〈軍用市場急需〉替代型能源

趙伯橋

2008年，國際油價曾一路狂飆到147美元/桶的歷史新高，其對國防預算的負面影響是顯而易見的，特別是對那些純原油輸入型的西方國家而言，尋求原油替代能源具有更深層次的戰(zhàn)略及安全涵義。當前，美國及其他一些國家正在積極尋求替代型能源，生物燃料與合成能源已經在不同程度上成了傳統(tǒng)能源最好的替代選擇。

生物燃料

美國空軍戰(zhàn)爭學院戰(zhàn)略與技術中心2007年出版的一份研究報告認為，海藻油、生化丁醇，乙醇以及生物柴油等4種生物燃料可以作為傳統(tǒng)能源的有效替代品。該報告探討了這些生物燃料滿足軍方各種關鍵需求的能力，如這些燃料能否達到JP-8燃油的密度標準，能否在不對軍用飛機的發(fā)動機進行大規(guī)模升級改裝的前提下使用，使用之后會不會妨礙JP-8燃油的繼續(xù)使用，以及其他一些在數(shù)量、穩(wěn)定性及可運輸性方面的生產需求。

在這4種生物燃料中，生物柴油和乙醇的使用已初見成效，目前已在美國的運輸油料市場中占了3％的份額。乙醇是目前針對汽油的最主要生物替代燃料，標準燃氣發(fā)動機能夠使用混有10％乙醇的汽油，如果是經過改進的多燃料車則可以使用混入了更多乙醇的汽油。這種乙醇燃料的制造使用的是由各種特殊酵母產生的酵素中得到的糖分，糖分的來源都是生物質。

作為一種燃料，乙醇有許多引人注目的特點，比如當其燃燒時只會排放二氧化碳，與基于石油的汽油產品相比其溫室效應氣體的排放量降低了90％，其原料可由國內生產或在世界市場上購買，而且這是一種經濟且行之有效的技術，目前巴西已有約30％的汽車在使用這種燃料。乙醇雖然可以被應用到汽車上，但卻不是替代JP-8燃油的可靠燃料，主要是因為其能量密度較低，軍方目前的渦輪噴氣式發(fā)動機如果不經過較大的設計改動還無法使用，而且乙醇燃料的腐蝕性也非常高。

生物柴油是通過一種名為酯交換反應的過程來生產的，原料主要是葡萄籽和大豆，以及大麻，芥菜籽和棕櫚油，有時也使用動物脂肪和用過的蔬菜油?，F(xiàn)有技術已經能將生物柴油以5％的比例與汽油混合而不會對發(fā)動機產生有害影響，但這種燃料仍然有很多負面的特點。生物柴油的冰點接近0℃，這意味著天冷時它會比其他汽油更快地凝結，導致汽油粘稠度增高，進而導致發(fā)動機過濾器堵塞等災害性后果。慶幸的是，這一缺陷已被證明是能夠克服的，方法是將生物柴油與石油柴油的混合比例提高到20％。另外，水也是生物柴油生產過程中的一個副產品，常常會在油料儲存的過程中以液態(tài)的形式出現(xiàn)，其造成的潮濕很可能會對發(fā)動機的部件造成損害。另外，原料來源也是一個很重要的問題，即使將美國現(xiàn)有的生物柴油制造原料全部投入生產，也不能提供目前進口油料1％的效用，同時成本也不便宜。

生化丁醇也是通過發(fā)酵過程生產的，使用的主要原料與乙醇相同，但性能上卻有更多的優(yōu)點。生化丁醇產生的能量比乙醇高30％，而且安全性比乙醇和汽油都要好，汽化程度比乙醇低6倍，比汽油低13.5倍。生化丁醇可以通過現(xiàn)有的油料運輸網運輸，而且可以在不對發(fā)動機進行改造的情況下，以近乎100％的混合程度成為無鉛汽油的替代品。事實上，早在二次大戰(zhàn)期間英國就已經大量使用了生化丁醇。但是，這種燃料的產量受到了其生產成本的嚴格限制，在生產方面也沒有什么技術突破，因此與乙醇相比，其產量和生產的集中程度都要低得多。

