Doskonała mobilność w najtrudniejszych warunkach to najważniejsza cecha wszystkich pojazdów wojskowych. W przypadku pojazdów opancerzonych osiągnięcie tego jest jednak znacznie trudniejsze, ale jest to niezwykle ważne, aby mogły one z powodzeniem wykonywać swoje zadania
Mobilność jest bardzo ważna dla pojazdów opancerzonych, ale jednocześnie konkuruje z innymi krytycznymi cechami, takimi jak na przykład zapewnienie przeżywalności pojazdu i załogi. I tutaj ten wymóg może łatwo kolidować z wymogiem zachowania mobilności. Jest jednak jasne, że żołnierze, których bezpieczeństwo zależy od takich pojazdów, potrzebują zwiększonej drożności w terenie, szybszego przyspieszenia i większej prędkości, a wszystko to bez negatywnego wpływu na przeżywalność. Wymagania te napędzają rozwój nowych zasilaczy i systemów podwozi w celu znalezienia optymalnych rozwiązań spełniających te często sprzeczne wymagania. Aby je jednak spełnić, konieczne jest połączenie i zrównoważenie szeregu parametrów projektowych. Należą do nich charakterystyka układu zawieszenia, która bezpośrednio wpływa na jakość ruchu, powierzchnia podparcia gąsienic lub kół, która decyduje o nacisku na podłoże, prześwicie pojazdu i mocy silnika. Ta ostatnia cecha jest uważana za najważniejszą i najtrudniejszą do osiągnięcia. Wynika to z faktu, że nawet w kwestii generowania i dystrybucji mocy silnika konstruktor musi iść na kompromisy, a czasem nawet nadepnąć na gardło własnej piosenki. Wzrost mocy w pojeździe opancerzonym jest ograniczony takimi czynnikami, jak objętość komory silnika, konieczność zachowania zasięgu, ograniczenia wagowe oraz konieczność spełnienia wymagań mocy systemów pokładowych, np. sprzętu łączności, systemy nawigacyjne, czujniki oraz aktywne i pasywne systemy ochrony.
Konieczna jest skuteczna ochrona przed współczesnymi, ewoluującymi zagrożeniami, zwłaszcza tymi, które stawiają największe wymagania układowi napędowemu i podwoziu. Ochrona prawie nieuchronnie oznacza zbroję, a zbroja zwiększa masę. Powstaje sprzeczność, która zmusza nas do niewygodnych kompromisów: wraz ze wzrostem poziomu zagrożenia należy również zwiększyć poziom ochrony. Wzrost poziomu ochrony z reguły przekłada się na konieczność dodatkowego opancerzenia, a dodatkowa rezerwacja może przyczynić się do wzrostu masy pojazdu. Utrzymanie lub poprawa właściwości jezdnych pojazdu opancerzonego nieuchronnie pociąga za sobą wzrost mocy silnika oraz sprawność przekładni i napędów z nim połączonych. Jednak masa pojazdu zależy również od jego wielkości: im większy pojazd i powierzchnia, która musi być opancerzona, tym jest cięższy. Zatem nowa jednostka napędowa (silnik z przekładnią i napędami) musi być nie tylko mocniejsza, ale musi przynajmniej mieścić się w przydzielonej objętości lub, najlepiej, mieć mniejszą objętość całkowitą. Kryterium to jest przede wszystkim absolutne dla jednostek napędowych przeznaczonych do modernizacji istniejących pojazdów opancerzonych, ale jest również wysoce pożądane w przypadku nowych platform.
