Rastuća potrošnja energije sistema ugrađenih vozila daje novim tehnologijama priliku da iskoriste priliku za radikalnu promjenu snage i mobilnosti vojnih vozila u budućnosti
S obzirom da će sljedeća generacija američke vojske vjerojatno imati hibridnu elektranu, industriji je potreban opsežan program kako bi mogla uvesti svoje energetske tehnologije, koje je već razvila (zajedno s neizbježnim izmjenama), u glavnina borbenih vozila. Međutim, muha u masti u ovom buretu meda je ta da prema sadašnjim planovima vojska planira usvojiti takva vozila oko 2035. godine. Velike odluke o njegovoj konfiguraciji najvjerojatnije neće biti donesene prije 2025. godine, osim ako se odgovarajući programi ne ubrzaju u Trumpovo predsjedništvo.
Ogromne potrebe odličan su poticaj za razvoj novih tehnologija, koje zauzvrat mogu pružiti rješenja za zadovoljavanje ovih potreba. Na primjer, rastuća potražnja za električnom energijom na bojnom polju u kombinaciji je sa potrebom smanjenja logističkog opterećenja povezanog s opskrbom gorivom, kao i povećanjem terenskih sposobnosti borbenih snaga i snaga borbene potpore. Sve je to uvjerljiv dokaz u prilog širokom prihvaćanju pomoćnih pogonskih jedinica, inteligentnih kontrola motora i hibridnog električnog pogona, i kao rezultat toga, naglom povećanju energije proizvedene za vanjske potrošače.
Savladajte inerciju
S velikim iskustvom u proizvodnji demonstratora tehnologije hibridnih vozila za različite vojne strukture i u proizvodnji hibridnih autobusa za civilni sektor, BAE Systems je u dobroj poziciji da procijeni gdje se ta tehnologija danas nalazi i kakve su joj perspektive. Isto vrijedi i za DRS Technologies, koja je također sudjelovala u mnogim demonstracijskim projektima. Tom Weaver, komercijalni direktor u DRS Network Computing and Test Solutions, rekao je da se tržište još uvijek razvija i da prednosti električnih vozila tek trebaju nadvladati inerciju tradicionalnih vozila. Takva inercija ima negativan utjecaj na napredak strojeva sposobnih za generiranje potrebne energije za vanjske potrošače, unatoč potrebama koje su se povećale "za najmanje 100%" u posljednjoj deceniji.
“DRS radi s različitim kupcima na demonstriranju mašina s integriranim novim tehnologijama u različitim testovima performansi. Uspješne demonstracije i pozitivni pregledi korisnika nisu doveli do raspoređivanja takvih vozila u trupe, štoviše, zahtjevi za njih nisu čak ni razvijeni. No, potražnja će ipak nastaviti rasti, posebno za ekspedicijske operacije i specijalizirana vozila poput sistema oružja s usmjerenom energijom.”
DRS sada nudi ugrađeni sistem napajanja za opremu srednjih taktičkih vozila (MTV) i HMMWV u obliku prijenosnog integralnog generatora razvijenog u saradnji sa Allison -om. Ovaj sistem, instaliran na kamionu MTV, na primjer, proizvodi snagu do 125 kW za ugrađene ili vanjske sisteme. Kompanija proizvodi i druge sisteme upravljanja energijom za različita vozila. Glavni inženjer Andrew Rosenfield iz kompanije BAE Systems, koja se također bavi takvim sistemima, vjeruje da je malo vjerovatno da će čisto električna vozila igrati važnu ulogu u kopnenoj borbi, uglavnom zbog problema s punjenjem baterija.
"Iako je tehnologija pogonskog sklopa za potpuno električni pogon dobro uspostavljena, problem s punjenjem gorivom mogao bi spriječiti pokretanje čisto električnih vozila", nastavio je. "Uostalom, dizel je dostupan bilo gdje u svijetu, dok je pronalaženje stanice za punjenje baterija u pustinji vrlo teško, ali čak i ako je pronađete, čekanje od osam sati da se potpuno napune vjerojatno nije izvodljivo."
