影响军事变革的关键科技：能源和动力技术

影响军事变革的关键科技：能源和动力技术能源技术的发展对国家安全和军事具有重大影响。

工业和人口的增长增加了对清洁的和可持续利用的能源的要求。

据预测，如果温室效应不那么严重，今后50年人们仍将以使用矿物燃料（石油、天然气、水合物－－甲烷气体与水的混合物）为主。

因此，矿物燃料及其产地（尤其是中东地区），不论从经济还是从地缘政治，即国家安全的角度来说都是十分重要的。

在使用矿物燃料方面，当前的注意力更多地放在提高效率，降低燃料消耗方面。

1971－1984年，国外以不变价格进行生产加工所消耗的能源降低了29％，将来还可以降低50％。

人们正在追求每加仑汽油可以跑130，甚至190千米的汽车；家庭住房将来可以节省10－30％的能源。

今天军事系统多数使用石油作燃料（除了核航母和潜艇外），石油类燃料与空气燃烧每磅可产生近20000英国热量单位（BTU）。

未来燃料产生的能量可以大大增强。

发现并利用新能源具有巨大的经济、政治、军事意义，许多科学家正在进行研究，以期取得突破。

一方面，科学家企图更多地利用诸如太阳能、风能、水能、海洋波浪能量等可再生和重复使用的、对环境友好的、成本较低（如太阳能发电的成本仅仅是大型发电站的1/2-1/5）的能源。

另一方面，科学家还在寻找新的替代能源，如核聚变、或以氢为基础的能源、从空间真空中挖掘"零点能量"、利用基因工程大大提高制造酒精的生物总量等。

但是，据科学家预测，在今后25年内，受控核聚变发电技术仍无法取得突破。

只有电解水释放的热能比它消耗的电力多，证明"冷聚变"是真实的这一事实，为开发新能源提供了一线希望。

高能量密度材料的另一个领域是长寿命微型探测装置使用的和其它小型应用要求的微动力源。

包括微型燃产电池、纳米机器用的涡轮交流发电机组等技术。

目的是研制像手表纽扣电池那么大的微动力源，储能能力至少是目前最好的锂蓄电池的5倍。

在军事领域，对能源和动力的需求不但越来越高，而且还提出许多特殊要求。

武器系统为了提高射程（或航程）和机动能力，要求提供更多的能量；由于现代武器系统装备了大量信息系统，甚至电炮、激光、高能微波等新的高能武器，需要提供高功率电力；此外，在特殊环境中工作的空间系统、微型系统，需要特殊的能源。

现代陆军的平台需要的电力是：人（<10×3瓦）；无人机（>10×3瓦）；地面车辆（<×5瓦）；坦克（操作－<10×6瓦；停驶观察－10×3－10×4瓦）；直升机（<10×6瓦）。

探测装置需要的电力：前视红外（8瓦）；雷达（>100瓦）；无线电通信（9瓦）；处理器（>10瓦）；显示器（8瓦）。

未来卫星系统需要的功率大于一千瓦、工作时间长于3年。

行星际探测器要求能源系统工作时间更长、更可靠。

未来安装高能武器的全电战车需要更多的电力：电炮700－2400千焦；激光100千焦；高能微波武器40千焦耳；电装甲216千焦耳。

舰载激光或高能微波武器需要100－500千瓦的能量，即要求550千瓦的柴油发动机作为原始的能源。

目前正在发展的、为军事系统提供高能量密度的能源技术有：先进柴油发电机、太阳能电池、燃料电池、锂聚合物蓄电池、电解电容器、通过人行走的机械运动来发电的发电靴，以及利用深海洋流发电的材料，如静电聚合物、压电材料。