Powszechnie akceptowaną wartością poziomu mobilności zapewnianego przez pojazd opancerzony jest tzw. gęstość mocy, czyli stosunek mocy (najczęściej w koniach mechanicznych) do masy pojazdu. Wskaźnik ten, nie biorąc pod uwagę wszystkich możliwych czynników determinujących ruchliwość, jest odpowiednim, aczkolwiek prymitywnym kryterium i jest przydatny zarówno jako parametr projektowy, jak i narzędzie do porównywania różnych maszyn. Z reguły im wyższa moc właściwa, na przykład w KM. na tonę, tym lepsze będą ogólne osiągi maszyny. Pomimo tego, że przy ocenie pojazdu często bierze się pod uwagę jego prędkość maksymalną, to w przypadku pojazdu bojowego przyspieszenie lub reakcja silnika na przepustnicę (zdolność do szybkiego i płynnego przejścia od stabilnej pracy przy minimalnej mocy do maksymalnej) może być faktycznie znacznie ważniejsza charakterystyka. Często pomijana w osiągach pojazdu, zdolność szybkiego przyspieszania i szybkiego przemieszczania się w bezpieczne miejsce w odpowiedzi na atak jest nieoceniona. Ma to bezpośredni wpływ na przeżywalność pojazdu i jego załogi. W ten sposób dostępna moc przyczynia się nie tylko do zwiększenia mobilności, ale także przeżywalności, zwłaszcza w połączeniu ze środkami samoobrony, w tym czujnikami do wykrywania strzału i napromieniowania laserowego, a także pasywnymi i aktywnymi środkami zaradczymi.
Moc w małym
Mimo pojedynczych przypadków stosowania silników z turbiną gazową, jak np. w rodzinie czołgów podstawowych (MBT) General Dynamics M1 Abrams, najpopularniejszym silnikiem do pojazdów opancerzonych pozostaje silnik wysokoprężny, a dokładniej wielopaliwowy silnik wysokoprężny. Jednym z liderów w produkcji jednostek napędowych jest niemiecka firma MTU. Jej zintegrowane podejście polega na tym, że w jednym „jednostce napędowej” znajduje się nie tylko silnik, przekładnia i napędy mocy, ale także podsystemy zasilania powietrzem i jego filtracja, chłodzenie, wytwarzanie energii i inne. Każdy z elementów jednostki napędowej jest starannie zaprojektowany i zmontowany w celu uzyskania najbardziej kompaktowego i wydajnego rozwiązania. MTU zdaje sobie sprawę, że dla projektanta i integratora pojazdów bojowych stosunek mocy do objętości ma kluczowe znaczenie. Giovanni Spadaro, szef SOEs w MTU, wyjaśnił, że dla nich „integracja wszystkich komponentów w jeden system jest bardzo ważna, niestrudzenie rozwijamy naszą filozofię symbiotycznego rozwoju wszystkich części opracowanego rozwiązania. Dla nas oznacza to, że dosłownie wszystko, architektura, koncepcja, oprogramowanie i wszystkie parametry mają na celu poprawę charakterystyki finalnej kompletnej jednostki napędowej.” Wpływ tego podejścia na ostateczną platformę jest ogromny, biorąc pod uwagę ścisłą współpracę z głównymi wiodącymi producentami pojazdów wojskowych, takimi jak Krause-Mafei Wegmann (KMW), Nexter, BAE Systems i General Dynamics. Rzecznik General Dynamics Land Systems wyjaśnił: „Jeśli chodzi o jednostkę napędową, większa moc jest lepsza, mniejszy rozmiar jest lepszy, tańszy jest ogólnie doskonały, ale z obowiązkowym wzrostem poziomu bezpieczeństwa, niezawodności, ciszy i łatwości konserwacji”.
