Военные внимательно следят за появлением новых технологий, в частности, за появлением продвинутых батарей, микрогенераторов, топливных элементов, источников солнечной энергии, суперкондесаторов, которые предназначены для аккумулирования энергии.
Полный боевой комплект солдат весит немало, однако боевые задачи предполагают в настоящее время и ношение большого количества новейших электронных устройств. Применение более эффективного оборудования и технологий умного управления энергопотреблением в значительной степени облегчили бы массу этого снаряжения. Поэтому возникла необходимость поиска и изучения новых технологических разработок. В свою очередь, в наиболее продвинутых программах военной модернизации, центральное место занимает выработка и управление электроэнергией.
Процессы стандартизации и интеграции в НАТО крайне сложны, потому как не существует единого натовского стандарта соединительных устройств или напряжения в системах обеспечения деятельности солдата. Поэтому, как правило, разработчики свои основные усилия направляют на разработку распределенных и централизованных систем энергосбережения.
Распределенная система характеризуется тем, что каждая отдельная часть оборудования оснащена собственной батареей, а связь с остальными частями осуществляется исключительно для передачи данных. Централизованная система характеризуется тем, что комплект аккумуляторов, который в нее входит, интегрирован в ранцевую энергетическую систему, и представляет собой единое целое с персональной электроникой.
Благодаря централизованной системе возможно уменьшение нагрузки на человека, а также объема логистических операций, которое достигается за счет использования вместо нескольких батарей единого перезаряжаемого блока, являющегося источником энергии для оборудования. Чтобы использование их было эффективным, необходимо, чтобы все устройства имели одинаковое напряжение, либо имели собственные системы регулирования мощности или же блок управления энергопотреблением. Использование централизованных энергосхем больше подходит для использования в современных технологиях, в частности, в электронных тканях и плоских кабельных проводках.
Потребителем электроэнергии в настоящее время становится также и стрелковое оружие. Ни для кого уже не является новинкой оптические прицелы, лазерные указатели, устройства подсветки, усилители изображения и тепловизоры. Многие военные также не исключают возможности модернизации и доработки вооружения через встроенные средства передачи данных и энергопитания. Так, к примеру, программа модернизации солдатского снаряжения LAND 125 Австралии включает улучшенную винтовку Steyr F88, оснащенную батарейным блоком, который снабжает энергией дополнительные устройства.
ISSE DE&S (Управление по интегрированным солдатским системам МО Великобритании) и компанией ABSL Power Systems совместными усилиями были разработаны легкие батареи для радиостанций с ультракоротким диапазоном BOWMAN, которые имеют больший срок службы. Батареи основаны на соединении литий-монофторид углерода, в последнее время находящего все большее применение.
В химических реакциях батарей используется кислород, в результате чего вырабатывается электроэнергия. Свинцово-кислотные аккумуляторы, к примеру, кислород вырабатывается благодаря электролиту с серной кислотой. В литиево-воздушных батареях кислород получается из атмосферы, за счет чего снижается масса батареи. В теории, литиево-воздушные батареи получают большую энергетическую плотность, равную 1000 Вт/ч на 1 килограмм элемента, но на практике батареи такого типа пока не достигают этой плотности. Помимо этого, такие батареи не способны дать высокой выходной мощности, и на практике перезаряжаемые модели еще не реализованы. К тому же, существуют определенные проблемы со сроком эксплуатации и безопасностью, потому как литий является высокореактивным веществом и может взрываться или воспламеняться при повреждениях или неосторожном обращении.
Британским МО в настоящее время осуществляется программа RBDS, которая имеет своей целью снижение нагрузки на солдата до 25 килограммов. В основу ее положены разработки персонального энергосбережения и электронных систем. Конечным результатом должно стать создание интегрированной архитектуры энергетических и электронных систем, которая будет полагаться на основной источник питания, имеющий энергетическую плотность порядка 600-800 Вт/ч на килограмм. Первые прототипы были созданы в 2011 году, а рабочие образцы могут появиться уже через несколько лет.
Программа RBDS предусматривает рассмотрение применения различных концепций с целью достичь ступенчатых изменений энергетической плотности энергоисточников.
