〈军用市场急需〉替代型能源

赵伯桥

2008年，国际油价曾一路狂飙到147美元/桶的历史新高，其对国防预算的负面影响是显而易见的，特别是对那些纯原油输入型的西方国家而言，寻求原油替代能源具有更深层次的战略及安全涵义。当前，美国及其他一些国家正在积极寻求替代型能源，生物燃料与合成能源已经在不同程度上成了传统能源最好的替代选择。

生物燃料

美国空军战争学院战略与技术中心2007年出版的一份研究报告认为，海藻油、生化丁醇，乙醇以及生物柴油等4种生物燃料可以作为传统能源的有效替代品。该报告探讨了这些生物燃料满足军方各种关键需求的能力，如这些燃料能否达到JP-8燃油的密度标准，能否在不对军用飞机的发动机进行大规模升级改装的前提下使用，使用之后会不会妨碍JP-8燃油的继续使用，以及其他一些在数量、稳定性及可运输性方面的生产需求。

在这4种生物燃料中，生物柴油和乙醇的使用已初见成效，目前已在美国的运输油料市场中占了3％的份额。乙醇是目前针对汽油的最主要生物替代燃料，标准燃气发动机能够使用混有10％乙醇的汽油，如果是经过改进的多燃料车则可以使用混入了更多乙醇的汽油。这种乙醇燃料的制造使用的是由各种特殊酵母产生的酵素中得到的糖分，糖分的来源都是生物质。

作为一种燃料，乙醇有许多引人注目的特点，比如当其燃烧时只会排放二氧化碳，与基于石油的汽油产品相比其温室效应气体的排放量降低了90％，其原料可由国内生产或在世界市场上购买，而且这是一种经济且行之有效的技术，目前巴西已有约30％的汽车在使用这种燃料。乙醇虽然可以被应用到汽车上，但却不是替代JP-8燃油的可靠燃料，主要是因为其能量密度较低，军方目前的涡轮喷气式发动机如果不经过较大的设计改动还无法使用，而且乙醇燃料的腐蚀性也非常高。

生物柴油是通过一种名为酯交换反应的过程来生产的，原料主要是葡萄籽和大豆，以及大麻，芥菜籽和棕榈油，有时也使用动物脂肪和用过的蔬菜油。现有技术已经能将生物柴油以5％的比例与汽油混合而不会对发动机产生有害影响，但这种燃料仍然有很多负面的特点。生物柴油的冰点接近0℃，这意味着天冷时它会比其他汽油更快地凝结，导致汽油粘稠度增高，进而导致发动机过滤器堵塞等灾害性后果。庆幸的是，这一缺陷已被证明是能够克服的，方法是将生物柴油与石油柴油的混合比例提高到20％。另外，水也是生物柴油生产过程中的一个副产品，常常会在油料储存的过程中以液态的形式出现，其造成的潮湿很可能会对发动机的部件造成损害。另外，原料来源也是一个很重要的问题，即使将美国现有的生物柴油制造原料全部投入生产，也不能提供目前进口油料1％的效用，同时成本也不便宜。

生化丁醇也是通过发酵过程生产的，使用的主要原料与乙醇相同，但性能上却有更多的优点。生化丁醇产生的能量比乙醇高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。生化丁醇可以通过现有的油料运输网运输，而且可以在不对发动机进行改造的情况下，以近乎100％的混合程度成为无铅汽油的替代品。事实上，早在二次大战期间英国就已经大量使用了生化丁醇。但是，这种燃料的产量受到了其生产成本的严格限制，在生产方面也没有什么技术突破，因此与乙醇相比，其产量和生产的集中程度都要低得多。

表面上看来，海藻油似乎是比较理想的解决办法。海藻是一种可再生资源，生长在盐水，含碳量很高的空气以及高温等恶劣环境里，当它们无法吸收到生长所需营养的时候，微型海藻就开始以油脂的形式存在。这些油脂可以在现有的处理设施中被提纯精炼。然而事实上，基于海藻的燃料生产目前是这几种生物燃料生产技术中最不发达的，在实现其商业化生产之前，合适的处理技术和海藻的最大化应用才是关键问题。一旦这些技术难点被突破，人们便能利用海藻油燃料带来的巨大好处。海藻油具有与JP-8燃油极为相近的特性，包括所产生的能量，能量密度，沸点，冰点和粘稠度。此外，在产量方面它也有更大的优势，远远超过了其他几种备选生物燃料，每年每英亩能生产约5000～1 5000加仑的油料。

目前，无论哪种生物燃料都无法独当一面，但人们探索的步伐不会停止。因为，生物燃料最大的优势就是其可再生性，这种特性终将减轻人类对石油的依赖。

费托合成油

在寻求石油替代品的过程中，合成油被视为目前最好的短期选择。在使用合成油方面美国空军先人一步，已将合成燃料应用于作战，并承诺到2011年空军的整个机队都将使用合成油。

