HULC XOS2 国外军用

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美军研发外骨骼让士兵成超人 材料主要用钛金属
2012-03-01 00:00:00  来源:中国网

 [提要]  近年来,美军面临的作战环境和作战任务日益复杂,这使美军士兵承担的负重量和工作量也不断增大。2010年7月,洛克希德 马丁公司与马萨诸塞州纳提克市的陆军纳提克士兵中心签订了价值110万美元的合同,开始对加固型的HULC设计进行试验与鉴定。

  中国网3月1日讯 近年来,美军面临的作战环境和作战任务日益复杂,这使美军士兵承担的负重量和工作量也不断增大。为了减轻单兵的工作负荷,防止他们受到过劳损伤,并大幅提高其工作效率和作战效率,美军一直致力于研发能够增强单兵能力的机械装备。这种人体外部机械装备,将使单兵获得超人般力量和耐力,既可增强士兵的后勤工作能力,也可增强它们的作战能力。

  此前类似的项目,如通用电气和美国军方共同研制的“人类助力”(Handiman)项目,曾因为重量和机动性等方面的重大缺陷而遭到取消。不过随着新材料和新技术的发展,洛克希德 马丁公司和“雷神”公司又重新开始了相关项目的研制。

“人类通用负重运输器”(HULC

  HULC是由洛克希德 马丁公司为单兵研制的外骨骼装备。这种HULC由液压驱动,可使士兵真正做到“举重若轻”,减少士兵由于负重造成的肌肉和骨骼损伤。目前,HULC可以举起91公斤的重物,而这些重量将主要由外骨骼装备承担,确保了士兵的身体不会因为受到重压而行动迟缓。这种外骨骼装备能够适应各种地形。

  研制历程

  2008年,伯克利仿生公司启动了HULC项目,洛克希德 马丁公司于2009年从该公司获得了设计许可。

  同年2月,洛克希德 马丁公司在弗罗里达劳德代尔堡举行的美国陆军协会冬季座谈会上展示了HULC系统。

  2010年7月,洛克希德 马丁公司与马萨诸塞州纳提克市的陆军纳提克士兵中心签订了价值110万美元的合同,开始对加固型的HULC设计进行试验与鉴定。根据合同,纳提克士兵中心对HULC进行了试验,测试了其对士兵效能的影响,测量了士兵使用系统时耗费的能量,考察了系统在不同负重和以不同速度运动时的适应性。合同还约定了系统现场试验样品的供应问题。

  2010年10月,洛克希德 马丁公司对加固型HULC系统进行了升级以提高对不同用户的灵活性和适应性。此后,HULC进行了实验室试验,包括生物机械试验、动态负重试验和环境试验。

  此外,踏板运动试验也测量到系统使用者的新陈代谢有明显减缓。而系统的可维护性则通过沙尘、吹风、淋雨、温度和湿度等环境试验进行了鉴定。

  2011年6月,纳提克士兵中心开始对HULC进行试验。

  系统设计与灵活性

  HULC采用了人形设计,主要使用钛金属材料。系统无缆线束缚,使用者可灵活的进行下蹲、匍伏和上肢举重。系统不带电池时重24公斤,设计可调节高度适用于身高约为1.62米至1.87米的用户。

  这种外骨骼装备可通过系统内装的微型计算机进行控制,无需外部控制机制。HUCL可通过这种微型计算机感知使用者的需求并作出相应的调整。

  HULC系统可在30秒时间内脱下并打包。系统具备可替换的模块化部件,能够帮助使用者在遭遇敌人时快速脱离危险。

  系统特色

  HULC前后皆可负重,可在水平地面以4千米/小时的速度行进20千米,持续最大速度为11千米/小时,爆发最大速度为16千米/小时。系统具有多种任务附件,可携带装甲、保暖、制冷和传感器等集成系统。

  电源供应

  HULC外骨骼装备使用锂聚合电池,系统节能特性可确保在电池电量低的情况下承受最大负重。

  2010年1月,洛克希德 马丁公司与普罗通内克斯技术公司签订了合同,开始研制供HULC使用的燃料电池供电系统,计划将其任务时间增加到72小时。配备了可充电电池的HULC使士兵在长时间遂行任务时携带的电池数量减少。

