DQZHAN技術(shù)訊：超級(jí)電容器釋放“超級(jí)能量”
搶占太空空間、爭(zhēng)奪“制天權(quán)”，已成為打贏未來(lái)信息化戰(zhàn)爭(zhēng)的重要一環(huán)。要建立強(qiáng)有力的防天系統(tǒng)，離不開(kāi)精準(zhǔn)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(duì)打贏未來(lái)“天戰(zhàn)”不可或缺。
超級(jí)電容器，作為高功率脈沖激光武器中*重要的供能部件，是一種新型儲(chǔ)能裝置，可在很短時(shí)間內(nèi)爆發(fā)出巨大能量。在裝甲車(chē)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(shè)備上，它均有廣泛的應(yīng)用，在未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)上的作用不能小覷。
與**代化學(xué)電池組成“黃金搭檔”
打贏未來(lái)信息化戰(zhàn)爭(zhēng)，新一代武器裝備的戰(zhàn)場(chǎng)電力供應(yīng)必不可少，這就對(duì)儲(chǔ)能裝置的功能提出了新要求。目前得到廣泛應(yīng)用的儲(chǔ)能裝置是鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鋰電池等**代化學(xué)儲(chǔ)能電池，這些電池為單兵裝備供電系統(tǒng)、戰(zhàn)車(chē)混合電傳動(dòng)系統(tǒng)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(huán)壽命較短，等等。這些“短板”，在冰天雪地（溫度過(guò)低，低功率電池?zé)o法有效“喚醒”裝備）、平原開(kāi)闊地帶（無(wú)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(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，會(huì)讓裝備“掉鏈子”，從而使作戰(zhàn)效果大打折扣。
為了避免因電池的“短板”導(dǎo)致裝備在復(fù)雜多變的戰(zhàn)場(chǎng)上“掉鏈子”，超級(jí)電容器在研究人員的攻關(guān)下應(yīng)運(yùn)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(chǔ)能裝置。不同于電池，其在充電、放電時(shí)不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，電能的儲(chǔ)存或釋放是通過(guò)靜電場(chǎng)建立的快速物理過(guò)程，沒(méi)有受到像電池一樣復(fù)雜耗時(shí)的化學(xué)反應(yīng)限制。因此，超級(jí)電容器的比功率可達(dá)化學(xué)電池的數(shù)百倍，能在很短時(shí)間內(nèi)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(shí)，由于超級(jí)電容器充電、放電是物理過(guò)程，可以用大電流充電，在幾十秒鐘到幾分鐘內(nèi)即可完成，能節(jié)省寶貴的戰(zhàn)場(chǎng)時(shí)間，避免戰(zhàn)車(chē)等裝備成為“活靶子”。
超級(jí)電容器除了具有高比功率和充電速度快的特性外，在循環(huán)使用壽命上也高出化學(xué)電池至少百倍，能充電、放電上百萬(wàn)次，可大大節(jié)省開(kāi)支。
根據(jù)以上特性，超級(jí)電容器可與化學(xué)電池形成有效互補(bǔ)，通過(guò)適當(dāng)?shù)膯卧O(shè)計(jì)，使它們功能多樣化，成為信息化戰(zhàn)場(chǎng)的“黃金搭檔”。
一些極端條件下的引擎啟動(dòng)，就是這對(duì)黃金搭檔“合作共贏”的生動(dòng)范例：它們分工明確、配合默契，堪稱戰(zhàn)場(chǎng)裝備的“能量雙雄”。為什么這樣講？原來(lái)，超級(jí)電容器配合蓄電池應(yīng)用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)電啟動(dòng)系統(tǒng)，能有效保護(hù)蓄電池，延長(zhǎng)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(huì)造成裝甲車(chē)輛啟動(dòng)緩慢甚至無(wú)法啟動(dòng)，大大降低了戰(zhàn)場(chǎng)機(jī)動(dòng)能力和反應(yīng)速度。而超級(jí)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(dòng)系統(tǒng)的正常供電，使戰(zhàn)車(chē)一次性“激活”成功。
堪稱眾多**裝備的“能量核心”
如果說(shuō)超級(jí)電容器配合化學(xué)電池在陸地戰(zhàn)車(chē)混合電啟動(dòng)系統(tǒng)中的使用僅僅算是“打助攻”，那么應(yīng)用在潛艇、艦用電磁炮、高功率束能武器電源等運(yùn)行功率較大的武器裝備系統(tǒng)上，其表現(xiàn)堪稱“一枝獨(dú)秀”。