最近，空军的一架F-15E成了首架使用合成油进行试飞的战斗机，之前的试飞都是由B-1、B-52和C-17等机型进行的。目前已知的生产合成油的最好方法是“费托过程”，该化学合成过程是根据其开发人——德国化学家F，费歇尔和H，托罗普施——命名的。

使用合成燃料作为石油产品补充的概念并非首次提出，事实上早在第二次世界大战期间德国和日本就已经使用了大量的合成油料。合成油的生产是把三种原料(包括生物质。煤和天然气)的气体形式，在催化剂(主要是铁系)和适当的反应条件下，合成以石蜡烃为主的液体燃料。生物质转化为液体的过程称为BTL，煤转化为液体的过程称为CTL，天然气转化过程称为GTL。

在南非，CTL过程已经广泛应用于生产，南非Sasol公司拥有目前世界上唯一一套具备商业规模的CTL转化设施，每天约生产150000桶合成油。根据欧洲合成油联盟(ASFE)的预测，到2010年，利用GTL转化过程生产的商用合成油仅在欧洲就可达到每天1 00000桶，几乎超过现在全世界的生物柴油生产水平。ASFE还推测，到2020年将有10个以上的大型GTL转化工厂投入运行，产量将达到每天1000000桶。

合成油的广泛使用将分三个步骤进行，首先将它们与现有的燃油混合使用，接下来进行高浓度或无勾兑形式的使用，最后导致发动机技术的革新，使用完全适合这种合成燃油的发动机。合成油的主要优点在于，它们较为可靠，也能够使用现有的油料设施来储存和分配。将合成油作为燃油替代品的做法目前广受追捧。从远期来看，合成油的一些成分有助于减排温室效应气体，特别是当使用生物质作为原料时尤其如此。但是事实上在合成油的生产及燃烧过程中仍会排放出大量的温室效应气体，如GTL油料的处理过程就会产生两倍于石油产生的温室效应气体。当然，大部分的生产排放仍是可以捕捉的。不得不提的是，与生物燃料不同，CTL和GTL会消耗不可再生的自然资源。

重油UAV发动机

当前美军的大多数无人机(UAV)使用的都是汽油，和汽车用燃料并无区别，但是，重油正成为一种越来越受重视的

UAV燃料新选择，这主要是因为它在战场上的用途更加广泛，而且在运输和储存方面也比汽油更安全，从远期来看，性能则更可靠，更有效。

美国国防部发表的2005年“无人机系统路线图”曾提出需要深层技术项目来开发UAV重油发动机，并认为该技术一直没有得到合理的开发。自从该报告发布以来，工业部门对此技术的兴趣就一直在增长，到2007年的“无人机系统路线图”发布时，国防部没有再提到对该技术开发缺乏重视的问题。目前，包括波音和雷声在内的许多公司都在开发能够使用重油的商用发动机，或是专门使用重油的新型UAV发动机。

这种将重油发动机用于UAV的热潮始于军方内部一种逐渐达成的共识，即重油发动机能够克服使用汽油的无人机推进系统中的主要缺陷。一位从事重油UAV发动机开发的英国工程人员称“目前战场上的无人机使用的都是汽油或添加了添加剂的汽油，这并不理想，这里所说的不理想主要是指后勤保障方面的，我们知道战场上几乎所有发动机使用的都是像JP-8这样的重油，无论是飞机还是坦克，而同时各军种又都在限制部队带上前线的油料种类，出于减轻后勤负担和安全方面的考虑一重油比汽油闪点更高，不易燃一军方对UAV重油发动机的兴趣正不断增加。”

当然，使用重油发动机也有一些副作用，将煤油用于普通的内燃发动机会导致一些性能损失，但并不大。另外在非常低的温度下冷启动也会有一些问题，但无人机操作人员的安全情况却能有所改善。毕竟拉着一卡车汽油进入战场就好像拉着一颗随时会爆炸的炸弹，而煤油则不会。

