Rosnące zużycie energii przez systemy pokładowe pojazdów daje nowym technologiom szansę na wykorzystanie szansy na radykalną zmianę mocy i mobilności pojazdów wojskowych w przyszłości
Biorąc pod uwagę, że kolejna generacja armii amerykańskiej prawdopodobnie będzie miała elektrownię hybrydową, przemysł potrzebuje zakrojonego na szeroką skalę programu, aby móc wprowadzić do kraju swoje technologie energetyczne, które już opracował (wraz z nieuniknionymi modyfikacjami). większość pojazdów bojowych. Mucha w tej beczce miodu polega jednak na tym, że według aktualnych planów armia planuje przyjąć takie pojazdy około 2035 roku. Poważne decyzje dotyczące jego konfiguracji najprawdopodobniej nie zostaną podjęte przed 2025 r., chyba że odpowiednie programy zostaną przyspieszone do prezydentury Trumpa.
Ogromne potrzeby są doskonałą zachętą do rozwoju nowych technologii, które z kolei mogą dostarczyć rozwiązań, które te potrzeby zaspokoją. Na przykład rosnące zapotrzebowanie na energię elektryczną na polu walki łączy się z koniecznością zmniejszenia obciążeń logistycznych związanych z dostawami paliw, a także zwiększenia możliwości terenowych sił bojowych i bojowych sił wsparcia. Wszystko to jest przekonującym dowodem na rzecz powszechnego stosowania pomocniczych jednostek napędowych, inteligentnego sterowania silnikiem i hybrydowego napędu elektrycznego, a co za tym idzie gwałtownego wzrostu mocy generowanej dla odbiorców zewnętrznych.
Pokonać bezwładność
Dzięki bogatemu doświadczeniu w produkcji demonstratorów technologii pojazdów hybrydowych dla różnych konstrukcji wojskowych oraz w produkcji autobusów hybrydowych dla sektora cywilnego, BAE Systems jest w stanie dokładnie ocenić, gdzie ta technologia jest dzisiaj i jakie są jej perspektywy. To samo dotyczy DRS Technologies, która również brała udział w wielu projektach demonstracyjnych. Tom Weaver, dyrektor handlowy w DRS Network Computing and Test Solutions, powiedział, że rynek wciąż się rozwija, a zalety pojazdów elektrycznych muszą jeszcze pokonać bezwładność tradycyjnych pojazdów. Taka bezwładność ma negatywny wpływ na rozwój maszyn zdolnych do wytwarzania niezbędnej energii dla odbiorców zewnętrznych, pomimo potrzeb, które w ciągu ostatniej dekady wzrosły „o co najmniej 100%”.
„DRS współpracuje z różnymi klientami, aby zademonstrować maszyny ze zintegrowanymi nowymi technologiami w różnych testach wydajności. Udane demonstracje i pozytywne recenzje użytkowników nie doprowadziły do rozmieszczenia takich pojazdów w wojsku, co więcej, wymagania dla nich nie zostały nawet opracowane. Niemniej jednak popyt będzie nadal rósł, zwłaszcza w przypadku operacji ekspedycyjnych i pojazdów specjalistycznych, takich jak systemy ukierunkowanych broni energetycznych”.
DRS oferuje teraz pokładowy system zasilania dla średniego pojazdu taktycznego (MTV) i sprzętu HMMWV w postaci generatora integralnego przekładni opracowanego we współpracy z Allison. Ten system, zainstalowany na przykład na ciężarówce MTV, generuje moc do 125 kW dla systemów pokładowych lub zewnętrznych. Firma produkuje również inne systemy zarządzania energią do różnych pojazdów. Główny inżynier Andrew Rosenfield z BAE Systems, która również zajmuje się takimi systemami, uważa, że jest mało prawdopodobne, aby pojazdy czysto elektryczne odegrały główną rolę w walce naziemnej, głównie ze względu na problemy z ładowaniem akumulatorów.
„Chociaż technologia układu napędowego do pracy całkowicie elektrycznej jest dobrze ugruntowana, problem z tankowaniem może uniemożliwić uruchomienie pojazdów wyłącznie elektrycznych” – kontynuował. „W końcu olej napędowy jest dostępny w dowolnym miejscu na świecie, a znalezienie stacji ładowania akumulatorów na pustyni jest bardzo trudne, ale nawet jeśli ją znajdziesz, czekanie osiem godzin na pełne naładowanie jest prawdopodobnie niewykonalne”.
