Военные всего мира внимательно изучают широкий спектр технологий, включая продвинутые батареи, топливные элементы, микрогенераторы, суперконденсаторы, солнечную энергию и другие способы аккумулирования энергии.
Технологии умного управления энергопотреблением и более эффективного оборудования могли бы облегчить массу носимого солдатом снаряжения, но определяемая боевой задачей потребность в ношении большего количества современных электронных устройств опережает их. В связи с этим военные по всему миру изучают самые разные технические решения. Выработка и управление электрической энергией является центральным столпом самых продвинутых программ солдатской модернизации, которые стремятся предоставить интегрированное решение со стандартными интерфейсами.
Интеграция и стандартизация являются сложными вопросами, поскольку пока отсутствует стандарт НАТО на напряжение или на соединительные устройства в солдатских системах. Тем не менее, разработчики объединяются вокруг либо "централизованных" либо "распределенных" систем энергоснабжения. В централизованных системах комплект аккумуляторов, интегрированный в ранцевую энергосистему, является единым целым с персональной электроникой. В распределенной системе каждая часть оборудования имеет свою собственную батарею и связывается с остальной системой только для передачи данных.
Централизованные энергосистемы могут уменьшить нагрузку на солдата и объем логистических операций за счет замены нескольких батарей единым перезаряжаемым блоком, который станет источником энергии для различных частей оборудования. Успешное применение таких систем рассчитано на то, что все устройства либо имеют одинаковые требования по напряжению, либо собственные встроенные схемы регулирования мощности, либо специальный блок управления энергопотреблением. Централизованные энергосистемы также лучше подходят для применения в новых технологиях, как, например, плоские кабельные проводки и электронные ткани.
Винтовки также становятся значительными потребителями электроэнергии. Уже никого не удивишь вооружением с оптическими прицелами, лазерными указателями, устройствами подсветки, тепловизорами или усилителями изображения. В настоящее время многие вооруженные силы рассматривают доработку своего вооружения за счет встроенных средств энергопитания и передачи данных. Австралийская программа модернизации снаряжения солдата LAND 125, например, включает концепцию улучшенной винтовки Steyr F88 с батарейным блоком в прикладе, снабжающим энергией дополнительные устройства через направляющие.
Вне зависимости от того, является силовая архитектура централизованной или распределенной, эффективное использование энергии системой как единым целым крайне важно. Солдаты уже управляют своим энергопотреблением за счет разумного включения и выключения оборудования, но автоматические системы динамического управления энергопитанием смогут значительно уменьшить эту часть рабочей нагрузки и одновременно максимально продлить срок службы батарей.
Эффективное управление батареями особенно важно для британской армии в Афганистане. Например, согласно расчетам Лаборатории оборонной науки и технологии (DSTL) британского минобороны, связисты и стрелки в пехотной роте оснащенные для 48-часового патрулирования на пересеченной местности могут нести 11 кг батарей. В исследованиях DSTL определено, что средний вес батарей для типичной загородной миссии составлял примерно 4 кг по сравнению с примерно 10 кг для городской задачи. Вес аккумуляторов различается между выполняемыми ролями, стрелки и связисты нагружены более всего, и хотя медработники, минометные расчеты и пулеметчики отправляются на задание с относительно легкой батарейным блоком весом менее полкилограмма, но при этом они также должны переносить другое тяжелое снаряжение. По данным DSTL, 48% массы аккумуляторов при выполнении задач на открытой местности приходится на "защиту" (глушители СВУ), тогда как на радиостанцию BOWMAN метрового диапазона приходится еще 39%. Остальная масса делится между высокочастотной радиостанцией BOWMAN, универсальной батареей BA 5590, различными коммерческими элементами AAA, AA, С и D и другими компонентами. Большая часть массы дополнительных батарей для городских задач необходима для защиты.
