Каждый из нас постоянно сталкивается с ситуацией, когда смартфон разрядился, а вы в дороге и зарядить негде. Но технический прогресс не стоит на месте. Скоро, возможно, каждый из нас сможет приобрести портативное автономное зарядное устройство, которое вырабатывает электричество за счёт … энергии вашего движения. Опытные образцы таких устройств уже существуют. Ниже приведена статья из журнала министерства обороны России «Зарубежное военное обозрение» об испытании в вооруженных силах США таких автономных «зарядок».
Анализ опыта ведения современных боевых действий показал, что возрастает роль военных операций экспедиционного типа, в ходе которых пехотные подразделения выполняют продолжительные боевые задания в отрыве от главных сил. Экипировка военнослужащих постоянно совершенствуется, при этом увеличивается число электронных устройств в её составе. Для длительного обеспечения электрической энергией (ЭЭ) оборудования, используемого во время боевых действий, масса только аккумуляторных батарей (АКБ) достигает 8 кг – 20%, от общей массы экипировки, что является чрезмерной нагрузкой, уменьшающей подвижность военнослужащего.
Ожидается, что уже к 2025 году, учитывая необходимость в более сложных и мощных электронных системах в составе экипировки спешенных военнослужащих, при прежних типах источников электрической энергии (ИЭЭ) масса нагрузки может удвоиться. Становится актуальным вопрос о необходимости создания либо принципиально новых АКБ высокой плотности хранения энергии (500-600 Втч/кг вместо имеющихся 150-210 Втч/кг), либо новой системы электроснабжения.
АКБ высокой плотности хранения энергии в настоящее время применяются в космической технике, но из-за их высокой стоимости включение в экипировку каждого пехотинца не ожидается ещё долгие годы. Батареи нового поколения будут не только быстро заряжаться, но и служить продолжительное время.
В состав современной экипировки военнослужащего входит до 10 потребителей ЭЭ, в частности прибор ночного видения, средства навигации и связи, лазерный дальномер, целеуказатель, тепловизор, средства освещения и другие. Каждое устройство оснащено собственной АКБ. Из-за неравномерного потребления ЭЭ устройствами уровни зарядов их батарей на момент окончания боевого задания существенно различаются. Следовательно, в это время военнослужащий несёт дополнительную нагрузку из-за неиспользуемых или малоиспользуемых АКБ. С целью её снижения на спешенного военного необходимо рационально распределить ЭЭ. В связи с этим целесообразна централизованная система электроснабжения, в состав которой входила бы одна АКБ, которая подзаряжалась от других ИЭЭ, обеспечивая энергией все устройства. Кроме того, при централизации повышается удобство контроля уровня заряда батареи.
Ранцевое устройство выработки электроэнергии
Американские специалисты в области создания перспективных источников электроэнергии при поиске способов уменьшения количества носимых АКБ по опыту боевых действий в различных локальных войнах нашли подход к принципиально новым способам получения ЭЭ. Был изучен процесс движения военнослужащего, в ходе чего выяснено, что бёдра, на которые приходится основная масса переносимого груза, движутся вертикально с амплитудой каждого шага 4-7 см.
Для использования сопутствующей энергии тела человека разработан опытный образец устройства в форме рюкзака, выполненного на основе механизма, преобразовывающего кинетическую энергию груза в электрическую за счёт возвратно-поступательного движения, вызванного перемещением военнослужащего во время ходьбы или бега. В каркасе рюкзака расположена жёсткая пластина с лямками, к которой через пружины крепится вещевой отсек рюкзака, скользящий по вертикальным направляющим. К этой пластине прикреплена зубчатая рейка, воздействующая на шестерню генератора. В нижней части устройства имеется блокировка, устанавливаемая при необходимости пехотинцем вручную.
Значения вырабатываемой мощности при различных видах движения военнослужащего с рюкзаком массой 22 кг
| Вид движения | Вырабатываемая мощность, Вт |
| Ходьба по ровной поверхности | 12-15 |
| Ходьба по неровной поверхности | 20-35 |
| Бег | 33-40 |
Испытания ранцевого механизма проводились при передвижении по различным типам поверхности, при подъёме и спуске с полезной нагрузкой массой от 20 до 38 кг. Во всех трёх случаях был получен положительный результат.
При неподвижном положении нагрузка от рюкзака на тело человека постоянна, а с началом движения она возрастает за счёт инерции груза. При беге и прыжках воздействие на организм увеличивается, что в боевых условиях зачастую приводит к снижению эффективности вследствие повышенной утомляемости военнослужащего. Рассматриваемая концепция перспективного источника энергии позволяет свести к минимуму негативное влияние сил инерции на пехотинца.
