Rastuća potrošnja energije sustava ugrađenih vozila daje novim tehnologijama priliku da iskoriste priliku za radikalnu promjenu snage i mobilnosti vojnih vozila u budućnosti
S obzirom na to 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 ovoj bačvi 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 izvrstan 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 kombinirana 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 te, kao rezultat toga, naglom povećanju proizvedene energije za vanjske potrošače.
Prevladati inertnost
S velikim iskustvom u proizvodnji demonstratora tehnologije hibridnih vozila za različite vojne strukture i u proizvodnji hibridnih autobusa za civilni sektor, BAE Systems ima dobru poziciju procijeniti 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 generirati potrebnu snagu za vanjske potrošače, unatoč potrebama koje su se povećale "za najmanje 100%" u posljednjem desetljeću.
“DRS radi s različitim kupcima na demonstriranju strojeva s integriranim novim tehnologijama u različitim testovima performansi. Uspješne demonstracije i pozitivne recenzije korisnika nisu dovele do raspoređivanja takvih vozila u postrojbe, štoviše, zahtjevi za njih nisu ni razvijeni. No potražnja će unatoč tome nastaviti rasti, posebno za ekspedicijske operacije i specijalizirana vozila poput sustava oružja s usmjerenom energijom.”
DRS sada nudi ugrađeni sustav napajanja za opremu srednjih taktičkih vozila (MTV) i HMMWV u obliku prijenosnog integralnog generatora razvijenog u suradnji s Allisonom. Ovaj sustav, instaliran na kamionu MTV, na primjer, proizvodi snagu do 125 kW za ugrađene ili vanjske sustave. Tvrtka proizvodi i druge sustave upravljanja energijom za različita vozila. Glavni inženjer Andrew Rosenfield iz tvrtke BAE Systems, koja se također bavi takvim sustavima, vjeruje da je malo vjerojatno da će čisto električna vozila igrati važnu ulogu u kopnenoj borbi, uglavnom zbog problema s punjenjem baterija.
"Iako je tehnologija pogona za potpuno električne pogone 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 pronaći stanicu za punjenje baterija u pustinji vrlo teško, ali čak i ako je pronađete, čekanje osam sati da se potpuno napune vjerojatno nije izvedivo."
Weaver se složio da će hibridni automobili vjerojatno prevladati, spominjući i ograničenja infrastrukture za punjenje čistih električnih automobila te sveprisutnost dizela i mlaznog goriva JP8. Međutim, Rosenfield je naglasio kako bi čisto električna vozila mogla igrati veliku ulogu u vojnim bazama, budući da mogu premještati robu, kao što je to slučaj u modernim tvornicama ili u zračnim lukama (zračni traktori). "Strojevi na gorivne ćelije najvjerojatnije bi mogli 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 nema infrastrukture plinovitog vodika, a postojat će i izvjesno nepovjerenje u primjenu 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 sustava koji koriste moćne lasere. Sposobnost izvoza ove energije također je velika prednost jer ti strojevi mogu napajati naseljena područja i bolnice čiji su vlastiti sustavi napajanja oštećeni borbenim oštećenjima ili prirodnom katastrofom.
"Konačno, smanjeni troškovi rada i održavanja povezani sa znatnom 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 sustavi zahtijevaju sve više energije s platforme nosača, kao i kontinuiranu nadogradnju sustava za proizvodnju i distribuciju energije sadašnjih vozila."
“Nakon što dodate značajke 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 sljedećem desetljeću 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 sustava, već često imaju iznenađujuće dobru razinu redundancije, što ih čini pouzdanijim. Na primjer, većina poprečnih električnih mjenjača može normalno raditi s jednim motorom koji je otkazao."
Weaver je rekao kako su ključne tehnologije koje se njeguju u javnom prijevozu već postavljene i spremne za ulazak na tržište. "Široka upotreba hibridnih i električnih krugova, osobito u međugradskim autobusima i tramvajima, dovela je do razvoja motornih upravljača, pretvarača i pretvarača koji su blizu onome što vojsci treba", 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 listopadu 2016. pokazao je "gotovu" verziju svog vozila Chevrolet Colorado ZH2 na gorivne ćelije, koje se temelji na izduženoj šasiji kamiona srednje veličine. Prema rasporedu, Colorado ZH2 će, uz pomoć Tardikovog oklopno -istraživačkog centra TARDEC, tijekom 2017. godine proći niz vojnih testova "u ekstremnim radnim uvjetima".
