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超级电容器释放“超级能量”

雷博文
2019-11-29 09:57:32  来源:解放军报

  超级电容器在空间飞行器以及坦克、潜艇、舰载电磁炮上的应用场景假想图

  抢占太空空间、争夺“制天权”,已成为打赢未来信息化战争的重要一环。要建立强有力的防天系统,离不开精准高能的空间武器,如以高功率脉冲激光武器为代表的定向能武器等。这些武器具有惊人的威力,对打赢未来“天战”不可或缺。

  超级电容器,作为高功率脉冲激光武器中最重要的供能部件,是一种新型储能装置,可在很短时间内爆发出巨大能量。在装甲车辆、舰艇、航天飞行器等需要较大脉冲放电功率的武器装备及设备上,它均有广泛的应用,在未来战场上的作用不能小觑。

  与第二代化学电池组成“黄金搭档”

  打赢未来信息化战争,新一代武器装备的战场电力供应必不可少,这就对储能装置的功能提出了新要求。目前得到广泛应用的储能装置是铅酸蓄电池、镍氢电池、锂电池等第二代化学电池,这些电池为单兵装备供电系统、战车混合电传动系统提供能量。但是,它们有自身的“短板”,如输出功率密度较小、充电速度慢、循环寿命较短,等等。这些“短板”,在冰天雪地(温度过低,低功率电池无法有效“唤醒”装备)、平原开阔地带(无掩体,武器装备一旦“抛锚”,需要尽快完成充电)以及重度潮湿地段(电池易受腐蚀而失效)等特定战场环境下,会让装备“掉链子”,从而使作战效果大打折扣。

  为了避免因电池的“短板”导致装备在复杂多变的战场上“掉链子”,超级电容器在研究人员的攻关下应运而生。

  它是一种与电池相似但又有一定程度差别的第三代物理式储能装置。不同于电池,其在充电、放电时不发生化学反应,电能的储存或释放是通过静电场建立的快速物理过程,没有受到像电池一样复杂耗时的化学反应限制。因此,超级电容器的比功率可达化学电池的数百倍,能在很短时间内形成几百安到几千安的电流,从而在极低的温度下瞬间“激活”装备。

  同时,由于超级电容器充电、放电是物理过程,可以用大电流充电,在几十秒钟到几分钟内即可完成,能节省宝贵的战场时间,避免战车等装备成为“活靶子”。

  超级电容器除了具有高比功率和充电速度快的特性外,在循环使用寿命上也高出化学电池至少百倍,能充电、放电上百万次,可大大节省开支。

  根据以上特性,超级电容器可与化学电池形成有效互补,通过适当的单元设计,使它们功能多样化,成为信息化战场的“黄金搭档”。

  一些极端条件下的引擎启动,就是这对黄金搭档“合作共赢”的生动范例:它们分工明确、配合默契,堪称战场装备的“能量双雄”。为什么这样讲?原来,超级电容器配合蓄电池应用于内燃发动机电启动系统,能有效保护蓄电池,延长其寿命,减小其配备容量。尤其是在低温和亏电的情况下,蓄电池的放电能力明显下降,会造成装甲车辆启动缓慢甚至无法启动,大大降低了战场机动能力和反应速度。而超级电容器的工作温度范围大,-40℃以上气温条件下放电特性基本不变,仍可保持大电流放电特性,从而保证了电启动系统的正常供电,使战车一次性“激活”成功。

  堪称众多军用装备的“能量核心”

  如果说超级电容器配合化学电池在陆地战车混合电启动系统中的使用仅仅算是“打助攻”,那么应用在潜艇、舰用电磁炮、高功率束能武器电源等运行功率较大的武器装备系统上,其表现堪称“一枝独秀”。

