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美军“钢铁侠战衣”即将实兵测试 离“未来战士”还有多远?

2018-06-02 10:49 编辑:TF009 来源:北京晚报

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2018年6月2日讯,在近期上演的电影《复仇者联盟》中,身披高科技铠甲的钢铁侠托尼·史塔克上天入地,在“正义联盟”中格外引人注目。而据美国媒体25日报道,美国特种作战司令部采购主任吉姆·史密斯称将在一年内开始对“动力装甲”进行实兵测试。这款装置能让特种部队士兵成为活生生的钢铁侠。现实版的“钢铁侠”真能实现吗?它具备有怎样的功能?

2018年展出的动力装甲原型机

追根溯源:最早出现在一本科幻小说中

所谓动力装甲,简单说就是一套特殊的“装甲外衣”。穿在身上后,可以获得各种战斗力“加成”,如更强的防御力、机动力、更大的力气火力、更灵敏的信息获取能力等等。最早的动力装甲,是在1959年海茵莱茵执笔的科幻小说《星船伞兵》中出现的。这套具备动作同步式驱动系统与核生化防护系统的动力服,外壳覆以轻合金,能有效地防护轻兵器或炸弹破片的攻击。由于能同步运动再加上动力增幅,大幅地提升了士兵的防护力,运动能力与生存性。

游戏中的动力装甲

根据小说中的描述:“动力服能给我们更敏锐的眼睛,更机警的耳朵,更强壮的后背以携带沉重的武器和更多的弹药,更强大的火力,更持久的忍耐力,还有更不容易受伤。”

这种让人入迷的设定,很快被许多后续的游戏、小说和影视所吸取,成为科幻战场上的明星。而其中最著名的,当然就是钢铁侠史塔克。

值得一提的是,动力装甲和机器人完全不同,它是由真人穿戴的高科技装置,而不是电脑AI操控的机器人。动力装甲与常见的“人形兵器”也有很大区别,简单说,后者是由人采用通常的方式(如按键、操纵杆等)操控武器作战,而前者则是机器附着于人,跟随人的动作进行动作。譬如美国动画片《太空堡垒》中,第一阶段地球方面的变形战斗机属于“人形兵器”,而在第二阶段破获外星人技术后发展的通过操纵员神经直接映射的机甲动作,则可以归为“动力装甲”。

动力装甲的体型差异也很大。如钢铁侠史塔克的装甲,穿上后只是略显粗壮魁梧;《星船伞兵》中的动力装甲,使用者穿着后身高超过2米,全备重量将近1吨;而《太空堡垒》中的机器人型装甲更是高达数十米,重达上百吨。

神兵概念:装甲项目最大挑战——传感系统

60年代的机械手系统

现实中的动力装甲,或者说在未来一段时间可以期待的动力装甲,当然做不到如小说、影视中那样夸张。不过从实现的功能来说,还是大同小异。

首先,动力装甲能通过机械增强士兵的肢体能力。士兵一只手费尽力气也只能提起几十公斤的物品,而通过设备产生的机械力,让他能单手提起上百公斤甚至几百公斤的重物。其次,通过动力装甲遮盖士兵的肢体皮肤,形成防护力,可以挡住伤害士兵的弹片和冲击破、热浪等。此外,还能增强士兵的信息探查能力和攻击力。而要让士兵能够灵活操控这种装甲,使得装甲能跟随士兵的动作产生反应,则需要有足够精密的传感系统。这才是整个装甲项目最大的挑战。

有趣的是,真实世界中对动力装甲的研究,几乎是紧跟着文艺领域进行的。早在1960年,也就是《星船伞兵》出版后的一年,美国通用电气开始了类似的研究。他们最早开始研究的是一只机械手臂,后来扩展为全身系统。这个项目被称为Hardiman,拎起120公斤的重物就和平常人拎起5公斤重物一样轻松。这个项目在60年代中期取得了一定进展。

此后,其他一些公司陆续进行相关研究。麻省理工学院从1978年开始研究,Sarcos公司在1983年开始研发XOS项目。2000年,XOS被美国国防部研究计划署选中,打算应用在军队中。后来Sarcos被美国著名的军火商雷神收购。美国国防部研究计划署投资数千万美元为地面部队开发外骨骼套装。这种外骨骼又被叫做“战术突击轻型特种兵服装”(缩写TALOS),不过美军对其研发进度估计有些落后,原本他们计划在2018年就能投入实用。

