砺道智库 2024年08月07日 09:00 北京

据军事嵌入网8月5日报道，未来军方使用的无人机(UAV)将需要完全集成、灵活性更高的非常规武器和装甲系统，例如电磁武器和定向能武器系统。为了满足这些要求，混合能源和电力系统是目前支持武器和无人机操作的推进、连续辅助电源和脉冲功率需求的最佳替代方案。这些武器和技术的开发正在快速推进，如今可以大规模展示，但它们还必须集成能够在恶劣条件下与极端武器协同运行的坚固能源和电源。

在作战无人机（UAV）平台中，电源主要由先进电池和高压电容器组成的储能系统组成。电源必须满足机动性、杀伤力、生存力以及指挥、控制、通信、计算机、情报、监视和侦察（C4ISR）等用途的需求。

当电力必须完全由储能系统提供以适应更长的航程和更长的飞行时间时，对电力的需求就变得更具挑战性。电力供应必须以两种形式提供，机动性所需的连续电力和定向能武器所需的脉冲电力。根据无人机的尺寸和重量，主电池系统提供的连续电力需求范围可以从几十到几百千瓦(KW)。脉冲电力需求范围可以从几兆瓦到几百兆瓦(MW)，具体取决于负载和重复率。此外，脉冲电力负载需要脉冲形成网络(PFN)，这又带来了另一个集成负担，因为它们本身就需要空间。

由于电力用于机动性等连续负载和电动武器等脉冲负载，因此无人机上必须配备通用的电源和能源管理系统，按照定义的优先策略将电力分配给各种用户。

为了设计和集成用于作战无人机系统的各种组件，必须考虑关键和支持技术，包括最先进的高温电力电子、高能量密度和高功率密度电池、高压电容器和高扭矩密度牵引电机。这些组件和辅助系统需要在无人机的功率需求、负载和尺寸限制内进行集成。

为了满足既定的重量、体积和功率需求目标，需要为储能系统以及相关的电力电子、电机控制器、转换器、逆变器以及热管理系统制定积极的设计目标。脉冲形成网络(PFN)需要另一个积极的指标，必须对其进行优化和最小化才能安装在无人机中。功率转换器和PFN的集成取决于利用宽带隙半导体，例如SiC和GaN[碳化硅和氮化镓]。这些类型的半导体使工程师能够构建在高温、高频率（50kHz至100kHz）和更高效率下工作的转换器。

对于PFN，另一个关键技术组件是使用紧凑、高能量和高压放电电容器，这些电容器可提供超过2焦耳/cc的能量密度。高能量电容器与基于SiC的固态开关相结合，可显著减少PFN的重量和体积。

在战斗无人机中，除了其他较小的负载外，连续电源有两个主要用户——机动性和热管理。大部分机动性和热负载的电源由原动机（电池存储系统）提供。为了获得最佳性能，根据无人机指定的占空比，将电源分配给电容器和电池，以获得最佳效率或突发功率。

军用无人机必须能够在极端环境条件下运行，从北极圈的严寒到沙漠的酷热，以及崎岖的地形条件。它们必须承受行驶过程中的振动、冲击和剧烈扭曲，并且必须能够在很少或无需维护的情况下长时间运行。未来的无人机必须更轻、更快、更易于部署，但同时更致命、更坚固。这些限制要求制造无人机的方法与传统方法有所不同。因此，应该整合新的支持技术来应对未来车辆的技术挑战。

定向能武器(DEW)是一种电磁系统，可将电能转换为辐射能，聚焦于目标以造成物理伤害并消灭敌人。这些武器包括发射光子的高能激光器(HEL)和发射射频波的高功率微波(HPM)。军方将它们用于力量投射和综合防御任务。定向能武器的有效性取决于其能否可靠而精确地聚焦远距离能量，产生可控效果和可衡量的伤害或任务失败。