Weaver zgodził się, że prawdopodobnie zwyciężą samochody hybrydowe, wspominając również o ograniczeniach czystej infrastruktury ładowania samochodów elektrycznych oraz wszechobecności oleju napędowego i paliwa JP8 do silników odrzutowych. Rosenfield podkreślał jednak, że w bazach wojskowych dużą rolę mogą odgrywać pojazdy czysto elektryczne, które mogą przewozić towary, jak ma to miejsce w nowoczesnych fabrykach czy na lotniskach (ciągniki lotniskowe). „Maszyny z ogniwami paliwowymi najprawdopodobniej byłyby w stanie wykonywać takie zadania, ponieważ potrzebują swobodnego dostępu do rezerw wodoru” – powiedział.
Weaver wierzy, że przed pojazdami napędzanymi ogniwami paliwowymi czeka trudna droga. „Po pierwsze, nie ma jeszcze infrastruktury gazowej wodoru i będzie pewna nieufność do wdrażania nowego paliwa. Ścieżka takich pojazdów rozpocznie się od dobrze zorganizowanych operacji ekspedycyjnych”.
Konstrukcje hybrydowe są również bardziej wyrafinowane niż konstrukcje czysto elektryczne i mają kilka cech, które czynią je bardziej atrakcyjnymi niż maszyny czysto elektryczne i konwencjonalne maszyny o napędzie elektrycznym. „Po pierwsze, hybrydowe platformy elektryczne wykorzystują to samo paliwo, co tradycyjne pojazdy z silnikiem Diesla. Po drugie, moment obrotowy o niskich obrotach jest idealny dla maszyny poruszającej się po nierównym terenie lub wspinającej się po bardzo stromym zboczu.”
Dodał, że zdolność do generowania dużych ilości energii elektrycznej na pokładzie staje się coraz ważniejsza, ponieważ wdrażane są nowe możliwości, takie jak systemy łączności i uzbrojenia, które wykorzystują potężne lasery. Możliwość eksportu tej energii jest również ogromną zaletą, ponieważ maszyny te mogą zasilać zaludnione obszary i szpitale, których własne systemy zasilania zostały uszkodzone w wyniku działań wojennych lub klęsk żywiołowych.
„Wreszcie, zmniejszone koszty eksploatacji i konserwacji związane ze znacznymi oszczędnościami paliwa i większą niezawodnością sprawiają, że hybrydowe pojazdy elektryczne są inteligentnym i długoterminowym wyborem”.
Jak zauważył Weaver, zapotrzebowanie na energię elektryczną na pokładach wozów bojowych nigdy nie zmalało, będzie tylko rosło z roku na rok. „Nowsze systemy funkcjonalne wymagają coraz większej mocy z platformy przewoźnika, a także ciągłej modernizacji systemów wytwarzania i dystrybucji energii w obecnych pojazdach”.
„Po dodaniu funkcji, takich jak cicha lokomocja, radar, zaawansowana komunikacja, zagłuszanie sygnału oraz zbroja elektromagnetyczna lub uzbrojenie, platforma pozostaje w tyle i staje się niemożliwa do zarządzania bez przejścia na hybrydowy schemat elektryczny. W najbliższej dekadzie, dla wszystkich wozów bojowych, jednym z najważniejszych komponentów będzie możliwość generowania dużych ilości energii elektrycznej na pokładzie.”
„Pojazdy z napędem elektrycznym muszą wykonywać swoją pracę tak samo dobrze, a nawet lepiej niż ich tradycyjne mechaniczne odpowiedniki” – kontynuował. „Systemy zmotoryzowane są nie tylko znacznie prostsze i mają mniej ruchomych części niż systemy zmotoryzowane, ale często mają zaskakująco dobry poziom nadmiarowości, co czyni je bardziej niezawodnymi. Na przykład większość poprzecznych przekładni elektrycznych może działać normalnie z pojedynczym silnikiem, który uległ awarii.”
Weaver powiedział, że kluczowe technologie pielęgnowane w transporcie publicznym już istnieją i są gotowe do wejścia na rynek. „Szerokie zastosowanie obwodów hybrydowych i elektrycznych, zwłaszcza w autobusach międzymiastowych i tramwajach, doprowadziło do rozwoju sterowników silników, falowników i przekształtników, które są zbliżone do potrzeb wojska” – powiedział. „Wszystkie potrzeby branży to klienci, którzy są gotowi zapłacić za proces kwalifikacji, a także wystarczy, aby obniżyć koszty”.
