Rastúca spotreba energie systémov palubných vozidiel dáva novým technológiám šancu využiť príležitosť radikálne zmeniť výkon a mobilitu vojenských vozidiel v budúcnosti
Vzhľadom na to, že budúca generácia americkej armády bude mať pravdepodobne hybridnú elektráreň, priemysel potrebuje rozsiahly program, aby mohol zaviesť svoje energetické technológie, ktoré už vyvinul (spolu s nevyhnutnými úpravami), do väčšina bojových vozidiel. Mouchou v tomto sude s medom však je, že podľa súčasných plánov plánuje armáda prijať takéto vozidlá okolo roku 2035. Hlavné rozhodnutia o jeho konfigurácii budú s najväčšou pravdepodobnosťou prijaté najskôr v roku 2025, pokiaľ sa príslušné programy nezrýchlia do prezidentského kresla Trumpa.
Obrovské potreby sú vynikajúcim stimulom pre vývoj nových technológií, ktoré môžu zase poskytovať riešenia na splnenie týchto potrieb. Rastúci dopyt po elektrickej energii na bojisku je napríklad spojený s potrebou znížiť logistickú záťaž spojenú s dodávkami paliva, ako aj zvýšiť schopnosť bojových síl a bojových podporných síl v teréne. To všetko je presvedčivým dôkazom v prospech rozsiahleho prijímania pomocných pohonných jednotiek, inteligentných ovládačov motora a hybridného elektrického pohonu, a v dôsledku toho prudkého zvýšenia výkonu generovaného pre externých spotrebiteľov.
Prekonať zotrvačnosť
Vďaka rozsiahlym skúsenostiam s výrobou demonštrátorov technológie hybridných vozidiel pre rôzne vojenské štruktúry a s výrobou hybridných autobusov pre civilný sektor má spoločnosť BAE Systems dobrú pozíciu na to, aby presne posúdila, kde sa táto technológia dnes nachádza a aké sú jej perspektívy. To isté platí pre spoločnosť DRS Technologies, ktorá sa tiež zúčastnila mnohých ukážkových projektov. Tom Weaver, obchodný riaditeľ DRS Network Computing and Test Solutions, uviedol, že trh sa stále vyvíja a že výhody elektrických vozidiel ešte musia prekonať zotrvačnosť tradičných vozidiel. Takáto zotrvačnosť má negatívny vplyv na vývoj strojov schopných generovať potrebnú energiu pre externých spotrebiteľov, a to napriek potrebám, ktoré sa za posledné desaťročie zvýšili „najmenej o 100%“.
„DRS spolupracuje s rôznymi zákazníkmi na predvádzaní strojov s integrovanými novými technológiami v rôznych výkonnostných testoch. Úspešné ukážky a pozitívne recenzie používateľov neviedli k nasadeniu takýchto vozidiel do vojsk, navyše požiadavky na ne neboli ani vyvinuté. Dopyt však bude aj naďalej rásť, najmä po expedičných operáciách a špecializovaných vozidlách, ako sú systémy riadených energetických zbraní. “
Spoločnosť DRS teraz ponúka palubný systém napájania zariadení pre stredné taktické vozidlá (MTV) a HMMWV vo forme integrovaného generátora prevodovky vyvinutého v spolupráci so spoločnosťou Allison. Tento systém nainštalovaný napríklad na nákladnom automobile MTV generuje výkon až 125 kW pre palubné alebo externé systémy. Spoločnosť vyrába aj ďalšie systémy energetického manažmentu pre rôzne vozidlá. Hlavný inžinier Andrew Rosenfield zo spoločnosti BAE Systems, ktorá sa tiež zaoberá takýmito systémami, sa domnieva, že je nepravdepodobné, že by čisto elektrické vozidlá hrali v pozemnom boji hlavnú úlohu, predovšetkým kvôli problémom s nabíjaním batérií.