Firma MTU wykazała, że adaptacja i modyfikacja do celów wojskowych komercyjnych jednostek napędowych nadaje się do lekkich i średnich pojazdów opancerzonych, na przykład czteroosiowego bojowego transportera opancerzonego ARTEC Boxer, który jest wyposażony w silnik wysokoprężny MTU 8V199 TE20. Jednak w przypadku cięższych pojazdów opancerzonych i czołgów potrzebne są ich własne silniki, takie jak np. silniki serii 880 i 890, zaprojektowane specjalnie do montażu na ciężkich platformach wojskowych. Możliwości nowoczesnych jednostek napędowych demonstruje gąsienicowy bojowy wóz piechoty Puma. Spadaro powiedział, że „jednostka napędowa MTU do Pumy obejmuje skrzynię biegów, rozrusznik/generator oraz układy chłodzenia i oczyszczania powietrza. Silnik wysokoprężny MTU 10V 890 słynie z bardzo dużej gęstości mocy i kompaktowych wymiarów. W porównaniu z innymi silnikami wojskowymi tej samej klasy mocy masa i objętość zostały zmniejszone o około 60 procent.” Dyrektor ds. silników specjalnych w MTU skomentował, że „Ta jednostka jest bardziej kompaktowa niż jakakolwiek poprzednia jednostka napędowa”. Zalety silników MTU są szczególnie widoczne podczas instalowania jednostek napędowych w poprzednich generacjach maszyn. Jej silniki z gamy EuroPowerPack zostały wykorzystane przez francuską firmę GIAT (obecnie Nexter) do wymiany silników czołgów Leclerc-EAU dla Zjednoczonych Emiratów Arabskich. Silniki z tej rodziny są również instalowane na czołgu podstawowym Challenger-2E, przy czym osiągnięto znaczne oszczędności objętości przy jednoczesnym zwiększeniu zasięgu dzięki zmniejszeniu zużycia paliwa.
Znana z ciężkiego sprzętu budowlanego firma Caterpillar stała się czołowym dostawcą silników do pojazdów taktycznych i opancerzonych. Jej oferta dla wojska opiera się na gotowych systemach komercyjnych używanych na całym świecie. Stąd znaczące korzyści - zmniejszenie kosztów związanych z wielkością produkcji i dostępnością wsparcia technicznego. Niemniej jednak rozwiązania firmy znane są z zastosowań wojskowych, na przykład silnik C9.3 o zwiększonej mocy właściwej 600 KM. Jednak prawdziwą innowacją jest to, że C9.3 jest w stanie zmieniać swoją moc znamionową. Aby spełnić rygorystyczne europejskie wymagania dotyczące emisji spalin Euro-III, przełącza się w tryb zredukowany do 525 KM. moc. Firma Caterpillar zauważa, że „Korzyść polega na tym, że użytkownik może wybrać tryb pracy. Możliwe jest osiągnięcie maksymalnej wydajności podczas aktywnej pracy w terenie, ale podczas szkolenia lub podczas pracy na obszarach zamieszkanych przez ludność cywilną można przejść w tryb kontroli emisji.” W rzeczywistości ten „przełącznik” jest zakorzeniony w technologiach opracowanych przez firmę Caterpillar dla systemów komercyjnych.
Firma jest niezmiennie wybierana do programów wymiany i modernizacji istniejących flot pojazdów opancerzonych. Na przykład jego silnik CV8 jest obecnie instalowany w gąsienicowych wozach bojowych piechoty armii brytyjskiej Warrior. Prace te są realizowane w ramach umowy z Lockheed Martin na modernizację pojazdu do standardu WCSP (Warrior Capability Sustainment Program), co przedłuży eksploatację pojazdów do 2040 roku. Firma Caterpillar zmienia również silnik w rodzinie pojazdów opancerzonych Stryker amerykańskiej armii o mocy 350 KM. dla silnika C9 o mocy 450 KM. Nowy silnik „wpasowuje się” w objętość zajmowaną przez poprzedni silnik. Wymiana jest częścią propozycji General Dynamics dotyczącej zmiany technicznej ECP-1, która obejmuje alternator 910 A, ulepszenia zawieszenia i inne ulepszenia.