将高功率微波(HPM)设备集成到无人机中以打击敌方自主飞机涉及多项复杂的技术挑战。首先是电源管理问题：HPM设备需要大量能源，在无人机有限的有效载荷能力范围内提供紧凑、轻便、高效的电源至关重要。集成还需要坚固耐用：先进的热管理系统来消散HPM设备产生的热量，确保它们不会过热或损坏其他机载电子设备。

其次，瞄准精度至关重要。HPM系统必须包括复杂的跟踪和制导系统，以准确锁定快速移动、可能躲避的无人机目标。此升级涉及集成先进的传感器和算法，以实现实时目标捕获和攻击。此外，设计人员在部署HPM系统时必须考虑保持无人机的稳定性和机动性。HPM设备的电磁辐射会干扰无人机自身的电子设备和控制系统，因此需要强大的电磁屏蔽和隔离技术。

此外，解决潜在的对策也至关重要。敌方无人机可能会采用屏蔽或其他保护措施来抵御HPM攻击，因此需要HPM技术不断进步才能克服这些防御。

为配备定向能武器系统的军用无人机设计和集成电源和储能系统需要精心规划，并考虑多种因素，以确保效率、可靠性和运行效率。混合电动平台最适合用于满足连续和脉冲负载的电力需求。虽然在混合架构中可以实现两种负载的电源管理和分配，但集成负担可能具有挑战性，并且很大程度上取决于脉冲负载规格。

加固电源和储能系统的好处包括：

• 扩大范围/持续时间：高性能电源系统使军用无人机能够在更大范围和更长时间内运行，而无需频繁充电。这种能力增强了军队的战略机动性和耐力，使他们能够在偏远或严酷的环境中维持更长时间的行动。

• 集成先进技术有效载荷的能力：可靠的高性能电源系统使先进的有效载荷能够集成到国防平台中，这些平台不仅包括无人机，还包括定向能武器、大功率雷达和电子对抗措施。

• 对抗恶劣的电磁环境：国防无人机系统经常暴露在恶劣的电磁环境中，这些环境可能会干扰敏感电子设备。内置EMI[电磁干扰]滤波和保护机制的高质量电源系统可确保关键设备免受外部电磁干扰，从而在恶劣的电磁环境中保持运行完整性。

• 灵活性/可扩展性：现代国防行动需要灵活且可扩展的电源解决方案，以适应不断变化的任务要求和作战环境。设计合理、可靠的电源系统可提供模块化设计和可扩展性的选择，从而轻松集成到各种国防无人机平台和应用中。

设计和集成带有定向能武器系统的军用无人机的电源和储能系统需要采取平衡的方法来满足高功率需求、严格的可靠性和操作灵活性。

在军用无人机中集成混合能源和高性能电源是一项设计挑战，需要采用全面的方法来确保运行效率、可靠性和任务效力。关键考虑因素必须包括优化能量密度和功率重量比，这对于延长飞行时间和提高有效载荷能力至关重要。通过利用先进的电池技术和电容器，设计人员可以在持续功率输出和应对峰值需求场景的能力之间取得平衡。此外，集成先进的能源管理系统对于无缝协调各种电源至关重要，确保无人机可以在压力大、变化多端的操作条件下自主切换或组合它们以保持最佳性能。

此外，必须优先考虑电源系统的坚固性和弹性，以承受军事行动中典型的恶劣环境和潜在的对抗条件。这包括使用强大的热管理解决方案来防止过热，并确保所有组件都符合严格的冲击、振动和电磁兼容性军用标准。集成过程还应强调模块化和易于维护，以便快速进行现场维修和升级。由于这些无人机通常部署在偏远和恶劣的地区，因此快速更换或维修能源组件的能力对于任务成功至关重要。

最终，混合能源和高性能电源的成功整合不仅将增强军用无人机的作战能力，而且还将通过提高可靠性、多功能性和耐用性为部队带来显著的战略优势。