DOI:10.19486/j.cnki.11-1936/tj.2023.06.006
塞尔维亚裔美籍科学家尼古拉·特斯拉不仅是发明家、物理学家、机械工程师、电气工程师，而且是电气化领域的先驱，他的众多发明完全是在头脑中完成的，也正是他最早发明和创造了交流电系统，发明了电机和高压变压器等，对现代工业产生了深远影响。
更令人叹为观止的是，早在1900年，特斯拉就对战争电气化（亦有称战场电气化）的最终状态进行了最恰当的描述：“未来一旦发生大规模战争，战争法则的理想发展，最终会导致战争的全部能量都转化为纯粹的潜在的爆炸性能量，就像超大容量电容器的能量一样；在这种形式下，战争能量可以‘不费吹灰之力’地保持下去；也许能量需求的规模会变得越来越小，但却有无与伦比的效率和效能。”此外，特斯拉还阐述了战争电气化所带来的后勤保障、效率和有效性等各个方面的改善与提高等问题。
其实，战争电气化早就始于特斯拉发表上述声明的35年之前，比如在当时的美国内战期间被采用的电报。领导人和指挥官们第一次可以在广阔的战场上获得近乎实时的报告，这是一项革命性的发展。当时，燃烧煤炭发电成为现实。从此，电力从根本上改变了人类社会和战争的状态。今天，战争电气化正在以不可否认的速度加速发展。柴油燃料的燃烧和一次性电池的使用为当今的军用电子设备和装备提供电力。正是因为认识到与这些依赖相关的关键后勤保障的弱点、污染及其内在限制，美国陆军开始寻求摆脱对柴油燃料和一次性电池的依赖，同时还在设法继续提高其性能。增强现实视觉设备（ARVD）、自主补给机器人（ARR）、人工智能、电动战车（ECV），以及定向能武器（DEW）等神奇的创新都处于研究、开发和部署的不同阶段。为了支持这些创新，美国陆军的电力系统需要进行现代化。其中，电动战车和定向能武器将被证明是对美国陆军当前能源系统最具“破坏性”的装备。
2020年，美国陆军未来司令部开始制定一项研制电动战车的计划。不可否认，电动战车的优势在于其所需的运动部件更少、可靠性更高、维护成本更低，而且还能够提供即时扭矩，有助于车辆自身穿越崎岖的地形，并降低热量和声音信号特征，从而降低被对手发现的概率。然而，电动战车为军用电气系统的发展同样会带来新的挑战，即战场前沿对电能的需求呈指数级增长。
当然，出于多种原因，定向能武器也是未来战争的大杀器。一旦研制成功和部署，定向能武器的操作运行费用低廉，不需要消耗任何弹药，能以光速或接近光速直射目标、瞬时命中；同时转移火力快，可以在短时间内连续攻击多个目标，反应灵活迅速，且能量高度集中、附带毁伤低。
支撑这些新兴技术装备的能源需求要求美国陆军的微电网实现现代化和一定的发展。实质上，微电网属于独立的能源系统，至少由发电和配电等设备组成。美军全球反恐战争期间建立在前进作战基地（FOB）的固定/静态微电网，不能满足以机动为中心的多域冲突的需求。因此，新一代微电网必须具备高机动性，集成各种发电设备和储能系统（ESS），并采用复杂的控制系统，以满足现代作战人员和武器装备的能源需求。无疑，微电网将为整合到多域作战行动中的电动战车和定向能武器提供所需的移动电力支持。
本文着重对美国陆军现有移动微电网的现代化建议进行介绍，目的是“敦促”该军种尽快构建能够提供可靠且具有弹性的能源保障体系，尤其是战术微电网，以满足整合于未来多域作战行动中电动战车和定向能武器的电力需求。这些建议得益于研究人员对微电网进行建模和模拟评估分析期间所采用的OpenDSS（Open Distribution System Simulator），该软件是美国电科院研发的一款免费的开源电力系统配电网仿真工具软件。
当今的战术微电网
美国陆军当今的移动指挥所，从营级到师级，规模和复杂程度各不相同，但都离不开微电网。微电网是高度移动的“电力孤岛”，可为通信、作战规划、作战管理和后勤保障等提供电能。在现代近乎均势的冲突中，移动指挥所必须每24小时转移一次，以确保其生存能力。这些指挥所通常都拥有各自的电力系统电压等级（不使用变压器进行电力传输），由一台柴油发电机供电，且通常备用一台发电机，虽然技术上可行，但实际上两台发电机同时发电极为少见。通常情况下，柴油发电机的额定功率低于25千瓦，微电网也不具备储能或可再生能源发电功用。以目前的形式，军用微电网还不能满足日益增加的电气化武器装备的供电需求。
