美陸軍研究全自動化電池 確保單兵系統作戰能力

美國陸軍的電子數據管理器能使機組成員中很多的人計劃任務，并在作戰過程中對任務的變化作出反應。這些設備需要輕便持久的電源。超過1000套系統已經被投入到了阿富汗和伊拉克的戰場上。

如果不能給很多設備提供電源，而士兵還有要依靠這些設備來保存自己以及進行致命性攻擊的話，那么向士兵提供網絡就沒有任何意義了。當今快速發展的高技術戰場要求持久的、輕便的電池，美國陸軍正在與裝備設計人員合作，通過探究電池化學反應和全自動化電池，來滿足這種要求。在某些領域，陸軍已經取得了巨大的進步；在其它的一些領域，陸軍正在等待工業部門多年前就許諾的技術改進。負責領導為士兵研發這中最高密度、最安全、消費比最高的能源技術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 -電子學研究、發展與工程中心（CERDEC），在這個部門中，負責電池研究的分部門的負責人斯蒂夫斯萊恩說，在需要更持久、更輕便的電池這個要求中，通信-電子學研究、發展與工程中心（CERDEC）研究了很多種可能性，從燃料電池發展到生物仿生學，再到納米技術。他的部門集中于一次性電池和可再充電電池的研究，現在正在檢測某些非常適合未來產生電能的可能方法，如收集熱能或運功發電。

改進電池技術的需要是要達到臨界質量，因為每個軍種都要適應網絡中心戰概念注重實效的那個方面。單個士兵是網絡中的一些關鍵點，并且使用電子設備來收集信息，以及快速與其他人共享信息。為了完成這些多方面的任務，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具、激光測距機、手持全球定位系統（GPS）、瞄準燈、生化檢測儀器和傳感器。通信-電子學研究、發展與工程中心（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，電子設備需要很多電能，電池不能夠持久供應。“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注能量的提取，有些時候，陸軍裝備研發人員在設計中不會將電能的提取作為主要的度量標準，”斯萊恩講。

過去，設備被發明出來，然后設計人員再找電池。“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。

斯萊恩承認士兵已經想出了他們自己的非常聰明的解決電能問題的方法。戰士已經利用車輛進行發電或用電纜將他們的設備連到更大的電池上。通信-電子學研究、發展與工程中心（CERDEC）沒有拒絕這種創新；事實上，它是鼓勵這種創新的。當士兵與通信-電子學研究、發展與工程中心（CERDEC）分享他們關于如何更好地整合設備電源想法的時候，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。

當他們仔細檢查能源設備新方法的時候，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反應。

此外，通信-電子學研究、發展與工程中心（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。“我們現在正在將這種技術應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-電子學研究、發展與工程中心（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存的陸軍電池那里，對商用的AA電池進行充電。“所以，以前，當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。現在，我們已經給他們提供了能夠將插頭插入到電池中的設備，用盡剩余的電量，給其它電池充電，”他說。

可再充電電池已經成為今天陸軍戰場生活的一個很大的組成部分了。在這個領域，各軍種正在緊隨消費市場，當國外的電池賣主提高了鋰離子技術，這種技術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備中的堿性AA電池強得多。所以，對于高端的設備，如全球定位系統（GPS）和很多熱成像武器瞄準具，士兵將體驗更長的工作時間，斯萊恩補充道。

可再充電技術的發展不是意味著陸軍已經放棄了一次性電池。斯萊恩透露，當陸軍將它的電池從鋰二氧化硫轉換成鋰二氧化錳的時候，近期在這個領域最重要的一次進步發生了。這是在過去15年里第一次使用這種物質進行發電，他說。具有相同因數的鋰二氧化錳電池比以前的化學反應電池多提供大約50%的電量。

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

斯萊恩的研究組清楚地地認識到，在設計電池的時候，必須時刻想著未來的士兵。現在研發的系統，如“陸上勇士”、“未來力量勇士”和“地面士兵系統”整合作戰人員的各種設備，它們的運轉都來自單獨一個電源。通信-電子學研究、發展與工程中心（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構，并且使用單獨類型的充電器。未來戰場上的電源還可以進行互換。所以它們能夠給戰場上的很多不同的設備提供電能。除了未來的一體化士兵系統之外，通信-電子學研究、發展與工程中心（CERDEC）的電池研究小組成員預測其它需要電能技術的發展。例如，戰士的制服將以微型氣候控制系統為特征，這個系統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、無人駕駛運載工具和無人職守地面傳感器等領域里的重大進步。“我們已經擁有這些技術了，但是我們看見對增加電源的需要如同更多的設備被投入戰場，或者至少在研發的道路上，”斯萊恩說。認識到新設備幾乎肯定會很快出現，通信-電子學研究、發展與工程中心（CERDEC）已經正在研究一些適合于未來發展的電源。研究人員正在全力集中研究材料工程中的納米技術。運用在納米技術上的突破性進展，電池的負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，最近他們已經了解了正在進行的受生物啟發并按照生物學設計材料的這項工作。這項研究仍然處于大學實驗室的初級階段，斯萊恩承認，但是通信-電子學研究、發展與工程中心（CERDEC）的工程師相信現在的工作能夠引領電源材料的設計。中心將參與模擬蛋白質如何形成的研究，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責陸軍電池“從設計到銷毀”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之一，位于馬薩諸塞州納題克的陸軍士兵系統中心已經概要地提出了適應未來單兵特有制服的電源。被稱作持續時間中心，它包括一個2瓦到20瓦由液態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，它能夠持續供電達3個小時以上。

斯萊恩指出通信-電子學研究、發展與工程中心（CERDEC）研究的能源技術與士兵系統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，但是斯萊恩承認這些方法應該在未來得到發展。

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”，致力于生產適合個人或士兵小組的電力設備，并且正在研發壓縮燃料電池和“熱能到電能”技術。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電機的需求。國防先進研究項目部的目標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、通信系統和計算機那樣受人矚目，但是斯萊恩指出，它們仍然影響著軍事的戰略和戰術。事實上，很多任務的長度是由士兵能攜帶電能的數量決定的。“電池必須被看作與子彈和水同樣重要。當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。那就是我們努力研究再充電方法、清除設備、太陽能設備，甚至車載充電器的一個真正的原因，如果士兵在戰場上可以使用車輛。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的進行。那是我們真正關注的，”斯萊恩說。

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

譯自：《信號》雜志

作者：瑪麗安 勞勒

編譯：知遠/愛唐