Надо сказать, что ученые и промышленные группы занимаются исследованиями различных технологий, в частности, программных агентов, которые способны совершать интеллектуальное управление энергосбережением, а также топливные элементы, химические перспективные составы, фотогальванистические массивы, аккумулирование энергии, электронные ткани и микродвигатели.
Так, в рамках одной из программ МО Великобритании проводится изучение биомеханического аккумулирования энергии, которое заключается в том, что движение тела используется для выделения энергии, которая и используется для обеспечения работы персональной радиостанции. Исследовательская работа «Солнечный солдат» занимается изучением многоуровневого фотогальванического устройства, подающего энергию для устройств. Помимо этого, существует и еще одно направление исследовательской работы, которое направлено на разработку быстроразвертываемых печатных антенн, которое можно носить на теле и с их помощью аккумулировать радиочастотную энергию. Необходимость большой мощности в определенные короткие временные промежутки заставляет обращать внимание и на перспективные суперконденсаторы.
Большое количество исследований по продвинутым батареям сосредоточено на использовании литиево-воздушных систем, о которых мы упоминали выше. Ввиду того, что применение практических литиево-воздушных систем нерационально, в последние несколько лет в мире появились новые батареи, имеющие литий-ионный состав. Ими являются литий-железофосфатные безопасные батареи, которые обладают высокой пиковой мощностью и высокой энергетической плотностью. Среди производителей таких батарей ведущие позиции занимают американская компания A123 Sуstems и канадская Phostech Lithium. Особенность новых батарей заключается в том, что они обладают гораздо большей энергоплотностью, поэтому при перезарядке смогут обеспечить уменьшение логистических задач.
Существует и еще одно направление в развитии аккумуляторов, которое заключается в слиянии двух технологий – конденсатора и батареи. Конденсатор – это пара проводников, которые разделены диэлектриками. Между этими проводниками накапливается разность потенциалов, которая представляет собой электрический статический заряд. Когда положительный и отрицательный полюса соединяются, конденсатор разряжается. Электроемкость измеряется в фарадах, но в последнее время появились мультифарадные конденсаторы, которые содержат большой электрический заряд в небольшом объеме, могут быстро разряжаться и перезаряжаться. Недостатком их является неспособность сохранять заряд долгое время. Благодаря таким своим характеристикам суперконденсаторы могут дополнить аккумуляторы в тех случаях, когда необходима высокая импульсивная мощность на небольшой временной промежуток.
Использование энергии как единого целого очень важно, независимо от типа силовой архитектуры. До настоящего времени солдаты уже научились более разумно использовать энергию, управляя энергопотреблением при помощи включения и выключения оборудования. Вместе с тем, автоматические системы управления дадут возможность продлить срок службы батарей и снизить уровень рабочей нагрузки.
Особенно важно эффективное управление энергопотреблением для солдат в боевой обстановке. К примеру, в Афганистане, пехотинцы и связисты, которые проводят двухсуточное патрулирование по пересеченной местности, могут носить до 11 килограмм батарей. При этом практически половина массы аккумуляторов используется для защиты, в то время как для метровой радиостанции используется всего 39 процентов. Остальные 22 процента делятся между универсальной батареей, высокочастотной радиостанцией, коммерческими элементами.
Для того чтобы уменьшить вес аккумуляторов, по заказу британских военных компанией ABSL Power Systems Ltd было разработано новое устройство, которое способно извлекать остаток энергии из неперезаряжаемых севших батарей. Устройство, названное SPC, помимо извлечения энергии из батарей, может проделывать то же самое и с другими возможными источниками энергии. Данное устройство можно подсоединить к аккумуляторам транспортных средств и передать необходимое количество энергии в перезаряжаемое устройство. Кроме того, прибор можно подсоединить к солнечной панели, тогда оно превратится в зарядное устройство для батарей.