虽然有着上述的许多优点，但重油UAV发动机的实际应用还是比预期的要慢，其中涉及许多技术问题，一些内燃发动机很难燃烧重油，因为这容易导致内部爆炸。虽然普及较慢，但随着日前美国陆军将使用重油发动机的“猎人”无人机投入战场，相信其他无人机操作员也会很快接受这种发动机。目前有两种方法能使重油应用于无人机，一是使汽油内燃机能够使用重油，二是制造专门的发动机。汽油内燃机的转化并不复杂，仍然是使用火花塞来点火，典型的汽油发动机燃烧过程基本不变，主要的调整是要保证火花塞能点燃比汽油更加稠厚的重油，这就需要对重油进行雾化，使之更好地与空气分子混合。与这种方法相比，开发全新的重油发动机也不失为一个很好的选择，重油发动机将不再依赖火花塞点火，这种发动机的好处是它会比经过改装后的汽油发动机更为可靠高效。由于重油发动机是使用柴油的，所以不需要对燃油进行雾化，也不使用火花塞，对于真正的柴油发动机来说，空气在燃油注入之前就已经过压缩，压缩时产生高热，燃油无需火花塞就可点燃。但要注意的是，真正的柴油发动机都比汽油发动机重，为了承受压力，制造柴油发动机的材料必须坚固耐用。

雷声公司正在为“杀人蜂”无人机研制的发动机就属于轻型重油发动机，在开发过程中，雷声公司一直注意控制“杀人蜂”系统本身的重量(系统由4个飞行器组成，每个重70千克)，采用翼身融合设计产生升力。在系统重油发动机的研制中采用了商用技术，甚至还用上了一家摩托车公司开发的燃油加注技术。除雷声之外，还有许多公司都在进行重油UAV发动机的开发，比如诺格公司使用重油发动机的MQ-5B“猎人”无人机，现在就正伴随美国陆军活跃在伊拉克和阿富汗的战场上。使用重油发动机的改型“扫描鹰”无人机，2008年4月也出现在了伊拉克上空。另外，DARPA也正关注重油UAV发动机的设计，希望能将开发的新系统应用到其A160“蜂鸟”无人机上。

电池

战场燃料电池

阿富汗和伊拉克战争催生了大批战术级的便携式无人系统，除了无人机外，还有无人地面车辆(UGV)。较大型的UAV和UGV配备燃烧式发动机，使用传统燃油，如JP-8或混合燃油来驱动，小型的UAV和UGV则大多使用电力发动机，一般由锂电池来驱动。随着军方对替代型能源的不断开发，使用燃料电池取代锂电池甚至内燃机来驱动的技术逐渐吸引了人们的注意。

在该领域，美国Protonex公司可谓技术先行者，该公司主要生产基于质子交换膜(PEM)技术的燃料电池，在固态氧化物燃料电池(SOFC)的开发方面也非常活跃。燃料电池发电要经过个电子机械过程。对于Protonex公司的PEM电池来说最初的燃料来源是氢，氢气存储装置为发电机提供氢气，其储量按负荷所需发电量确定。氢气存储方式有气态储氢、液态储氢和固态储氢。简单来说，该电池工作时相当于一个直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。

Protonex公司正致力于将PEM电池技术应用于小型UAV和UGV，使用含氢的固态化学物质，使之与水发生作用来合成氢燃料。该公司一直与Aerovironment公司合作，为其“美洲狮”及“大乌鸦”无人机提供电池，在对“美洲狮”的试飞中，该UAV持续飞行了9.5个小时，而使用传统锂电池时只能持续飞行2～2.5个小时。此外，Protonex还为福斯特米勒公司的“魔爪”机器人提供了电池，结果机器人的巡逻距离比使用普通锂电池时多出约3倍。但从后勤支持的角度来看，PEM电池所需的燃料并非常规供应链中的一环，这是必须考虑到的。

和PEM电池技术一样，SOFC也是通过电子机械过程来产生电流的，但允许通过燃料直接发电。SOFC可以使用氢产生电，也可以使用氢和一氧化碳的混合物，这种混合物可以从传统后勤供应链上的燃料中获得，比如柴油，汽油和JP-8燃油，甚至是一系列的生物燃料。Protonex公司希望便携式SOFC解决方案能够在一年多的时间内完成商业应用的准备。

燃料电池技术的支持者们认为，燃料电池比现有的电池及内燃发动机都拥有更多优势。与传统电池相比它们尺寸小重量轻，工作时间长且安全性好，与内燃发动机相比它们噪音低，排放量小，工作高效且能支持室内作战行动。保守观点则认为燃料电池仍存在许多缺点，包括元件价格较高，如PEM电池的催化剂和交换薄膜都是由昂贵物质制造的，另外电池内发生反应时会发热，因此电池的工作温度必须控制以防止出现热损伤。对水和空气的处理也非常关键，燃料电池运行时会产生热量和水，假如处理不当，没有及时将生成的水排出，电极很可能会被“淹死”，或是出现高温导致一系列问题。

潜艇用锂电池

潜艇一直是电池技术发展的原动力，新的电池技术反过来也不断推进着潜艇的能力。法国造船企业DCNS，准备为其“(鱼由)鱼”级潜艇装备最新一代的锂电池。为了使电池能够顺利集成到潜艇上并安全使用，DCNS已与电池的生产厂家saft公司合作进行了数年的设计开发及制模工作。SAFT负责把锂电池组合成电池模块，然后把电池模块连同必要的控制电子装置和软件一起集成到电池系统，为潜艇提供动力。