"Napriek tomu, že technológia pohonných jednotiek pre plne elektrickú prevádzku je dobre zavedená, problém s tankovaním môže zabrániť uvedeniu čisto elektrických vozidiel do prevádzky," pokračoval. „Nafta je predsa k dispozícii kdekoľvek na svete, pričom nájsť nabíjaciu stanicu na batériu v púšti je veľmi náročné, ale aj keď ju nájdete, čakať osem hodín, kým sa úplne nabije, pravdepodobne nie je možné.“
Weaver súhlasil s tým, že pravdepodobne budú prevažovať hybridné autá, pričom spomenul aj obmedzenia infraštruktúry čistého nabíjania elektromobilov a všadeprítomnosť motorovej nafty a leteckého paliva JP8. Rosenfield však zdôraznil, že čisto elektrické vozidlá môžu na vojenských základniach hrať veľkú úlohu, pretože môžu prepravovať tovar, ako je to v moderných továrňach alebo na letiskách (letiskové traktory). "Stroje s palivovými článkami by s najväčšou pravdepodobnosťou boli schopné vykonávať tieto úlohy, pretože potrebujú voľný prístup k zásobám vodíka," povedal.
Weaver verí, že pred vozidlami s palivovými článkami je náročná cesta. "Po prvé, zatiaľ neexistuje infraštruktúra na vodíkový plyn a pri zavádzaní nového paliva bude existovať určitá nedôvera." Cesta takýchto vozidiel začne dobre zorganizovanými expedičnými operáciami. “
Hybridné konštrukcie sú tiež sofistikovanejšie než čisto elektrické konštrukcie a majú niekoľko funkcií, vďaka ktorým sú atraktívnejšie ako čisto elektrické a konvenčné strojne poháňané stroje. "Po prvé, hybridné elektrické platformy používajú rovnaké palivo ako tradičné dieselové vozidlá." Po druhé, krútiaci moment s nízkymi otáčkami je ideálny pre stroj, ktorý cestuje po nerovnom teréne alebo stúpa po veľmi strmom svahu. “
Dodal, že schopnosť generovať veľké množstvo elektriny na palube je stále dôležitejšia, pretože sa zavádzajú nové možnosti, ako sú komunikačné a zbraňové systémy, ktoré používajú výkonné lasery. Možnosť exportovať túto energiu je tiež obrovskou výhodou, pretože tieto stroje môžu poháňať obývané oblasti a nemocnice, ktorých vlastné energetické systémy boli poškodené bojovým poškodením alebo prírodnou katastrofou.
„Nakoniec, znížené náklady na prevádzku a údržbu spojené s výraznou úsporou paliva a vyššou spoľahlivosťou robia z hybridných elektrických vozidiel inteligentnú a dlhodobú voľbu.“
Ako poznamenal Weaver, dopyt po elektrickej energii na palubách bojových vozidiel sa nikdy neznižoval, budú len z roka na rok rásť. „Novšie funkčné systémy vyžadujú od platformy nosičov stále viac energie, ako aj neustále modernizácie systémov výroby a distribúcie energie súčasných vozidiel.“
"Keď pridáte funkcie, ako sú tichá lokomócia, radar, pokročilá komunikácia, rušenie signálu a elektromagnetické pancierovanie alebo výzbroj, platforma zaostáva a stane sa neovládateľnou bez prepnutia na hybridnú elektrickú schému." V budúcom desaťročí bude pre všetky bojové vozidlá jednou z najdôležitejších súčastí schopnosť generovať na palube veľké množstvo elektrickej energie. “
"Elektricky poháňané vozidlá musia vykonávať svoju prácu rovnako dobre alebo ešte lepšie ako ich tradičné mechanické náprotivky," pokračoval. "Motorizované systémy sú nielen výrazne jednoduchšie a majú menej pohyblivých častí ako motorizované systémy, ale často majú prekvapivo dobrú úroveň redundancie, vďaka čomu sú spoľahlivejšie." Napríklad väčšina priečnych elektrických prevodoviek môže fungovať normálne s jediným motorom, ktorý zlyhal. “
Weaver uviedol, že kľúčové technológie pestované vo verejnej doprave sú už zavedené a pripravené na vstup na trh. "Rozšírené používanie hybridných a elektrických obvodov, najmä v medzimestských autobusoch a električkách, viedlo k vývoju regulátorov motora, meničov a meničov, ktoré sú blízke potrebám armády," povedal. "Všetky potreby priemyslu sú zákazníci, ktorí sú ochotní zaplatiť za kvalifikačný proces, a tiež dosť na to, aby udržali nízke náklady."
