石治國(guó)

（海軍駐天津地區(qū)兵器設(shè)備軍代表室，天津300381）

蓄電池是無(wú)人機(jī)飛行的最關(guān)鍵系統(tǒng)之一。機(jī)載電源，除了武器專(zhuān)用電源外，蓄電池還廣泛地用于無(wú)人機(jī)啟動(dòng)引擎和輔助動(dòng)力裝置，也為必要的航空電子控制設(shè)備提供支撐電源，為保障導(dǎo)航設(shè)備和飛行線路計(jì)算機(jī)做不間斷電源，鑒于這些功能都是起限制飛行任務(wù)的作用，所以對(duì)飛機(jī)電源首當(dāng)其沖的要求是安全可靠，性能必須穩(wěn)定耐久，能為飛機(jī)的各種應(yīng)急環(huán)境下維持航行控制系統(tǒng)工作提供支持。目前應(yīng)用在無(wú)人機(jī)上的電源主要有燃料電池、太陽(yáng)電池和鋰離子電池等。

1 燃料電池

較大型的無(wú)人機(jī)配備燃燒式發(fā)動(dòng)機(jī)，使用傳統(tǒng)燃油，如JP-8或混合燃油來(lái)驅(qū)動(dòng)；小型的無(wú)人機(jī)則大多使用電力發(fā)動(dòng)機(jī)，一般由鋰電池來(lái)驅(qū)動(dòng)。隨著軍方對(duì)替代性能源的不斷開(kāi)發(fā)，使用燃料電池取代鋰電池甚至內(nèi)燃機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)的技術(shù)逐漸吸引了人們的注意。它不但能量轉(zhuǎn)換效率高(一般都在40%～50%)、壽命長(zhǎng)、比功率高，而且對(duì)環(huán)境無(wú)污染。世界上許多國(guó)家都非常重視燃料電池開(kāi)發(fā)。近年來(lái)，由于電極材料、總體質(zhì)量、制造成本等方面的原因，人們對(duì)其短期內(nèi)進(jìn)入實(shí)用化的可能性提出質(zhì)疑，因而減緩了研制進(jìn)度。

但是，燃料電池技術(shù)的支持者們認(rèn)為，燃料電池比現(xiàn)有的電池及內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)都擁有更多的優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)電池相比它們尺寸小質(zhì)量輕，工作時(shí)間長(zhǎng)且安全性好；與內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)相比它們?cè)胍舻?、排放量小，工作高效且能支持室?nèi)作戰(zhàn)行動(dòng)。保守觀點(diǎn)則認(rèn)為燃料電池仍存在許多缺點(diǎn)，包括元件價(jià)格較高，如PEM電池的催化劑和交換膜都是由昂貴物質(zhì)制造的。另外電池內(nèi)發(fā)生反應(yīng)時(shí)會(huì)發(fā)熱，因此電池的工作溫度必須控制以防止出現(xiàn)熱損傷。對(duì)水和空氣的處理也非常關(guān)鍵。燃料電池運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量和水，假如處理不當(dāng)，沒(méi)有及時(shí)將生成的水排出，電極很可能會(huì)被“淹死”或是出現(xiàn)高溫導(dǎo)致一系列問(wèn)題[1]。

2 蓄電池和燃料電池混合電源系統(tǒng)

為了解決軍用無(wú)人機(jī)在續(xù)航能力方面需求的不斷增加，這科學(xué)家正在工業(yè)界的幫助下，致力于克服現(xiàn)有蓄電池和燃料電池的局限性。他們面對(duì)的挑戰(zhàn)是開(kāi)發(fā)續(xù)航時(shí)間更長(zhǎng)的蓄電池和大功率的燃料電池，或是蓄電池和燃料電池的某種可靠結(jié)合體，以延長(zhǎng)飛行器的工作時(shí)間。