表面上看來，海藻油似乎是比較理想的解決辦法。海藻是一種可再生資源，生長在鹽水，含碳量很高的空氣以及高溫等惡劣環(huán)境里，當它們無法吸收到生長所需營養(yǎng)的時候，微型海藻就開始以油脂的形式存在。這些油脂可以在現(xiàn)有的處理設施中被提純精煉。然而事實上，基于海藻的燃料生產目前是這幾種生物燃料生產技術中最不發(fā)達的，在實現(xiàn)其商業(yè)化生產之前，合適的處理技術和海藻的最大化應用才是關鍵問題。一旦這些技術難點被突破，人們便能利用海藻油燃料帶來的巨大好處。海藻油具有與JP-8燃油極為相近的特性，包括所產生的能量，能量密度，沸點，冰點和粘稠度。此外，在產量方面它也有更大的優(yōu)勢，遠遠超過了其他幾種備選生物燃料，每年每英畝能生產約5000～1 5000加侖的油料。

目前，無論哪種生物燃料都無法獨當一面，但人們探索的步伐不會停止。因為，生物燃料最大的優(yōu)勢就是其可再生性，這種特性終將減輕人類對石油的依賴。

費托合成油

在尋求石油替代品的過程中，合成油被視為目前最好的短期選擇。在使用合成油方面美國空軍先人一步，已將合成燃料應用于作戰(zhàn)，并承諾到2011年空軍的整個機隊都將使用合成油。

最近，空軍的一架F-15E成了首架使用合成油進行試飛的戰(zhàn)斗機，之前的試飛都是由B-1、B-52和C-17等機型進行的。目前已知的生產合成油的最好方法是“費托過程”，該化學合成過程是根據(jù)其開發(fā)人——德國化學家F，費歇爾和H，托羅普施——命名的。

使用合成燃料作為石油產品補充的概念并非首次提出，事實上早在第二次世界大戰(zhàn)期間德國和日本就已經使用了大量的合成油料。合成油的生產是把三種原料(包括生物質。煤和天然氣)的氣體形式，在催化劑(主要是鐵系)和適當?shù)姆磻獥l件下，合成以石蠟烴為主的液體燃料。生物質轉化為液體的過程稱為BTL，煤轉化為液體的過程稱為CTL，天然氣轉化過程稱為GTL。

在南非，CTL過程已經廣泛應用于生產，南非Sasol公司擁有目前世界上唯一一套具備商業(yè)規(guī)模的CTL轉化設施，每天約生產150000桶合成油。根據(jù)歐洲合成油聯(lián)盟(ASFE)的預測，到2010年，利用GTL轉化過程生產的商用合成油僅在歐洲就可達到每天1 00000桶，幾乎超過現(xiàn)在全世界的生物柴油生產水平。ASFE還推測，到2020年將有10個以上的大型GTL轉化工廠投入運行，產量將達到每天1000000桶。

合成油的廣泛使用將分三個步驟進行，首先將它們與現(xiàn)有的燃油混合使用，接下來進行高濃度或無勾兌形式的使用，最后導致發(fā)動機技術的革新，使用完全適合這種合成燃油的發(fā)動機。合成油的主要優(yōu)點在于，它們較為可靠，也能夠使用現(xiàn)有的油料設施來儲存和分配。將合成油作為燃油替代品的做法目前廣受追捧。從遠期來看，合成油的一些成分有助于減排溫室效應氣體，特別是當使用生物質作為原料時尤其如此。但是事實上在合成油的生產及燃燒過程中仍會排放出大量的溫室效應氣體，如GTL油料的處理過程就會產生兩倍于石油產生的溫室效應氣體。當然，大部分的生產排放仍是可以捕捉的。不得不提的是，與生物燃料不同，CTL和GTL會消耗不可再生的自然資源。

重油UAV發(fā)動機

當前美軍的大多數(shù)無人機(UAV)使用的都是汽油，和汽車用燃料并無區(qū)別，但是，重油正成為一種越來越受重視的

UAV燃料新選擇，這主要是因為它在戰(zhàn)場上的用途更加廣泛，而且在運輸和儲存方面也比汽油更安全，從遠期來看，性能則更可靠，更有效。

美國國防部發(fā)表的2005年“無人機系統(tǒng)路線圖”曾提出需要深層技術項目來開發(fā)UAV重油發(fā)動機，并認為該技術一直沒有得到合理的開發(fā)。自從該報告發(fā)布以來，工業(yè)部門對此技術的興趣就一直在增長，到2007年的“無人機系統(tǒng)路線圖”發(fā)布時，國防部沒有再提到對該技術開發(fā)缺乏重視的問題。目前，包括波音和雷聲在內的許多公司都在開發(fā)能夠使用重油的商用發(fā)動機，或是專門使用重油的新型UAV發(fā)動機。