一、太阳能电池今天的太阳能电池采用低成本的硅，能量转换效率为13％；更耐辐射的砷化镓的能量转换效率为19％。

先进的太阳能电池包括薄膜、多晶（或非晶）硅多带隙（MBG），它们的成本更低，效率更高，更耐辐射。

现在最好的太阳能电池转换效率达到27％。

太阳能电池在空间用得比较多。

通信卫星和侦察卫星一般多使用太阳能帆板提供电力。

"深空1"探测器采用折射线形元件技术的太阳能搜集器阵列（SCARLET），它使用GaInP2/GaAs/Ge 太阳能电池，电力达2521瓦，比预期值稍高，转换效率为22.5％，采用SCARLET技术可以提供60瓦/千克的质量效率比。

"火星勘察者2001着陆器"将使用两个超灵活太阳电池阵列，可以提供870瓦的能量，每个翼仅重4.2千克。

为国际空间站建造的临时控制舱，用于将空间站推向较高的轨道。

它将安装16个太阳能阵列。

轻型飞机的太阳能电池厚度为125微米，密封厚50－100微米，覆盖层厚25微米，每千克太阳能电池可以产生200瓦电力。

如果采用超薄（5微米）砷化钾做太阳能电池，输出会更高。

使用复合材料制造的光学设备和结构的太阳电池阵列能够提供2570瓦电力，比功率为每千克质量60瓦。

二、核发电系统核电力系统具有高功率密度，操作与轨道位置无关、使用寿命长等特点。

一般多采用核裂变和放射性同位素两种系统。

因为长时间无人维护使用，要求高度可靠和自动控制。

因为需要温度控制，所以体积应该小，才好屏护和进行辐射加固。

放射性同位素电源的功率可达几百瓦，每年每衙克可产生43800瓦小时的电力，而化学蓄电池每衙克只能产生200瓦小时的电力。

放射性同位素电源的半衰期为88年，在十年内该电力系统的功率能够保持在最大功率的15％的范围内，即在该期间能量功率比可保持为每衙克430000瓦小时。

美国23个航天器采用过该种设备。

前苏联的海洋监视卫星使用核放射性同位素电源为星载雷达供电。

一些执行行星际探险任务的诸如"伽利略"、"尤利塞斯"、"卡西尼"号航天器上使用了同位素热电发电机，它们的性能稳定，工作可靠。

在小行星带外探索太阳系的"卡西尼"使用放射性同位素加热热电转换器提供电力，燃料为钚－238，但转换效率只有6.7％，价格昂贵，发射前的安全也是问题。

三、燃料电池燃料电池通过控制氢和氧的分学反应，产生电力。

其优点是：·比柴油发电机和气轮机效率高（燃料电池能量转换效率达35％－75％，新型固体氧化物燃料电池，效率可以提高到80％，而涡轮发电机的效率只有30％。

）；·产生的二氧化碳少；·燃料多样灵活；·安静；·不用燃烧燃料，没有活动部件；·电能质量高·对环境友好。

燃料电池的缺点是：成本较高、燃料需改造、尺寸较大、使用时间短。

美国能源部推荐采用质子交换膜燃料电池技术，质子交换膜燃料电池在减轻重量和体积方面有了很大的进展。

主要技术障碍是把含硫高的重燃料转变为燃料电池所用的纯净的氢。

美国防高级研究计划局开创的燃料处理技术可以把含高硫（百万分之3000）的蒸馏液转变成氢，成功地用于燃料电池发电。

碱金属碳酸盐型燃料电池已经用于航宇局的航天器上。

磷酸型燃料电池可用于像汽车那样的大型车辆。

美国陆军研究局和国防高级研究计划局正在研究几项有希望的加氢技术。

美国陆军选择燃料电池考虑的几个因素：体积、重量、成本、后勤支援、安全、特征信号低、放置时间长短、可靠性。

美军还在研究野外使用甲醇和使用氢做燃料的、可产生50－100瓦电力的小型燃料电池。