Bio je to ubrzani program. GM i TARDEC zajedno su stvorili demo u manje od godinu dana nakon potpisivanja ugovora. "Brzina kojom se inovativne ideje mogu demonstrirati i ocijeniti je vrlo velika, zbog čega su veze industrije 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 te prednosti čine ovu tehnologiju pomnije istraživanom."
"ZH2 omogućuje vojsci da demonstrira i procijeni spremnost tehnologije gorivih ćelija za vojne primjene, a istovremeno odgovara na pitanje koliko električna vozila na gorivne ćelije mogu biti korisna u određenim uvjetima i u određenim borbenim misijama", rekao je Doug Hallo, glasnogovornik TARDEC -a.
Očekivane prednosti koje TARDEC mora procijeniti uključuju gotovo tihi rad koji omogućuje tihi nadzor, smanjene toplinske potpise, veliki okretni moment kotača pri svim brzinama, nisku potrošnju goriva u cijelom radnom rasponu i vodu za piće kao kemijski nusproizvod koji se odvija u gorivnim ćelijama. Colorado ZH2 ima ugrađeni prijenos snage za vanjske potrošače.
Pogonski sustav temelji se na membranskim gorivim ćelijama s protonskom izmjenom sposobnim generirati do 93 kW istosmjerne struje, te bateriji koja osigurava još 35 kW pogonskog sustava i puni se tijekom regenerativnog kočenja. To objašnjava GM -ov voditelj projekta ZH2 Christopher Kolkit.
“Spremnici vozila drže oko 4,2 kg komprimiranog vodika na 10.000 psi, što je više od 689 puta više od atmosferskog tlaka. Atmosferski zrak izvor je kisika potrebnog za elektrokemijski proces, uslijed čega nastaje potrebna električna energija; ispušta se samo vodena para”, napomenuo je.
Za sve sustave s električnim pogonom isporuka energije od izvora do kotača lakša je nego kod tradicionalnih vozila. “ZH2 nema prijenos u uobičajenom smislu te riječi. Pogonski motor naizmjenične struje s jednostepenim mjenjačem prenosi okretni moment izravno u prijenosnu kutiju i sustav pogona na sva četiri kotača”, objasnio je Kolkit.
Prijenosna infrastruktura
Kroz ovaj program, TARDEC centar također istražuje što bi moglo biti barem djelomično rješenje problema dostupnosti vodika (infrastrukture). Njegovom rješenju 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 dobiti komprimirani vodik tijekom reformiranja zrakoplovnog kerozina JP8 u prijenosnom reformatoru, koji će se zajedno s stroj, jer će se time povećati broj riješenih zadataka u ovoj fazi.
"Trenutno nastojimo stvoriti reformator koji će za proizvodnju vodika moći koristiti različite lokalno dostupne 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 kazalište operacija i oslanja se na ono što je u tom kazalištu dostupno."
Bilo da se radi o baterijama, gorivnim ćelijama ili mješovitim dizel-električnim elektranama kao glavnom motoru, pretvaranje električne struje u pogon prema naprijed zahtijeva pouzdane i učinkovite električne pogone. Britanska tvrtka Magtec proizvodi sustave električnih pogona za svemirsko, pomorsko i automobilsko tržište, nudeći, na primjer, nekoliko mogućnosti za pretvaranje komercijalnih kamiona s novim pogonskim sustavima.
Međutim, tvrtka je također razvila kompletne pogonske sklopove za platforme na gusjenicama i kotačima kako bi demonstrirala hibridne tehnologije koje je BAE Systems Hagglunds proizveo za britanske i švedske obrambene agencije početkom 2000 -ih.
Za platforme SEP (Splitterskyddad EnhetsPlattform), oboje na kotačima 6x6 i gusjenice, tvrtka je razvila motore glavčine na kotačima (motorne kotače), uključujući dvostupanjski reduktor i kočioni sustav u svakom, dvostruke generatore, upravljačku opremu i raspodjelu snage. Za SEP je također razvila, instalirala i testirala softver za kontrolu ključnih funkcija, kao što su raspodjela snage, kontrola proklizavanja, elektroničke blokade diferencijala i upravljanje koje omogućuju stroju da se uključi na licu mjesta. Osim toga, ovaj sustav 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 potpore. U isto vrijeme, nove tehnologije doprinose značajnom poboljšanju mobilnosti, smanjenju potrošnje goriva, većoj redundanciji, plus omogućuju donošenje izvornih odluka o rasporedu. Također je napomenuo da električni pogon pojednostavljuje provedbu daljinskog upravljanja i autonomije.
