《用于空军作战的能源韧性技术研究》最新321页

对46种韧性能源设备与技术概念进行分析，以确定其支持空军国内外基地作战的适用性。研究包含两项工作：广泛文献综述与排序矩阵评估。这种双重研究设计旨在为终端用户最大化可用性与理解度——这些用户可能不熟悉能源技术、韧性或设计的某些原理。研究结果表明：在储能领域，新型固体（金属）燃料与铅酸电池具有显著优势；在发电领域，热电发电机、太阳能光伏板、地热提取、柴油发电机以及建筑一体化/附加式太阳能热发电系统表现优异。此外，通过对军事背景下能源韧性原理与电能故障的深入分析，强烈建议将这些设备安装并接入微电网，或采用组合/混合系统配置以最大化运行冗余度与资源分散化。最终结论指出：压缩天然气、氢气和铀等储能方式，以及微型反应堆与传统核反应堆等发电技术，在大多数设施中均不推荐使用，因其弊大于利。

能源韧性技术为电网提供关键稳定性与可靠性。专注于整体可靠性的全方位设计实践，能比传统点对点系统设计更有效抵御负面影响。传统系统试图平衡吞吐量与可靠性，而韧性设计则优化可靠性。韧性系统可被视为更接近“推式”系统而非“拉式”即时系统。此类系统在军事背景下具有先天优势——动能与非动能效应可能削弱为作战设备供电的储能与转换系统。韧性电能是确保军民领域作战效能的关键。从纳米级计算设备到大型矿用卡车，现代世界大多由电能驱动。因此，供电中断可能通过复杂链式反应产生冲击波，导致连锁效应与叠加故障。理解能源韧性需整体审视从发电、输电到用电的全电能系统，以识别改进领域。由于系统整体存在互联性内在要求（即无论最终规模如何，电能仅能通过有线系统大规模传输），流程各环节的技术进步可带来显著效益。

根据热力学第二定律（G. W. F. Drake, 2023），若无实质干预，复杂系统将趋于熵增并退化至基态。因此，区域或国家电网等复杂系统的故障率往往高于“可靠”使用的普遍接受标准。现代电网虽具有惊人鲁棒性与韧性，但仍有巨大改进空间——例如近期极端天气变化导致的大规模故障（K. Phillips, 2022:59）。系统集中化可能增加故障风险。采用韧性技术的分散式系统则有望缓解部分故障。由此推断，韧性技术与集中式发电、储能及输电系统增强鲁棒性的结合，将是电力传输的未来方向。随着数字设备、个人计算机、研究主机与电动汽车日益普及，坚固的民用电力基础设施愈发必要。

军事背景下，缺乏适当电力基础设施可能导致任务失败。从短期冲突到大规模战役，作战、保障乃至最关键的指挥、控制、通信、网络防御与作战系统（C6）能力均依赖电力——其中指挥与控制（C2）在此扩展列表中最简单却最关键（R. Uppal, 2023）。国防部（特别是空军）是能源消耗大户，因此必须最大限度减少动能战斗损伤、非动能效应（如电磁脉冲或黑客攻击）、部件故障与天气对作战系统的影响（M. S. Danigole, 2007:vi, 1）。例如，若无系统韧性，照明弹、烟雾信号、手电闪光与传令兵等原始通信方式将成为仅有的半可靠数据传输手段。本研究聚焦军事能源韧性，并兼顾民用框架视角（A. E. Thal, c. 2018.; A. E. Thal, 2018; 空军部[DAF], 2019; 空军技术学院[AFIT], 2015; 国防技术信息中心[DTIC], c. 2022; R. Hickey, 2022; 普渡在线写作实验室, 2022a; Excelsior在线写作实验室, 2022; 普渡在线写作实验室, 2022b; T. McAdoo, 2019; 耶鲁Poorvu教学中心, 2021）。

根据热力学第二定律（G. W. F. Drake, 2023），最小熵状态是所有未受干扰物理系统的自然秩序。抵抗此自然秩序需采用冗余系统。此处的冗余定义为系统拥有重复或替代手段以成功将输入转化为输出。冗余系统的重复特性使其消除单点故障状态，简言之将其暴露风险从“时间概率空间”转移至“整体概率空间”（N. N. Taleb, 2019:222-226）。