На поле боя уже давно используются переносные генераторы, оснащенные двигателями внутреннего сгорания небольших размеров. Такие генераторы экономичны и надежны, но переносить их непросто ввиду немаленького веса. Это стало причиной того, что ученые и промышленность занялись разработками миниатюрного генератора или даже микрогенератора. Первый тип устройства очень близки к двигателям беспилотников, и в скором времени могут появиться на рынке. Что касается второго типа, то это микроэлектромеханические системы, которые изготавливаются с использованием технологии получения полупроводников.
Так, компанией Cubewano проводятся разработки, направленные на создание устройств, которые при небольшом весе (порядка 10 килограммов) имели бы выходную мощность в 2 кВт. Такое устройство могло бы обеспечить энергией группу из 8-12 солдат на 72 часа. Роторные двигатели Sonic от данной компании используют искровое зажигание, и могут работать на различном топливе.
Что касается двигателей внутреннего сгорания MEMS (микроэлектромеханические системы), то по ним еще ведутся исследования, направленные на решение вопросов герметизации, смесеобразования, смазки, зажигания, диагностики двигателя, управления тепловыделением и компоновки дополнительных систем.
Роторные двигатели MEMS, разработанные в университете Беркли, способны выработать около 26 милливатт энергии. Такая же программа существует и в Кембриджском университете. Помимо этого, в Беркли также проводятся разработки минироторного двигателя, который смог бы вырабатывать 10-100 Вт. Такие двигатели могли бы прийти на смену аккумуляторам.
Что касается топливных генераторов, то они уже долгое время находятся в центре внимания военных. Это обусловлено более высокой, по сравнению с химическими составами, энергетической плотностью топлива. Топливные элементы способны вырабатывать энергию, пока к ним поступает воздух и топливо. Некоторое время казалось, что такие элементы потеснят аккумуляторы, став более предпочтительными портативными источниками энергии. Но на практике этого не случилось ввиду проблем со снабжением их топливом. Помимо этого, проблема заключается и в снабжении их водородом, необходимым для соединения с кислородом и выработки тока. Водород очень проблематично перевозить, потому как он взрывоопасен и обладает низкой энергетической плотностью. Хранение его в жидком состоянии также сопряжено с определенными проблемами, поскольку для этого требуются очень низкие температуры и высокое давление. Все эти характеристики делают водород очень непрактичным для использования, особенно на поле боя.
Топливные элементы вполне могут работать на керосине или дизельном топливе, но для этого необходима дополнительная обработка нефтепродуктов, а необходимое для этого оборудование чрезвычайно дорогое.
В конечном итоге все эти проблемы привели к тому, что на данный момент основные разработки топливных элементов для военных сосредоточены на использовании алкогольного топлива, в частности, этанола и метанола.
Топливные элементы находятся в центре двух разработок британской лаборатории оборонной технологии и науки: программы RBDS-CV по снижению нагрузки на солдата и персонального источника энергии Personal Power Source.
В разработке PPS принимают участие компании Qinetiq и ABSL, которые работают над созданием двух систем с топливными элементами: Strand A и Strand B. Первая система предназначена для выделения мощности порядка 7,2 кВт на протяжении двух суток. Ее использование возможно в силовой портативной электронике и коммуникационном оборудовании, в частности, BOWMAN C4I и FIST. Вес источника составляет порядка 1,4 килограмма, а сам он обладает энергетической мощностью 250 кВт в час на килограмм.
Компании занимаются совместными разработками и вторым источником, который представляет собой объединение аккумулятора и топливных элементов. Протоннообменная мембрана в качестве источника водорода использует твердый бесцветный гидрид бора-азота. Вес второго источника составит около 6,3 килограммов, а его энергетическая мощность будет равна 220 кВт в час на килограмм.
Существует и еще один перспективный топливный элемент, предложенный компанией SFC Energy – это легкое портативное устройство для военного использования под названием JENNY 600S. В нем использована технология прямого окисления метанола. Носить его можно на теле, а также использовать для проведения работ дистанционных устройств.
В настоящее время определить, какая из всех перечисленных технологий является лучшей, невозможно. Все они находятся в процессе развития и совершенствования, и вполне возможно, что в будущем возможно появление устройств, которые будут сочетать в себе данные технологии.
Использованы материалы:
http://www.army-guide.com/rus/article/article_2317.html
