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军研发小型无人机 用氢燃料电池做能源

国际新能源网  来源:中国网  作者:弗拉季米尔谢尔巴科夫  日期:2010-12-31
关键词: 氢燃料电池

    当俄罗斯强力部门还不能确定他们需要什么样的无人机和准备为此花多少钱的时候,世界主要国家的军队正在成千而不是成百地购买无人机。特别受欢迎的是“手提”无人机,也就是士兵只用自己双手的力量就可以放飞的小型无人机。

    按最保守的估计,近十年来仅五角大楼就购买了不少于12500架各种用途和型号的小型无人机。这种无人机起飞重量约0.25-6.5公斤,翼展0.7-2.7米,可与操纵台一起携行,必要时可与辅助设备装在一至两个背囊里。可在数分钟内转入战斗状态,然后士兵只需挥手放飞即可。

    两小时不够

    尽管尺寸和重量小,但小型无人机具有足够强的侦察能力,主要是光学和(或)红外波段侦察,并能实时向操纵员的操纵台传递侦察到的敌情,向分队指挥员甚至单兵提供当前战场的图景。

   小型无人机的有效载荷通常包括小型摄像机和照相机、热像仪。动力装置采用电动机,以蓄电池为能源,从而可以降低无人机的噪声和重量,提高防爆防火特性。

    但另一方面,这种无人机也有一系列缺点,其中最明显的是续航时间短——这是由其尺寸和起飞重量小决定的,不能携带大量能源。因此,小型无人机留空时间通常不超过1-2小时。

    当然,这些时间对于其执行大部分任务完全足够了:小型无人机毕竟是灵活反应手段。但是美国将领和军事专家在分析此类无人机的使用结果、包括在实战条件下(在阿富汗和伊拉克)的使用结果后得出结论,必须将小型无人机的续航时间增加50-100%,有可能的话还要更多。

    不久前,主要研究飞行器氢动力装置的美国空军科学研究试验室分部的一位代表在接受记者采访时说:“较长的续航时间对军用飞行器极为重要,这给美军提供了更长时间监控目标的可能,还能在停止飞行或返航充电或加油之前进行大范围侦察和监视。在当前的战场上,信息是关键性因素,因此通过增加续航时间我们可以显著扩大我们和友军能够获得的侦察情报的容量。”

   杂交发动机

   因此,就出现了这样一个问题:如何在不显著增加无人机的尺寸和重量的情况下增加其续航时间?要知道,目前通过提高蓄电池的工作效能或增加其数量来取得积极结果是不可能的:工程师们还不能保证近期能够研制出工作性能得到根本提高的蓄电池。

    当然,一些公司和机构正在尝试研制更紧凑的、所用燃料类型有限的发动机。例如,今年年初,美国国防部高级研究计划局授予曙光飞行科学公司一份合同,为后者拨款进行小型无人机新型杂交动力装置第一阶段的研制工作。这种动力装置包括电动机和配备涡轮增压叶轮式鼓风机的小型柴油发动机。

    新型发动机应具有较高的效能、单位功率和经济性,噪声应比现役汽油发动机小。同时,其功率不小于10马力。曙光公司正在从事的这项工作的意义在于,使需要使用重油的柴油机适应无人机,暂时不还不行,主要是因为使用柴油或JP-8燃料的发动机尺寸和重量较大。

    这种发动机暂时还只是远景设计,而续航时间今天就要增加。

    氢燃料电池

    好在,出路找到了——使用氢燃料作为能源,近年来西方在该领域取得了突破性的成果。

    例如,从事氢燃料研究的Protonex公司不久前演示了通过使用此类燃料将无人机(起飞重量6.3公斤)续航时间延长至9小时的可能性。同时,该公司的专家们声称,燃料电池和燃料加在一起的体积比两升的可口可乐瓶子还小。

    早些时候,公司已经研制了一系列功率从100到500瓦的燃料电池。诚然,在此情况下仍需要为无人机配备锂离子电池——用于在起飞和着陆时提供补充能源。电池组在飞行中用氢燃料电池充电。

    Protonex公司负责人斯科特皮尔森在接受美国《防务新闻》周刊采访时说,采用氢燃料电池和锂离子电池的无人机的留空时间比采用有电动机的传统动力装置的无人机延长1-3倍。

    试验结果给美国国防部领导人留下了应用的印象,后者很快便交给公司一份价值330万美元的研制改进型燃料电池和所有伴随设备的合同。

    曙光公司研制的氢燃料电池将整合入AeroVironment 公司研制的“美洲豹”AE无人机的动力装置。该无人机长1.4米,翼展2.7米。用于在昼间和夜间执行侦察任务,为此它装备了光电和红外监视系统。动力装置为1台电动机。飞行控制和空地通信系统也有电源。

    AeroVironment公司选择此设计并非偶然:正是其专家研制了世界上最著名的小型无人机——重1.9公斤的RQ-11А“大鸦”小型无人机。仅美军就装备约4000架该型无人机。2001年,该机完成了首飞,2003年列装。美军特种作战司令部接收了第一批“大鸦”无人机。按照最初的合同购买了约850架,单价35000美元(一套系统价格为25万美元)。

    技术问题

    Protonex公司的一份广告宣传单中是这样说的:“您需要做的全部工作就是添水,然后您会得到高能燃料。”

    这里说的氢是硼氢化钠和水在催化剂和热的作用下发生分解反应产生的。所获得的气体直接进入燃料电池,遇正极——铂催化剂离解并失去电子,然后电子输出到外电路——这对动力装置的工作来说是必须的,而中子同时到达负极(催化剂),在这里与大气中的氧发生反应生成水,水是生成氢的反应所必需的。多余的水直接排到机外,以避免无人机过载。这就是一架无人机中的物质循环。

    自然,这一半封闭循环的时间长短取决于原物质——硼氢化钠的储备量。已经用过的燃料组件或者在飞行中抛投出去,或者送回去重新充电。专门研制的内置于油箱的控制系统能自动调节反应程度和氢的产量。

    研制公司的代表说,正在按五角大楼的订货研制的燃料动力系统的突出特点是,其所使用的所有成分均无毒、不可燃,相当重要的一点是成本相对较低。

    AeroVironment公司新闻发言人斯蒂文吉特林在接受记者采访时强调说:“我们认为装备了氢燃料电池系统的‘美洲豹’AE无人机有很大的潜力。这种无人机可非常有效地用于长时间在受保护设施周围进行监视或在地面护送队行进路线的前面巡逻。”

    此外,应特别强调,“美洲豹”AE无人机的研制公司不仅为陆军分队、边防部门或空军还正在为特种作战部队、海军和海岸警卫队研制改型。

    该无人机的“杂食性”体现在其名称上,AE为All-Environment的缩写,意为“全环境”,即可在任何条件下使用。海军和海岸警卫队可使用有不透水机体的“美洲豹”,这样,无人机能够安全地在水上降落。用15.24×25.4厘米的操纵台及所配的10.16×15.24厘米屏幕操纵。

    美国国防部代表称,旨在研制使用氢燃料电池动力装置的长航时无人机的计划的第一阶段预计于2010-2011年完成,如果试验顺利,将在最短时间内装备美军各军兵种。

    其他国家的军方也对这一先进设计颇感兴趣。这种无人机似乎对俄罗斯强力部门也非常有益,但不幸的是,俄罗斯在类似的燃料电池和不依赖空气的动力装置研制领域还落后于西方。

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