综合训练大队油料训练队 102249 北京昌平
摘要：阐述了野战电源的相关概念，通过分析与研究国内外野战电源发展的实际情况和最新动向，总结出了野战电源技术发展的突出特点和发展趋势，结合我国野战通信电源技术发展提出了具体建议。
关键词：野战电源，发展趋势，特点
1 引言
野战电源是指“为野战条件下各级指挥所电子信息设备和一线人员电子信息装备提供电能的电源装置”[1-4]。作为贯穿现代高科技战争的神经中枢，野战电源性能优劣直接决定了野战部队的生存能力、机动能力以及作战半径的大小，高效可靠的野战电源支撑对作战指令的正确实施、战场态势反馈、生命通道的畅通与安全起着至关重要的保障作用。
在信息技术和军事科技飞速发展的今天，复杂多样功能复合的电子通信装置被广泛应用于各个领域，在军事通信、指挥、侦察、打击等各领域发挥着至关重要的作用，战场环境的复杂化和多元化，也给传统的通信电源提出了新的需求与挑战。总的来说，野战电源应具有更强的机动通信能力、快速反应能力、抗毁生存能力、抗电磁干扰能力以及协同通信能力。
世界军事强国都在积极寻求适应性强、隐蔽性好、续航工作时间长的新一代便携式野战通信电源，以适应现代军队轻型化在未来快速化和特种化的发展要求，在未来战争中抢占战场通信的制高点。面对现代战争对野战通信电源的新的挑战，要提高其抗打击的自我保护能力，就必须具有较低的特征信号，良好的隐蔽性能，要保证其稳定可靠的工作特性，就必须具有较强的持续供电能力和抗干扰能力，要实现其更强的机动化能力，就必须进行更高的比能量和模块化、轻型化的结构设计。因此，随着近年来新材料、新技术的不断更新升级，特别是新能源变革的兴起和电池技术的突破，野战电源技术也取得了长足的进步。
2 野战电源发展现状
野战电源是整个战斗通信系统中不可或缺的重要组成部分，是通信系统的“血液和粮食”[3]，稳定、持续的供电，是通信和军事装备发挥效能的基础与前提，为保障通信装备可靠、稳定地工作，进而保障整个信息系统的可靠与通畅，对于军用电源的功率、容量、不间断供电能力、抗干扰能力、自我生存能力等方面提出了更高的要求。
2.1野战电源发展国内应用分析
我国地域辽阔、气候复杂，既涵盖了热带、亚热带、温带、亚寒带和寒带5种气候带，沿海、岛屿、平原沙漠、高原、盆地多样的地理环境又形成了具体的气候特征，对战时电源装备提出了耐高、低温、耐高热、高湿、耐盐蚀、耐高海拨等严格的性能要求。除常规的必需性能外，更高的功率与容量、更长的持续工作时间、低噪声、低辐射的隐身能力同样格外重要。
就我军野战通信装备的现状而言，基地最主要的应用有燃油（汽）发电机组和蓄电池。传统蓄电池电源无法为之提供高功率、高密度、共组寿命长的动力电源，一块传统的功耗为24W的蓄电池重约5kg，其存在的主要问题是容量、比能量偏小、持续工作时间有限，而且可维护性不强。同时，蓄电池电源普遍具有记忆效应，充、放电的次数即工作寿命有很大的限制，并且存在过充电、放电、自放电、反极等诸多难以根本解决的缺陷，可维护性较差，既增大了人力、物力的投入，又严重影响了通信的电力保障。
而对于车载的汽油发电机组以及拟装备部队的背负式小型油机发电系统来说，在功率和持续工作能力上是足以满足通信供电要求的，但对于战时的特殊要求来说，也存在一些致命的缺陷，首先，该发电机组的效率不高（30%），单位耗油量大，在油料的储存与运输上必须投入大量人力、物力，大大影响了作战时的机动性，其次，发电机组工作噪声大、震动强，电磁干扰严重，导致通信发报的工作环境较差，并且发热量高、红外信号极强，很容易暴露目标，成为现代高科技战争中的活靶子，从而制约了战时指令、计划的顺利实施。同时，这种机组体积与质量偏大，机动性不强，而且排放物为有害气体，操作环境较差，大气污染性强。