Weaver se složio da će hibridni automobili vjerovatno prevladati, spominjući i ograničenja infrastrukture za punjenje čistih električnih automobila te sveprisutnost dizela i mlaznog goriva JP8. Međutim, Rosenfield je naglasio da bi čisto električna vozila mogla imati veliku ulogu u vojnim bazama, jer mogu premještati robu, kao što je to slučaj u modernim tvornicama ili na aerodromima (aerodromski traktori). "Mašine na gorivne ćelije najvjerojatnije bi mogle obavljati takve zadatke jer im je potreban slobodan pristup rezervama vodika", rekao je.
Weaver vjeruje da je pred vozilima s gorivim ćelijama težak put. “Prvo, još uvijek ne postoji infrastruktura plinovitog vodika, a postojat će i izvjesno nepovjerenje u postavljanje novog goriva. Put takvih vozila započet će dobro organiziranim ekspedicijskim operacijama."
Hibridni dizajni također su sofisticiraniji od čisto električnih i imaju nekoliko značajki koje ih čine privlačnijima od čisto električnih i konvencionalnih strojeva na pogon. “Prvo, hibridne električne platforme koriste isto gorivo kao i tradicionalna dizelska vozila. Drugo, okretni moment s malim brojem okretaja idealan je za strojeve koji putuju po neravnom terenu ili se penju po vrlo strmim padinama."
Dodao je da sposobnost generiranja velikih količina električne energije na brodu postaje sve važnija kako se primjenjuju nove sposobnosti, poput komunikacijskih i naoružanih sistema koji koriste moćne lasere. Sposobnost izvoza ove energije također je velika prednost, jer ove mašine mogu napajati naseljena područja i bolnice čiji su vlastiti sistemi napajanja oštećeni borbenim oštećenjima ili prirodnom katastrofom.
"Konačno, smanjeni troškovi rada i održavanja povezani sa značajnom uštedom goriva i većom pouzdanošću čine hibridna električna vozila pametnim i dugoročnim izborom."
Kao što je Weaver primijetio, potražnja za električnom energijom u borbenim vozilima nikada se nije smanjila, samo će rasti iz godine u godinu. "Noviji funkcionalni sistemi zahtijevaju sve više energije s platforme nosača, kao i kontinuiranu nadogradnju sistema za proizvodnju i distribuciju energije trenutnih vozila."
“Nakon što dodate funkcije poput tihog kretanja, radara, napredne komunikacije, ometanja signala i elektromagnetskog oklopa ili naoružanja, platforma zaostaje i postaje neupravljana bez prelaska na hibridnu električnu shemu. U sljedećoj deceniji za sva borbena vozila jedna od najvažnijih komponenti bit će sposobnost stvaranja velikih količina električne energije na brodu."
"Vozila na električni pogon moraju obaviti svoj posao jednako dobro, ili čak bolje od svojih tradicionalnih mehaničkih kolega", nastavio je. „Ne samo da su motorizirani sustavi znatno jednostavniji i imaju manje pokretnih dijelova od motoriziranih sistema, već često imaju iznenađujuće dobru razinu redundancije, što ih čini pouzdanijim. Na primjer, većina transverzalnih električnih mjenjača može normalno raditi s jednim motorom koji je otkazao."
Weaver je rekao da su ključne tehnologije koje se njeguju u javnom prijevozu već postavljene i spremne za ulazak na tržište. "Široka upotreba hibridnih i električnih krugova, posebno u međugradskim autobusima i tramvajima, dovela je do razvoja motornih kontrolera, pretvarača i pretvarača koji su blizu onome što je potrebno vojsci", rekao je. “Sve što industriji treba su kupci spremni platiti za kvalifikacijski proces, kao i dovoljno da smanje troškove.”
U međuvremenu se nastavlja rad na demonstracijama. General Motors (GM) na AUSA-i u oktobru 2016. godine prikazao je „spremnu za upotrebu“verziju svog vozila sa gorivim ćelijama Chevrolet Colorado ZH2, koje je zasnovano na izduženoj šasiji kamiona srednje veličine. Prema rasporedu, Colorado ZH2 će, uz pomoć TARDEC Oklopnog istraživačkog centra, proći niz vojnih testova "u ekstremnim radnim uslovima" tokom 2017. godine.