這種將重油發(fā)動機用于UAV的熱潮始于軍方內部一種逐漸達成的共識，即重油發(fā)動機能夠克服使用汽油的無人機推進系統(tǒng)中的主要缺陷。一位從事重油UAV發(fā)動機開發(fā)的英國工程人員稱“目前戰(zhàn)場上的無人機使用的都是汽油或添加了添加劑的汽油，這并不理想，這里所說的不理想主要是指后勤保障方面的，我們知道戰(zhàn)場上幾乎所有發(fā)動機使用的都是像JP-8這樣的重油，無論是飛機還是坦克，而同時各軍種又都在限制部隊帶上前線的油料種類，出于減輕后勤負擔和安全方面的考慮一重油比汽油閃點更高，不易燃一軍方對UAV重油發(fā)動機的興趣正不斷增加。”

當然，使用重油發(fā)動機也有一些副作用，將煤油用于普通的內燃發(fā)動機會導致一些性能損失，但并不大。另外在非常低的溫度下冷啟動也會有一些問題，但無人機操作人員的安全情況卻能有所改善。畢竟拉著一卡車汽油進入戰(zhàn)場就好像拉著一顆隨時會爆炸的炸彈，而煤油則不會。

雖然有著上述的許多優(yōu)點，但重油UAV發(fā)動機的實際應用還是比預期的要慢，其中涉及許多技術問題，一些內燃發(fā)動機很難燃燒重油，因為這容易導致內部爆炸。雖然普及較慢，但隨著日前美國陸軍將使用重油發(fā)動機的“獵人”無人機投入戰(zhàn)場，相信其他無人機操作員也會很快接受這種發(fā)動機。目前有兩種方法能使重油應用于無人機，一是使汽油內燃機能夠使用重油，二是制造專門的發(fā)動機。汽油內燃機的轉化并不復雜，仍然是使用火花塞來點火，典型的汽油發(fā)動機燃燒過程基本不變，主要的調整是要保證火花塞能點燃比汽油更加稠厚的重油，這就需要對重油進行霧化，使之更好地與空氣分子混合。與這種方法相比，開發(fā)全新的重油發(fā)動機也不失為一個很好的選擇，重油發(fā)動機將不再依賴火花塞點火，這種發(fā)動機的好處是它會比經過改裝后的汽油發(fā)動機更為可靠高效。由于重油發(fā)動機是使用柴油的，所以不需要對燃油進行霧化，也不使用火花塞，對于真正的柴油發(fā)動機來說，空氣在燃油注入之前就已經過壓縮，壓縮時產生高熱，燃油無需火花塞就可點燃。但要注意的是，真正的柴油發(fā)動機都比汽油發(fā)動機重，為了承受壓力，制造柴油發(fā)動機的材料必須堅固耐用。

雷聲公司正在為“殺人蜂”無人機研制的發(fā)動機就屬于輕型重油發(fā)動機，在開發(fā)過程中，雷聲公司一直注意控制“殺人蜂”系統(tǒng)本身的重量(系統(tǒng)由4個飛行器組成，每個重70千克)，采用翼身融合設計產生升力。在系統(tǒng)重油發(fā)動機的研制中采用了商用技術，甚至還用上了一家摩托車公司開發(fā)的燃油加注技術。除雷聲之外，還有許多公司都在進行重油UAV發(fā)動機的開發(fā)，比如諾格公司使用重油發(fā)動機的MQ-5B“獵人”無人機，現(xiàn)在就正伴隨美國陸軍活躍在伊拉克和阿富汗的戰(zhàn)場上。使用重油發(fā)動機的改型“掃描鷹”無人機，2008年4月也出現(xiàn)在了伊拉克上空。另外，DARPA也正關注重油UAV發(fā)動機的設計，希望能將開發(fā)的新系統(tǒng)應用到其A160“蜂鳥”無人機上。

電池

戰(zhàn)場燃料電池

阿富汗和伊拉克戰(zhàn)爭催生了大批戰(zhàn)術級的便攜式無人系統(tǒng)，除了無人機外，還有無人地面車輛(UGV)。較大型的UAV和UGV配備燃燒式發(fā)動機，使用傳統(tǒng)燃油，如JP-8或混合燃油來驅動，小型的UAV和UGV則大多使用電力發(fā)動機，一般由鋰電池來驅動。隨著軍方對替代型能源的不斷開發(fā)，使用燃料電池取代鋰電池甚至內燃機來驅動的技術逐漸吸引了人們的注意。