  潜艇电力综合推进涉及发电、输电、变电、推进和储能等关键步骤,是一个庞大的系统工程。以前的电传动中,为推进系统供电的动力电站和为潜艇设备供电的电力电站,是分开的两套系统。假设是低速巡航,用不了那么大的功率,动力电站只能低速运行,很不划算。电力综合推进系统则把动力电站和电力电站作为一个整体,低速巡航可以让大功率的动力电站满负荷运转,同时为推进电机和潜艇设备供电,关掉电力电站,以达到“物尽其用”、降低成本的效果。因为潜艇对综合电力推进的要求很高,超级电容器模组可以作为电力综合推进系统的应急电源补充,在系统平时正常运转过程中,收集电能储存起来,起到蓄电池的作用。在应急状态下,当电力供应不足无法带动整个电力系统的正常运转时,可以利用超级电容器瞬间充电、放电的特点,将储存的电能瞬间释放出来,为电力系统提供大功率补充电源,使整个系统迅速恢复进入正常运行状态,大大增强战时反应能力,提升战斗力。

  在作战武器系统方面,超级电容器也常带“主角光环”,在一些高精尖武器装备中地位重要。电磁炮也叫脉冲电源电磁炮,是应用电磁加速技术发射弹丸的一种纯电能武器。轨道式电磁炮发射原型由两条平行的导轨组成,弹丸夹在接入电源的导轨之间。电流经一导轨流向弹丸,再流向另一导轨产生强磁场,磁场与电流相互作用,会形成强大的洛仑兹力推动弹丸,使其达到很高的速度。在此基础上,将上千个电容器并接在轨道上,形成超级电容器,瞬间释放电容器储存的电能,即可获得巨大电流和惊人的电磁推力。如果将电磁炮作为直接火力支援武器,配备超级电容器共同安装在作战舰艇上,将大大提升舰艇的毁伤能力,有助于提前“锁定胜局”。

  与此同时,作为高功率脉冲电源,超级电容器也可用于定向能武器电源系统。定向能武器又叫“束能武器”,是利用各种束能生成强大杀伤力的武器,因其被发射能量的载体不同,可以分为激光武器、粒子束武器、微波武器。这些武器系统共同的特点是:束能传播速度可接近光束,一旦指向目标发射即可命中,做到“指哪儿打哪儿”;束能能量集中且巨大,输出功率可达几百至几千千瓦,击中目标后能使之毁坏或熔化;束能聚集细密,又来得很突然,敌方难以发现其来自何处,从而根本来不及回避或对抗,可做到“杀敌于无形”。

  世界多国竞相攀登“能量高峰”

  正是因为超级电容器有出色表现,所以受到众多国家的青睐。未来信息化甚至智能化战场环境的复杂性、多样性,对超级电容器的容量、尺寸以及稳定性提出了更高要求,因而加速了各国研制性能更强劲超级电容器的步伐,用于武器装备的升级换代,从而赢得战争的主动权。

  当前,世界上超级电容器的民用产品技术已日趋成熟,但在军用产品技术方面,各国都讳莫如深,通常通过定制或将工业产品经过升级改造后用于军事装备。美国的AVX公司推出宇航级“卑金属”电极、电介质多层陶瓷超级电容器,这些电子器件展现出和那些“贵金属”(如金、银、铂等)电极超级电容器同样的电容电压特性,并以更小的体积提供更高的电容值,可减小电路板空间和器件总重量。他们计划将其应用于有人和无人飞行器以及轨道卫星的能源供应。美国的Evans公司则开发出一种大型超级电容器,工作电压为120伏,存储的能量超过35千焦,功率高于20千瓦,可用作机载激光武器的致密型超高功率脉冲电源。

  为了满足军事需要,韩国LS Mtron公司与军方合作生产了一系列不同型号的超级电容器,将其应用于燃料及电池电动无人战车、智能战场机器人等军事领域,为战场无人化提供技术和装备支持。日本的NCC公司也在致力于研发新型大容量电气超级电容器,并在其中引入新结构的导电高分子,这样可减轻电容器的质量和体积,提升功率密度。该公司计划与美国开展军事项目合作,进一步挖掘其在大功率输出军事武器上的潜力。

  从一些军事强国的发展看,超级电容器在电力综合推进系统中的应用已较为成熟,但在以激光武器为代表的脉冲功率技术的应用上,仍存在工作电压低、内电阻较大的问题。

  近年来,全球众多国家都在致力于提升超级电容器功率密度和降低内阻的研究。相信在不久的将来,随着超级电容器的高能化和小型化,束能武器的发展将会突飞猛进,激光枪、激光炮将会得到普及,“星球大战”或将不仅仅存在于科幻电影中了。

编辑:张苇柠

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