W międzyczasie trwają prace nad demonstracją. General Motors (GM) na targach AUSA w październiku 2016 r. pokazał „gotową do jazdy” wersję swojego pojazdu Chevrolet Colorado ZH2 na ogniwa paliwowe, opartego na wydłużonym podwoziu pickupa średniej wielkości. Zgodnie z harmonogramem, Colorado ZH2, przy wsparciu TARDEC Armored Research Center, ma przejść serię testów wojskowych „w ekstremalnych warunkach eksploatacyjnych” w 2017 roku.
Był to program przyspieszony. GM i TARDEC współpracowały nad stworzeniem wersji demonstracyjnej w niecały rok po podpisaniu umowy. „Prędkość, z jaką można zademonstrować i ocenić innowacyjne pomysły, jest bardzo wysoka, dlatego powiązania branżowe są tak ważne dla wojska” – powiedział dyrektor TARDEC Paul Rogers. „Ogniwa paliwowe mogą znacznie zwiększyć możliwości pojazdów wojskowych poprzez cichą pracę, generowanie energii dla odbiorców zewnętrznych i stabilny moment obrotowy – wszystkie te zalety sprawiają, że ta technologia jest bliżej zbadana”.
„ZH2 umożliwia armii zademonstrowanie i ocenę gotowości technologii ogniw paliwowych do zastosowań wojskowych, jednocześnie odpowiadając na pytanie, na ile użyteczne mogą być pojazdy elektryczne na ogniwa paliwowe w określonych warunkach i w określonych misjach bojowych” – powiedział Doug Hallo. rzecznik prasowy TARDEC.
Oczekiwane korzyści, które TARDEC musi ocenić, obejmują prawie bezgłośną pracę pozwalającą na cichy nadzór, zmniejszone sygnatury termiczne, wysoki moment obrotowy kół przy wszystkich prędkościach, niskie zużycie paliwa w całym zakresie roboczym oraz wodę pitną jako chemiczny produkt uboczny.. Colorado ZH2 ma wbudowaną przystawkę odbioru mocy dla odbiorców zewnętrznych.
Układ napędowy oparty jest na ogniwach paliwowych z membraną do wymiany protonów, które mogą generować do 93 kW prądu stałego, oraz baterii, która zapewnia dodatkowe 35 kW dla układu napędowego i jest ładowana podczas hamowania regeneracyjnego. Tak wyjaśnia Christopher Kolkit, kierownik projektu ZH2 w GM.
„Zbiorniki pojazdu zawierają około 4,2 kg sprężonego wodoru pod ciśnieniem 10 000 psi, czyli ponad 689 razy więcej niż ciśnienie atmosferyczne. Powietrze atmosferyczne jest źródłem tlenu niezbędnego do procesu elektrochemicznego, w wyniku którego wytwarzana jest wymagana energia elektryczna; uwalniana jest tylko para wodna - zauważył.
We wszystkich elektrycznych układach napędowych dostarczanie energii ze źródła do kół jest łatwiejsze niż w przypadku tradycyjnych pojazdów. „ZH2 nie ma przekładni w zwykłym tego słowa znaczeniu. Silnik trakcyjny prądu przemiennego z jednostopniową skrzynią biegów przenosi moment obrotowy bezpośrednio na skrzynię rozdzielczą i układ napędowy na cztery koła”- wyjaśnił Kolkit.
Infrastruktura przenośna
W ramach tego programu Centrum TARDEC bada również, co może być przynajmniej częściowym rozwiązaniem problemu dostępności wodoru (infrastruktury). Jego rozwiązaniu sprzyja tutaj fakt, że ten pierwiastek chemiczny można wytwarzać na różne sposoby z różnych źródeł. Według przedstawiciela Centrum TARDEC, na początkowym etapie prac nad projektem ZH2 chodzi o pozyskiwanie sprężonego wodoru podczas reformingu nafty lotniczej JP8 w przenośnym reformerze, który wraz z maszyny, ponieważ zwiększy to liczbę rozwiązanych na tym etapie zadań.
„Obecnie staramy się stworzyć reformer, który może wykorzystywać różne źródła dostępne lokalnie, takie jak gaz ziemny, paliwo JP8, olej napędowy DF2 lub propan, do produkcji wodoru” – powiedział. - Lokalne sieci elektryczne, w tym ewentualnie odnawialne źródła energii, wraz z zasobami wodnymi, mogą być również wykorzystywane do produkcji wodoru. Pozwoliłoby to armii na zmniejszenie ilości paliwa dostarczanego na określony teatr działań i poleganie na tym, co jest dostępne na tym teatrze”.