Bio je to ubrzani program. GM i TARDEC su zajedno radili na stvaranju demoa za manje od godinu dana nakon potpisivanja ugovora. "Brzina kojom se inovativne ideje mogu demonstrirati i ocijeniti je vrlo velika, zbog čega su industrijske veze toliko važne za vojsku", rekao je direktor TARDEC -a Paul Rogers. "Gorivne ćelije imaju potencijal značajno poboljšati sposobnosti vojnih vozila kroz tihi rad, proizvodnju energije za vanjske potrošače i stabilan okretni moment - sve ove prednosti čine ovu tehnologiju pomnije istraživanom."
"ZH2 omogućava vojsci da demonstrira i procijeni spremnost tehnologije gorivih ćelija za vojne primjene, istovremeno odgovarajući na pitanje koliko električna vozila na gorivne ćelije mogu biti korisna u određenim uvjetima i u određenim borbenim misijama", rekao je Doug Hallo, portparol TARDEC -a.
Očekivane prednosti koje TARDEC mora procijeniti uključuju gotovo tihi rad koji omogućava tihi nadzor, smanjene toplinske oznake, veliki okretni moment kotača pri svim brzinama, nisku potrošnju goriva u cijelom radnom rasponu i vodu za piće kao hemijski nusproizvod koji se odvija u gorivnim ćelijama. Colorado ZH2 ima ugrađeno izvlačenje snage za vanjske potrošače.
Pogonski sistem je baziran na membranskim gorivim ćelijama sa protonskom izmjenom sposobnim generirati do 93 kW istosmjerne struje, i bateriji koja osigurava još 35 kW pogonskog sistema i puni se tokom regenerativnog kočenja. Ovo objašnjava GM -ov menadžer projekta ZH2 Christopher Kolkit.
„Rezervoari vozila drže oko 4,2 kg komprimovanog vodonika na 10.000 psi, što je više od 689 puta više od atmosferskog pritiska. Atmosferski zrak izvor je kisika potrebnog za elektrokemijski proces, uslijed čega nastaje potrebna električna energija; ispušta se samo vodena para”, napomenuo je.
Za sve sisteme s električnim pogonom isporuka energije od izvora do kotača je lakša nego kod tradicionalnih vozila. “ZH2 nema prijenos u uobičajenom smislu te riječi. Pogonski motor naizmjenične struje sa jednostepenim mjenjačem prenosi okretni moment izravno u prijenosnu kutiju i sistem pogona na sva četiri kotača”, objasnio je Kolkit.
Prijenosna infrastruktura
Kroz ovaj program, TARDEC centar također istražuje šta bi moglo biti barem djelomično rješenje problema dostupnosti vodika (infrastrukture). Njegovom rješenju ovdje pogoduje činjenica da se ovaj kemijski element može proizvesti na različite načine iz različitih izvora. Prema riječima predstavnika TARDEC centra, u početnoj fazi rada na projektu ZH2, ideja je da se komprimirani vodik dobije prilikom reformiranja zrakoplovnog kerozina JP8 u prijenosnom reformatoru, koji će se premjestiti na svako poligon zajedno sa stroj, jer će to povećati broj riješenih zadataka u ovoj fazi.
"Trenutno nastojimo stvoriti reformator koji će za proizvodnju vodika moći koristiti različite lokalne izvore, poput prirodnog plina, mlaza goriva JP8, DF2 dizela ili propana", rekao je. - Lokalne električne mreže, uključujući moguće obnovljive izvore energije, zajedno s vodenim resursima, također se mogu koristiti za proizvodnju vodika. To bi vojsci omogućilo da smanji količinu goriva koja se dovodi u određeno pozorište operacija i da se osloni na ono što je na raspolaganju u tom pozorištu."