  电子和液压系统

  HULC通过封闭空间内的柔性、可延伸单板微电子系统进行支持。驱动装置可吸收微型计算机和其它电子设备产生的热量,无需使用风扇。系统的高压液压系统使用的是标准液压油。


利用高科技提高单兵的作战能力一直是军事科技发展的一个主要研究方向。目前,最有发展前景的单兵技术装备就是能最大限度地提高士兵潜力的军用外骨骼技术装备。美军正式对外公开单兵外骨骼技术的最新进展后,立即引起了世界各国的广泛关注。请看科技日报特约专稿——

  不久前,美国《陆军技术》报道,美国陆军将在今年9月接收洛克希德·马丁公司的改进型人体负重外骨骼(Human Universal Load Carrier,HULC),用于评估测试,并准备在今年晚些时候列装驻阿美军,旨在减轻下车士兵的后勤负担。这款单兵外骨骼可让士兵在负重90公斤的情况下,以10公里/小时的速度在任何地形前进,而且只需一块电池就能够持续工作超过72小时。相信不久以后,此类在科幻片中经常见到的“单兵作战服”将出现在战场之上。

  与战士完美结合

  “人体负重外骨骼”(简称HULC)是一种模仿人体结构特点设计的外穿型机械骨骼。它最初由洛·马公司下属的伯克利仿生科技公司研制,目的是使士兵能够背负大约90公斤重物,以10千米/小时的速度在多种地形中行进。它几乎不会对士兵身体造成负担,既能够使士兵完成爬行、深蹲、提举重物等一系列动作,又可减少士兵因提举较重战斗载荷而引发的肌肉骨骼损伤。整套系统由钛合金制成的机械腿、驱动装置及控制计算机,以及背部的负重部分、散热单元等组成。机械腿按照人体仿生学设计,结构简单,内部有液压传动装置和可像关节一样弯曲的结构。穿戴HULC后,士兵不仅可以携带重物自由行走,还可以蹲在掩体后面射击,或背负重物高速跑动。

  据洛·马公司称,HULC的最大负重超过100千克,全部由背上的托盘承担,再通过机械腿直接传递到地面,穿戴者几乎感觉不到任何重量。HULC身体上半部分的承载部位可以按照需求进行配置。目前选项有抓起炮弹的抓钩、抓起重型枪械的特制吊钩等,当然也可以根据军方的要求专门设计承载装置。

  HULC总重32千克,其动力源为两块总重量为3.6千克的锂聚合物电池。在一次充满电后,可保证穿戴者以每小时4.8公里的速度背负90千克重物连续行进一个小时。穿着HULC系统的冲刺速度,则可达到16公里/小时。在电池电力耗尽时,系统仍然能够正常工作。较之以前,身穿“金属骨骼”的士兵在战场上能够更快速并且更容易地转移伤员,撤退时可毫不费力地带走沉重的设备。

  试验显示,HULC系统能够明显降低人体对氧气的消耗量。据统计,试验人员穿戴上“金属骨骼”后背负36.7千克重的物资,以每小时3.2公里的速度行进,其氧气的消耗量比不穿“金属骨骼”时减少大约15%。而氧气消耗量越大,人就会越疲劳。

  HULC系统虽然性能先进,但控制并不复杂,无需通过操纵杆或其他机械装置进行控制,先进的便携式微型计算机可以让这种外骨骼与士兵们的四肢运动保持协调一致,与士兵完美配合。

  有关技术负责人介绍,HULC的高度可以调节,使身高1.6—1.85米的士兵都可以穿戴,而且非常便利。穿戴时,士兵只需将腿伸进靴子下方的足床,而后用皮带绑住腿部、腰部以及肩部即可。脱下“金属骨骼”也很容易,只需30秒。此外,HULC充分采用模块化的设计理念,即机械腿和背部的托盘可以分开,如果不需要背负重物,则可以将托盘取下,以进一步减轻重量。

  大幅提升单兵战斗力

  据了解,研发人体负重外骨骼系统的根本目的就是提升单兵的战斗力。

  一是增强打击能力。士兵能携带更多的和火力更大的武器装备,是提高单兵打击能力的核心。由于大部分人能够拿起和携带的重量有限,而过重的单兵装备会把士兵压垮,因此,HULC通过研究它的增大力量功能,使士兵能携带更多的装备和给养,进而提高士兵的打击能力。