Чтобы быстро решить этот вопрос, британская армия недавно развернула инновационное устройство, извлекающее оставшуюся энергию от основных (неперезаряжаемых) батарей, которые кажутся уже севшими. Многие батареи имеют индикаторы оставшегося заряда, которые обычно бывают пессимистичными и показывают полный разряд, когда батарея может иметь еще от 10 до 20% остаточной мощности. Новое портативное зарядное устройство военнослужащего SPC (Soldier Portable Charger) может извлечь эту энергию. Устройство SPC, разработанное компанией ABSL Power Systems Ltd по срочному заказу Управления по интегрированным солдатским системам британского минобороны, может также извлекать энергию из широкого ряда других возможных источников, которые солдаты могут повстречать. Оно может подсоединяться почти к любому аккумулятору транспортного средства и передавать энергию от него в перезаряжаемые устройства, например, широко применяемую литиевую батарею LIPS 10. Подсоединение SPC к солнечной панели превращает его в зарядное устройство для аккумуляторных батарей.
Совместными усилиями Управление по интегрированным солдатским системам и компания ABSL Power Systems разработали более легкие, с большим сроком службы батареи для УКВ-радиостанций BOWMAN. Новые батареи базируются на химическом составе литий-монофторид углерода (LiCFx) который быстро развивается и находит все большее применение.
Все батареи используют кислород в химических реакциях, в результате которых вырабатывается электрическая энергия. В свинцово-кислотных аккумуляторах, например, источником кислорода является электролит с серной кислотой (H2SO4). А вот литиево-воздушная батарея получает свой кислород из атмосферы, что дает дополнительное снижение массы и так в уже легкой батарее, поскольку литий является самым легким металлом. Теоретически, это дает литиево-воздушным батареям очень высокую энергетическую плотность до 1000 Вт/ч на кг, хотя практические батареи, по всей видимости, не достигают этой величины. Впрочем, литиево-воздушные батареи не могут давать высокую выходную мощность, практичные перезаряжаемые версии еще должны быть реализованы, и еще есть проблемы в таких областях как, например, безопасность и срок службы. Литий это высокореактивное вещество и даже широко используемые литий-ионные батареи могут воспламениться или взорваться при повреждении или неправильном обращении.
Целью программы RBDS (Reducing the Burden on the Dismounted Soldier - снижение нагрузки на спешенного военнослужащего) является снижение нагрузки на спешенного солдата до 25 кг, основой ее являются разработки электронных систем и персонального энергоснабжения. DSTL хочет показать полностью интегрированную архитектуру электронных и энергетических систем, которая полагается на центральный источник снабжения с энергетической плотностью около 600 - 800 Вт/ч на кг. Создание прототипов было намечено на 2011 год, после чего первые работоспособные образцы могут быть получены к середине десятилетия.
В рамках программы RBDS лаборатория DSTL стремиться добиться ступенчатых изменений в энергетической плотности портативных источников энергии и рассматривает применение продвинутых концепций. Правительство, наука и промышленные группы исследуют различные технологии, включая программные агенты которые могут интеллектуально управлять энергоснабжением, перспективные химические составы, например литий-воздух, топливные элементы, фотогальванические массивы, микродвигатели, электронные ткани, аккумулирование энергии и другие.
В одной из программ изучается биомеханическое аккумулирование энергии, когда движения тела солдата используются для выработки энергии с целью приведения в действие персональной радиостанции. В исследовательской работе «Солнечный солдат» изучается многоуровневое фотогальваническое устройство, которое подает энергию для "оптимизированных носителей данных". Еще одно направление исследования включает быстроразвертываемые печатные антенны, которые можно носить на теле солдата для аккумулирования радиочастотной энергии. Желание иметь высокую пиковую мощность в короткие промежутки времени также заставляет обращать пристальное внимание на продвинутые, высокоэнергетические суперконденсаторы.
Значительная часть работ по продвинутым батареям сосредоточена на химических составах с литием, например на литиево-воздушных системах упомянутых выше. Практические литиево-воздушные батареи могут быть несколько не в тему, но за последние два года на рынок вышли батареи с новым литий-ионным составом. Это перезаряжаемые литий-железофосфатные батареи (LiFePO4). Они предлагают высокую энергетическую плотность, безопасность, долгий срок службы и хороший пиковый ток по разумной цене, и доступны в популярных форм-факторах.
Ведущими производителями литий-железофосфатных батарей являются компании Phostech Lithium из Канады и A123 Sуstems в США.
Они имеют меньшую энергетическую плотность по сравнению с упомянутыми выше первичными батареями с углеродистым монофторидом лития (LiCFx) и поэтому не уменьшат массу аккумуляторного блока солдата для данной задачи, но, будучи перезаряжаемыми, обещают снижение логистической нагрузки.