Bilo da se radi o baterijama, gorivnim ćelijama ili mješovitim dizel-električnim elektranama, glavni pretvarač, pretvaranje električne struje u pogon prema naprijed zahtijeva pouzdane i efikasne električne pogone. Britanska kompanija Magtec proizvodi sisteme električnih pogona za svemirsko, pomorsko i automobilsko tržište, nudeći, na primjer, nekoliko mogućnosti za pretvaranje komercijalnih kamiona u nove pogonske sisteme.
Međutim, kompanija je također razvila kompletne pogonske sklopove za platforme na gusjenicama i kotačima kako bi demonstrirala hibridne tehnologije koje je BAE Systems Hagglunds proizvela za britanske i švedske odbrambene agencije početkom 2000 -ih.
Za platforme SEP (Splitterskyddad EnhetsPlattform), oboje na točkovima 6x6 i gusjenice, kompanija je razvila motore sa glavčinom na kotačima (motorne kotače), uključujući dvostupanjski reduktor i kočioni sustav u svakom, dvostruke generatore, upravljačku opremu i distribuciju snage. Za SEP je također razvila, instalirala i testirala softver za kontrolu ključnih funkcija, kao što su raspodjela snage, kontrola proklizavanja, elektronske blokade diferencijala i upravljanje koje omogućuju mašini da se uključi na licu mjesta. Osim toga, ovaj sistem zadovoljava sve vojne EMC i ekološke propise.
Izvršni direktor Magteca rekao je da vidi dobar potencijal rasta električnih vozila s proširenim dometom za misije borbene podrške. U isto vrijeme, nove tehnologije doprinose značajnom poboljšanju mobilnosti, smanjenju potrošnje goriva, većoj redundanciji, plus omogućuju donošenje originalnih odluka o rasporedu. Napomenuo je i da električni pogon pojednostavljuje provedbu daljinskog upravljanja i autonomije.
Što se tiče daljnjeg razvoja potrebnih tehnologija, napomenuo je da su pogonski sistemi spremni za ulazak na tržište s poboljšanom elektronikom za upravljanje (za upravljanje pogonima) zasnovanom na poluvodičkim krugovima od silicijum karbida. Oni su neophodni za kontrolu visokog napona na kojem rade električni sistemi nove generacije. Direktor Magteca napomenuo je da su 24 volti na kojima radi većina modernih sustava sada preniski za glavne potrošače električne energije (povećanje napona omogućuje prijenos veće snage kroz kabele bez pretjeranog povećanja amperaže).
Jedna kompanija na tom polju, GE Aviation, osvojila je ugovor u iznosu od 2,1 milion dolara za razvoj i demonstraciju energetske elektronike od silicijum karbida. Nakon 18-mjesečnog razvojnog programa, od kompanije se očekuje da demonstrira prednosti svoje FET tehnologije za metal-oksid silicijum-karbida u kombinaciji s uređajima za galij-nitrid u dvosmjernom DC / DC pretvaraču od 15 kW, 28/600 volti.
Prema navodima kompanije, ova oprema može izdržati dvostruko veću snagu, dok zauzima polovinu volumena u odnosu na trenutnu silicijumsku elektroniku, dok će pretvarači moći raditi paralelno i biti programirani u skladu sa CAN standardom.
Kompanija razvija arhitekturu snage nove generacije vozila iz TARDEC-a, nazivajući je remetilačkom tehnologijom, i nada se da će demonstracija tehnologije biti spremna do sredine 2017. godine.
Dvostruka brzina
Još jedna revolucionarna tehnologija je projekt GARV-a X-Vehicle Technology (GXV-T) agencije DARPA Defense Advanced Research Projects, u kojem će električni sistemi igrati značajnu ulogu. Cilj projekta je prepoloviti veličinu, težinu i broj posade perspektivnih oklopnih vozila, udvostručiti njihovu brzinu, sposobnost prevladavanja 95% terena, kao i smanjiti znakove vidljivosti.