Medzitým pokračujú práce na ukážke. General Motors (GM) v AUSA v októbri 2016 predstavila „pripravenú“verziu vozidla s palivovými článkami Chevrolet Colorado ZH2, ktoré je založené na predĺženom podvozku pickupu strednej veľkosti. Podľa harmonogramu sa má Colorado ZH2 za pomoci Centra obrneného výskumu TARDEC v roku 2017 podrobiť sérii vojenských testov „v extrémnych prevádzkových podmienkach“.
Bol to zrýchlený program. GM a TARDEC spolupracovali na vytvorení dema za menej ako rok po podpise zmluvy. "Rýchlosť, ktorou je možné demonštrovať a hodnotiť inovatívne nápady, je veľmi vysoká, a preto sú priemyselné väzby pre armádu také dôležité," povedal riaditeľ TARDEC Paul Rogers. „Palivové články majú potenciál výrazne zvýšiť schopnosti vojenských vozidiel prostredníctvom tichej prevádzky, výroby energie pre externých spotrebiteľov a stabilného krútiaceho momentu - všetky tieto výhody robia z tejto technológie podrobnejší prieskum.“
"ZH2 umožňuje armáde demonštrovať a posúdiť pripravenosť technológie palivových článkov na vojenské účely a zároveň odpovedať na otázku, ako užitočné môžu byť elektrické vozidlá s palivovými článkami za určitých podmienok a v určitých bojových misiách," povedal Doug Hallo, hovorca spoločnosti TARDEC.
Medzi očakávané výhody, ktoré musí TARDEC vyhodnotiť, patrí takmer tichá prevádzka, ktorá umožňuje tichý dohľad, znížené tepelné podpisy, vysoký krútiaci moment kolies pri všetkých rýchlostiach, nízka spotreba paliva v celom prevádzkovom rozsahu a pitná voda ako vedľajší chemický produkt. Procesy vyskytujúce sa v palivových článkoch. Colorado ZH2 má vstavaný pomocný pohon pre externých spotrebiteľov.
Pohonný systém je založený na palivových článkoch s membránou protónovou výmenou schopných generovať až 93 kW jednosmerného prúdu a batérii, ktorá poskytuje ďalších 35 kW pohonnému systému a nabíja sa počas regeneratívneho brzdenia. To vysvetľuje projektový manažér GM ZH2 Christopher Kolkit.
"Cisterny vozidla pojmú asi 4,2 kg stlačeného vodíka pri 10 000 psi, čo je viac ako 689 -násobok atmosférického tlaku." Atmosférický vzduch je zdrojom kyslíka potrebného na elektrochemický proces, v dôsledku ktorého vzniká potrebná elektrická energia; uvoľňuje sa iba vodná para, “poznamenal.
U všetkých elektrických pohonných systémov je dodávka energie zo zdroja na kolesá jednoduchšia ako u tradičných vozidiel. "ZH2 nemá prenos v obvyklom zmysle slova."Striedavý trakčný motor s jednostupňovou prevodovkou prenáša krútiaci moment priamo na prevodovku a systém pohonu všetkých štyroch kolies, “vysvetlil Kolkit.
Prenosná infraštruktúra
Prostredníctvom tohto programu centrum TARDEC taktiež skúma, čo by mohlo byť aspoň čiastočným riešením problému s dostupnosťou vodíka (infraštruktúra). Jeho riešenie je podporované skutočnosťou, že tento chemický prvok je možné vyrábať rôznymi spôsobmi z rôznych zdrojov. Podľa zástupcu centra TARDEC je v počiatočnej fáze prác na projekte ZH2 myšlienkou získať stlačený vodík počas reformovania leteckého petroleja JP8 v prenosnom reformátore, ktorý bude presunutý na každé testovacie miesto spolu s stroj, pretože tým sa zvýši počet vyriešených v tejto fáze úloh.