在該領域，美國Protonex公司可謂技術先行者，該公司主要生產基于質子交換膜(PEM)技術的燃料電池，在固態(tài)氧化物燃料電池(SOFC)的開發(fā)方面也非常活躍。燃料電池發(fā)電要經過個電子機械過程。對于Protonex公司的PEM電池來說最初的燃料來源是氫，氫氣存儲裝置為發(fā)電機提供氫氣，其儲量按負荷所需發(fā)電量確定。氫氣存儲方式有氣態(tài)儲氫、液態(tài)儲氫和固態(tài)儲氫。簡單來說，該電池工作時相當于一個直流電源，其陽極即電源負極，陰極為電源正極。

Protonex公司正致力于將PEM電池技術應用于小型UAV和UGV，使用含氫的固態(tài)化學物質，使之與水發(fā)生作用來合成氫燃料。該公司一直與Aerovironment公司合作，為其“美洲獅”及“大烏鴉”無人機提供電池，在對“美洲獅”的試飛中，該UAV持續(xù)飛行了9.5個小時，而使用傳統(tǒng)鋰電池時只能持續(xù)飛行2～2.5個小時。此外，Protonex還為福斯特米勒公司的“魔爪”機器人提供了電池，結果機器人的巡邏距離比使用普通鋰電池時多出約3倍。但從后勤支持的角度來看，PEM電池所需的燃料并非常規(guī)供應鏈中的一環(huán)，這是必須考慮到的。

和PEM電池技術一樣，SOFC也是通過電子機械過程來產生電流的，但允許通過燃料直接發(fā)電。SOFC可以使用氫產生電，也可以使用氫和一氧化碳的混合物，這種混合物可以從傳統(tǒng)后勤供應鏈上的燃料中獲得，比如柴油，汽油和JP-8燃油，甚至是一系列的生物燃料。Protonex公司希望便攜式SOFC解決方案能夠在一年多的時間內完成商業(yè)應用的準備。

燃料電池技術的支持者們認為，燃料電池比現(xiàn)有的電池及內燃發(fā)動機都擁有更多優(yōu)勢。與傳統(tǒng)電池相比它們尺寸小重量輕，工作時間長且安全性好，與內燃發(fā)動機相比它們噪音低，排放量小，工作高效且能支持室內作戰(zhàn)行動。保守觀點則認為燃料電池仍存在許多缺點，包括元件價格較高，如PEM電池的催化劑和交換薄膜都是由昂貴物質制造的，另外電池內發(fā)生反應時會發(fā)熱，因此電池的工作溫度必須控制以防止出現(xiàn)熱損傷。對水和空氣的處理也非常關鍵，燃料電池運行時會產生熱量和水，假如處理不當，沒有及時將生成的水排出，電極很可能會被“淹死”，或是出現(xiàn)高溫導致一系列問題。

潛艇用鋰電池

潛艇一直是電池技術發(fā)展的原動力，新的電池技術反過來也不斷推進著潛艇的能力。法國造船企業(yè)DCNS，準備為其“(魚由)魚”級潛艇裝備最新一代的鋰電池。為了使電池能夠順利集成到潛艇上并安全使用，DCNS已與電池的生產廠家saft公司合作進行了數(shù)年的設計開發(fā)及制模工作。SAFT負責把鋰電池組合成電池模塊，然后把電池模塊連同必要的控制電子裝置和軟件一起集成到電池系統(tǒng)，為潛艇提供動力。

DCNs稱，使用新電池能使“(魚由)魚”級潛艇高速行駛時的水下續(xù)航時間翻倍，提高航程，增加安全性，且僅需很少的保障時間。

Saft已經為海軍的能量儲存系統(tǒng)開發(fā)并測試了一個基于VL45E鋰電池技術，包含40個電池的模型。VL45E電池陽極為石墨制，陰極為一氧化鎳制，使用的電解質為碳酸溶液與鋰六氟磷酸鹽的混合物。電池高222毫米，寬54毫米，重約1.1千克，在速率為C/3時電容為45Ah，能量密度為160W/h。根據(jù)VL45E設計的兩組電池模型分別為M0和M1，M0由40個電池組成，提供141Wh/l的能量，M1也由40個電池組成，提供180Wh/l的能量。與鉛酸電池相比，該鋰電池能接受高強度電流充電，在潛艇低速或高速行駛時都能提供穩(wěn)定的能量。