U srpnju 2016. godine, DARPA je Qinetiqu uložila 2,7 milijuna dolara u poboljšanje tehnologije sustava električnih pogona za projekt GXV-T. Kompanija opisuje ovu tehnologiju kao kompaktne i izuzetno snažne elektromotore unutar kotača koji zamjenjuju različite mjenjače, diferencijale i pogonska vratila. Ovaj pristup, rekla je kompanija, dramatično smanjuje ukupnu težinu platforme i otvara nove mogućnosti dizajna koje će poboljšati sigurnost i performanse.
Qinetiq naglašava da osim što se koristi u novim konceptima, poput GXV-T, ova tehnologija može poboljšati i mogućnosti postojećih vozila prilikom preuređenja. Na primjer, pješadijsko vozilo na više kotača nadograđeno pogonom sa glavčinom ili motornim kotačima "moglo bi imati koristi od povećane snage i mobilnosti koju pruža ušteda u težini, ili obrnuto, koristiti te uštede za poboljšanje zaštite, instaliranje opreme ili povećanje kapaciteta putnika."
Nakon ulaganja uslijedio je ugovor, objavljen u rujnu 2015., prema kojem će koncept biti preveden u pravi dizajn i testiran, nakon čega će biti proizvedena dva potpuno radna prototipa.
"Konvencionalni aktuatori su prilično teški, ograničenog kapaciteta i sastavljeni su od komponenti koje se mogu pretvoriti u smrtonosne projektile ako eksplodiraju od mine", rekao je voditelj istraživanja u Qinetiqu komentirajući ugovor. "Premještanje pogona na kotače uklanja ovu prijetnju i prekida tendenciju da vozila postanu teža i manje pokretna zbog povećanog nivoa zaštite i snage oružja."
Postojeće mašine takođe mogu imati koristi od elektrifikacije ne-pogonskih podsistema. Na primjer, njemačka kompanija Jenoptik će isporučiti 126 električnih kupola i sistema za stabilizaciju naoružanja za poljski program modernizacije tenkova Leopard 2PL. Prema navodima kompanije, električni sistemi zamijenit će hidraulične sisteme u spremniku, čime će se smanjiti održavanje i proizvodnja topline.
Isporuke dospijevaju u razdoblju 2017-2020 prema ugovoru vrijednom 23 miliona dolara potpisanom s poljskim Bumar Labédyjem u oktobru 2016. Ista kompanija Bumar Labedy potpisala je ugovor o saradnji na modernizaciji tenkova sa njemačkom kompanijom Rheinmetall u februaru 2017.
Jedna od aktivnosti Jenoptika je razvoj i proizvodnja kompaktnih stabiliziranih platformi za oružje / senzore, pogonskih sistema za tornjeve i oružje te ogledala za stabilizaciju vidnog polja oklopnih vozila.
Na primjer, sistem pogona pištolja i kupole za velike sisteme naoružanja sastoji se od horizontalnih i vertikalnih elektromotora za navođenje, koji usmjeravaju pištolj po azimutu i nadmorskoj visini, ovisno o signalima glavne i rezervne upravljačke jedinice. Oba pogona uključuju sinhrone motore bez četkica sa apsolutnim pozicioniranjem sa nultim razmakom između izlaznog zupčanika svakog motora i nazubljenog sektora sklopa oružja.
Sistem, sposoban za rad sa naponom napajanja od 28 i 610 V DC, može baciti pištolj u svaku ravninu brzinom do 60 ° / s ili sporijom od 0,2 mrad / s.
Upravljačka jedinica pogona, u skladu s ulaznim signalima sa senzora, kontrola i aktivnog nišana, pretvara napajanje u par trofaznih sistema, po jedan za svaki od kupola i navođenja oružja, stabilizaciju i aktiviranje servomotora.
Globalno tržište elektrifikacije vozila vrijedit će 300 milijardi dolara do 2026. godine, prema prošlogodišnjem izvještaju istraživačke firme IDTechEx. Ovaj rast, potaknut povećanjem broja kontrolera elektromotora po vozilu (jer će upravljanje, ovjes i drugi prethodno mehanički, pneumatski i hidraulični dijelovi zamijeniti električne sisteme), pružit će tehnološku osnovu za masovno tržište, čime će se smanjiti njihovi troškovi za vojna vozila.