"V súčasnej dobe sa snažíme vytvoriť reformátor, ktorý by mohol na výrobu vodíka využívať rôzne lokálne dostupné zdroje, ako napríklad zemný plyn, prúdové palivo JP8, naftu DF2 alebo propán," povedal. - Na výrobu vodíka je možné použiť aj miestne elektrické siete vrátane obnoviteľných zdrojov energie a vodné zdroje. To by armáde umožnilo znížiť množstvo paliva dodávaného do konkrétneho operačného areálu a spoliehať sa na to, čo je v tomto divadle k dispozícii. “
Bez ohľadu na to, či ide o batérie, palivové články alebo zmiešané dieselové a elektrické elektrárne, premena elektrického prúdu na pohon vpred vyžaduje spoľahlivé a účinné elektrické pohony. Britská spoločnosť Magtec vyrába elektrické pohonné systémy pre letecký, námorný a automobilový trh a ponúka napríklad niekoľko možností prestavby nákladných automobilov na nové pohonné systémy.
Spoločnosť však vyvinula aj kompletné pohonné jednotky pre pásové a kolesové platformy, aby demonštrovala hybridné technológie vyrábané spoločnosťou BAE Systems Hagglunds pre britské a švédske obranné agentúry začiatkom roku 2000.
Pre platformy SEP (Splitterskyddad EnhetsPlattform), kolesové 6x6 a pásové, vyvinula spoločnosť motory s nábojovými kolesami (motorové kolesá) vrátane dvojstupňového redukčného prevodu a brzdového systému v každom z nich, dvojgenerátorov, riadiaceho zariadenia a distribúcie energie.. Pre spoločnosť SEP vyvinula, nainštalovala a testovala softvér na ovládanie kľúčových funkcií, ako sú distribúcia energie, kontrola trakcie, elektronické uzávierky diferenciálov a riadenie, ktoré umožňujú stroju zapnúť sa na mieste. Tento systém navyše spĺňa všetky vojenské EMC a environmentálne predpisy.
Generálny riaditeľ spoločnosti Magtec uviedol, že vidí dobrý potenciál rastu pre elektrické vozidlá s predĺženým dojazdom pre misie na podporu boja. Nové technológie zároveň prispievajú k významnému zlepšeniu mobility, zníženiu spotreby paliva, väčšej redundancii a navyše umožňujú prijímať pôvodné rozhodnutia o usporiadaní. Poznamenal tiež, že elektrický pohon zjednodušuje implementáciu diaľkového ovládania a autonómie.
Pokiaľ ide o ďalší vývoj potrebných technológií, poznamenal, že pohonné systémy sú pripravené vstúpiť na trh s vylepšenou výkonovou elektronikou (na ovládanie výkonových pohonov) na báze polovodičových obvodov z karbidu kremíka. Sú nevyhnutné na ovládanie vysokého napätia, na ktorom pôsobia elektrické systémy novej generácie. Riaditeľ spoločnosti Magtec poznamenal, že 24 voltov, pri ktorých funguje väčšina moderných systémov, je v súčasnej dobe príliš nízka pre hlavných spotrebiteľov elektrickej energie (zvýšenie napätia umožňuje prenos väčšieho výkonu cez káble bez nadmerného zvýšenia prúdu).
Jedna spoločnosť v tejto oblasti, GE Aviation, získala zákazku vo výške 2,1 milióna dolárov na vývoj a predvádzanie výkonovej elektroniky z karbidu kremíka. V súlade s 18-mesačným vývojovým programom sa očakáva, že spoločnosť preukáže výhody svojej technológie FET na báze oxidu kovu z karbidu kremíka v kombinácii so zariadeniami z nitridu gália v 15 kW, 28/600 voltovom obojsmernom meniči DC / DC.
Podľa spoločnosti toto zariadenie zvládne dvojnásobný výkon, pričom zaberá polovicu objemu v porovnaní so súčasnou silikónovou výkonovou elektronikou, pričom prevodníky budú schopné pracovať paralelne a byť naprogramované v súlade s normou CAN.
