氢燃料电池将高能氢转化为电能,为车辆提供了一种替代的零排放能源。海军UUV的研制目标是研发一种可以续航60天的水下航行器,然而动力能源是其核心技术。氢燃料电池推进技术有助于解决汽车燃料使用的两个主要难题。

美国海军大型无人潜航器样艇 

据海军技术网6月28日报道,通用汽车(GM)与海军研究办公室(ONR)及海军研究实验室将开展合作,致力于将汽车氢燃料电池系统用于美海军下一代无人潜航器(UUV)。该合作将开发将高能量氢气转化为电能的氢燃料电池,以提高UUV的航程和持久力。作为合作内容的一部分,GM燃料电池系统将嵌入一艘UUV原型中,在位于卡德洛克的海军水面战中心下水测试。ONR海上战场感知部门负责人弗兰克·赫尔表示,经过完整的UUV原型的下水测试表明,该燃料电池能够成为水下自主系统改变游戏规则的技术,开发这种可靠、高能、低成本的电池技术,对于发展将作为海军力量倍增器的UUV至关重要。

顺应无人化战争潮流而兴起的无人潜航器

20世纪60年代,美国开发出了世界上第一代无人潜航器。它安装有水下电视摄像机、声呐和打捞机械手等设备,采用电动推进装置,最大工作深度超过2000米。进入90年代,世界各主要海军国家相继开发出多种类型、用途广泛的无人潜航器,其中美国海军最为重视、投资最多。

1995年8月,美国五角大楼海军战略司令部提出了“先进水下无人舰队”概念,标志着美海军由以航母时代的现实遏制战略转变为以“先进水下无人舰队”遏制为依托的大洋军事战略。2005年1月,美海军发布了《无人潜航器主计划》,提出要发展便携式、轻型、重型、巨型四骨干,遂行跟踪敌方潜艇、攻击远处目标、干扰敌方通信网络等各种任务。

自从“捕食者”无人机在2002年将一枚“海尔法”导弹射向阿富汗荒岭中行驶的汽车,并成功击毙车上6名“基地”嫌疑分子后,美军推动人类战争走向无人化战场的趋势日渐明显,天空中执行任务的无人机越来越多,地面上的无人战车踩紧了冲向战场的油门,机器士兵们也开始有模有样地加紧了迈向战场的步伐,如今,这场无人化的潮流也开始席卷海洋中行驶的潜艇。

目前,美国海军反潜战中心正在推进开发下一代完全自立型无人潜艇。这种新型无人潜艇的3个基本使命是:收集情报、进行水面搜索和侦察;侦察水雷、收集海洋战术数据;在沿岸浅海水域进行反潜战。在执行任务期间,除了搜索鱼雷、探测和处理等功能外,还将作为以网络为主的作战网节交点,这种具有高度传感器功能的一个个通信交点,对整个舰队提升海上作战能力具有重要作用。

除美国外,世界其他一些国家也在无人潜艇的研发方面取得显著进展。2004年2月,瑞典萨伯博福斯水下系统公司获得了瑞典防务装备局的一份价值1320万美元的合同,为瑞典军队和芬兰海军进行“鱼雷、水雷和传感器”(TMS)项目研究。TMS系统采用通用结构,利用一种多功能通用无人水下潜航器,执行攻击、侦察监视以及目标探测等任务。搭配不同的载荷后,这种潜航器可以成为轻型鱼雷、水雷,或成为先进的探测装置。它也可以混合搭配多功能的传感器和战斗部,承担多种任务。

俄美在无人潜艇方面展开激烈角逐

2015年9月,《华盛顿时报》援引五角大楼工作人员的话称,俄罗斯正在建造一种无人潜艇,可以携带核武器,能对美国的港口和沿海城市构成威胁。美国国防部为俄罗斯这一秘密潜艇项目起了个代号“峡谷”。美国海军专家及图书作者诺曼波尔马曾表示,“峡谷”可能会以苏联时代的核鱼雷为基础进行建造。他称,俄罗斯海军及苏联海军都是无人系统及武器的创新性制造者,包括世界上最先进的鱼雷。其中,T-15鱼雷长约75英尺(约23米),可以在水下15英里(约24千米)深度搭载高能量的热核弹头。俄罗斯海军也在研发无人潜航器,包括可以实施打击任务的无人潜航器。

该项目的其他细节被美国政府限定为极小范围内部的信息。五角大楼发言人拒绝向媒体发表评论。不过,《华盛顿时报》采访了一些“了解‘峡谷’项目细节”的匿名美国官员,他们发表了危言耸听的言论。报道称,这些美国官员认为,“峡谷”是一种自动化攻击潜艇,装备有爆炸威力达数百万吨级的核弹头。它没有乘员,可以很高的速度前进,作长距离航行。

不过,美国官员也表示,俄罗斯还需要多年时间,才能完成这一无人潜艇样艇的建造和试航。报道称,美国武装力量战略司令部前司令罗伯特凯勒对《华盛顿时报》说,五角大楼非常关注俄罗斯在核现代化方面的进展。但他同时也表示,俄罗斯在这方面的努力并不令他特别担忧,只要俄罗斯人继续留在俄美新版《削减和限制进攻性战略武器条约》框架内。