  二是提高防护能力。由于HULC的承载能力远超人体,可以在其上加装适合单兵的复合材料装甲,将单兵防护提高到一个新的水平。

  三是提高机动能力。普通人走路的时速为6—10公里,但是士兵通常要携带很重的军需品,很难快速行进。而HULC前后皆可负重,可在水平地面以4千米/小时的速度行进20千米,持续最大速度为11千米/小时,爆发最大速度为16千米/小时,这将大大提高单兵的机动能力。

  四是提高战场感知能力。HULC可以加装传感器系统,以加强士兵的战场态势感知能力;还可以加装卫星通信和定位装置,让每个士兵都成为一个网络通信节点,指挥部可以清楚知道每个士兵目前所在的位置。

  总之,未来士兵装备HULC后,将变身为一名超级战士,拥有巨大的力量,作战能力将会成倍提高。

  仍面临着重大挑战

  尽管洛·马公司的HULC人体负重外骨骼系统项目已经十分成熟,但就目前情况来看,这种外骨骼系统要成为美军未来单兵装备系统的一部分,还有些为时尚早。

  这主要是因为该系统尚存在以下几个亟待解决的问题。一是价格过于昂贵。由于HULC人体负重外骨骼系统大量使用了多种不同的先进电子传感器、轻便高效的中央微电脑处理器和灵活的液压活动构件以及复杂的控制系统,同时为了减轻系统的重量并为使用者提供轻型防护,而采用相对昂贵的钛金属材料和铸造碳纤维装甲板,这此都大大增加了系统的造价成本,经济可承受性不高。

  二是远距离奔袭能力不强。尽管HULC人体负重外骨骼系统摆脱电缆的束缚以实现完整的能力,不过电源供应问题仍需得到解决。如果要进行远距离机动,就要用发电机取代电池,但普通的发电机是不能胜任的,它必须功率强大,无噪音。

  三是反应速度有待提高。HULC人体负重外骨骼系统必须拥有足够的智能和灵敏度,在作战行动中无论在什么样的条件下都能同作战人员一起展开“亲密无间”的同步互动。即使仅有一点点滞后,当操作者抬腿走路时,也会觉得犹如水中步行一般费力,那外骨骼只能成为一个沉重而精致的金属牢笼罢了。

  四是外骨骼装备还存在非安全性或无效动作和行动,只有解决类似的问题才能避免士兵遭受意外碰撞伤害,才能确保系统运动不会超出士兵的身体极限。虽然通过关节限制,可以解决部分类似问题,但是只有不断增强传感器的分辨能力,才能避免打喷嚏和肌肉痉挛等无意动作带来的风险。

  其他产品及应用前景

  尽管HULC人体负重外骨骼系统具有许多突出的优点,但由于该系统及其改进型毕竟只有两条可控制的机械腿。这同距离五角大楼要求的,由双机械手和双机械腿组成的完全机械外骨骼系统还有相当的距离。

  因此,在洛·马公司中标开始进行第一代的HULC人体负重外骨骼系统研制工作后不久,2007年夏,美国国防部高级研究计划局开始进行新型机械外骨骼系统的招标工作,萨柯斯高新技术研究公司设计的XOS完全机械外骨骼系统项目方案从14个其他公司类似项目中脱颖而出。中标不久后,萨柯斯公司被美国著名的国防部承包商雷神公司收购。经过近两年技术攻关,2010年初,雷神公司推出第一款XOS 1机械外骨骼系统,同年9月研制成功了改进型XOS 2外骨骼系统,并强调这种装备与《钢铁侠》系列电影中的钢铁盔甲能力相似。当年,时代杂志将这一装备评选为2010年“最具震慑力”的发明。

  XOS与HULC差别比较大,几乎将整个人体包入XOS内;XOS是目前最先进的人体外骨骼,其在提升重物和四肢的控制精度上要比HULC出色。XOS 2可以使单兵的工作速度加快,工作时间延长,工作能力提高了1到2倍。XOS 2可以轻松进行踢足球和击打沙袋等灵巧动作,而且右手的吊钩可以击穿墙壁。目前,XOS 2主要有两种型号:一种是“战斗型”,只包括外骨骼的腿部和腰部附件,与HULC类似;另一种是“后勤型”,具备完整的身形。