美陆军与加拿大一公司签定设计制造自制再生燃料电池发电系统，为陆军车辆平台提供辅助动力。

该系统将采用质子交换膜燃料电池系统，以取代现在使用蓄电池和柴油发电装置。

再生式燃料电池在车辆发动机工作时，为发电系统再充氢气。

它可以在野外工作十个小时，提供3千瓦平均功率，5千瓦峰值功率。

该系统的优点是可长时间运作、零辐射、噪声低、降低畸变、提高在寒冷气候下的性能。

美海军计划在5年之后，潜艇和水面舰将采用燃料电池作动力。

在此之前，首先需要建造一7.2米长，1.8米宽，3米高、625千瓦的演示装置，进行广泛的实验。

因为海军需要2.5兆瓦的电力，所以需要4个这样的装置。

现在已经建造的燃料电池堆的功率是250千瓦。

最后将建造兆瓦级燃料电池电力设施，进行实验。

四、蓄电池蓄电池可以将能量保存起来，供机动平台和人员使用。

储存电力的蓄电池占航天器重量的10％。

现在使用的蓄电池是镍镉（NiCd）和镍氢（NiH2或NiMH2），新发展的有硫化纳（Nas）和固体聚合物蓄电池（SSP）。

未来国际空间站将使用48个"轨道机动装置"（ORU），每个轨道机动装置由38个串接的镍氢电池供电，每两个轨道机动装置进行串连，组成蓄电池。

国际空间站最终将使用1824个镍氢电池。

由24颗Teledesic极轨道通信卫星组成的星座。

每颗星装有三个锂－离子蓄电池组，每组可以提供11.6千瓦峰值电能，平均2.2千瓦电能，三倍冗余。

电池操作温度为－20摄氏度－＋40摄氏度。

"火星勘察者2001着陆器"选用可充电的锂离子蓄电池，其比能量可达150We-h/KG。

火星微型探测器以蓄电池为能源，可为微电子装置提供6－15伏电力。

电力微电子装置的尺寸是1×1.5×3/8英寸，它与蓄电池都要承受－120摄氏度－＋50摄氏度的温度变化和30000g见速度的冲击。

碱金属碳酸盐型燃料电池已经用于宇航局的航天器上。

美电能公司的双极镍－金属氢化物蓄电池有希望用于航空航天。

该公司已经演示了每千克1.2千瓦的功率能力。

美宇航局已经演示了这种新疑技术可以达到每千克70－82瓦时和每升154－204瓦时的能量密度。

双极镍－金属氢化物蓄电池消除了毒性很大的镉，在不增加重量的情况下，把现有的F－16飞机主蓄电池能量容量和能量密度（54安小时，每衙克75瓦时）提高了三倍。

密封的薄片小电池（Wafer cell）设计，与棱形或圆柱形相比，体积和重量减少25％。

该公司正在为低地轨道卫星发展双极镍－金属氢化物蓄电池。

计划通过5年研制，能够达到每衙克100瓦小时和每升250瓦小时的能力。

第一项计划的焦点是发展高能量密度的双极镍－金属氢化物电极。

全尺寸（15.2×30厘米，17安时）薄片小电池以40％放电达到2280低地轨道循环。

第二项计划是发展多个薄片小电池的双极蓄电池原型。

目前正在建造24个12个薄片小电池（0.5千瓦，17.3安时），能量密度为每千克70瓦小时和每升154瓦小时的双极蓄电池。

1999年10月将建造两个由48个小电池组成的双极蓄电池（1千瓦）。

五、新型高能量密度能源和材料高能量密度材料，是指能量密茺高的燃料、推进剂和炸药。

多年来，人们已经认识到采用分子分解技术，有可能将能量密度比传统高能炸药的提高4－20倍。

亚稳态固体氮恢复为气体时，比TNT炸药释放出的能量高4倍多。

亚稳态固体氢分解成气体时，比TNT炸药释放出的能量高19倍。

中等能源是所谓的解发核异能素，经过触发，松驰核的旋转或形态时，能够释放出大量低能伽玛量子。