根據(jù)DCNS的評估，在潛艇作戰(zhàn)中該電池能夠承擔約320g的水雷爆炸沖擊力，不會受損，在建模及實際測試中該電池組已承受了30-150g的爆炸沖擊，沒有受損。VL45E高容量電池可反復充電超過4000次。在應用于“(魚由)魚”級潛艇時，電池模塊將被平行連接形成電池組，108組為一系列，以獲得所需的電壓水平。

同樣的能源儲存解決方案還被應用到了柴電潛艇上，德國HDW船廠和電池生產廠家GAIA也合作生產了一種鋰電池，容量約為500Ah。電池由數(shù)層薄薄的錫箔卷起制成，密封在不銹鋼圓柱形容器中。與DCNS/SAFT輕型、低容量電池解決方案不同，HDW/GAIA的電池長約210毫米，直徑170毫米，總重17千克，電池能量密度達到360Wh/I，充電效能達到98％。每套電池設備由兩個電池組組成，每個電池組包含18個電池串，電池串則是由若干電池模塊組成。HDW的電池控制系統(tǒng)(BMS)能夠嚴密監(jiān)視電池的運作，衡量每組電池的電壓水平，每組模塊的溫度，一旦需要，BMS會關掉有壞電池的模塊所在的電池串，將性能損失降至最低。

根據(jù)估算，假如一艘潛艇服役15年，預計電池要充電1000-3500次，這主要取決于任務的數(shù)量和種類，放電深度及電池尺寸。從這個意義上來說，DCNS希望其采用的電池組在15年的使用之后仍能達到至少80％的滿額充電量。鋰電池的感應電流有效性是100％，沒有記憶效應，因此電池可隨意部分充電或放電，也不需要刻意的維護保養(yǎng)。

DCNS和HDW都認識到鋰電池技術是存在一定風險的，過度充電，溫度過高和短路都可能導致電池損壞，甚至發(fā)生爆炸。為保證安全，DCNS的設計提供了熱隔離功能，這樣鄰近的電池就不會受到過熱的影響，以此阻止整個模塊發(fā)生熱連鎖反應。

HDW則認為，鋰電池的另外一項缺陷是短路電流過高，這就要求對潛艇推進系統(tǒng)的布局進行再考慮，使用超快反應引信能把電池串和推進系統(tǒng)隔離開來，或許HDW在以后的電路中會考慮使用更簡單緊湊的開關系統(tǒng)。另外GAIA也指出，新型鋰電池的造價幾乎是傳統(tǒng)鉛酸電池的3倍，有些過于昂貴了。

但是，由于鋰電池系統(tǒng)在作戰(zhàn)中幾乎不用維護保養(yǎng)，使用壽命更長達10-15年，與鉛酸電池系統(tǒng)的7或8年使用壽命相比，這無疑抵消了其高昂的造價帶來的陰影，而且鉛酸電池保養(yǎng)設備所需的放置空間也可以被節(jié)省出來另作他途。同時，由于保養(yǎng)需求下降，與鉛酸電池相關的其他系統(tǒng)，如電解質攪拌系統(tǒng)和水冷卻循環(huán)系統(tǒng)等，都可以移除，從而節(jié)省相當可觀的支出。

對于不依賴空氣推進(AIP)潛艇，鋰電池也是很好的選擇，AIP裝置能夠為潛艇提供低速時的水下續(xù)航力，鋰電池則能為水下潛艇提供高速時的沖擊力，而以前的鉛酸電池是無法做到這一點的。另外由于鋰電池所具備的高能量密度和高效能，潛艇在作戰(zhàn)時的下潛自主性也可得到很大提高。根據(jù)DCNS的說法，使用鋰電池的潛艇在海上能夠使用其名義能量中的95％，而由于鉛酸電池的充電狀態(tài)不穩(wěn)，其在海上能夠使用的實際能量從未超過名義能量的60％。就“(魚由)魚”級潛艇而言，使用鋰電池之后其下潛自主性在低速時提高75％，高速時可提高約200％。HDW則聲稱使用了鋰電池的214型潛艇在低下潛速度、低能量需求時下潛自主性提高近150％，高下潛速度、高能量需求時自主性提高達到400％。