潛艇電力綜合推進(jìn)涉及發(fā)電、輸電、變電、推進(jìn)和儲(chǔ)能等關(guān)鍵步驟，是一個(gè)龐大的系統(tǒng)工程。以前的電傳動(dòng)中，為推進(jìn)系統(tǒng)供電的動(dòng)力電站和為潛艇設(shè)備供電的電力電站，是分開(kāi)的兩套系統(tǒng)。假設(shè)是低速巡航，用不了那么大的功率，動(dòng)力電站只能低速運(yùn)行，很不劃算。電力綜合推進(jìn)系統(tǒng)則把動(dòng)力電站和電力電站作為一個(gè)整體，低速巡航可以讓大功率的動(dòng)力電站滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)為推進(jìn)電機(jī)和潛艇設(shè)備供電，關(guān)掉電力電站，以達(dá)到“物盡其用”、降低成本的效果。因?yàn)闈撏?duì)綜合電力推進(jìn)的要求很高，超級(jí)電容器模組可以作為電力綜合推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)急電源補(bǔ)充，在系統(tǒng)平時(shí)正常運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，收集電能儲(chǔ)存起來(lái)，起到蓄電池的作用。在應(yīng)急狀態(tài)下，當(dāng)電力供應(yīng)不足無(wú)法帶動(dòng)整個(gè)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，可以利用超級(jí)電容器瞬間充電、放電的特點(diǎn)，將儲(chǔ)存的電能瞬間釋放出來(lái)，為電力系統(tǒng)提供大功率補(bǔ)充電源，使整個(gè)系統(tǒng)迅速恢復(fù)進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)，大大增強(qiáng)戰(zhàn)時(shí)反應(yīng)能力，提升戰(zhàn)斗力。
在作戰(zhàn)武器系統(tǒng)方面，超級(jí)電容器也常帶“主角光環(huán)”，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(yīng)用電磁加速技術(shù)發(fā)射彈丸的一種純電能武器。軌道式電磁炮發(fā)射原型由兩條平行的導(dǎo)軌組成，彈丸夾在接入電源的導(dǎo)軌之間。電流經(jīng)一導(dǎo)軌流向彈丸，再流向另一導(dǎo)軌產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)與電流相互作用，會(huì)形成強(qiáng)大的洛侖茲力推動(dòng)彈丸，使其達(dá)到很高的速度。在此基礎(chǔ)上，將上千個(gè)電容器并接在軌道上，形成超級(jí)電容器，瞬間釋放電容器儲(chǔ)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(jí)電容器共同安裝在作戰(zhàn)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(shí)，作為高功率脈沖電源，超級(jí)電容器也可用于定向能武器電源系統(tǒng)。定向能武器又叫“束能武器”，是利用各種束能生成強(qiáng)大殺傷力的武器，因其被發(fā)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(tǒng)共同的特點(diǎn)是：束能傳播速度可接近光束，一旦指向目標(biāo)發(fā)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(dá)幾百至幾千千瓦，擊中目標(biāo)后能使之毀壞或熔化；束能聚集細(xì)密，又來(lái)得很突然，敵方難以發(fā)現(xiàn)其來(lái)自何處，從而根本來(lái)不及回避或?qū)梗勺龅健皻秤跓o(wú)形”。
世界多國(guó)競(jìng)相攀登“能量高峰”
正是因?yàn)槌?jí)電容器有出色表現(xiàn)，所以受到眾多國(guó)家的青睞。未來(lái)信息化甚至智能化戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的復(fù)雜性、多樣性，對(duì)超級(jí)電容器的容量、尺寸以及穩(wěn)定性提出了更高要求，因而加速了各國(guó)研制性能更強(qiáng)勁超級(jí)電容器的步伐，用于武器裝備的升級(jí)換代，從而贏得戰(zhàn)爭(zhēng)的主動(dòng)權(quán)。
當(dāng)前，世界上超級(jí)電容器的民用產(chǎn)品技術(shù)已日趨成熟，但在**產(chǎn)品技術(shù)方面，各國(guó)都諱莫如深，通常通過(guò)定制或?qū)⒐I(yè)產(chǎn)品經(jīng)過(guò)升級(jí)改造后用于**裝備。美國(guó)的AVX公司推出宇航級(jí)“卑金屬”電極、電介質(zhì)多層陶瓷超級(jí)電容器，這些電子器件展現(xiàn)出和那些“貴金屬”（如金、銀、鉑等）電極超級(jí)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(jì)劃將其應(yīng)用于有人和無(wú)人飛行器以及軌道衛(wèi)星的能源供應(yīng)。美國(guó)的Evans公司則開(kāi)發(fā)出一種大型超級(jí)電容器，工作電壓為120伏，存儲(chǔ)的能量超過(guò)35千焦，功率高于20千瓦，可用作機(jī)載激光武器的致密型超高功率脈沖電源。
為了滿足**需要，韓國(guó)LS Mtron公司與軍方合作生產(chǎn)了一系列不同型號(hào)的超級(jí)電容器，將其應(yīng)用于燃料及電池電動(dòng)無(wú)人戰(zhàn)車(chē)、智能戰(zhàn)場(chǎng)機(jī)器人等**領(lǐng)域，為戰(zhàn)場(chǎng)無(wú)人化提供技術(shù)和裝備支持。日本的NCC公司也在致力于研發(fā)新型大容量電氣超級(jí)電容器，并在其中引入新結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電高分子，這樣可減輕電容器的質(zhì)量和體積，提升功率密度。該公司計(jì)劃與美國(guó)開(kāi)展**項(xiàng)目合作，進(jìn)一步挖掘其在大功率輸出**武器上的潛力。
從一些**強(qiáng)國(guó)的發(fā)展看，超級(jí)電容器在電力綜合推進(jìn)系統(tǒng)中的應(yīng)用已較為成熟，但在以激光武器為代表的脈沖功率技術(shù)的應(yīng)用上，仍存在工作電壓低、內(nèi)電阻較大的問(wèn)題。
近年來(lái)，全球眾多國(guó)家都在致力于提升超級(jí)電容器功率密度和降低內(nèi)阻的研究。相信在不久的將來(lái)，隨著超級(jí)電容器的高能化和小型化，束能武器的發(fā)展將會(huì)突飛猛進(jìn)，激光槍、激光炮將會(huì)得到普及，“星球大戰(zhàn)”或?qū)⒉粌H僅存在于科幻電影中了。