Еще одним направлением развития аккумуляторов, от которого мог бы получить пользу спешенный солдат, является слияние технологии батареи и конденсатора. Конденсатор представляет собой сборку пары проводников разделенных диэлектриками. Накопленная разность потенциалов между двумя проводниками хранится в виде статического электрического заряда в диэлектрике. Соединение положительного и отрицательного полюсов под нагрузкой быстро разряжает конденсатор. Электрическая емкость измеряется в фарадах, но поскольку фарада очень большая величина большинство конденсаторов до недавнего времени нормировались в гораздо меньших подединицах, например микрофарадах. Однако были разработаны новые мультифарадные "суперконденсаторы" и "ультраконденсаторы", хранящие очень большие заряды в малых объемах, при этом они могут освобождать накопленный заряд очень быстро и быстро перезаряжаться, но при этом не могут сохранять заряд продолжительное время. Эти характеристики позволяют им дополнять аккумуляторы, когда необходимы высокие уровни импульсной мощности за короткие промежутки времени и поэтому конденсаторы начинают применяться в новых гибридных системах аккумулирования энергии.
Топливные элементы уже долгое время привлекают внимание военных благодаря тому, что энергетическая плотность топлива гораздо выше, чем плотность любого химического состава практического аккумулятора. Топливные элементы вырабатывают энергию так долго, как долго к ним поставляется топливо и воздух. Много лет казалось, что топливные элементы отберут от аккумуляторов пальму первенства и станут предпочтительными портативными источниками энергии. Впрочем, этого не произошло из-за практических вопросов снабжения их топливом. Все топливные элементы при работе соединяют водород и кислород для выработки электрического тока, выделяя воду и тепло в качестве побочных продуктов. Основная проблема лежит в снабжении их водородом. Как газ его очень трудно транспортировать, он чрезвычайно взрывоопасен и имеет очень низкую энергетическую плотность, измеряемую в ватт-часах на килограмм. Хранение его в жидком состоянии требует криогенной температуры и высоких давлений. Все это делает водород непрактичным для использования в качестве топлива для поля боя. Топливные элементы могут работать на дизельном топливе или керосине, но для этого необходим процесс реформинга (в общем смысле - облагораживание нефтепродуктов путём дополнительной обработки) для извлечения водорода плюс, а оборудование для реформинга добавляет массу, сложность и стоимость. Это является главной причиной, почему разработка топливных элементов для солдат в настоящее время сосредоточена в основном на алкогольном топливе, например метаноле и этаноле. В зависимости от конструкции топливных элементов эти топлива могут применяться напрямую или с относительно простым внутренним реформингом.
Топливные элементы находятся в центре двух инициатив, по которым работает британская Лаборатория оборонной науки и технологии (DSTL) в сотрудничестве с промышленностью, а именно это программа персонального источника энергии PPS (Personal Power Source) и вторая под названием RBDS-CV (снижение нагрузки на спешенного солдата - видение возможностей).
По программе PPS британское минобороны финансирует разработку консорциумом компаний ABSL и Qinetiq двух систем с топливными элементами: система в краткосрочной перспективе "Strand A" и система в долгосрочной перспективе "Strand B". Первая известна под обозначением «источник энергии A1» и предназначена для выработки средней мощности 7,2 Вт в течение 48 часов с короткими максимумами до 30 Вт. Ее целевая масса составляет 1 кг при требуемой энергетической плотности более 300 Вт/ч на кг. Более крупный источник энергии из двух элементов имеет плановую выходную мощность 100 Вт в течение 12 часов в среднем с пиками до 150 Вт и планируемую массу 3,6 кг при той же требуемой энергетической плотности.
Источник A1 от ABSL предназначен для силовой портативной электроники и коммуникационного оборудования, ассоциируемых с комплектом FIST (Future Integrated Soldier Technology - перспективная интегрированная технология для военнослужащего) и комплектом BOWMAN C4I (компьютеризованная система управления, связи и разведки). Гибридный блок включает метановый топливный элемент с соответствующей установкой реформинга и батарею. Он весит около 1,4 кг и имеет энергетическую плотность примерно 250 Вт/ч на кг.