这次美国媒体报道的动力装甲包括一层内衬、一层外骨骼和一层装甲。其中装甲负责保护步兵,外骨骼负责提升步兵的力量,内衬则是传导步兵的身体动作。此外还有一个复杂的头盔系统,内置情况传感系统和通信系统。

刀枪不入:装甲防护

动力装甲搬动重物

既然称为“装甲”,大家的第一反映当然是其防护力,保护士兵被杀伤。钢铁侠影片中,史塔克穿上铠甲后,别说普通的枪炮难以将其伤到,连外星人的超能力攻击他也能支撑不少回合。

现实设计中,动力装甲的几大要素里面,防护力其实是相对容易实现的。因为现在的个人防护技术已经比较成熟。现在较为先进的防弹衣是软硬复合型,一般外部是金属或陶瓷片、玻璃钢等硬质材料抵挡弹片,内衬则用凯夫拉、超高分子量聚乙烯纤维等减缓冲击。对于一般的弹头、弹片杀伤,防弹衣的强化很简单,就是用更多的层数和厚度来实现,换句话说就是一层不够上两层,十层不够上二十层,总能达到预期的防御目的。

但是,对于普通士兵来说,防弹衣当然不能无限增厚。因为穿得太多,会严重消耗士兵的体力和机动力。比如一件凯夫拉防弹背心有好几公斤重,穿上后压力很大。但动力装甲却独具优势。因为动力装甲本身具备动力系统和外骨骼,穿戴上动力装甲的士兵,负重能力大大超过普通步兵。5公斤或者10公斤的防弹衣对普通士兵是不小的负担,但一整套动力装甲却可能有上百公斤乃至数百公斤的分量。这种情况下,稍微花费一些重量在装甲防护上根本不是大问题,系统动力和外骨骼搬动这些分量也轻而易举。这就使得现实版“钢铁侠”们能够轻易地获得远胜普通士兵的防护力。

从目前公布的照片来看,美军动力装甲在防御上,可能是以钛合金作为外部防御,内部则以其他先进材料衬底。其厚度和覆盖面积肯定远远超过普通的防弹背心,为士兵提供全方位的防护。

不过,对于更先进的一些防御模块,如主动防御装甲等,估计短期内不可能采用。一则,这些技术常用在装甲车辆上,其小型化未必成熟,系统本身对于能源、弹药等的要求较高。二则,主动防御可能给本身和邻近的友军单位带来损伤,对于装甲车辆而言这种损伤可以接受,但对步兵这种损伤却可能是致命的。

拔山盖世:外骨骼动力

动力装甲更为核心的技术,是所谓的外骨骼。我们可以把外骨骼理解为一个机器人,它紧贴着士兵的身体,并且模仿士兵的动作。这样,当士兵需要举起重物时,实际上是模仿它的机器人在举起。外骨骼不但使士兵能够携带更多的武器和军需品,也使士兵能够穿上较重的防护设备,增强装甲防护力。可以说,对于这一套肯定会很沉重的动力装甲而言,外骨骼是一切的基础。20世纪60年代,通用电气公司开发的Hardiman,首先就是一个外骨骼系统。

对外骨骼的研发而言,重点不是外骨骼能有多大的力量,毕竟比起人力来说,机械力是可以轻易超越十倍、百倍的。实现外骨骼的难度,主要在于要选择合适的构造材料,既坚韧又有弹性,足以用不太夸张的重量支撑整个系统;要实现外骨骼系统在机械性能方面的灵活,带有能够弯曲的关节,使得其可以与士兵做到相同的动作。最后,还要实现对外骨骼有效的控制,使士兵穿上外骨骼后能够正常活动,促使机器顺畅移动。基本上,制造好的外骨骼,就和制造仿真机器人一样,唯一不同的是前者由穿戴的士兵控制,后者由AI自行操控。

在外骨骼传动的研究中,美国科学家通过人体上几个接触点的信息反馈,使得外骨骼的AI电脑理解操作者的动作意图,再配合行动。为此,系统包含微型传动装置和压力感应器等,通过液压或电传系统产生联系。那些感应器,以每秒几百次甚至几千次的速度,把测量到的数据传给中央处理器,然后由中央处理器经过紧张计算,判断操作者意图,并根据结果进行模仿,指挥每个关节内的每条人工肌肉如何运动。