  虽然目前美军的外骨骼装备研制主要针对后勤用途,但是考虑到其潜在的能力巨大,不排除其在将来成为单兵武器平台的可能性。洛·马公司和雷神公司相信,只要能够获得持续的经费支持,外骨骼装备将在5年内列装美军部队

  不仅美军十分热心和注重发展这种先进的单兵外骨骼作战系统,俄、英、法、日等国目前也在不同程度上发展着自己的外骨骼系统技术。我国对外骨骼系统的发展研制方面也十分关注,并取得了一定技术突破。在2010年5月,由清华大学自动化系学生发明的“大负载长续航能力室外机械外骨骼”在清华大学第二十八届“挑战杯”学生课外学术科技作品竞赛活动中曾获得过大奖。可以预见在不久的将来,我国的各种机械外骨骼系统将会得到蓬勃的发展。(作者单位:解放军后勤学院 吕洪刚 孙有凯)

[提要]  近年来,美军面临的作战环境和作战任务日益复杂,这使美军士兵承担的负重量和工作量也不断增大。2010年7月,洛克希德 马丁公司与马萨诸塞州纳提克市的陆军纳提克士兵中心签订了价值110万美元的合同,开始对加固型的HULC设计进行试验与鉴定。

  XOS2 “第二代外骨骼装备”

  “雷神”公司于2010年9月展示了自行研制的外骨骼装备,即“第二代外骨骼装备”(XOS 2),并强调这种装备与《钢铁侠》系列电影中的钢铁盔甲能力相似。当年,时代杂志将这一装备评选为2010年“最具震慑力”的发明。

  “雷神萨科斯”公司 在研制XOS 2时注重减少系统能源消耗,试图更有效的利用液压能量。这种尝试在确保系统能力可增强的同时显著减低了能源消耗。据称,XOS 2将比此前作为概念验证的XOS 1减少50%的能量消耗。

  XOS 2可以使单兵的工作速度加快,工作时间延长,工作能力提高了1到2倍。虽然目前的系统还需要缆绳供电,但无需缆绳的系统已经在研制中了。系统采用了结构传感器、传动器和控制器,可对使用者的行动做出响应,无需使用操纵杆进行控制。

  XOS 2可以轻松进行踢足球和击打沙袋等灵巧动作,而且右手的吊钩可以击穿墙壁。目前,XOS 2主要有两种型号:一种是“战斗型”,只包括外骨骼的腿部和腰部附件,与HULC类似;另一种是“后勤型”,具备完整的身形。

  发展趋势

  美军研发外骨骼装备的主要目的是减少从事繁重体力工作的人数,因此,只有不断的提高其效能,外骨骼装备才能获得更多的研究经费。目前,HULC和XOS两种外骨骼装备都已经通过概念验证,开始进行试验和研制。洛克希德 马丁公司由于已经开始在纳提克士兵研究中心进行HULC试验,可以说暂时领先竞争对手“雷神”公司。

  虽然两种外骨骼装备将主要用于后勤用途,但是也需要进行大量的防护设计工作以确保使用者的安全,而这些防护措施又难免会增加系统的重量,从而给整个系统研制带来障碍。采用钛金属材料和铸造碳纤维装甲板可以减轻系统的重量并为使用者提供轻型防护,不过这两种材料相对比较昂贵,经济可承受性不高。

  未来,上述两种外骨骼装备系统都将摆脱电缆的束缚以实现完整的能力,不过届时电源供应问题仍需得到解决。电气化学和固态氧化物燃料电池可能成为合适的选择。

  此外,两种外骨骼装备还存在非安全性或无效动作和行动,只有解决的类似问题才能避免士兵遭受意外碰撞伤害,才能确保系统运动不会超出士兵的身体极限。虽然通过关节限制,可以解决部分类似问题,但是只有不断增强传感器的分辨能力,才能避免打喷嚏和肌肉痉挛等无意动作带来的风险。

  虽然目前美军的外骨骼装备研制主要针对后勤用途,但是考虑到其潜在的能力巨大,不排除其在将来成为单兵武器平台的可能性。洛克希德 马丁公司和“雷神”公司相信,只要能过获得持续的经费支持,外骨骼装备将在5年内列装美军部队。知远/厚武


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