士兵系統電源保障技術發展進程

龍知洲，李偉萍，劉凱峰，馬 天

(軍事科學院軍需工程技術研究所，北京 100010)

士兵系統作為信息化戰爭中最小的作戰平臺和網絡節點，具有極其重要的地位。電臺、夜視儀、降噪耳機等高科技裝備使得士兵作戰能力極大增強，但也增加了對電能的需求和依賴[1-2]。未來戰爭各方將展開非線性、非對稱的激烈對抗，供電不足與彈盡糧絕同樣危險。士兵系統如何確保穩定、持續、高效的電能保障，成為各國軍隊和研究人員關注的熱點。

1 士兵系統電源保障技術現狀

士兵系統以人體為主要裝備承載平臺，因此主要采用便于攜帶的化學電池作為電源，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[2-4]。上世紀90 年代士兵系統誕生之初，電池技術還不夠成熟，士兵攜帶的備用電池數量過多，負荷過重，影響作戰。2006 年9 月，在北約部隊對阿富汗坎大哈地區展開的“美杜莎”行動中，加拿大一個步兵連在兩個星期內消耗了17 500 節AA 電池[5]。表1 為2007 年美軍在阿富汗戰爭期間執行一次72 h 作戰任務，“陸地勇士”各型裝備電池消耗情況，電池總質量已經達到士兵負重的20%[6-7]。該系統72 h 消耗電能618.05 Wh，70 塊電池總質量7.027 kg，其質量比能量平均值為88.0 Wh/kg。

表1 美軍“陸地勇士”士兵系統在阿富汗作戰72 h 耗電情況

近年來電池技術得到快速發展，表2 為當前主流鋰原電池和鋰離子電池的質量比能量[8-9]，較“陸地勇士”系統平均值已有明顯提升，促進士兵系統電池快速更新換代。除鋰電池外，燃料電池也逐漸得到推廣應用，法國FELIN V1.3 和新加坡Ariele 等士兵系統均配套使用便攜式燃料電池[10-11]。高性能儲能技術的廣泛應用極大緩解了士兵系統電池負荷過重的問題。

表2 當前主流鋰電池質量比能量 Wh/kg

早期士兵系統大多采用一種裝備一種電池的分布式供電技術，為了解決電池型號多、接口不統一、后勤保障負擔重等問題，美、俄等主要國家近年來相繼發展了混合式供電技術，如表3 所示[12-13]。士兵攜帶容量較大的電池包作為主電源，各個裝備通過線纜電池包聯通實現供電。其主要優勢有：一是士兵無需額外攜帶大量不同型號的備用電池，在戰斗過程中設備可隨時充電，據美軍統計，該供電方式能減少30%的負重[14]；二是各個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，也不會立即斷電失效，提高了系統可靠性；三是士兵可通過信息終端(一般是智能手機)進行電能管理，監控各設備用電狀態并根據任務需要調整供電模式，極大提升作戰時電源保障的靈活性。

表3 外軍典型士兵系統電源保障情況

自發電技術也是近年來的研究熱點，士兵可在作戰過程中補充電能，減少對后勤供應的依賴。美國陸軍作戰能力發展司令部士兵中心發明的SPARK 發電鞋能夠收集腳踝關節動能，在4.83 km/h 的行進速度下，單腳發電功率為3～4 W。美國陸軍通信與電子研究發展工程中心等研發的EHAP 能量收集突擊背包可在4.83 km/h 的行進速度下達到3 W 左右發電功率，同時還能緩解士兵負重時的疲勞感。2010 年開始，美軍在阿富汗戰場逐步推廣可折疊太陽電池，極大延長了士兵系統持續供電時間。在一次為期4 天的演練測試中，裝備太陽電池板的士兵系統完全不需要電池二次補給[6,10,15]。

2 士兵系統電源保障面臨的嚴峻挑戰

未來戰爭將是機械化、信息化、智能化融合發展的復雜局面，作戰樣式或將產生顛覆性變化，給士兵系統電源保障帶來了巨大挑戰。

2.1 系統電能消耗不斷增加

過去20 年中，技術進步促使電池容量擴大了3 倍，但是電子設備對電能的消耗則飛速擴大了20 倍[2]。美軍測算“陸地勇士”、“目標部隊勇士”等早期士兵系統峰值功耗約為60 W，每天電能需求約為240 Wh(按12 h 估算)[3-4]。根據當前各國士兵系統主要用電裝備類型，估算一套典型士兵系統峰值功耗約為39.1 W，如圖1 所示。