新能源技术变革对电池技术的发展起到了极大的促进作用，各种燃料电池、超级电容技术的快速发展为野战电源变革起到了推波助澜作用。与国外相比，我国在燃料电池方面的研究水平还较低，总的来说还处于实验室阶段，尤其是在军事领域的研究与开发，基本上还是空白。我国对燃料电池的研究始于1958年，在1958—1970年期间一些大专院校、科研院所分散地进行了燃料电池的探索性及基础性研究工作，主要开发项目是由国家投资的航天用氢氧燃料电池配合我国航天技术的发展计划。从70年代末到整个80年代，由于总体计划的变更，我国燃料电池的研究及开发工作处于低潮，进入90年代以来，国外燃料电池技术在工业与国防应用上取得巨大进展，我国政府也充分认识到了燃料电池在国防和经济发展中的重要作用，在九五期间新型氢氧燃料电池技术和电动汽车列入了国家科技攻关项目，在十五期间更是将其列为了863计划的重大攻关项目，总的说来，国内外燃料电池研究的基本理论与应用技术已比较成熟，它在工业与国防中日益广泛的应用必将进一步推动其相关技术的发展，最终逐步走向完善。
国内外燃料电池技术取得的巨大进展为我军研制、开发燃料电池通信电源并尽快装备部队创造了有利的条件，它的研制成功，必将大大提高我军的通信电源装备水平，切实保障战时通信的畅通性与可靠性，更能适应未来战争复杂多变的战场环境。很显然，我军现役的电源装备离上述要求还有一定的差距，未来的电源装备要小型化、轻量化、携行化，同时必须适应高温、高湿、高盐分的气候条件，适宜渡海登岛及山地作战需求。
因此，在现有的形势要求下，我军野战通信电源装备需要有高功率、大容量、长持续能力、低噪声、低干扰以及更强的环境适应性、可靠性和安全性。将太阳能、风能、生物质能等新能源纳入野战电源发展完善的格局之中，开发复合的野战电源建设和先进的电源控制系统是当前我军野战电源发展的重要方向。
2.2野战电源发展国外应用分析
以世界军事强国美军为例，美军现役装备以各类汽柴油发电机（电站）为主，因此燃料供给是其面临的最大问题[5]。在作战使用过程中，前沿指挥所同一线作战人员使用的野战电源有所不同，前者主要使用燃油发电机组，后者几乎完全依靠携行电池。为维持阿富汗和伊拉克作战任务的400余处指挥所和基地，美军月平均消耗2.57亿升燃油。这些燃油当中，大部分被通信，照明和空调设备提供电力的发电机组消耗，给已经非常疲惫的后勤补给系统带来了巨大的压力。尤其是在伊拉克战争中，步兵部队进入伊拉克不到一周，储备电池已经消耗掉了总储备量的一半。因此，美军不得不启动紧急采购计划，要求全球6大电池厂商生产线满负荷运行，通过空中和陆路补给线迅速补充，而补给线的生存环境也非常恶劣，还经常受到袭击，在2008年6月这一个月就有数十名负责补给的军人伤亡，损失了运输车44辆，油料83万升，其他物资更无法统计。
因此，美军《国防部能源战略》提出，美军要提高供电的保障能力和效率，减少燃料消耗，同时减轻后勤保障的压力和痕迹，增强能源安全。针对迫切的作战需求，美军先后推出了第三代发电机、新型储能系统、混合智能电源、燃料电池和太阳能等替代能源的研发等措施，为改变传统野战电源制约，美军在燃料电池、生物质能、光伏发电等野战电源方面积极进行了实用化尝试。下图为美军在巴格达应用 TGER 进行垃圾发电。
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图2 美军简易TGER垃圾电源
长时间在复杂地域执行任务导致蓄电池消耗猛增，补充供应困难，作战人员无法大量携行。在2003年伊拉克战争中，除通信设备外，美军单兵携带的装备重量约15—20kg（主要是枪支、弹药、睡袋等），而一块传统的功耗为24W的蓄电池重约5kg，如果按照每天消耗一块电池计算，执行3天任务，携行装备差不多40-50kg。这还只算了电池的总量，但美军单兵除了携带便携式无线通信系统外，还要携带GPS、夜视仪、热成像设备等电子设备，特种部队战斗人员还要携带多种特种器材。这无疑给单兵电源系统带来了巨大的挑战。
目前，美国陆军正在探索利用太阳能或者徒步士兵的运动为电子设备提供电能的新技术，利用可再生能源来提高士兵的自我保障能力。根据美军最新动向，最近展示了多种用于作战前沿的节能技术装备如下图所示：美军在阿富汗执行任务时的装备一览[6-9]。
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图3 美军单兵72h装配一览