美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室(AFRL)正在研制將蓄電池和燃料電池結(jié)合的組合系統(tǒng)。蓄電池可滿足峰值功率需求，但是巡航飛行不需要過(guò)大的功率。為了擁有更長(zhǎng)的巡航飛行時(shí)間(大約1 h)，實(shí)驗(yàn)室正在致力于將蓄電池和燃料電池相結(jié)合，以獲得更長(zhǎng)的巡航時(shí)間。燃料電池可以將一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的能量翻倍，但不能提供足夠的功率。美洲虎是航空環(huán)境公司的小型無(wú)人飛行系統(tǒng)系列投資之一。整個(gè)飛行器都由燃料電池提供穩(wěn)定的動(dòng)力，當(dāng)需要更大的功率時(shí)就從蓄電池里提取能量。該系統(tǒng)聯(lián)合工作，并有一個(gè)動(dòng)力控制設(shè)備，以控制動(dòng)力的來(lái)源。蓄電池僅在功率需求高峰時(shí)使用，且每次只使用幾分鐘。當(dāng)無(wú)人機(jī)巡航飛行時(shí)，燃料電池為蓄電池充電。體積和質(zhì)量是燃料電池系統(tǒng)面臨的大問(wèn)題。整個(gè)燃料電池系統(tǒng)包括一個(gè)泵、燃料罐和風(fēng)扇，占了美洲虎無(wú)人機(jī)質(zhì)量(5.9 kg)的三分之一。該燃料電池是氫動(dòng)力的。為了將每個(gè)部分都小型化，需要更好的泵，而燃料電池系統(tǒng)也需要不同的燃料以達(dá)到更好的能量密度。AFRL正在研究使用丙烷和丁烷以及硼氫化納的燃料電池。當(dāng)開(kāi)始對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行小型化時(shí)，整個(gè)燃料電池系統(tǒng)都要重新設(shè)計(jì)，隨著尺寸的縮小，集成的難度也越來(lái)越大。AFRL將與工業(yè)界合作，繼續(xù)研究更小的無(wú)人系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)。

3 太陽(yáng)電池

在眾多新型飛行器中特別值得一提的是太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)。太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)是利用太陽(yáng)光輻射能作為動(dòng)力在高高空連續(xù)飛行數(shù)周以上的無(wú)人駕駛飛行器，它利用太陽(yáng)電池將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，通過(guò)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生飛行動(dòng)力。白天，太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)依靠機(jī)體表面鋪設(shè)的太陽(yáng)電池將吸收的太陽(yáng)光輻射能轉(zhuǎn)換為電能，維持動(dòng)力系統(tǒng)、航空電子設(shè)備和有效載荷的運(yùn)行，同時(shí)對(duì)機(jī)載二次電源充電；夜間，太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)釋放二次電源中儲(chǔ)存的電能，維持整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。如果白天儲(chǔ)存的能量能滿足夜間飛行的需要，則太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)理論上可以實(shí)現(xiàn)“永久”飛行。研制太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)要解決兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，一是能有效地將太陽(yáng)能聚集起來(lái)，二是如何解決夜間和陽(yáng)光微弱時(shí)的能源問(wèn)題。

據(jù)報(bào)道，由于透明柔性染料敏化太陽(yáng)電池(DSSCs)具備較佳的光電轉(zhuǎn)換效率和良好的擴(kuò)展性，華盛頓大學(xué)多學(xué)科聯(lián)合攻關(guān)小組(MURI)的斯塔亞博士正在進(jìn)行一項(xiàng)將其應(yīng)用于航空器的研究。據(jù)介紹，DSSCs與傳統(tǒng)硅系太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)不同，其納米半導(dǎo)體表面的涂料能捕獲光子并將其轉(zhuǎn)化為電子。這種太陽(yáng)電池具有較佳的光電轉(zhuǎn)換效率和良好的擴(kuò)展性能，在價(jià)格上也更易進(jìn)行推廣。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，研究人員最終采用了薄膜電池技術(shù)，使用輕型薄膜太陽(yáng)電池的試驗(yàn)飛機(jī)終于試飛成功。目前該小組正致力于研制出面積更大、光電轉(zhuǎn)換效率更高、更柔韌的DSSCs涂料，以便將其應(yīng)用到美國(guó)空軍的無(wú)人飛機(jī)上。

