Inżynieria lądowa
Pierwsze samochody elektryczne pojawiły się przed samochodami z silnikami spalinowymi (ICE) w 1828 roku. Na początku XX wieku pojazdy elektryczne stanowiły ponad jedną trzecią całej floty pojazdów w USA. Jednak potem stopniowo zaczęli rezygnować ze swoich pozycji, ustępując samochodom pod względem zasięgu, wygody tankowania i innych parametrów.
Istnieje kilka opcji projektowania pojazdów elektrycznych. Klasyczny pojazd elektryczny zasilany jest akumulatorami ładowanymi w stacji ładującej. Pojazd elektryczny z zewnętrznym doprowadzeniem energii elektrycznej odbiera energię elektryczną z przewodów zewnętrznych metodą stykową lub za pomocą pól elektromagnetycznych. Do ładowania akumulatorów pojazdu elektrycznego można zainstalować silnik spalinowy z generatorem, lub energię elektryczną można wytwarzać z paliw płynnych lub gazowych bezpośrednio przy użyciu katalitycznych ogniw paliwowych. Wszystkie powyższe schematy można łączyć na różne sposoby.
Okresowo powracało zainteresowanie pojazdami elektrycznymi, zwykle w okresie wzrostu cen produktów naftowych, ale szybko zanikało: samochody z silnikami spalinowymi pozostawały poza konkurencją. W efekcie w segmencie transportu z zewnętrznym zasilaniem w energię elektryczną upowszechniły się urządzenia z napędem elektrycznym: pociągi elektryczne, tramwaje i trolejbusy, w niszy wyposażenia magazynowego.
Oddzielny segment można wyróżnić specjalnym wyposażeniem, na przykład wywrotkami górniczymi o nośności ponad 100 ton, na których zastosowano przekładnię elektromechaniczną.
Na początku XXI wieku zainteresowanie pojazdami elektrycznymi powróciło na nowy poziom. Czynnikiem decydującym nie był wzrost cen produktów naftowych, ale żądanie działaczy ekologicznych, aby ograniczyć szkodliwe emisje. Uwielbiana (znienawidzona) przez wielu Elona Muska amerykańska firma Tesla stała się producentem, który w jak największym stopniu wjechał na „fali środowiska”.
Ale ktokolwiek i bez względu na to, jak odnoszą się do Elona Muska, nie można zaprzeczyć, że Tesla wykonała świetną robotę: w rzeczywistości powstał osobny segment rynku samochodowego, samochody elektryczne stały się obszarem, w którym zaczęli giganci motoryzacyjni aktywnie inwestować. Jeśli rozwój jest aktywnie prowadzony w jakimś kierunku, wynik zostanie osiągnięty prędzej czy później. Pojawią się nowe akumulatory o zwiększonej pojemności, wysokich szybkościach ładowania i rozszerzonym zakresie temperatur zastosowania, bardziej wydajnych i kompaktowych silnikach elektrycznych, ze zintegrowanymi skrzyniami biegów, które można umieścić w kołach silnika o niskiej masie nieresorowanej i innych rozwiązaniach.
Nie ulega wątpliwości, że w dającej się przewidzieć przyszłości samochody elektryczne praktycznie zastąpią samochody z silnikami spalinowymi i to nie ze względów ekologicznych, ale ze względu na ogólną przewagę techniczną pojazdów elektrycznych.
Wyposażenie wojskowe
W 1917 roku francuska firma FAMH wyprodukowała 400 czołgów Saint Chamond z elektryczną przekładnią Crochat Collendeau, w której silnik benzynowy Panhard był połączony bezpośrednio z generatorem elektrycznym, który napędzał dwa silniki elektryczne, z których każdy był połączony z kołem napędowym i gąsienicą prowadzić samochód. Również w 1917 roku w Wielkiej Brytanii testowano czołg z przekładniami elektrycznymi Daimlera i brytyjskiego Westinghouse.
Późniejsze przykłady obejmują niemiecką jednostkę ciężkiej artylerii samobieżnej (SAU) „Ferdinand” („Słoń”) o wadze 65 ton. Elektrownia „Ferdinand” zawierała dwa 12-cylindrowe, chłodzone wodą silniki gaźnikowe w kształcie litery V „Maybach” HL 120 TRM o pojemności 265 litrów. str., dwa generatory elektryczne Siemens-Schuckert Typ aGV o napięciu 365 woltów oraz dwa trakcyjne silniki elektryczne Siemens-Schuckert D149aAC o mocy 230 kW, umieszczone w tylnej części kadłuba, które napędzały każde ze swoich kół poprzez redukcję przekładnia wykonana zgodnie ze schematem planetarnym.
