動化電池——類似于膝上型電腦中的那些電池——這種電池能顯示剩余電量，并在電量低的時候，警告用戶。“我們現(xiàn)在正在將這種技術(shù)應(yīng)用于所有的陸軍電池中，那將使士兵能更高程度地利用電池中的電能，”斯萊恩解釋說。

通信-電子學(xué)研究、發(fā)展與工程中心（CERDEC）電池部門的成員還正在研究能被考慮作為更加方便的“擠出”電池中的每一點電能的方法。他們最近開發(fā)了被他們稱為“八包清掃工”的一種東西，這種東西能使士兵從現(xiàn)存的陸軍電池那里，對商用的AA電池進行充電。“所以，以前，當(dāng)一塊大的無線電電池的電量剩到可用電量的10%或20%或30% 的時候，士兵通常會扔掉。現(xiàn)在，我們已經(jīng)給他們提供了能夠?qū)⒉孱^插入到電池中的設(shè)備，用盡剩余的電量，給其它電池充電，”他說。

可再充電電池已經(jīng)成為今天陸軍戰(zhàn)場生活的一個很大的組成部分了。在這個領(lǐng)域，各軍種正在緊隨消費市場，當(dāng)國外的電池賣主提高了鋰離子技術(shù)，這種技術(shù)增加了膝上型電腦和手機的工作時間，陸軍通過打包相同的產(chǎn)品獲得了通過改進而取得的好處。另一個好處是可再充電的AA電池要比高等級士兵設(shè)備中的堿性AA電池強得多。所以，對于高端的設(shè)備，如全球定位系統(tǒng)（GPS）和很多熱成像武器瞄準(zhǔn)具，士兵將體驗更長的工作時間，斯萊恩補充道。

可再充電技術(shù)的發(fā)展不是意味著陸軍已經(jīng)放棄了一次性電池。斯萊恩透露，當(dāng)陸軍將它的電池從鋰二氧化硫轉(zhuǎn)換成鋰二氧化錳的時候，近期在這個領(lǐng)域最重要的一次進步發(fā)生了。這是在過去15年里第一次使用這種物質(zhì)進行發(fā)電，他說。具有相同因數(shù)的鋰二氧化錳電池比以前的化學(xué)反應(yīng)電池多提供大約50%的電量。

到現(xiàn)在為止，盡管很多軍事和商業(yè)部門希望燃料電池技術(shù)將是切實可行的，但是斯萊恩說發(fā)展過程說需要的時間要比公司許諾的時間長很多。“可靠性仍然沒有達(dá)到要求，但是已經(jīng)很接近了。即使作為一個搞電池的人，我現(xiàn)在對燃料電池的作用更加樂觀了，”他說。燃料電池在未來5年內(nèi)可以得到利用，他補充道。

斯萊恩的研究組清楚地地認(rèn)識到，在設(shè)計電池的時候，必須時刻想著未來的士兵。現(xiàn)在研發(fā)的系統(tǒng)，如“陸上勇士”、“未來力量勇士”和“地面士兵系統(tǒng)”整合作戰(zhàn)人員的各種設(shè)備，它們的運轉(zhuǎn)都來自單獨一個電源。通信-電子學(xué)研究、發(fā)展與工程中心（CERDEC）是主要支持這個項目的部門，所以這種電源將會有一種結(jié)構(gòu)，并且使用單獨類型的充電器。未來戰(zhàn)場上的電源還可以進行互換。所以它們能夠給戰(zhàn)場上的很多不同的設(shè)備提供電能。除了未來的一體化士兵系統(tǒng)之外，通信-電子學(xué)研究、發(fā)展與工程中心（CERDEC）的電池研究小組成員預(yù)測其它需要電能技術(shù)的發(fā)展。例如，戰(zhàn)士的制服將以微型氣候控制系統(tǒng)為特征，這個系統(tǒng)將使他們在熱的氣溫條件下保持涼爽，在冷的氣溫條件下保持溫暖。