二者差异可粗略解释为：在时间概率暴露下，由于系统整体缺乏冗余，存在与均值故障前时间（MTBF）相关的时间t，无论设计多可靠系统终将故障；而在整体概率下，尽管系统可能包含各有故障时间tn的可靠与不可靠设备，但只要一条及以上独立路径可用，过剩运行通路将确保系统整体永不达时间t。在整体概率下，导致部分故障的单一灾难事件不足以摧毁整个系统（N. N. Taleb, 2019:222-226）。然而，过度冗余可能因引入超额维护与后勤需求，以及复杂性增加导致未知故障模式，抵消并行运行路径的优势。因此，应在系统简洁性、可靠性与效率（按优先级降序）间寻求平衡，并倾向于“过多”冗余（N. N. Taleb, 2012:132）。

当前电网在理想条件下虽高度可靠，但未充分硬化或并行化以在自然灾害或战时条件下持续运行，也不适合独立用于医院或主要通信节点等生命或作战关键场景。此外，国防部能源需求极大，“…年用电约30太瓦时，日耗油超1000万加仑（3790万升）——且预计持续增长…”（国防部[DoD], 2022）。本研究计划书中指出，空军是国防部最大能源消耗部门，而美国是全球最大石油消费国（W. E. Harrison III, 2006, 引自M. S. Danigole, 2007:1; M. S. Danigole, 2007:vi, 1）。因此，任务与生命攸关的军事行动不应完全依赖可靠性不完善的相对脆弱输电网。此外，配电资源集中化形成重心（CoG），易受敌对行动与自然可靠性问题影响（国防部“JP 5-0”, 2015与“JP 3-0”, 2018, 引自空军部“AFDP 3-70” 2021:6; 空军部“AFDP 3-70”, 2021:4, 6; 国防部“JP 5-0”, 2015, 引自空军部“AFDP 3-0附录A”, 2016:1; 空军部“AFDP 3-0附录A”, 2016:1-6）。家庭场景中，长时间断电可能导致食物变质与生活不便；商业场景中，后果包括收入损失与客户流失；工业场景中，影响涵盖商品生产中断与供应链冲击；而军事作战场景中，故障惩罚可能远超所有这些——导致伤亡与国家层面战略损失。

上述一般性阐述了缺乏能源韧性技术如何对生活多层面产生严重影响。简单演练是想象任何用电设备断电后的状况。更具体详细的风险分析需彻查二阶及以上效应——即断电对直接系统外复杂系统造成的损害或运行故障。在战术、战役与战略层级，突然缺电的影响可能是灾难性的。例如，步兵班A/N PRC-152无线电故障可能导致小队孤立无援，无法报告交火、请求医疗后送或呼叫火力支援；F-35平视显示器（HUD）性能下降可能使近距离空中支援任务目标未被压制或摧毁；最严重的是，战略层级因停电导致“民兵”洲际弹道导弹（ICBM）发射系统出现偏差，使其停止运行从而导致核威慑失败。

韧性能源产品短缺也会对环境造成压力。分散化、硬化且可能自持的系统可在需求高峰及面对自然与人为灾害时向国家电网回输能力。通过增强基载、中间与峰值负荷电厂，能源韧性设置可在关键节点与不可预测需求波动期间回供能源——后两种负荷可能大幅波动，仅基载保持恒定（“中间负荷”, c. 2018）。缺乏韧性硬化电网的案例包括2020年主要由极端高温引发的加州大停电，以及2021年极端低温导致的德州大停电（“CAISO、CPUC、CEC发布关于2020年8月轮停原因最终报告”, 2021; E. Douglas, 2021）。由此假设：各级战争中的韧性能源技术可产生直接与潜在影响，并能缓解上述风险、提升战斗效能，同时保持资金、重量与额外训练成本相对最低。尽管本次研究目的次要，但其结论应在民用场景中证明有用——特别是那些一定程度模拟作战部队可能所处应急条件的场景（如孤立研究站、恶劣天气救援、人道主义援助行动或专业医疗操作）。随着数字技术渗透生活各层面，以及对全/部分用电系统依赖度的增加，本研究“以民用为中心”的次要方面将在当前证明实质有益，且未来回报增长。随着未来发展，当前弊端可被减少。

第二章呈现为本研究实施的文献综述。研究广度与深度并重，涵盖现代（约1900年起）关于韧性能源相关系统与流程、以及可组合成韧性能源设备的装备与技术的可用文献。第三章讨论研究整体方法论。第四章将提供数据描述、分析、结论与建议。重点将包括选定设备在空军内应用的讨论。