Siłowniki elektryczne
Tradycyjnie moc z silnika jest przenoszona mechanicznie na koła lub gąsienice. Napędy elektryczne zastępują to fizyczne połączenie silnikami elektrycznymi umieszczonymi w kołach napędowych lub zębatkach. Energia potrzebna do napędzania tych silników elektrycznych może być pobierana z akumulatorów, silnika spalinowego lub obu. Podejście „hybrydowe” wykorzystuje albo silnik wysokoprężny, albo silnik z turbiną gazową, który bez połączeń mechanicznych można teraz zainstalować w dowolnym miejscu podwozia, dając projektantom większą swobodę projektowania. Możliwe jest również zainstalowanie dwóch silników, co zostało wdrożone przez BAE Systems w jej mobilnej placówce testowej HED (Hybrid Electric Drive). Rzecznik BAE Systems Deepak Bazaz zauważył, że dwa silniki HED są podłączone do generatorów i akumulatorów, co pozwala mu pracować w różnych trybach: jeden silnik pracuje na biegu jałowym, oszczędzając paliwo, dwa silniki pracują, gdy potrzeba więcej mocy, lub w trybie cichej obserwacji działa tylko na bateriach wielokrotnego ładowania. Koncepcja HED została wdrożona na platformie gąsienicowej AMPV (Armored Multipurpose Vehicle), ale planuje się, że będzie skalowalna i używana w pojeździe dowolnej kategorii wagowej, zarówno kołowym, jak i gąsienicowym. Eksperymentalna elektrownia HED została zmodyfikowana przez BAE Systems do koncepcji hybrydowej przez Northrop Grumman w ramach jej propozycji na naziemny pojazd bojowy armii amerykańskiej GCV (Ground Combat Vehicle).
W artykule opublikowanym przez NATO Technology Research Organization: „Hybrydowe pojazdy elektryczne są lepsze pod względem prędkości, przyspieszenia, zdolności pokonywania wzniesień i ciszy niż pojazdy o napędzie silnikowym… podczas gdy oszczędność paliwa może wynosić od 20 do 30 procent”. Silniki elektryczne zapewniają również niemal natychmiastowe przyspieszenie, dobrą reakcję przepustnicy i lepszą przyczepność. Ta ostatnia zależy bezpośrednio od ulepszonego momentu obrotowego, który jest nieodłączny od silników elektrycznych. W przypadku pojazdów bojowych oznacza to kilka zalet: krótszy czas reakcji przy przejściu na osłonę, trudniejsze wejście i lepsze możliwości przełajowe. Jednostka HED jest zasilana dwoma sześciocylindrowymi silnikami, specjalnie zaprojektowaną skrzynią biegów QinetiQ i 600-woltowymi akumulatorami litowo-jonowymi.
Innym atrakcyjnym aspektem napędu elektrycznego jest jego zdolność do generowania wydajniejszej i większej ilości energii elektrycznej. Elektrownia platformy Northrop Grumman / BAE Systems GCV będzie w stanie dostarczyć 1100 kilowatów, choć jest znacznie mniejsza i lżejsza od tradycyjnych bloków energetycznych. Ponieważ jednak magazynowanie energii jest ważną częścią hybrydowego napędu elektrycznego, niedopasowanie akumulatorów staje się poważnym problemem. W związku z tym rozważa się obecnie kilka rodzajów zaawansowanych akumulatorów o wyższej gęstości energii do pojazdów hybrydowych, w tym litowo-jonowy, niklowo-wodorkowy, niklowo-sodowy i litowo-polimerowy. Jednak wszystkie z nich są jeszcze na etapie rozwoju technologii i mają pewne wady, które należy rozwiązać, zanim zostaną uznane za odpowiednie do zastosowań wojskowych. Kolejnym obszarem prac, który należy rozwinąć, aby napędy hybrydowe mogły być masowo instalowane na pojazdach opancerzonych, jest usunięcie ograniczeń konstrukcyjnych nowoczesnych silników trakcyjnych. Chociaż z powodzeniem zintegrowano je z prototypami demonstracyjnymi typu HED, systemy te mają ograniczenia pod względem wielkości, wagi i chłodzenia. Dopóki te problemy nie zostaną rozwiązane, wszystkie obwody elektryczne, pomimo swoich zalet, pozostaną iluzją dla pojazdów opancerzonych.
