坚持的力量
“步兵赢得战役，后勤赢得战争。”
这句据说是美国陆军上将约翰·潘兴在第一次世界大战远征作战背景下所说的话，如今在我们迈入自主水下系统时代之际，依然适用。从帆船时代到核时代，海上力量的基石在于部队能够远距离、长时间地开展作战行动。虽然传统的后勤保障是指为人员和平台提供燃料、食物和物资，但自主水下作战的后勤负担越来越集中在一个基本需求上：能源。能源驱动着所有舰载系统——推进、导航、通信和自主运行——并最终确保了维持持续水下存在所需的关键任务续航能力。
多年来，水下动力系统的主流方案一直是储能。锂离子电池凭借其高能量密度、可扩展性和成熟的制造工艺，一直是国防和商业水下系统的标准配置。但随着氢燃料电池等船载能源生产方式的稳步发展，锂离子电池的长期主导地位可能正在被打破。
虽然氢燃料电池在自主水下作业领域是一项相对较新的创新，但载人潜艇多年来一直使用氢燃料电池提供不依赖空气推进（AIP，也称不依赖空气动力）。传统的柴电潜艇必须定期通气，为柴油发动机吸入氧气，柴油发动机再驱动发电机为电池充电。然而，通气会使潜艇容易被上方巡逻的水面或空中平台探测到。燃料电池解决了这个问题，它使潜艇能够在不燃烧、不依赖大气氧气的情况下发电。储存的氢气和液氧为质子交换膜（PEM）燃料电池提供燃料，在无声的环境下发电，副产品是水和热。其结果是实现了隐蔽的、完全水下发电，并且续航时间以周而非天计算。燃料电池之所以吸引传统潜艇，正是因为其运行安静、效率高、水下续航时间长等特性，而这些特性如今也推动了其在自主水下航行器中的应用。
与锂离子电池不同，燃料电池储存的电能有限，且在任务过程中会逐渐耗尽，而燃料电池只要反应物充足就能持续发电。尽管燃料电池通常比纯电池方案体积更大、结构更复杂、成本更高，但其可用能量是同等尺寸和重量电池系统的数倍，并且可以将水下续航时间从数小时或数天延长至数周甚至数月。除了更高的能量密度外，燃料电池在闲置期间不会自放电，这使得在前沿区域预先部署系统能够执行任务。此类系统提供的更高续航能力可以降低维持自主水下存在的总成本。维持这种存在需要轮换操作多个平台——部署、巡逻、回收、补充船载能量储备以及进行维护。如果水下航行器能够在指定位置停留更长时间，并且其能量系统可以在几分钟内而不是几小时内完成补充，那么操作人员可能只需要更少的平台就能维持相同的持久性和区域覆盖范围。
对于传统推进式自主水下航行器（AUV）而言，燃料电池的续航能力优势显著，但如果将其与本身就具备超长航程和续航能力的非常规AUV相结合，则将是一项重大成就。通用原子公司（General Atomics）的G-Ray正是如此。G-Ray是一款采用混合翼设计的水下滑翔机，凭借其高升阻比和浮力驱动推进系统，最大限度地降低了能耗。G-Ray于今年4月在海军联盟海空航天大会上首次亮相，它采用了一种混合电池-氢燃料电池系统，使其续航时间和航程可达数月之久，甚至有望更长。该系统并非储存压缩氢气，而是利用轻质铝合金与水反应生成氢气，从而形成了一种创新的按需能源系统，将续航能力的限制从储存能量转移到了船载反应物容量上。
通用原子公司的G-Ray。图片来源：通用原子公司
氢燃料电池不再局限于水下航行器；它们正逐渐成为支持持续自主作战的海底基础设施的一部分。泰莱达因海洋公司（Teledyne Marine）的海底超级增压器（SSC）是一种燃料电池海底能源库，能够为传感器、执行器或航行器对接系统提供原位电力，使自主水下航行器（AUV）无需水面回收即可充电并重新部署。从概念上讲，SSC 的功能类似于前沿后勤节点，提供持续的能源，使区域自主水下部队能够保持驻守状态。这一理念并非全新。近十年前，美国海军就提出了前沿部署能源与通信前哨站（FDECO）的概念，以支持持续的反潜作战（ASW）以及情报、监视与侦察（ISR）行动。
泰莱海洋公司的海底增压器。图片来源：泰莱海洋公司
对于一些公司而言，水下氢燃料电池动力不仅代表着颠覆性的产品差异化优势，更代表着新兴的市场机遇。今年6月，Cellula Robotics和Infinity Fuel Cell and Hydrogen Inc.联合成立了NautiGEN合资企业，专注于为海上自主系统提供燃料电池动力解决方案。总部位于康涅狄格州温莎的Infinity公司是航空航天、国防和海事领域燃料电池系统的开发商，而总部位于不列颠哥伦比亚省的Cellula公司则凭借其长航时自主水下航行器（AUV）系列产品，一直走在燃料电池商业化的前沿。Cellula和Infinity此前曾在燃料电池技术领域开展合作；在Cellula的Envoy LD-AUV近期进行的试验中，该航行器完成了超过2000公里的水下航行，任务时长达385小时，期间执行了超过4000次耗能的转向和机动动作。该航行器采用Infinity公司的Mystic 2000 AUV动力系统，该系统利用了最初为航空航天应用开发的燃料电池技术，后经改造应用于海上领域。NautiGEN的问世反映出人们越来越相信燃料电池动力技术已经成熟，成为一个可行的商业市场，而不再仅仅是一种特殊的辅助技术。
NautiGEN是Cellula Robotics和Infinity Fuel Cell and Hydrogen Inc.的合资企业，专注于为海上自主系统提供燃料电池动力解决方案。图片来源：Cellula Robotics
续航能力是自主水下作战的关键所在。它决定了平台能够在指定位置停留的时间以及其能够有效监测或影响的区域范围。无论是追踪敌方潜艇、执行远程海底打击任务，还是封锁战略要道，自主水下航行器（AUV）都需要高密度的船载能源来确保任务成功。氢燃料电池代表着水下平台从存储电能向能够在任务期间持续发电的转变。虽然它们可能不会完全取代水下作战中的锂离子电池，但燃料电池可以集成到类似G-Ray的混合动力架构中，其中燃料电池提供高能量、长持续时间的基础电力，而电池则提供用于机动、浮力控制、通信和有效载荷运行的快速脉冲电力。燃料电池是否会成为更广泛的自主海上领域的主导能源解决方案还有待观察，但它们似乎已准备好在建立和维持一支可靠、持久的水下力量方面发挥越来越重要的作用。