Компании Qinetiq и Jadoo совместно работают над источником A2, который также представляет собой гибридную систему топливных элементов и аккумулятора. В протонообменной мембране РЕМ (proton exchange membrane) этого топливного элемента применяется боран аммиака в качестве источника водорода. Боран аммиака (H3NBH3) – бесцветный твердый гидрид бора-азота, который хранит больше водорода на единицу объема, чем чистый жидкий водород и при нагревании высвобождает газообразный водород. Предполагается, что источник A2 массой 6,3 кг будет вырабатывать энергию 1400 Вт/ч при плотности примерно 220 Вт/ч на кг.
В свою очередь, система Strand В в долгосрочной перспективе «полагается» на успешную разработку перезаряжаемого литиево-воздушного аккумулятора.
Компания SFC Energy является лидером в сфере устройств мобильной энергетики, предназначенных для гражданских, промышленных и военных приложений. Некоторое время назад она представила JENNY 600S. Это легкий портативный топливный элемент для военного применения его можно носить либо на теле, либо использовать для работы дистанционных устройств в поле. Как и во всех топливных элементах компании SFC в JENNY применяется технология прямого окисления метанола.
Переносные генераторы с небольшими двигателями внутреннего сгорания уже давно применяются на поле боя, современные экземпляры надежны и экономичны, но их переносимость не вписывается ни в какие рамки. Например, стандартный "переносной" генератор мощностью 2 кВт американской армии весит 40 кг. В связи с этим промышленность и наука работают над миниатюрными генераторами и даже над микрогенераторами. Первые имеют много общего с двигателями для небольших БПЛА и довольно близки к выходу на рынок, тогда как последние имеют меньший уровень технологической готовности и представляют собой так называемые микроэлектромеханические системы (MEMS), изготавливаемые с применением технологий получения полупроводников, ведущих свое начало от производства микропроцессоров.
Небольшие генераторы имеют блестящие перспективы, поскольку жидкие топлива имеют существенно большую энергетическую плотность, чем большинство аккумуляторов, то есть этим двигателям необходимо иметь КПД примерно 20%, чтобы достигнуть энергетической плотности в 10 раз большей, чем у обычных батарей. Эти цифры озвучила группа по двигателям внутреннего сгорания MEMS в машиностроительном департаменте университета в Беркли. Большинство автомобильных двигателей достигают КПД 30%.
Компания Cubewano стремится к производству устройств, чья выходная мощность 2 кВт равна мощности генераторов, используемых в американской армии, но которые весят всего 9 - 10 кг вместе с топливом. Такой генератор мог бы обеспечит заряд батарей и прямое энергоснабжение для группы из семи или двенадцати солдат выполняющих боевую задачу продолжительностью 72 часа. В роторных двигателях Sonic от Cubewano используется искровое зажигание, синхронизированное с большой точностью с помощью стандартного электронного управляющего блока гоночных автомобилей, который позволяет им работать на разных типах топлива, включая дизельное, керосин и бензин.
Двигатели внутреннего сгорания MEMS еще не достигли технологической зрелости, в научном сообществе продолжаются различные исследования, включая вопросы герметизации, смазки, смесеобразования, зажигания, управление тепловыделением, диагностику двигателей и компоновку дополнительных систем.
Роторный двигатель MEMS разработанный в университете Беркли имеет крошечный ротор 1 мм, вращающийся со скоростью примерно 40000 об/мин, он вырабатывает примерно 26 милливатт энергии при рабочем объеме 0,064 мм3. Кембриджский университет имеет подобную программу по микродвигателю. В Беркли также работают над более крупным минироторным двигателем с выходной мощностью от 10 до 100 Вт, который позволил бы сделать эту технологию жизнеспособной в области энергоснабжения солдатских систем.
Двигатели этого размера могли бы в конечном итоге заменить аккумуляторы, в сфере переносного электронного оборудования они составляют сильную конкуренцию топливным элементам.
Есть много претендентов на роль предпочтительного энергетического источника солдата, и пока соперничающие технологии находятся в процессе развития, определить победителя не представляется возможным. Впрочем, вполне вероятны модульные, специализированные сочетания этих технологий.
Мерзляков Вячеслав
08.12.2012