Jednak wiele organizacji badawczych pozostaje zainteresowanych koncepcją napędu elektrycznego. Na przykład, w ramach kontraktów z Agencją Zaawansowanych Projektów Badawczych Obrony (DARPA), QinetiQ przetestuje swoją koncepcję silników piastowych (motoreduktorów), przygotowując je do próbnych prób pilotażowych. Liczne skrzynie biegów, dyferencjały i napędy zastąpią potężne kompaktowe silniki elektryczne w kołach maszyny. Możliwe, że ta koncepcja może zostać wdrożona również w istniejących kołowych pojazdach opancerzonych. W rzeczywistości w czerwcu 2017 r. BAE Systems podpisało umowę z QinetiQ na wprowadzenie nowej technologii napędu elektrycznego do wozów bojowych. Przedstawiciel firmy BAE Systems powiedział, że dzięki temu „zaoferuje klientom sprawdzoną, niedrogą technologię, która zwiększy możliwości obecnych i przyszłych wozów bojowych”.
Przyszłe wyzwania władzy
W ciągu ostatniej dekady zapotrzebowanie wozów bojowych na energię elektryczną wzrosło kilkakrotnie. Mark Signorelli, szef działu pojazdów bojowych w BAE Systems, zauważył, że „w przyszłości pojazdom opancerzonym będzie coraz trudniej zaspokoić zapotrzebowanie na energię elektryczną”. Trwają próby rozwiązania tego narastającego problemu. Na przykład rozważany jest generator 300 A CE Niehof dla rodziny M2 Bradley i dwa generatory 150 A dla nowej platformy AMPV. Pan Spadaro z MTU stwierdził, że „kluczowymi czynnikami, które wpłynęły i wpływają na rozwój rozwiązań w zakresie generowania większej mocy, są stale rosnąca masa pojazdów podstawowych i kołowych (głównie w wyniku wymagań dotyczących wyższych poziomów ochrony) oraz m.in. jednocześnie potrzeba więcej energii elektrycznej dla systemów pokładowych dowolnego typu, czy to elektroniki, systemów ochrony i komfortu dla załogi, na przykład zaawansowanego systemu klimatyzacji.” MTU uważa, że „rozwiązuje się je poprzez głębszą integrację komponentów elektrycznych z jednostką napędową. Dobrym przykładem jest tu ponownie wspomniany wyżej zespół napędowy MTU transportera Puma, w skład którego wchodzi rozrusznik/generator o mocy znamionowej 170 kW, dostarczający prąd do dwóch wentylatorów chłodzących oraz sprężarkę czynnika chłodniczego klimatyzacji.”
Moc pojazdów opancerzonych bezpośrednio wpływa na możliwości bojowe i przeżywalność. Główne kryteria przetrwania na polu bitwy są następujące: „podejmij wszelkie środki, aby nie zostać zauważonym, jeśli zostaniesz zauważony, nie zostać trafionym, jeśli zostaniesz trafiony, nie zginąć”. Pierwszy jest ułatwiony dzięki możliwości poruszania się tam, gdzie przeciwnik cię nie oczekuje. Druga wymaga szybkiego przyspieszenia i dobrej manewrowości, aby znaleźć osłonę, i jest skomplikowana przez zdolność wrogiego strzelca do skutecznego chwytania celu do zabicia. A trzeci jest uwarunkowany umiejętnością podjęcia odpowiedniej ochrony biernej oraz stosowania pasywnych i aktywnych środków zaradczych. Jednak każde z tych kryteriów może niekorzystnie wpływać na inne. Na przykład dodatkowy pancerz zwiększa masę, a w efekcie mobilność.
Postępy w dziedzinie elektrowni dla pojazdów opancerzonych, nowe silniki, skrzynie biegów i napędy, innowacyjne metody integracji i rozmieszczenia pozwalają twórcom sprzętu wojskowego spełnić najśmielsze życzenia klientów. Wiele ulepszeń, które widzimy na platformach wojskowych, pochodzi bezpośrednio z projektów komercyjnych: silniki i komputery pokładowe, cyfrowe sterowanie elektroniczne, automatyczne monitorowanie stanu systemów, napędy elektryczne i magazyny energii, czy wreszcie praktyczne wdrożenia hybryd rozwiązania. Jednak wyzwania dla tej delikatnej równowagi zmuszają przemysł do opracowywania coraz bardziej innowacyjnych rozwiązań.