Što se tiče daljnjeg razvoja potrebnih tehnologija, napomenuo je da su pogonski sustavi spremni za ulazak na tržište s poboljšanom elektronikom za upravljanje (za upravljanje pogonima) temeljenom na poluvodičkim krugovima od silicijevog karbida. Oni su neophodni za kontrolu visokog napona na kojem rade električni sustavi nove generacije. Ravnatelj 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 tvrtka na tom području, GE Aviation, osvojila je ugovor vrijedan 2,1 milijun dolara za razvoj i demonstraciju elektronike silicijevog karbida. Nakon 18-mjesečnog razvojnog programa, očekuje se da će tvrtka pokazati prednosti svoje FET tehnologije od silicijevog karbida za metalne okside u kombinaciji s uređajima za galij nitrid u dvosmjernom DC / DC pretvaraču od 15 kW, 28/600 V.
Prema tvrtki, ova oprema može podnijeti dvostruko veću snagu, a zauzimati polovicu volumena u usporedbi s trenutnom silicijskom elektronikom, dok će pretvarači moći raditi paralelno i biti programirani u skladu sa standardom CAN.
Tvrtka razvija arhitekturu snage nove generacije vozila iz TARDEC-a, nazivajući je remetilačkom tehnologijom, te se nada da će demonstracija tehnologije biti spremna do sredine 2017. godine.
Dvostruka brzina
Još jedna revolucionarna tehnologija je projekt GAR X-Vehicle Technology (GXV-T) agencije DARPA Defense Advanced Research Projects, u kojem će električni sustavi odigrati 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. DARPA je Qinetiqu uložila 2,7 milijuna dolara u poboljšanje tehnologije sustava električnih pogona za projekt GXV-T. Tvrtka opisuje ovu tehnologiju kao kompaktne i izuzetno snažne elektromotore unutar kotača koji zamjenjuju različite mjenjače, diferencijale i pogonska vratila. Ovaj pristup, rekla je tvrtka, dramatično smanjuje ukupnu težinu platforme i otvara nove mogućnosti dizajna koje će poboljšati sigurnost i performanse.
Qinetiq naglašava da osim korištenja u novim konceptima, kao što je GXV-T, ova tehnologija također može poboljšati mogućnosti postojećih vozila tijekom preuređenja. Na primjer, pješačko vozilo s više kotača nadograđeno pogonom sa glavčinom ili motornim kotačima "moglo bi imati koristi od povećane snage i mobilnosti koju omogućuje ušteda u težini, ili obrnuto, koristiti te uštede za poboljšanje zaštite, ugradnju opreme ili povećanje kapaciteta putnika."
Nakon ulaganja slijedio je ugovor, objavljen u rujnu 2015., prema kojem će se koncept pretočiti u pravi dizajn i testirati, 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. "Premještanjem pogona na kotače uklanja se ova prijetnja i prekida tendencija da vozila postaju teža i manje pokretna zbog povećane razine zaštite i snage oružja."
Postojeći strojevi također mogu imati koristi od elektrifikacije nepropusnih podsustava. Na primjer, njemačka tvrtka Jenoptik isporučit će 126 električnih kupola i sustava za stabilizaciju oružja za poljski program modernizacije tenkova Leopard 2PL. Prema tvrtki, električni sustavi zamijenit će hidraulične sustave na spremniku, čime će se smanjiti održavanje i proizvodnja topline.
Isporuke dospijevaju u razdoblju 2017.-2020. Prema ugovoru od 23 milijuna dolara potpisanom s poljskim Bumar Labédyjem u listopadu 2016. godine. Ista tvrtka Bumar Labedy potpisala je u veljači 2017. ugovor o suradnji na modernizaciji tenkova s njemačkom tvrtkom Rheinmetall.
Jedna od djelatnosti Jenoptika je razvoj i proizvodnja kompaktnih stabiliziranih platformi za oružje / senzore, pogonskih sustava za tornjeve i oružje te ogledala za stabilizaciju vidnog polja oklopnih vozila.
Na primjer, sustav pogona pištolja i kupole za velike sustave 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 sinkrone motore bez četkica s apsolutnim pozicioniranjem s nultim razmakom između izlaznog zupčanika svakog motora i nazubljenog sektora sklopa oružja.
Sustav, sposoban za rad s 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 senzora, kontrola i aktivnog nišana, pretvara napajanje u par trofaznih sustava, 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 izvješću istraživačke tvrtke IDTechEx. Ovaj rast, potaknut povećanjem broja kontrolera elektromotora po vozilu (budući da će upravljanje, ovjes i drugi prethodno mehanički, pneumatski i hidraulični dijelovi zamijeniti električne sustave), pružit će tehnološku osnovu za masovno tržište, čime će se smanjiti njihovi troškovi za vojna vozila.
