| 第二代化學電池與超級電容器組成堪稱“黃金搭檔” |
| 2019-12-26 |
搶占太空空間、爭奪“制天權”，已成為打贏未來信息化戰爭的重要一環。要建立強有力的防天系統，離不開精準高能的空間武器，如以高功率脈沖激光武器為代表的定向能武器等。這些武器具有驚人的威力，對打贏未來“天戰”不可或缺。 超級電容器，作為高功率脈沖激光武器中最重要的供能部件，是一種新型儲能裝置，可在很短時間內爆發出巨大能量。在裝甲車輛、艦艇、航天飛行器等需要較大脈沖放電功率的武器裝備及設備上，它均有廣泛的應用，在未來戰場上的作用不能小覷。
超級電容器與第二代化學電池組成“黃金搭檔” 打贏未來信息化戰爭，新一代武器裝備的戰場電力供應必不可少，這就對儲能裝置的功能提出了新要求。目前得到廣泛應用的儲能裝置是鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鋰電池等第二代化學電池，這些電池為單兵裝備供電系統、戰車混合電傳動系統提供能量。但是，它們有自身的“短板”，如輸出功率密度較小、充電速度慢、循環壽命較短，等等。這些“短板”，在冰天雪地（溫度過低，低功率電池無法有效“喚醒”裝備）、平原開闊地帶（無掩體，武器裝備一旦“拋錨”，需要盡快完成充電）以及重度潮濕地段（電池易受腐蝕而失效）等特定戰場環境下，會讓裝備“掉鏈子”，從而使作戰效果大打折扣。 為了避免因電池的“短板”導致裝備在復雜多變的戰場上“掉鏈子”，超級電容器在研究人員的攻關下應運而生。 它是一種與電池相似但又有一定程度差別的第三代物理式儲能裝置。不同于電池，其在充電、放電時不發生化學反應，電能的儲存或釋放是通過靜電場建立的快速物理過程，沒有受到像電池一樣復雜耗時的化學反應限制。因此，超級電容器的比功率可達化學電池的數百倍，能在很短時間內形成幾百安到幾千安的電流，從而在極低的溫度下瞬間“激活”裝備。 同時，由于超級電容器充電、放電是物理過程，可以用大電流充電，在幾十秒鐘到幾分鐘內即可完成，能節省寶貴的戰場時間，避免戰車等裝備成為“活靶子”。 超級電容器除了具有高比功率和充電速度快的特性外，在循環使用壽命上也高出化學電池至少百倍，能充電、放電上百萬次，可大大節省開支。 根據以上特性，超級電容器可與化學電池形成有效互補，通過適當的單元設計，使它們功能多樣化，成為信息化戰場的“黃金搭檔”。 一些極端條件下的引擎啟動，就是這對黃金搭檔“合作共贏”的生動范例：它們分工明確、配合默契，堪稱戰場裝備的“能量雙雄”。為什么這樣講？原來，超級電容器配合蓄電池應用于內燃發動機電啟動系統，能有效保護蓄電池，延長其壽命，減小其配備容量。尤其是在低溫和虧電的情況下，蓄電池的放電能力明顯下降，會造成裝甲車輛啟動緩慢甚至無法啟動，大大降低了戰場機動能力和反應速度。而超級電容器的工作溫度范圍大，-40℃以上氣溫條件下放電特性基本不變，仍可保持大電流放電特性，從而保證了電啟動系統的正常供電，使戰車一次性“激活”成功。
堪稱眾多軍用裝備的“能量核心” 如果說超級電容器配合化學電池在陸地戰車混合電啟動系統中的使用僅僅算是“打助攻”，那么應用在潛艇、艦用電磁炮、高功率束能武器電源等運行功率較大的武器裝備系統上，其表現堪稱“一枝獨秀”。 潛艇電力綜合推進涉及發電、輸電、變電、推進和儲能等關鍵步驟，是一個龐大的系統工程。以前的電傳動中，為推進系統供電的動力電站和為潛艇設備供電的電力電站，是分開的兩套系統。假設是低速巡航，用不了那么大的功率，動力電站只能低速運行，很不劃算。電力綜合推進系統則把動力電站和電力電站作為一個整體，低速巡航可以讓大功率的動力電站滿負荷運轉，同時為推進電機和潛艇設備供電，關掉電力電站，以達到“物盡其用”、降低成本的效果。