与此同时,美国海军自己也高度重视并在积极研制无人潜艇。2015年6月30日,日本外交学者网站发表题为《美国海军将部署无人驾驶艇跟踪中俄潜艇》的报道。据悉,早在2010年,美国国防部高级研究项目局(DARPA)就启动了一个开发反潜无人器的研究项目,它能够在浅水区跟踪敌方潜艇的无人驾驶船。按照设计,这种美国海军无人驾驶船的样船——反潜作战连续追踪无人艇(ACTUV)可连续60至90天自主操作,巡逻大片海域,一旦发现敌方潜艇便召来其他美军舰船予以摧毁。

升级“进行时”:无人潜航器的未来发展趋势

从发展的角度看,无人潜航器还有很大的性能提升空间,未来无人潜航器将集先进的导航操控系统、能源与推进系统、通信与环境感知技术于一体,主要从以下方面提升性能:

为降低成本、减少能源消耗,未来无人潜航器的航行体技术将会向体积小、兼容性高及模块化方向发展,突破现有航行体设计中的障碍。一方面由于国际间的技术合作愈加密切,高兼容性和模块化技术的应用将大幅度降低无人潜航器的制造成本;另一方面,由于微机电系统技术的应用和装置的缩小,使得设计出体积更小的无人潜航器成为可能,进而减少能源消耗。

为满足军事需求,要求未来无人潜航器将具有更长时间的执行任务能力,新的能源必须为无人潜航器提供更长的续航力,如数月、甚至数年以上。目前核电池及太阳能电池都已经能够满足这一需求。相信在目前先进的电池技术基础上,未来无人潜航器的能源系统将会更加持久和安全。

精确的导航定位能力是无人潜航器成功执行任务的基本要素。由于无人潜航器在水下作业的时间越来越长,惯性导航的累计误差不能令人满意,而又不能让无人潜航器频繁浮出水面,使用GPS卫星定位来修正惯性导航误差;另一方面也可能会因上下往返而减少其执行任务的时间。因此,利用声波定位及水下环境地形导航技术将成为发展的重点。

新一代的无人潜航器应具有足够高的智能化程度,能够和环境发生交互作用,以便在水中执行任务时,能有效地探测和识别水下物体、取样、挂缆,或完成各种人力无法胜任的水下工作。未来的无人潜航器将能够执行更为复杂的工作。在环境发生预料以外的变化时,还能够自行调整,以克服障碍。现代海战要求无人潜航器必须能够在浅海水域稳定航行,并始终保证其传感器系统处于正常执行任务的状态。

除了发展单一的无人潜航器外,未来的趋势是向多潜航器间的彼此协调、共同执行任务的方向发展,无论是水文资料的搜集、海底调查还是水雷的反制,多个无人潜航器同时作业的方式将获得更大的效果。美国海军在其UUV主计划中,就是规划多艘无人潜航器共同执行潜艇的追猎任务。

氢燃料电池将为下一代无人潜航器 改变“游戏规则”

氢燃料电池是使用氢这种化学元素,制造成储存能量的电池。其基本原理是电解水的逆反应,把氢和氧分别供给阴极和阳极,氢通过阴极向外扩散和电解质发生反应后,放出电子通过外部的负载到达阳极。干电池、蓄电池是一种储能装置,是把电能贮存起来,需要时再释放出来;而氢燃料电池严格地说是一种发电装置,像发电厂一样,是把化学能直接转化为电能的电化学发电装置。另外,氢燃料电池的电极用特制多孔性材料制成,这是氢燃料电池的一项关键技术,它不仅要为气体和电解质提供较大的接触面,还要对电池的化学反应起催化作用。

20世纪60年代,氢燃料电池就已经成功地应用于航天领域。往返于太空和地球之间的“阿波罗”飞船就安装了这种体积小、容量大的装置。进入70年代以后,随着人们不断地掌握多种先进的制氢技术,氢燃料电池很快就被运用于发电和汽车。氢的化学特性活跃,它可同许多金属或合金化合。某些金属或合金吸收氢之后,形成一种金属氢化物,其中有些金属氢化物的氢含量很高,甚至高于液氢的密度,而且该金属氢化物在一定温度条件下会分解,并把所吸收的氢释放出来,这就构成了一种良好的贮氢材料。

GM公司开发的燃料电池结构紧凑、重量轻、功能可靠、性能优异。GM全球燃料电池执行董事查理·弗利兹表示,与海军的合作充分利用了GM在燃料电池项目中积累的超过3百万英里的实际路段行驶经验。这是通用公司与美国军方合作的第二项重大合作。2015年11月,通用在在密歇根州沃伦和美国军方签署一项协议,为美国坦克研究发展和工程中心(TARDEC)生产一种燃料电池的侦察车。

氢燃料电池将高能氢转化为电能,为车辆提供了一种替代的零排放能源。海军UUV的研制目标是研发一种可以续航60天的水下航行器,然而动力能源是其核心技术。氢燃料电池推进技术有助于解决汽车燃料使用的两个主要难题。氢燃料电池的原料(氢气)来源广泛,可减少石油的消耗,且电池唯一的产物是水蒸汽,避免了二氧化碳的排放,同时,其充电过程也仅需几分钟。

[责任编辑:陈语]

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