在实验中,操作员伸手从架子上拉下杠铃时,手上的感应器立刻检测到变化,并启动外骨骼。于是,在外骨骼系统的运转下,操作员轻易地将100磅的杠铃举起了数十次,而自身的手臂肌肉只承受了很轻微的压力,体力消耗很低。

但这些只是理论上的理想结果。项目负责人詹姆斯·米勒上校透露,目前最大的困难正是在于外骨骼。当前的外骨骼系统还存在很多问题。其原型机由800个部件构成,大量使用碳纤维塑料,但是价格过于昂贵,而且不能满足粗暴操作的需要。他们下一步可能会用钛合金来制造外骨骼。

了如指掌:信息与通信

“现代钢铁侠”中还有一些较为成熟的子系统,例如信息与通信系统,以及与之适应的内衬系统。毕竟,战场信息传输和网络化平台是美军已经研究了数十年的系统,技术比较成熟。在具体应用中,如同防弹衣一样,通常由于体积和重量的约束,或者携带不便,制约信息设备的广泛和深入使用。而在动力装甲中,由于外骨骼令士兵负重能力提高了许多倍,自然也可能承载更为全面和完善的信息与通信系统。

动力装甲的内衬系统,具备热特征管理能力,有一整套分布式传感器,安装在身体各个位置,来监控士兵的生理情况,包括体温、心跳、呼吸、血压、血糖等参数,然后根据这套参数,完成适宜的操作,比如向士兵提出警告和建议、联络附近友军和医疗单位,或者调解装甲的内部温度等。这几项功能,作为美军单兵作战系统的组成部分,现在已经实用化了。例如温度调节,是通过在内衬的管路里注入冷或热的液体来实现的。

除此之外,装甲的头盔部分还装有小型显示器,安装在士兵的眼睛下方,只要向下一瞥就能看到所需的各种信息。这些信息除了士兵和装甲系统自身参数,还包括来自友军和上级的指示、消息,来自侦查设备包括卫星传输的敌情和战场信息等。利用传感器和全球定位系统(GPS)接收器,士兵可以了解有关他们正在穿越的地形信息,计算机还能找出行进到指定位置的最佳路线。当然,这些本来就是美军独立的科技模块,只不过被集成到动力装甲中而已。

尚需努力 离史塔克还差得很远

在提高士兵的攻击力方面,动力装甲无疑具备先天优势。依靠外骨骼产生的承载力,士兵可以携带更重而且威力更大的武器、更充足的弹药、更敏锐的侦查和火控设备等,从而直接提升战斗力。

此外,穿戴动力装甲的士兵,其操作武器可以不止限于两手,还能携带更多的自动装弹设备,更灵活地切换武器的状态。在未来,用装甲上附加战斗攻击模块,通过某些特殊动作(如打个响指)的方式来操作,将使得士兵更具备全方位杀伤力。不过,目前的研究尚且停留在更基础的外骨骼层次,毕竟只要外骨骼问题解决了,加装武器模块不过是分分钟的事。当然,要做到电影中史塔克那种抬手放激光,踢脚出导弹的效果,那还差的远。

相对来说,如何为这些机器提供能量却更令人头疼。如此力量巨大、功能齐全的设备,其消耗的能量不是小数目。根据设计需要,士兵们的动力装甲系统,应该能在充满能量之后,坚持24个小时的运行而不需要补给。

目前使用的能源装置实在做不到这一点。而一旦能量耗尽,庞大的动力装甲将成为致命的铁皮罐头,令穿着它的士兵将寸步难行。据称,该系统曾经使用锂聚合物电池,但现在已被放弃。美军米勒上校表示,目前该系统准备采用的能源是一种固态氧化物燃料电池。这种电池原本在日本为建筑物供电。当然,固体氧化物燃料电池的小型化是很难的,面临着工作高温的挑战。

至于动力装甲的机动力,也是一个老大难。在电影中,史塔克穿着动力装甲能够翻山越岭,这个当然是幻想。如此沉重的玩意要飞上天,在新式发动机出现前根本就不可能。

实际上对当前的动力研究来说,如何驱使穿戴这套外骨骼模仿人类走路,其实比让它提起上百公斤重物要难得多。毕竟后者只需要增加机械的功率,前者需要研究和实现许多个精细的微观工作。通过增强机械力量和减少体力消耗,理论上可以让士兵实现更快的速度和更持久的奔走,但前提是先要让它学会调节平衡。据称,目前一种独立开发的放大行走器的时速可超过16公里,还能让士兵跳得更高和更远跳多高。

 

来源:北京晚报 记者 杨益

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