圖1 典型裝備峰值功耗估測

盡管系統功耗顯著下降，但電能短缺問題卻愈發嚴重。其主要原因有：一是現代戰爭前線-后方概念越來越模糊，戰斗隨時可能打響，人員必須長期保持警戒狀態，系統持續工作時間延長導致總能耗提升；二是現代戰爭高度依賴信息交互共享，導致通信裝備長期滿負荷運行，自組網電臺即使在待機狀態也要不斷更新路由信息保持網絡聯通，根據美軍2014 年組織的9 人步兵班組72 h 能耗試驗，電臺已達到全部裝備耗電量的74%；三是戰斗任務更加艱巨，士兵需要額外使用無人機、熱像儀等大功耗裝備，從而增加了電能缺口，根據美軍作戰能力發展司令部士兵中心測算，執行72 h 持續作戰任務時，步兵基本耗電量為586 Wh，班組長由于需要攜帶背負式電臺、全球定位系統等裝備，綜合能耗增至1 346 Wh，如果攜帶核生化探測儀、地雷探測儀、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、全天候工作的化學電池仍將是士兵系統的主要電源，衡量電池性能的關鍵指標之一就是質量比能量。過去數十年中，電池比能量一直在穩步提升，從30 Wh/kg 發展到300 Wh/kg[3]，鋰氟化碳等新型一次鋰電池已超過400 Wh/kg。然而，當前電池行業還未迎來顛覆性的技術突破，提升比能量已經越來越困難。美軍規劃未來士兵系統儲能電池比能量應達到600～800 Wh/kg[17]，當前廣泛應用的鋰離子電池還難以達到，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、極高的比能量和環境友好性，成為未來高比能電池首選之一。國內已有比能量達到609 Wh/kg 的鋰硫二次電池相關報道，未來研發的鋰硫一次電池比能量可能達到1 200 Wh/kg 以上[18]。但是鋰硫電池存在的循環壽命低、自放電率高等系列問題尚未得到突破，短期內還無法取代技術成熟的鋰離子電池。

2.3 自發電技術不能滿足未來作戰需求

光伏發電技術能在實戰中得到應用與作戰樣式緊密相關，過去十余年全球反恐戰爭中，美英等聯軍部隊在空中和地面形成了壓倒性優勢，即使是執行艱巨的徒步作戰任務，士兵也能夠利用太陽電池板等待2～3 h 為電池包充電[10,19]。未來信息化戰場將是強敵之間的激烈對抗，士兵們連續數小時在陽光下充電待命，很容易被各類先進偵察手段發現，遭到遠程火力的精確殺傷。太陽電池“靠天吃飯”的特點也不滿足全天候作戰需求。近年來，研究人員尋找不依賴自然條件的發電技術，利用人體自身能量轉換為電能的技術是當前研究熱點。加拿大Bionic Power 公司在2018 年法國防務展上展出了一款Power Walk 的能量收集系統，系統約2.2 kg，由穿戴在士兵雙腿上的外骨骼發電，然而其對人體活動的干涉情況和戰場適應性還有待檢驗。利用人體溫差發電、摩擦發電、乳酸糖酵解發電等不干涉人體活動的發電技術只能產生毫瓦甚至微瓦級電能[6]，實戰可靠性不高。

2.4 混合式供電架構存在一定缺陷

混合式供電雖然是當前士兵系統的主流供電模式，但這種系統架構仍有一些問題：一是外露的線纜容易發生鉤掛，影響戰術動作，軀干部位的線纜雖然可以與作戰服進行一體化設計，但是與頭盔、下肢部位的連接仍然無法擺脫線纜束縛，作戰過程中士兵進行奔跑、匍匐、翻滾等動作時，線纜和接口反復受到彎折、拉扯，也會導致線纜損壞、插頭松脫或接觸不良；二是電池包體積較大，不便放置，無論電池包放置在腹部、肋部還是背部都會造成明顯不適感，化學電池在放電時會釋放大量熱量，如無法及時散熱，還可能灼傷皮膚；三是系統可靠性受到影響，以美國“奈特勇士”系統為例，如圖2 所示[12]，集線器作為系統電能和數據的交換中心一旦受損出現故障會導致整個系統斷電失效，而且集線器接口數量有限，限制了系統的擴展能力。