Niezależnie od tego, czy głównym napędem są baterie, ogniwa paliwowe, czy mieszane elektrownie wysokoprężne, przekształcanie prądu elektrycznego w napęd do przodu wymaga niezawodnych i wydajnych napędów elektrycznych. Brytyjska firma Magtec produkuje elektryczne układy napędowe dla rynku lotniczego, morskiego i motoryzacyjnego, oferując na przykład kilka opcji zamiany samochodów ciężarowych na nowe układy napędowe.
Jednak firma opracowała również kompletne układy napędowe do platform gąsienicowych i kołowych, aby zademonstrować technologie hybrydowe produkowane przez BAE Systems Hagglunds dla brytyjskich i szwedzkich agencji obronnych na początku XXI wieku.
Dla platform SEP (Splitterskyddad EnhetsPlattform), zarówno kołowych 6x6, jak i gąsienicowych, firma opracowała silniki w piastach kół (koła silnikowe), w tym dwustopniową przekładnię redukcyjną i układ hamulcowy w każdym, podwójne generatory, wyposażenie sterujące i rozdział mocy. Dla SEP opracowała, zainstalowała i przetestowała oprogramowanie do sterowania kluczowymi funkcjami, takimi jak rozdział mocy, kontrola trakcji, elektroniczne blokady mechanizmów różnicowych i układ kierowniczy, który umożliwia maszynie skręcanie w miejscu. Ponadto system ten spełnia wszystkie wojskowe przepisy EMC i środowiskowe.
Dyrektor generalny Magtec powiedział, że widzi duży potencjał wzrostu pojazdów elektrycznych o rozszerzonym zasięgu dla misji wsparcia bojowego. Jednocześnie nowe technologie przyczyniają się do znacznej poprawy mobilności, zmniejszenia zużycia paliwa, większej redundancji, a także umożliwiają podejmowanie oryginalnych decyzji dotyczących układu. Zauważył również, że napęd elektryczny ułatwia realizację zdalnej pracy i autonomii.
Odnośnie dalszego rozwoju niezbędnych technologii zauważył, że układy napędowe są gotowe do wejścia na rynek z ulepszoną energoelektroniką (do sterowania napędami mocy) opartą na obwodach półprzewodnikowych z węglika krzemu. Są one niezbędne do kontrolowania wysokiego napięcia, na którym pracują układy elektryczne nowej generacji. Dyrektor Magtec zauważył, że 24 wolty, przy których pracują większość nowoczesnych systemów, są obecnie zbyt niskie dla głównych odbiorców energii elektrycznej (wzrost napięcia pozwala na przesyłanie większej mocy przez kable bez nadmiernego zwiększania natężenia).
Jedna firma w tej dziedzinie, GE Aviation, wygrała kontrakt o wartości 2,1 miliona dolarów na opracowanie i demonstrację elektroniki mocy z węglika krzemu. Oczekuje się, że po 18-miesięcznym programie rozwojowym firma zademonstruje zalety technologii FET z węglika krzemu opartej na tlenku metalu w połączeniu z urządzeniami z azotku galu w dwukierunkowym przetworniku DC/DC o mocy 15 kW, 28/600 V.
Według firmy sprzęt ten może obsłużyć dwukrotnie większą moc, zajmując jednocześnie połowę objętości w porównaniu do obecnej krzemowej elektroniki mocy, a konwertery będą mogły pracować równolegle i być programowane zgodnie ze standardem CAN.
Firma opracowuje architekturę zasilania pojazdów nowej generacji od TARDEC, nazywając ją przełomową technologią i ma nadzieję, że demonstracja technologii będzie gotowa do połowy 2017 roku.
Podwójna prędkość
Kolejną przełomową technologią jest projekt Ground X-Vehicle Technology (GXV-T) Agencji Zaawansowanych Projektów Badawczych DARPA Defense, w którym systemy elektryczne będą odgrywać znaczącą rolę. Celem projektu jest zmniejszenie o połowę liczebności, masy i liczebności załogi obiecujących pojazdów opancerzonych, podwojenie ich prędkości, zdolności pokonywania 95% terenu, a także zmniejszenie znaków widoczności.