Разработкой ранцевого механизма занимается компаниия «Лайтнинг Пэке», а финансирование ведётся за счёт ассигнований, выделяемых министерством обороны и крупными коммерческими учреждениями США, в том числе и медицинскими.
Коленное устройство выработки электроэнергии
Для выработки ЭЭ военнослужащим при выполнении боевых задач также разрабатываются элементы искусственной опорно-двигательной системы, которые позволят не только снизить нагрузку, но и выработать энергию. Её опытный образец создала компания «Бионик пауэр» в конце 2018 года, представляющий собой устройство выработки ЭЭ «Пауэр вок», крепящееся на коленный сустав военнослужащего.
Его действие основано на принципе рекуперативного торможения (это когда тяговыми электродвигателями вырабатывается электроэнергия в момент торможения) транспортных средств с электрическим двигателем (поезд метро, троллейбус, трамвай). Механизм по заранее созданной программе подстраивается под каждого военнослужащего так, чтобы генерировать максимальную электрическую мощность с наименьшим усилием.
С внешней стороны коленного сустава расположен редуктор, преобразующий через зубчатую передачу скорость сгибания колена в более высокую. Механическую энергию вращения шестерни генератор преобразует в ЭЭ. При движении на подъёме выходная мощность генератора составляет 3-6 Вт, а на спуске — 30-40 Вт. Данное устройство также помогает военнослужащему более эффективно тормозить при спуске, что в условиях боевой обстановки позволяет ему лучше контролировать движение, снизить утомляемость и риск получения травм.
Гибкая солнечная панель
Рассмотренные ИЭЭ — ранцевый механизм и ножное устройство — интегрированы в единую энергосистему, которая может быть дополнена ещё одним таким источником в виде гибкой солнечной панели на основе арсенида галлия, покрывающей поверхности рюкзака и шлема.
До настоящего времени выпущено 130 опытных комплектов для проведения всесторонних испытаний в подразделениях сухопутных войск и морской пехоты США, а также для ВС Канады. Одна из первых версий уже была представлена американскими военнослужащими на учениях.
Ножное устройство выработки электроэнергии
Кроме того, предлагается использовать устройство, которое будет вырабатывать ЭЭ за счёт движения ног военнослужащего. Его особенностью является то, что оно объединяет движение обеих нижних конечностей в единый механический привод. Тросы, прикрепленные к стопам, при движении пехотинца через зубчатую передачу воздействуют на общую шестерню генератора.
Экспериментальные результаты показали, что этот механизм может генерировать мощность 9 Вт и, кроме того, помогает сгибающим ногу в колене мышцам замедлить движение голени. Для удобства использования предполагается встроить трос в рубашку в задней поверхности брюк военнослужащего. Устройство является эффективным вариантом для выработки ЭЭ даже во время повседневной деятельности.
* * *
Необходимо отметить, что комбинированные энергетические системы всё чаще рассматриваются в качестве наиболее эффективного способа обеспечения спешенного военнослужащего ЭЭ, необходимой для продолжительной работы его электронного оборудования на удалении от стационарных ИЭЭ. Применение подобных систем в вооруженных силах США позволит также сократить финансовые затраты за счёт отказа от применяемых на данный момент непе резаряжаемых гальванических элементов.
Так, по расчетам американских специалистов, затраты на одного пехотинца за каждые боевые сутки можно будет снизить на более чем 20 долларов США. Предполагая, что за год один военнослужащий выполняет боевые задачи в течение 200 сут, общая экономия, по их оценке, составит 4 тыс. долларов в год на одного человека.
Исследования в области создания различных устройств преобразования энергии движения человеческого тела в электричество ведутся в отношении других частей тела. Вероятно, что к 2035 году удастся создать такие ИЭЭ, в которых энергия будет вырабатываться от движения грудной клетки военнослужащего при его дыхании и по беспроводной силовой сети приводить в действие эффективные механические опорно-двигательные системы.
Таким образом, в составе боевого комплекса пехотинца сухопутных войск США ожидаются принципиальные изменения, в том числе в области создания новых источников электрической энергии, что позволит решить актуальную в настоящее время проблему — снижение нагрузки на спешенного военнослужащего и обеспечение носимого оборудования электроэнергией в достаточном количестве.
Литература:
Журнал МО РФ «Зарубежное военное обозрение», № 1, 2020