圖2 美國“奈特勇士”供電系統示意圖

3 士兵系統電源保障技術發展方向

為了滿足未來作戰需求，士兵系統電源保障技術可在以下幾個方面重點改進，促進持續作戰能力提升。

3.1 發展燃料電池技術滿足高能耗需求

化學電池主要用于士兵自身攜行裝備供電，解決無人機、智能計算單元等大功耗裝備電源保障問題，需要依靠比能量更高的供電裝置。燃料電池具有運行時間長、比能量高、機動性強等突出優點，具有較好應用前景，部分燃料電池燃料的理論質量比能量(采用燃值換算)以及金屬空氣電池的理論質量比能量如表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，從應用角度考慮，只有解決燃料持續供應問題才具有軍事價值。甲醇、氫氣都不是標準燃料，還存在毒性和不易儲運等問題，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、柴油類屬于標準后勤燃料，丁烷氣罐可以在超市采購，其燃料廣譜適應性更適合復雜戰場環境。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，質量只有2.6 kg，可滿足無人機和無人車的使用需求[20]。金屬空氣電池[3,21-22]作為一種半燃料電池，陽極材料作為消耗品可以通過現場快速更換實現“充電”，也是滿足士兵系統持續供電需求的研究方向之一。

3.2 運用新能源發電技術延長供電時間

在士兵無法及時獲取電能補給的情況下，自發電技術作為應急供電手段仍有現實意義。以增加人體疲勞、影響戰術動作、降低可靠性能為代價的自發電技術，其作戰運用都有較大局限性，未來應重點發展不依賴人體自身的新能源發電技術。光伏電池正在向更輕薄、更柔軟、光電轉化效率更高的方向發展，可折疊、彎曲的太陽電池板更加便于攜行，還能制成各種可穿戴發電裝備。美軍作戰能力發展司令部士兵中心研發了太陽能發電背包及發電頭盔，士兵在晝間行軍、作戰過程中可以隨時補充電能[23]。智能發電織物技術一旦取得突破，能夠真正與作戰服融為一體，能夠不破壞偽裝防護、防寒保暖、攜行承載等，具有廣闊的發展前景。3H、63Ni、238Pu 等同位素電池利用放射性同位素衰變產生的粒子及能量進行發電，具有超長壽命、極高容量、主動工作、安全可靠等突出優點，幾乎不受環境、壓力、溫度等因素影響。盡管輸出功率相對受限，但該電池能夠數年穩定供電，從而極大延長士兵系統持續作戰時間[6,24]。

3.3 采取無線供電技術改變供電模式

無線供電技術近年來得到快速發展，盡管目前尚不夠成熟，傳輸效率也無法與輸電線纜相比，但無線技術將會徹底改變士兵系統電源保障模式，未來將具有重要發展潛力[25]。無線供電應用于士兵裝備的主要優勢有：一是取消輸電線纜不再發生鉤掛現象，極大改善士兵系統人機工效性，特別是頭盔與軀干部分的線纜，通常會限制士兵頭部活動范圍，造成強烈不適感，美軍納蒂克士兵中心于2012 年研發了一款無線供電頭盔樣機[26]，傳輸效率為50%，為滿足未來盔載裝備供電需求指明了方向；二是無線供電技術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一、不匹配的問題，同時提高了系統可靠性，2018 年新加坡推出的Ariele士兵系統已率先在攜行背心上集成無線充電器，傳輸效率達到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服上構建電能傳輸網絡，仍以電池包作為主電源供電，將電能輸送到作戰服上的多個供電端口，信息化裝備靠近供電端口即可實現接入供電，提高系統擴展性能；四是不再需要集線器作為電池包與用電設備之間唯一的轉換樞紐，系統的冗余性得以改善，即使部分供電端口故障也不會造成整個系統斷電失效。

4 結論

短期看，士兵系統電源保障領域不會產生革命性技術進步，電能短缺問題仍將長期存在。士兵系統對電能的需求必然會牽引相關保障技術的快速發展。未來應緊貼士兵系統實戰需求開展研發工作，不僅從技術創新自身出發，還要綜合考慮人機工效、使用環境、后勤保障、可靠性等因素，從而更好地滿足戰場持續供電需求。