总之，美军正在积极采取各种办法，研发“更小、更轻、更持久”的单兵便携式电池，以减轻士兵负重，使他们能够更好地执行军事任务，以符合美军战场电源“更小、更轻、更加高效且成本更低”的作战要求。
3 野战电源发展趋势
效率高、发热少、散热快的野战通信电源才可以实现高功率密度，也才能提高通信电源可靠性和可用性[4-5]。效率是野战电源的重要指标，野战电源设备研发将向着不断提高效率、提高功率密度以及智能化的方向发展。除此之外，根据军队信息系统对电源的特殊要求，野战电源系统正朝便于携带、效费比高、安全、可靠的方向发展。其突出特点如下：
1、单兵便携化。在战场上执行任务的士兵要求电源系统必须具备最大限度的轻便。目前，战场上使用的大多数可穿戴装置携带或手持式或背囊携带大多采用低成本的碱性电池。一般要求所携带的电源能够每小时提供1W的输出功率，假如每天执行任务的时间通常在8-12h，一次任务平均在3-5天，需要大约20kg的普通碱性电池。这对于坐在车上的机械化或摩托化士兵可能不算什么，但是显然对于普通步兵和伞兵则是沉重的负担。因此，采用插板式设计的单兵便携化野战电池使用时间长、功率高、同战术背心融为一体，应为逐渐普及。
2、高度集成化。在很多情况下，升级和添加功能将必然会增加电子系统以及为这些系统提供电力装置的尺寸。电子系统功能越来越多添加抗干扰能力和容错能力必定会越来越复杂，为它们提供电力支持的电源复杂程度也会明显提高，这些电源的体积和重量显然会变大。因此，设计人员必须通过考虑远程操作调节器（LDO）、DC-DC转换器，以及能够输出多种电压的方法，才能使用 EPGA 提供的多种功能。目前电子设备的生产程序正在不断缩减，所提供的电压及容限也在不断缩减，高集成化带来了新的挑战。
3、复合新能源。比较有前景的有燃料电池、超级电容等新技术应用。燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料电池与传统电池相比的最大优越性是只要有氧化剂和燃料供给，就会有持续不断的电力供应。而超级电容器具有功率密度大、充放电循环寿命长、充放电效率高、充放电速率快、高低温性能好、能量储存寿命长等优点这在军事领域有非常广阔的发展前景，符合战场设备更小、更轻、更高效，以及成本更低的作战需求。
4、小型化。由于士兵携带的电子装备越来越多，作战车辆上安装的用电装备也越来越多，因而压缩军用电子设备的尺寸与重量成为了军用信息系统研究的一个重要的方向。现代与未来的电子设备在设计时都必须遵循体积和重量提供更多的功能。体积和重量直接关系到装备的易管理程度。对相关基本电子设备的小型化要求还直接影响电子产品的功耗—功耗越小也就意味这散发出来的热量越少，它们所需要的电源也就会越小、越轻，而整个系统也不需要或者可以降低降温设计要求。电源体积和重量的压缩，使在有限的空间内装备更多电子元件成为可能，既增加了功能，又进一步提高用电设备的效率。成本、功能性、有效性以及所需电源装置都是军用电子设备关注的关键性参数，尽管研究计划不同、侧重点不同，但所有的研究计划都希望向开发的产品中添加更多的功能。达到这个目的最有效的做法就是将控制电路集成到最小尺寸，从而有更多的空间来添加功能性电路。
4 结论及建议
野战通信设备趋向于小型轻便、标准集成、安全可靠要求野战电源性能更高、功能更完备、适应性更强、可管理性更优秀、效费比更优化。因此，对我军野战电源决策而言，采取集中供电，提高指挥所和基地台站等半固定设施的电源利用率，运用全数字化控制技术电源强化电源自我监控能力、使其具备早期预警功能和故障诊断功能，提高设备的安全性。同时，改善电源控制系统、加强电源系统安全保护功能，提高集成度和优化管理能力，实现野战电源运行稳定、可靠。最后有效利用战场的自然资源，加大太阳能光伏、风能、生物智能以及燃料电池、超级电容等新能源利用，强化野战电源支撑，开发混合智能电源系统，实现野战电源的应对环境的适应性和生存能力高效性。
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