太陽(yáng)電池的發(fā)展水平是決定太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)性能的根本。目前在太陽(yáng)電池的研究方面進(jìn)步較快，各種材質(zhì)的高效電池不斷涌現(xiàn)，但航空領(lǐng)域?qū)μ?yáng)電池的要求并不僅僅是較高的轉(zhuǎn)化效率，它還要求電池具有良好的物理特性，如耐高/低溫變化、耐輻射、耐腐蝕、高可靠性等。我們必須結(jié)合航空領(lǐng)域?qū)μ?yáng)電池的具體要求，從現(xiàn)有電池中尋找理想產(chǎn)品并把它成功應(yīng)用于太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)。對(duì)比當(dāng)前各種電池，高端單晶硅產(chǎn)品憑借其高效、無(wú)毒無(wú)污染、技術(shù)成熟等特性成為當(dāng)前太陽(yáng)能航空器中應(yīng)用最為廣泛的電池品種。而各種輕質(zhì)、低成本柔性薄膜電池和多元化合物電池將隨著其效率的提高逐步取代硅基剛性電池，成為今后太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的動(dòng)力電源。

(1)太陽(yáng)電池與燃料電池混合電源系統(tǒng)

儲(chǔ)能系統(tǒng)是太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)中重要的組成部分，目前國(guó)外太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)概念設(shè)計(jì)階段都提出儲(chǔ)能器應(yīng)選擇高能量密度、高效率的燃料電池。

在美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)的支持下，AeroVironment公司研制成功一架使用燃料電池作推進(jìn)無(wú)人太陽(yáng)能飛機(jī)的備份動(dòng)力的無(wú)人駕駛飛機(jī)太陽(yáng)神號(hào)(helios)。太陽(yáng)神機(jī)翼上有62 000枚太陽(yáng)電池，以此驅(qū)動(dòng)由小型電力馬達(dá)所轉(zhuǎn)動(dòng)的14具螺旋槳。Aero Vironment公司正在發(fā)展可重復(fù)充電的氫氧能源儲(chǔ)存系統(tǒng)。太陽(yáng)神號(hào)白天多余的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)存至燃料電池以在夜間使用，實(shí)現(xiàn)能在空中飛行幾個(gè)月時(shí)間，提高飛行半徑和對(duì)偏遠(yuǎn)地區(qū)的偵探。

(2)太陽(yáng)電池與鋰電池的混合電源系統(tǒng)

燃料電池盡管應(yīng)用于大型飛行器已獲得成功，但對(duì)于輕、微型飛行器，其現(xiàn)有的體積和質(zhì)量是無(wú)法獲得應(yīng)用的。目前國(guó)外輕、微型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)都采用高比能量的鋰電池。鋰電池技術(shù)成熟，應(yīng)用簡(jiǎn)單方便、安全性和可靠性都較好?？沙潆姷匿囯姵?，具有很好的能量質(zhì)量比，不使用時(shí)電量損失也較慢，但在大功率下工作時(shí)間有限。

