美陆军研究全自动化电池 确保单兵系统作战能力

美国陆军的电子数据管理器能使机组成员中很多的人计划任务，并在作战过程中对任务的变化作出反应。这些设备需要轻便持久的电源。超过1000套系统已经被投入到了阿富汗和伊拉克的战场上。

如果不能给很多设备提供电源，而士兵还有要依靠这些设备来保存自己以及进行致命性攻击的话，那么向士兵提供网络就没有任何意义了。当今快速发展的高技术战场要求持久的、轻便的电池，美国陆军正在与装备设计人员合作，通过探究电池化学反应和全自动化电池，来满足这种要求。在某些领域，陆军已经取得了巨大的进步；在其它的一些领域，陆军正在等待工业部门多年前就许诺的技术改进。负责领导为士兵研发这中最高密度、最安全、消费比最高的能源技术的是陆军指挥与控制理事会的能源部门。

这个理事会归入到位于新泽西州蒙默斯的通信 -电子学研究、发展与工程中心（CERDEC），在这个部门中，负责电池研究的分部门的负责人斯蒂夫斯莱恩说，在需要更持久、更轻便的电池这个要求中，通信-电子学研究、发展与工程中心（CERDEC）研究了很多种可能性，从燃料电池发展到生物仿生学，再到纳米技术。他的部门集中于一次性电池和可再充电电池的研究，现在正在检测某些非常适合未来产生电能的可能方法，如收集热能或运功发电。

改进电池技术的需要是要达到临界质量，因为每个军种都要适应网络中心战概念注重实效的那个方面。单个士兵是网络中的一些关键点，并且使用电子设备来收集信息，以及快速与其他人共享信息。为了完成这些多方面的任务，今天的士兵不但装备了无线电，而且还装备了红外武器瞄准具、激光测距机、手持全球定位系统（GPS）、瞄准灯、生化检测仪器和传感器。通信-电子学研究、发展与工程中心（CERDEC）的大部分工作集中在简易爆炸装置探测与对抗上，斯莱恩指出。

来自于驻阿富汗和伊拉克的士兵的反馈表明电池仍然相对过重。此外，电子设备需要很多电能，电池不能够持久供应。“在军队和消费市场都普遍抱怨这种情况，在一定程度上，我们都很理解。在消费市场上不同的地方是公司更加关注能量的提取，有些时候，陆军装备研发人员在设计中不会将电能的提取作为主要的度量标准，”斯莱恩讲。

过去，设备被发明出来，然后设计人员再找电池。“他们会突然想起我们并说，‘你在这个盒子的角落里有这么一个小空间用来放电池，哦，顺便说一句，我们需要电池要能持久供电。’不能以这种方式工作。所以我们越早介入，越能更好地为士兵解决这个问题，”他说。

斯莱恩承认士兵已经想出了他们自己的非常聪明的解决电能问题的方法。战士已经利用车辆进行发电或用电缆将他们的设备连到更大的电池上。通信-电子学研究、发展与工程中心（CERDEC）没有拒绝这种创新；事实上，它是鼓励这种创新的。当士兵与通信-电子学研究、发展与工程中心（CERDEC）分享他们关于如何更好地整合设备电源想法的时候，中心的官员通常会提高解决方案的健全性，然后使方案可用于所有军兵种。

当他们仔细检查能源设备新方法的时候，中心的研究人员自己非常聪明，正向其它部门的专家伸出援助之手。他们与陆军研究实验室、国家实验室、大学和国防先进研究项目部（DARPA）的研究人员进行了广泛的合作，寻找更加先进的电池化学反应。

此外，通信-电子学研究、发展与工程中心（CERDEC）的研究组正在研究全自动化电池——类似于膝上型电脑中的那些电池——这种电池能显示剩余电量，并在电量低的时候，警告用户。“我们现在正在将这种技术应用于所有的陆军电池中，那将使士兵能更高程度地利用电池中的电能，”斯莱恩解释说。

通信-电子学研究、发展与工程中心（CERDEC）电池部门的成员还正在研究能被考虑作为更加方便的“挤出”电池中的每一点电能的方法。他们最近开发了被他们称为“八包清扫工”的一种东西，这种东西能使士兵从现存的陆军电池那里，对商用的AA电池进行充电。“所以，以前，当一块大的无线电电池的电量剩到可用电量的10%或20%或30% 的时候，士兵通常会扔掉。现在，我们已经给他们提供了能够将插头插入到电池中的设备，用尽剩余的电量，给其它电池充电，”他说。

可再充电电池已经成为今天陆军战场生活的一个很大的组成部分了。在这个领域，各军种正在紧随消费市场，当国外的电池卖主提高了锂离子技术，这种技术增加了膝上型电脑和手机的工作时间，陆军通过打包相同的产品获得了通过改进而取得的好处。另一个好处是可再充电的AA电池要比高等级士兵设备中的碱性AA电池强得多。所以，对于高端的设备，如全球定位系统（GPS）和很多热成像武器瞄准具，士兵将体验更长的工作时间，斯莱恩补充道。