DCNs称，使用新电池能使“(鱼由)鱼”级潜艇高速行驶时的水下续航时间翻倍，提高航程，增加安全性，且仅需很少的保障时间。

Saft已经为海军的能量储存系统开发并测试了一个基于VL45E锂电池技术，包含40个电池的模型。VL45E电池阳极为石墨制，阴极为一氧化镍制，使用的电解质为碳酸溶液与锂六氟磷酸盐的混合物。电池高222毫米，宽54毫米，重约1.1千克，在速率为C/3时电容为45Ah，能量密度为160W/h。根据VL45E设计的两组电池模型分别为M0和M1，M0由40个电池组成，提供141Wh/l的能量，M1也由40个电池组成，提供180Wh/l的能量。与铅酸电池相比，该锂电池能接受高强度电流充电，在潜艇低速或高速行驶时都能提供稳定的能量。

根据DCNS的评估，在潜艇作战中该电池能够承担约320g的水雷爆炸冲击力，不会受损，在建模及实际测试中该电池组已承受了30-150g的爆炸冲击，没有受损。VL45E高容量电池可反复充电超过4000次。在应用于“(鱼由)鱼”级潜艇时，电池模块将被平行连接形成电池组，108组为一系列，以获得所需的电压水平。

同样的能源储存解决方案还被应用到了柴电潜艇上，德国HDW船厂和电池生产厂家GAIA也合作生产了一种锂电池，容量约为500Ah。电池由数层薄薄的锡箔卷起制成，密封在不锈钢圆柱形容器中。与DCNS/SAFT轻型、低容量电池解决方案不同，HDW/GAIA的电池长约210毫米，直径170毫米，总重17千克，电池能量密度达到360Wh/I，充电效能达到98％。每套电池设备由两个电池组组成，每个电池组包含18个电池串，电池串则是由若干电池模块组成。HDW的电池控制系统(BMS)能够严密监视电池的运作，衡量每组电池的电压水平，每组模块的温度，一旦需要，BMS会关掉有坏电池的模块所在的电池串，将性能损失降至最低。

根据估算，假如一艘潜艇服役15年，预计电池要充电1000-3500次，这主要取决于任务的数量和种类，放电深度及电池尺寸。从这个意义上来说，DCNS希望其采用的电池组在15年的使用之后仍能达到至少80％的满额充电量。锂电池的感应电流有效性是100％，没有记忆效应，因此电池可随意部分充电或放电，也不需要刻意的维护保养。

DCNS和HDW都认识到锂电池技术是存在一定风险的，过度充电，温度过高和短路都可能导致电池损坏，甚至发生爆炸。为保证安全，DCNS的设计提供了热隔离功能，这样邻近的电池就不会受到过热的影响，以此阻止整个模块发生热连锁反应。

HDW则认为，锂电池的另外一项缺陷是短路电流过高，这就要求对潜艇推进系统的布局进行再考虑，使用超快反应引信能把电池串和推进系统隔离开来，或许HDW在以后的电路中会考虑使用更简单紧凑的开关系统。另外GAIA也指出，新型锂电池的造价几乎是传统铅酸电池的3倍，有些过于昂贵了。

但是，由于锂电池系统在作战中几乎不用维护保养，使用寿命更长达10-15年，与铅酸电池系统的7或8年使用寿命相比，这无疑抵消了其高昂的造价带来的阴影，而且铅酸电池保养设备所需的放置空间也可以被节省出来另作他途。同时，由于保养需求下降，与铅酸电池相关的其他系统，如电解质搅拌系统和水冷却循环系统等，都可以移除，从而节省相当可观的支出。

对于不依赖空气推进(AIP)潜艇，锂电池也是很好的选择，AIP装置能够为潜艇提供低速时的水下续航力，锂电池则能为水下潜艇提供高速时的冲击力，而以前的铅酸电池是无法做到这一点的。另外由于锂电池所具备的高能量密度和高效能，潜艇在作战时的下潜自主性也可得到很大提高。根据DCNS的说法，使用锂电池的潜艇在海上能够使用其名义能量中的95％，而由于铅酸电池的充电状态不稳，其在海上能够使用的实际能量从未超过名义能量的60％。就“(鱼由)鱼”级潜艇而言，使用锂电池之后其下潜自主性在低速时提高75％，高速时可提高约200％。HDW则声称使用了锂电池的214型潜艇在低下潜速度、低能量需求时下潜自主性提高近150％，高下潜速度、高能量需求时自主性提高达到400％。