长期以来，美军都要依靠柴油燃料进行能源生产、配电和储存，拥有一个庞大的物流网络系统，以保障每年36.5亿加仑的燃料消耗。然而，作战条件下的燃料输送和分配非常危险，比如伊拉克战争期间，每24支燃料运输车队就有一支常遭到袭击。对柴油燃料的依赖是战斗车辆和指挥所共同面临的一个关键弱点。在近乎均势的机动冲突中，安全地保证燃料供应十分困难。
此外，当今的军用微电网只有一种产生电能的方法：普通的柴油发电机。这些发电机普遍尺寸过大，低负载运行时会出现“湿堆积”现象（译者注：即当柴油发电机轻负载运行或不能达到最佳运行效果时，没有充分燃烧的柴油很容易聚集在排气系统中，并堆积在喷油嘴、排气管、涡轮增压器等原件上，极大影响柴油发电机的使用效率，造成启动困难等，严重时还会导致发电机提前报废）。最近的一项研究表明，大多数美国陆军部队配备的发电机只能以其额定容量的30%运行，“湿堆积”现象不仅会导致燃油经济性差，而且增加发电机的维护要求。除备用柴油发电机外，缺乏冗余也对电力生产构成严重威胁。同时，该军种还缺乏针对燃料供应中断的保护措施；前方作战部队依靠油罐车获得燃料补给，而油罐车不可能在激烈对抗的战场上“肆无忌惮地”行驶。如今的军用微电网还不能可靠地进行可再生能源发电。可再生能源发电机的主要优势是其“燃料的独立性”。然而，可再生能源受天气影响较大、且具有不可调度性（间歇性和波动性），这意味着可再生能源发电机完全依赖环境资源来发电（太阳能电池板在没有阳光的情况下不会产生能量）。电动战车和定向能武器的功率和电力需求比目前美国陆军指挥所要求的要大几个数量级，现有发电机还不能为定向能武器提供各自所需的瞬时高功率。
比如，美国陆军承诺，在增强现实环境中，通过将热成像和红外成像与数字通信系统集成，综合视觉增强系统（IVAS）能够提高士兵的态势感知能力。然而，便携式无线电、手电筒和激光瞄准具，以及诸如“标枪”导弹等许多设备和武器系统都需要便携式电能。此外，士兵们通常还携带一套电子战以及化学、辐射和生物制剂探测设备。所有这些装具都通过柴油发电机或一次性电池供电。以目前的形式，军用微电网根本无法满足美国陆军武器装备电气化的需求。
理想的改进型军用微电网
概念上的改进型军用微电网应该具备以下优势：不需要燃料再补给；会有多种发电资产选项；会有大容量的能源储存；将根据需要提供高输出功率；以及将采用弹性配电系统，同时保持其机动性。凭借现有技术，这些预期优势未必都能实现。然而，美国陆军对相关技术进行了大量的研究和开发，目前已开始朝着理想的改进型军用微电网方向发展。所需进行的研发大致可分为两类：能源生产和能源传输。
能源传输 满足战场电力需求的最大挑战之一是能源传输。穿越大规模战场空间的高压输电是不可能实现的，因此必须储存能源以传输给电动战车。这种能源的储存和传输可以采用多种形式，比如便携式电池、氢燃料电池或液流电池（利用某些元素、通常是金属氧化状态下的能量差异来储存或释放能量的电化学转换装置）。众所周知，电池拥有最成熟的技术，可以通过充放电/更换新的电池为电动战车供电。假设拥有96%的效率，通过充电-放电-充电整个循环过程，电池可将88%的电能传输给电动战车。相比之下，当下的柴油发电机将柴油燃料中的化学能转化为电能的效率通常只有40%左右。电池电能传输面临的挑战是充电时间长。如今，与化石燃料能量转化相比，电池充电时间相对较慢，但许多研究工作正在进行中，旨在开发快速充电装置。柴油燃料的能量密度约为11600瓦时/千克，锂离子电池的能量密度约为100瓦时/千克。将各自的能量密度乘以各自转化为电能的能量百分比，意味着每千克柴油产生的电能要高出锂离子电池5倍。因此，转换到基于电池的配电系统，将需要大约5倍的“电池卡车”（BatteryTruck）来取代当今的燃料卡车。其他传输方式，比如液流电池或氢燃料电池，由于能量密度较高，配电要求可能较低。然而，在大规模部署之前，这些技术还都需要进一步的研究和开发。