Chociaż Ferdinand jest stosunkowo nowy, nie ma zbyt wielu skarg na jej pracę. W związku z tym można zauważyć większą złożoność i koszt w porównaniu z elektrowniami o klasycznej konstrukcji, a także konieczność użycia znacznej ilości miedzi, której w Niemczech brakuje.
Oprócz dział samobieżnych Ferdinand rozważano również zastosowanie napędu elektrycznego w niemieckim czołgu superciężkim, 188-tonowym czołgu Maus.
Mniej więcej w tym samym okresie w ZSRR opracowano eksperymentalny czołg ciężki EKV z elektrownią elektromechaniczną na bazie czołgu KV-1. Projekt techniczny czołgu EKV opracowano we wrześniu 1941 r., a w 1944 r. prototyp czołgu EKV trafił do testów. Założono, że zastosowanie przekładni elektromechanicznej na zbiorniku zmniejszy zużycie paliwa, poprawi zwrotność i dynamiczne właściwości zbiornika.
Elektromechaniczna skrzynia biegów czołgu EKV obejmowała rozrusznik-generator DK-502B podłączony do silnika wysokoprężnego V-2K oraz dwa silniki trakcyjne DK-301V z dwoma pokładowymi skrzyniami biegów i urządzeniami sterującymi.
Zgodnie z wynikami testów projekt czołgu EKV uznano za niezadowalający, prace nad projektem zostały skrócone.
Projekty czołgów „elektrycznych” były realizowane w Wielkiej Brytanii, USA, ZSRR, Niemczech i Francji, a także w innych krajach przez cały XX wiek. Niemniej jednak w tej chwili czołgi i pojazdy opancerzone o tradycyjnym układzie zostały maksymalnie rozwinięte.
Korzyści i perspektywy
Dlaczego mimo dużej liczby zamkniętych projektów eksperymentalnych powraca do kwestii zapewnienia napędu elektrycznego bojowych wozów naziemnych?
Z jednej strony następuje rozwój technologii, których zastosowanie w elektrycznych układach napędowych pozwala liczyć na uzyskanie nieosiągalnych wcześniej pozytywnych wyników. Opracowywane są silniki elektryczne z magnesami trwałymi i asynchroniczne, wysokowydajne generatory prądu elektrycznego, systemy dystrybucji energii, szybkie ładowanie akumulatorów i wiele innych.
Ostatnio mówimy nie tylko o technologii naziemnej z napędem elektrycznym, ale także o tworzeniu w pełni elektrycznych samolotów aż do dość dużych modeli pasażerskich.
Z drugiej strony, korzyści, jakie napęd elektryczny może zapewnić naziemnemu sprzętowi bojowemu, są coraz bardziej poszukiwane:
- możliwość elastycznego rozmieszczenia wozu bojowego ze względu na brak w przekładni elektrycznej jednostek ze sztywnym połączeniem mechanicznym zapewnianym przez wały;
- zwiększona przeżywalność sprzętu wojskowego dzięki możliwości redundancji elementów przekładni elektrycznej;
- możliwość rezygnacji z niebezpiecznych dla pożaru napędów hydraulicznych na rzecz elektrycznych;
- możliwość poruszania się sprzętu wojskowego na ograniczonych odcinkach toru w trybie maksymalnego kamuflażu, przy minimalnym demaskowaniu przez charakterystykę dźwiękową i termiczną;
- możliwość odzyskiwania energii elektrycznej podczas hamowania;
- najlepsze parametry dynamiczne i terenowe pojazdów opancerzonych wyposażonych w przekładnię elektryczną;
- duża łatwość sterowania pojazdami opancerzonymi z napędem elektrycznym;
- możliwość zapewnienia wystarczającej ilości energii elektrycznej dla stale rosnącej liczby sprzętu, czujników, zaawansowanej broni.
Przyjrzyjmy się bliżej tym korzyściom. Głównym źródłem energii jest diesla lub turbina gazowa, w samochodach z przekładnią elektryczną będą miały większy zasób i wydajność ze względu na to, że można wstępnie dobrać optymalną prędkość obrotową silnika, przy której będzie miał minimalne zużycie i maksymalne paliwo efektywność. Zwiększone obciążenia podczas przyspieszania i energicznego manewrowania rekompensują akumulatory buforowe.
Np. w połączeniu z generatorem można zainstalować szybkoobrotową turbinę gazową, która będzie pracować w trybie „włącz/wyłącz” w celu doładowania akumulatorów buforowych, bez zmiany prędkości.