可再充电技术的发展不是意味着陆军已经放弃了一次性电池。斯莱恩透露，当陆军将它的电池从锂二氧化硫转换成锂二氧化锰的时候，近期在这个领域最重要的一次进步发生了。这是在过去15年里第一次使用这种物质进行发电，他说。具有相同因数的锂二氧化锰电池比以前的化学反应电池多提供大约50%的电量。

到现在为止，尽管很多军事和商业部门希望燃料电池技术将是切实可行的，但是斯莱恩说发展过程说需要的时间要比公司许诺的时间长很多。“可靠性仍然没有达到要求，但是已经很接近了。即使作为一个搞电池的人，我现在对燃料电池的作用更加乐观了，”他说。燃料电池在未来5年内可以得到利用，他补充道。

斯莱恩的研究组清楚地地认识到，在设计电池的时候，必须时刻想着未来的士兵。现在研发的系统，如“陆上勇士”、“未来力量勇士”和“地面士兵系统”整合作战人员的各种设备，它们的运转都来自单独一个电源。通信-电子学研究、发展与工程中心（CERDEC）是主要支持这个项目的部门，所以这种电源将会有一种结构，并且使用单独类型的充电器。未来战场上的电源还可以进行互换。所以它们能够给战场上的很多不同的设备提供电能。除了未来的一体化士兵系统之外，通信-电子学研究、发展与工程中心（CERDEC）的电池研究小组成员预测其它需要电能技术的发展。例如，战士的制服将以微型气候控制系统为特征，这个系统将使他们在热的气温条件下保持凉爽，在冷的气温条件下保持温暖。

研究人员还正在亲眼见证在机器人技术、无人驾驶运载工具和无人职守地面传感器等领域里的重大进步。“我们已经拥有这些技术了，但是我们看见对增加电源的需要如同更多的设备被投入战场，或者至少在研发的道路上，”斯莱恩说。认识到新设备几乎肯定会很快出现，通信-电子学研究、发展与工程中心（CERDEC）已经正在研究一些适合于未来发展的电源。研究人员正在全力集中研究材料工程中的纳米技术。运用在纳米技术上的突破性进展，电池的负极能被制造成更小的颗粒，这样提供了更多的表面积来提高电池的性能。

此外，最近他们已经了解了正在进行的受生物启发并按照生物学设计材料的这项工作。这项研究仍然处于大学实验室的初级阶段，斯莱恩承认，但是通信-电子学研究、发展与工程中心（CERDEC）的工程师相信现在的工作能够引领电源材料的设计。中心将参与模拟蛋白质如何形成的研究，这只是举个例子。“如果我们能够做到，那么我们能够修改材料的属性，”他解释道。

尽管斯莱恩的部门负责陆军电池“从设计到销毁”的工作，但是这个部门不是陆军唯一的研究革新电源的部门，或者就这件事而言，它也不是国防部唯一的部门。例如，作为未来勇士概念的六个主要分系统之一，位于马萨诸塞州纳题克的陆军士兵系统中心已经概要地提出了适应未来单兵特有制服的电源。被称作持续时间中心，它包括一个2瓦到20瓦由液态烃作为燃料的微型汽轮机。从插入式匣式片盒中的10盎司燃料那里，士兵可以获得满足6天使用的电能。被嵌入帽盔和武器中的聚合式纳米光纤电池板将作为备份电源，它能够持续供电达3个小时以上。

斯莱恩指出通信-电子学研究、发展与工程中心（CERDEC）研究的能源技术与士兵系统中心的能源获取项目相类似，它包括从人体的热量和士兵的运动，还有太阳那里收集能量。现在与过去一样，这些方法带来非常少的电能，但是斯莱恩承认这些方法应该在未来得到发展。

国防先进研究项目部也正在研究未来可能的能源。一种被称为“掌上电能”，致力于生产适合个人或士兵小组的电力设备，并且正在研发压缩燃料电池和“热能到电能”技术。士兵能携带便携式装置，减少对大型必须用牵引车牵引的柴油发电机的需求。国防先进研究项目部的目标是为这些便携式电源，演示论证概念的样机，这些电源能够与常规的电池合并来提高电池耐久性。电池可能不会像军队的武器系统、通信系统和计算机那样受人瞩目，但是斯莱恩指出，它们仍然影响着军事的战略和战术。事实上，很多任务的长度是由士兵能携带电能的数量决定的。“电池必须被看作与子弹和水同样重要。当后勤再供给子弹和水的时候，他们必须再补给电池，有时候那是一种重负。那就是我们努力研究再充电方法、清除设备、太阳能设备，甚至车载充电器的一个真正的原因，如果士兵在战场上可以使用车辆。士兵不需要等待后勤补给电池了，他们能用他们周围的能量来保证任务的进行。那是我们真正关注的，”斯莱恩说。

在这样的能力可以利用之前，通信-电子学研究、发展与工程中心（CERDEC）的电池研究部门将继续与工厂一起为军队研发更多的高效能量产品。斯莱恩主张，让公司负责提高电能效率将减少成本周期和士兵的负担。他还鼓励公司研发能够在商业市场上销售的产品，以便产品成本能使产品对于军队来说更能负担得起。

译自：《信号》杂志

作者：玛丽安 劳勒

编译：知远/爱唐