可再生能源发电 可再生能源发电是最成熟的技术之一，具有降低依赖柴油燃料的潜力。然而，风能发电和光伏发电等可再生能源的不可调度性使得很难将其作为军事行动的唯一能源。军事行动通常发生在可能始终不适合进行可再生能源发电的气候条件下。根据美国的容量因子（CapacityFactor，是指发电厂/站平均发电量与额定发电量的比值），每10辆电动战车将需要一个额定输出功率625千瓦的光伏阵列（覆盖约一英亩土地）、一个额定输出功率440千瓦的风力发电厂（风力涡轮机的轮毂高度为70米，叶轮直径50米），或一个额定输出功率207千瓦的地热发电厂（需要约250平方米，类似于一个核电站，且地壳的地球物理条件要适宜）提供电能。目前，可再生能源发电的最佳用途是小规模集成到以柴油为中心的微电网中，以减少燃料消耗。
核裂变发电 模块化核反应堆可以为电动战车提供可靠的能源，美国能源部正在考虑几种现代设计方案。其中，“贝利项目”（ProjectPele）很有希望开发出机动式先进微型核反应堆，以为国防部的各种任务提供可部署、可靠、弹性，以及安全的作战能源保障。当微型核反应堆产生的电能必须传输给电动战车时，这对其电能的传输和化石燃料的输送同样会有限制性。假设美国军事行动具有持续的远征特征，那么将现有核电站部署在作战前线方向上会面临严峻挑战。此外，核电站需要采取严格的保护措施，以防受到攻击，同时还需要投入大量宝贵的资源，以及一支训练有素的技术保障人员队伍。假设核电容量因子为92.5%，并且88%的能量能够传输给车辆，那么每10辆电动战车将需要一个额定输出功率大约170千瓦的核电站提供电能（足以为40个美国家庭供电）。
天基光伏能源 在轨天基光伏卫星可将能量以无线电波的形式无线传输到地面上的接收天线（整流天线），由储能系统收集并最终传输给电动战车。适当的轨道位置和星座排列可以产生能量，而不受日起日落、昼夜交替、阴晴云雨等条件的影响。美国空军的太空太阳能增量演示与研究项目（SSPIDR，即利用放置在太空中的大型太阳能电池板收集太空中的太阳能，然后将其转换为微波能量再发射到地球上）试图开发所需要的技术。然而，在未来的冲突中，美国在太空的军事优势还不能完全得到保证。此外，需要大型地面天线将轨道卫星传输到地球的射频能量转换成电能，以便储存和传输给前方战车。假设容量因子为85%，由于天气和厚云层的干扰，每10辆电动战车将需要一颗向地面连续输出额定功率为180千瓦的卫星提供能源。由此看来，天基光伏卫星为电动战车提供能源造价昂贵，可能为功率需求较低的特殊任务提供保障更为适合，而非保障电动战车。
放射性同位素热电机 放射性同位素热电机（RTG）可能是解决为电动战车提供能源最有效的方法之一。美国陆军未来司令部领导层最近暗示，放射性同位素热电机是一种可能的发电解决方案。长期以来，放射性同位素热电机一直被用于太空发电。美国宇航局最新型放射性同位素热电机的能量密度为2.4瓦时/千克，而锂离子电池的能量密度至少为100瓦时/千克。如果每辆电动战车都有自己的内置放射性同位素热电机，容量因子为10%，为电池进行充电的效率为96%，充电功率为20.83千瓦（可为一块500千瓦时的电池进行24小时自充电），那么每辆电动战车的内置放射性同位素热电机大约重8700千克。这对于行驶中的车辆来说太过于笨重了，而且在太空中产生这种功率水平所需的温差在地球上通常是无法实现的。然而，随着研究重点的拓展和美国国防部的持续资助，取得重大技术突破是可能的。自供电车辆不仅可以消除军队对柴油燃料的依赖，还可以显著降低后勤保障需求，而无需极易遭受攻击的能源生产基地或能源运输基础设施。除了其他武器系统，配有定向能武器的自供电车辆可以进一步降低对弹药的需求。