因為潛艇對綜合電力推進的要求很高，超級電容器模組可以作為電力綜合推進系統的應急電源補充，在系統平時正常運轉過程中，收集電能儲存起來，起到蓄電池的作用。在應急狀態下，當電力供應不足無法帶動整個電力系統的正常運轉時，可以利用超級電容器瞬間充電、放電的特點，將儲存的電能瞬間釋放出來，為電力系統提供大功率補充電源，使整個系統迅速恢復進入正常運行狀態，大大增強戰時反應能力，提升戰斗力。 在作戰武器系統方面，超級電容器也常帶“主角光環”，在一些高精尖武器裝備中地位重要。電磁炮也叫脈沖電源電磁炮，是應用電磁加速技術發射彈丸的一種純電能武器。軌道式電磁炮發射原型由兩條平行的導軌組成，彈丸夾在接入電源的導軌之間。電流經一導軌流向彈丸，再流向另一導軌產生強磁場，磁場與電流相互作用，會形成強大的洛侖茲力推動彈丸，使其達到很高的速度。在此基礎上，將上千個電容器并接在軌道上，形成超級電容器，瞬間釋放電容器儲存的電能，即可獲得巨大電流和驚人的電磁推力。如果將電磁炮作為直接火力支援武器，配備超級電容器共同安裝在作戰艦艇上，將大大提升艦艇的毀傷能力，有助于提前“鎖定勝局”。 與此同時，作為高功率脈沖電源，超級電容器也可用于定向能武器電源系統。定向能武器又叫“束能武器”，是利用各種束能生成強大殺傷力的武器，因其被發射能量的載體不同，可以分為激光武器、粒子束武器、微波武器。這些武器系統共同的特點是：束能傳播速度可接近光束，一旦指向目標發射即可命中，做到“指哪兒打哪兒”；束能能量集中且巨大，輸出功率可達幾百至幾千千瓦，擊中目標后能使之毀壞或熔化；束能聚集細密，又來得很突然，敵方難以發現其來自何處，從而根本來不及回避或對抗，可做到“殺敵于無形”。
世界多國競相攀登“能量高峰” 正是因為超級電容器有出色表現，所以受到眾多國家的青睞。未來信息化甚至智能化戰場環境的復雜性、多樣性，對超級電容器的容量、尺寸以及穩定性提出了更高要求，因而加速了各國研制性能更強勁超級電容器的步伐，用于武器裝備的升級換代，從而贏得戰爭的主動權。當前，世界上超級電容器的民用產品技術已日趨成熟，但在軍用產品技術方面，各國都諱莫如深，通常通過定制或將工業產品經過升級改造后用于軍事裝備。美國的AVX公司推出宇航級“卑金屬”電極、電介質多層陶瓷超級電容器，這些電子器件展現出和那些“貴金屬”（如金、銀、鉑等）電極超級電容器同樣的電容電壓特性，并以更小的體積提供更高的電容值，可減小電路板空間和器件總重量。他們計劃將其應用于有人和無人飛行器以及軌道衛星的能源供應。美國的Evans公司則開發出一種大型超級電容器，工作電壓為120伏，存儲的能量超過35千焦，功率高于20千瓦，可用作機載激光武器的致密型超高功率脈沖電源。 為了滿足軍事需要，韓國LS Mtron公司與軍方合作生產了一系列不同型號的超級電容器，將其應用于燃料及電池電動無人戰車、智能戰場機器人等軍事領域，為戰場無人化提供技術和裝備支持。日本的NCC公司也在致力于研發新型大容量電氣超級電容器，并在其中引入新結構的導電高分子，這樣可減輕電容器的質量和體積，提升功率密度。該公司計劃與美國開展軍事項目合作，進一步挖掘其在大功率輸出軍事武器上的潛力。 從一些軍事強國的發展看，超級電容器在電力綜合推進系統中的應用已較為成熟，但在以激光武器為代表的脈沖功率技術的應用上，仍存在工作電壓低、內電阻較大的問題。 近年來，全球眾多國家都在致力于提升超級電容器功率密度和降低內阻的研究。相信在不久的將來，隨著超級電容器的高能化和小型化，束能武器的發展將會突飛猛進，激光槍、激光炮將會得到普及，“星球大戰”或將不僅僅存在于科幻電影中了。 來源：賢集網 著作權歸作者所有。商業轉載請聯系作者獲得授權，非商業轉載請注明出處。 |