W elektrycznej skrzyni biegów nie ma potrzeby instalowania nieporęcznych wałów i skrzyń biegów. Połączenie mechaniczne w przekładni elektrycznej jest dostępne tylko w parach silnik-prądnica i silnik elektryczny-koła, ale te zespoły mogą być wykonane jako jedna całość. Pozostałe jednostki są połączone elastycznymi kablami.
W przeciwieństwie do połączeń mechanicznych, połączenia elektryczne mogą być wielokrotnie nadmiarowe. Na przykład na etapie montażu obudowy można ułożyć zabezpieczone kanały kablowe, w których pomieści się uniwersalna magistrala zasilająca i danych, w tym kable zasilające i do transmisji danych.
Przestrzenne rozdzielenie źródeł energii, kanałów zasilania i łączności oraz silników i śmigieł z podwyższonym prawdopodobieństwem pozwoli zachować mobilność i świadomość sytuacyjną wozu bojowego w przypadku uszkodzenia, co zapewni możliwość wycofania wozu bojowego ze strefy ostrzału i ewakuacja z pola bitwy.
Rezygnacja z napędów hydraulicznych na rzecz elektrycznych przyczyni się również do zwiększenia przeżywalności naziemnych wozów bojowych, zarówno ze względu na mniejsze zagrożenie pożarowe tych ostatnich, jak i ich większą niezawodność. Rosyjskie Siły Powietrzne planują zrezygnować z napędów hydraulicznych w myśliwcu Su-57 piątej generacji do 2022 roku.
Obecność akumulatorów buforowych pozwoli Ci pozostać mobilnym bez włączania głównego silnika, choć na dość ograniczonym odcinku. Pozwoli to obiecującym wozom bojowym na realizację nowych scenariuszy taktycznych prowadzenia działań bojowych z zasadzki, gdy w stanie gotowości pojazd pancerny będzie w pełnej gotowości bojowej, a jego sygnatura termiczna będzie porównywalna z temperaturą otoczenia.
Akumulatory zapewnią również możliwość poruszania się w przypadku awarii głównej elektrowni, co pozwoli pojazdom opancerzonym na samodzielne opuszczenie pola walki. W niektórych przypadkach do ewakuacji wozu bojowego z przekładnią elektryczną wystarczy podłączenie go do zewnętrznego źródła zasilania. Na przykład opancerzony pojazd ratowniczy w ten sposób może jednocześnie ewakuować dwa inne pojazdy opancerzone z częściowo uszkodzoną przekładnią elektryczną, po prostu rzucając na nie kable zasilające.
Podobnie jak w cywilnych pojazdach elektrycznych, w pojazdach opancerzonych z przekładnią elektryczną odzyskiwanie energii może odbywać się podczas hamowania.
Naziemne wozy bojowe z przekładnią elektryczną będą charakteryzować się najlepszą mobilnością i sterownością dzięki bezstopniowemu przenoszeniu mocy na śmigła oraz elastycznemu rozkładowi mocy pomiędzy silnikami elektrycznymi na lewej i prawej burcie. Na przykład podczas skrętu spadek mocy silnika z koralikami tylnymi zostanie skompensowany wzrostem mocy silnika z koralikami wleczonymi.
Jedną z najważniejszych zalet transmisji elektrycznej będzie możliwość zasilania urządzeń i czujników, na przykład stacji radarowych (radarów) do rozpoznania, naprowadzania i wszechstronnej obrony kompleksu ochrony czynnej.
W niedalekiej przyszłości broń laserowa stanie się integralną częścią naziemnych wozów bojowych, które będą w stanie w dużej mierze zneutralizować zagrożenie ze strony małych bezzałogowych statków powietrznych (UAV), przeciwpancernych pocisków kierowanych oraz pocisków kasetowych z głowicami naprowadzającymi termicznie i optycznie.
Elektryczność może być również potrzebna do aktywnych systemów kamuflażu pojazdów opancerzonych w zakresie fal termicznych i optycznych.
wnioski
Stworzenie naziemnych wozów bojowych z napędem elektrycznym prawdopodobnie stanie się nieuniknione w miarę rozwoju technologii i wzrostu wymagań dotyczących zasilania urządzeń pokładowych i uzbrojenia. Cywilny rynek pojazdów elektrycznych może mieć istotny wpływ na tempo wprowadzania naziemnych wozów bojowych o napędzie elektrycznym.
Obiecujące naziemne wozy bojowe z przekładnią elektryczną przewyższają „klasyczne” modele pod względem dynamiki, zwrotności, łatwości sterowania, przeżywalności i bezpieczeństwa, a także, jeśli to możliwe, umieszczenia na nich obiecującej broni i czujników o wysokim zużyciu energii.