研究人員還正在親眼見證在機器人技術(shù)、無人駕駛運載工具和無人職守地面?zhèn)鞲衅鞯阮I(lǐng)域里的重大進步。“我們已經(jīng)擁有這些技術(shù)了，但是我們看見對增加電源的需要如同更多的設(shè)備被投入戰(zhàn)場，或者至少在研發(fā)的道路上，”斯萊恩說。認(rèn)識到新設(shè)備幾乎肯定會很快出現(xiàn)，通信-電子學(xué)研究、發(fā)展與工程中心（CERDEC）已經(jīng)正在研究一些適合于未來發(fā)展的電源。研究人員正在全力集中研究材料工程中的納米技術(shù)。運用在納米技術(shù)上的突破性進展，電池的負(fù)極能被制造成更小的顆粒，這樣提供了更多的表面積來提高電池的性能。

此外，最近他們已經(jīng)了解了正在進行的受生物啟發(fā)并按照生物學(xué)設(shè)計材料的這項工作。這項研究仍然處于大學(xué)實驗室的初級階段，斯萊恩承認(rèn)，但是通信-電子學(xué)研究、發(fā)展與工程中心（CERDEC）的工程師相信現(xiàn)在的工作能夠引領(lǐng)電源材料的設(shè)計。中心將參與模擬蛋白質(zhì)如何形成的研究，這只是舉個例子。“如果我們能夠做到，那么我們能夠修改材料的屬性，”他解釋道。

盡管斯萊恩的部門負(fù)責(zé)陸軍電池“從設(shè)計到銷毀”的工作，但是這個部門不是陸軍唯一的研究革新電源的部門，或者就這件事而言，它也不是國防部唯一的部門。例如，作為未來勇士概念的六個主要分系統(tǒng)之一，位于馬薩諸塞州納題克的陸軍士兵系統(tǒng)中心已經(jīng)概要地提出了適應(yīng)未來單兵特有制服的電源。被稱作持續(xù)時間中心，它包括一個2瓦到20瓦由液態(tài)烴作為燃料的微型汽輪機。從插入式匣式片盒中的10盎司燃料那里，士兵可以獲得滿足6天使用的電能。被嵌入帽盔和武器中的聚合式納米光纖電池板將作為備份電源，它能夠持續(xù)供電達(dá)3個小時以上。

斯萊恩指出通信-電子學(xué)研究、發(fā)展與工程中心（CERDEC）研究的能源技術(shù)與士兵系統(tǒng)中心的能源獲取項目相類似，它包括從人體的熱量和士兵的運動，還有太陽那里收集能量。現(xiàn)在與過去一樣，這些方法帶來非常少的電能，但是斯萊恩承認(rèn)這些方法應(yīng)該在未來得到發(fā)展。

國防先進研究項目部也正在研究未來可能的能源。一種被稱為“掌上電能”，致力于生產(chǎn)適合個人或士兵小組的電力設(shè)備，并且正在研發(fā)壓縮燃料電池和“熱能到電能”技術(shù)。士兵能攜帶便攜式裝置，減少對大型必須用牽引車牽引的柴油發(fā)電機的需求。國防先進研究項目部的目標(biāo)是為這些便攜式電源，演示論證概念的樣機，這些電源能夠與常規(guī)的電池合并來提高電池耐久性。電池可能不會像軍隊的武器系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和計算機那樣受人矚目，但是斯萊恩指出，它們?nèi)匀挥绊懼�軍事的�?zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)。事實上，很多任務(wù)的長度是由士兵能攜帶電能的數(shù)量決定的。“電池必須被看作與子彈和水同樣重要。當(dāng)后勤再供給子彈和水的時候，他們必須再補給電池，有時候那是一種重負(fù)。那就是我們努力研究再充電方法、清除設(shè)備、太陽能設(shè)備，甚至車載充電器的一個真正的原因，如果士兵在戰(zhàn)場上可以使用車輛。士兵不需要等待后勤補給電池了，他們能用他們周圍的能量來保證任務(wù)的進行。那是我們真正關(guān)注的，”斯萊恩說。

在這樣的能力可以利用之前，通信-電子學(xué)研究、發(fā)展與工程中心（CERDEC）的電池研究部門將繼續(xù)與工廠一起為軍隊研發(fā)更多的高效能量產(chǎn)品。斯萊恩主張，讓公司負(fù)責(zé)提高電能效率將減少成本周期和士兵的負(fù)擔(dān)。他還鼓勵公司研發(fā)能夠在商業(yè)市場上銷售的產(chǎn)品，以便產(chǎn)品成本能使產(chǎn)品對于軍隊來說更能負(fù)擔(dān)得起。

譯自：《信號》雜志

作者：瑪麗安 勞勒

編譯：知遠(yuǎn)/愛唐