鋰-硫可充電電池具有的能量在任意兩種可組合物質(zhì)形成的電池中是最高的，同時(shí)，也是一種相對(duì)便宜的材料[2]。硫基鋰鹽的理論比能量為2.5Wh/kg，是鋰離子電池0.58Wh/kg的四倍多。由于結(jié)構(gòu)中不含重金屬，鋰-硫電池與其它電池相比更環(huán)保，也更容易處理。鋰-硫電池供電時(shí)間將比鋰離子電池更長(zhǎng)。美國(guó)Sion Power宣布，其專(zhuān)有的鋰硫(Li-S)電池，在英國(guó)的奎奈蒂克公司(QinetiQ)的微風(fēng)(Zephyr)無(wú)人機(jī)連續(xù)超過(guò)336 h的飛行中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。"微風(fēng)"由超輕的碳纖維制造，質(zhì)量?jī)H為53 kg，機(jī)翼約長(zhǎng)22.5m，上表面覆蓋著薄膜非晶硅太陽(yáng)電池和鋰硫蓄電池。同時(shí)，通過(guò)無(wú)人機(jī)航電系統(tǒng)控制電池組的能力也得到提升。白天，太陽(yáng)能給該無(wú)人機(jī)提供動(dòng)力的同時(shí)，也給機(jī)翼上安裝的鋰硫電池充電；晚上，飛機(jī)依靠電池繼續(xù)飛行。與傳統(tǒng)飛機(jī)或者無(wú)人機(jī)不同的是，微風(fēng)不需要定期返回地面補(bǔ)充燃料。在無(wú)人駕駛飛機(jī)中，由太陽(yáng)能/電池提供無(wú)人駕駛飛機(jī)的全部動(dòng)力。

4 鋅-空氣電池及溫差電池

據(jù)報(bào)道，美國(guó)Arotech公司研制的一種裝于海軍陸戰(zhàn)隊(duì)“龍眼”無(wú)人機(jī)上的原型鋅電池已在弗吉尼亞州匡蒂科通過(guò)了里程碑試驗(yàn)。在地面試驗(yàn)期間，該電池表明它能支持“龍眼”無(wú)人機(jī)。Arotech在聲明中說(shuō)，它認(rèn)為鋅航空電池能延長(zhǎng)無(wú)人機(jī)的續(xù)航性。美陸軍也已投資正在研制該電池?！褒堁邸笔鞘澜缟贤度胧褂玫臒o(wú)人機(jī)當(dāng)中最小的，它重2.3 kg，長(zhǎng)3英尺，翼展45英寸。“龍眼”無(wú)人機(jī)是美軍在陸戰(zhàn)隊(duì)作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始研發(fā)的，僅花費(fèi)了620萬(wàn)美元就開(kāi)發(fā)成功。該機(jī)可以使用由Arotech公司電燃料(ElectricFuel)子公司開(kāi)發(fā)的鋅-空氣電池。ElectricFuel公司的無(wú)人機(jī)電池是該公司最先進(jìn)的鋅-空氣電池的改型，具有功率大、質(zhì)量輕特點(diǎn)。該公司認(rèn)為，它的鋅-空氣電池具有大幅度延長(zhǎng)這種偵察飛機(jī)任務(wù)耐航時(shí)間的潛力。

此外，美國(guó)國(guó)防預(yù)研計(jì)劃局大部分用于微型無(wú)人機(jī)“賦能技術(shù)”（使微型無(wú)人機(jī)"能飛"的技術(shù)）的投資都集中于提高推進(jìn)效率，其中包括“微中子”狄塞爾發(fā)動(dòng)機(jī)/半導(dǎo)體薄膜溫差電池，由D-STAR工程公司/布萊克斯堡技術(shù)公司研制，發(fā)動(dòng)機(jī)功率80W，組件直徑2 cm。溫差電池采用先進(jìn)量子阱技術(shù)，附在發(fā)動(dòng)機(jī)壁上直接把熱能變?yōu)殡娫矗? cm3內(nèi)燃機(jī)廢熱產(chǎn)生20W功率。

5 展望

綜上所述，各種能源技術(shù)在無(wú)人機(jī)電源中都有應(yīng)用，但根據(jù)航空飛行器的體積和用途，太陽(yáng)電池、燃料電池及蓄電池的研究和應(yīng)用價(jià)值各有不同，因此，三者的聯(lián)合應(yīng)用更能符合未來(lái)軍事的需求。

[1] 李國(guó)欣.新型化學(xué)電源技術(shù)概論[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2007.

[2] LINDEN D,REDDY T B.電池手冊(cè)[M].汪繼強(qiáng)，譯.3版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.