W lipcu 2016 r. DARPA przekazała Qinetiq inwestycję w wysokości 2,7 miliona dolarów na udoskonalenie technologii elektrycznych układów napędowych dla projektu GXV-T. Firma opisuje tę technologię jako kompaktowe i niezwykle mocne silniki elektryczne wewnątrz kół, które zastępują różne skrzynie biegów, dyferencjały i wały napędowe. Firma twierdzi, że takie podejście radykalnie zmniejsza całkowitą wagę platformy i otwiera nowe opcje projektowe, które poprawią bezpieczeństwo i wydajność.
Qinetiq podkreśla, że oprócz zastosowania w nowych koncepcjach, takich jak GXV-T, technologia ta może również zwiększyć możliwości istniejących pojazdów podczas modernizacji. Na przykład wielokołowy pojazd piechoty wyposażony w napędy w piastach lub koła silnikowe „może skorzystać ze zwiększonej mocy i mobilności, które zapewnia oszczędność masy, lub odwrotnie, wykorzystać te oszczędności do poprawy ochrony, zainstalowania sprzętu lub zwiększenia pojemności pasażerów."
Inwestycja została poprzedzona kontraktem, ogłoszonym we wrześniu 2015 roku, w ramach którego koncepcja zostanie przełożona na rzeczywisty projekt i przetestowana, po czym zostaną wyprodukowane dwa w pełni działające prototypy.
– Konwencjonalne siłowniki są dość ciężkie, mają ograniczoną wydajność i składają się z komponentów, które mogą zamienić się w śmiercionośne pociski, jeśli zostaną eksplodowane przez minę – powiedział szef badań w Qinetiq, komentując kontrakt. „Przeniesienie napędów na koła usuwa to zagrożenie i przełamuje tendencję pojazdów do stania się cięższymi i mniej mobilnymi ze względu na zwiększony poziom ochrony i moc broni”.
Istniejące maszyny mogą również skorzystać na elektryfikacji podsystemów nienapędowych. Na przykład niemiecka firma Jenoptik ma dostarczyć 126 elektrycznych systemów stabilizacji wieży i uzbrojenia dla programu modernizacji polskiego czołgu Leopard 2PL. Według firmy układy elektryczne zastąpią układy hydrauliczne na zbiorniku, zmniejszając w ten sposób konserwację i wytwarzanie ciepła.
Dostawy mają nastąpić w latach 2017-2020 w ramach kontraktu na 23 miliony dolarów podpisanego z Bumar Labédy w październiku 2016 roku. Ta sama firma Bumar Łabędy podpisała w lutym 2017 r. umowę o współpracy w zakresie modernizacji czołgów z niemiecką firmą Rheinmetall.
Jedną z działalności firmy Jenoptik jest rozwój i produkcja kompaktowych stabilizowanych platform uzbrojenia/czujników, systemów napędowych wież i uzbrojenia oraz lusterek stabilizujących linię widzenia pojazdów opancerzonych.
Na przykład system napędu działa i wieży dla dużych systemów uzbrojenia składa się z silników elektrycznych naprowadzania poziomego i pionowego, które kierują działo odpowiednio w azymucie i elewacji, w zależności od sygnałów głównej i zapasowej jednostki sterującej. Oba napędy zawierają bezszczotkowe silniki synchroniczne z pozycjonowaniem absolutnym, z zerowym prześwitem między wyjściowym kołem zębatym każdego silnika a sektorem zębatym zespołu uzbrojenia.
System, zdolny do pracy przy napięciu zasilania 28 i 610 woltów prądu stałego, może rzucać działo w każdą płaszczyznę z prędkością do 60°/s lub wolniej niż 0,2 mrad/s.
Jednostka sterująca napędem, zgodnie z sygnałami wejściowymi z czujników, sterowań i aktywnego celownika, przekształca zasilanie w parę układów trójfazowych, po jednym dla każdego z serwomotorów naprowadzania wieży i broni, stabilizacji i uruchamiania.
Światowy rynek elektryfikacji pojazdów będzie wart 300 miliardów dolarów do 2026 r., wynika z ubiegłorocznego raportu firmy badawczej IDTechEx. Wzrost ten, napędzany wzrostem liczby sterowników silników elektrycznych przypadających na pojazd (jako że układ kierowniczy, zawieszenie i inne wcześniej mechaniczne, pneumatyczne i hydrauliczne części zastąpią układy elektryczne), stworzy bazę technologiczną dla rynku masowego, zmniejszając tym samym ich koszt do pojazdów wojskowych.