Spoločnosť vyvíja novú generáciu architektúry pohonu vozidiel od spoločnosti TARDEC, ktorá ju nazýva rušivou technológiou, a dúfa, že technologická ukážka bude pripravená do polovice roku 2017.
Dvojitá rýchlosť
Ďalšou prelomovou technológiou je projekt Ground X-Vehicle Technology (GXV-T) agentúry DARPA Defense Advanced Research Projects Agency, v ktorom budú elektrické systémy hrať významnú úlohu. Cieľom projektu je znížiť veľkosť, hmotnosť a počet posádky sľubných obrnených vozidiel na polovicu, zdvojnásobiť ich rýchlosť, schopnosť prekonať 95% terénu a tiež znížiť známky viditeľnosti.
V júli 2016 spoločnosť DARPA poskytla spoločnosti Qinetiq investíciu vo výške 2,7 milióna dolárov na zdokonalenie technológie elektrických pohonných systémov pre projekt GXV-T. Spoločnosť túto technológiu opisuje ako kompaktné a extrémne silné elektromotory vo vnútri kolies, ktoré nahrádzajú rôzne prevodovky, diferenciály a hnacie hriadele. Tento prístup, uviedla spoločnosť, dramaticky znižuje celkovú hmotnosť platformy a otvára nové možnosti dizajnu, ktoré zvýšia bezpečnosť a výkon.
Qinetiq zdôrazňuje, že okrem použitia v nových konceptoch, ako je napríklad GXV-T, môže táto technológia tiež vylepšiť schopnosti existujúcich vozidiel počas dodatočných úprav. Napríklad viackolesové pechotné vozidlo modernizované nábojovými pohonmi alebo motorovými kolesami „by mohlo ťažiť zo zvýšeného výkonu a mobility, ktoré poskytuje úspora hmotnosti, alebo naopak, tieto úspory použiť na zlepšenie ochrany, inštaláciu zariadenia alebo zvýšenie kapacity pre cestujúcich."
Po investícii nasledovala zmluva, vyhlásená v septembri 2015, podľa ktorej sa koncept premietne do skutočného dizajnu a vyskúša sa, a potom sa vyrobia dva plne funkčné prototypy.
"Konvenčné pohony sú dosť ťažké, majú obmedzenú kapacitu a sú vyrobené z komponentov, ktoré sa v prípade výbuchu v bani môžu zmeniť na smrtiace projektily," uviedol vedúci výskumu v spoločnosti Qinetiq. „Presunutie pohonov na kolesá odstraňuje túto hrozbu a narúša tendenciu vozidiel byť ťažšími a menej mobilnými v dôsledku zvýšenej úrovne ochrany a sily zbraní.“
Existujúce stroje môžu ťažiť aj z elektrifikácie nepohonových subsystémov. Napríklad nemecká spoločnosť Jenoptik má dodať 126 elektrických stabilizačných systémov veží a zbraní pre poľský program modernizácie tanku Leopard 2PL. Podľa spoločnosti elektrické systémy nahradia hydraulické systémy v nádrži, čím sa zníži údržba a výroba tepla.
Dodávky sú splatné v rokoch 2017-2020 na základe zmluvy s 23 miliónmi dolárov podpísanej s poľskou spoločnosťou Bumar Labédy v októbri 2016. Tá istá spoločnosť Bumar Labedy podpísala vo februári 2017 zmluvu o spolupráci na modernizácii tankov s nemeckou spoločnosťou Rheinmetall.
Jednou z činností spoločnosti Jenoptik je vývoj a výroba kompaktných stabilizovaných zbraňových / senzorových platforiem, pohonných systémov pre veže a zbrane a zrkadiel na stabilizáciu priamej viditeľnosti obrnených vozidiel.
Napríklad pohonný systém pištole a veže pre veľké zbraňové systémy pozostáva z vodorovných a zvislých navádzacích elektromotorov, ktoré smerujú zbraň v azimute a nadmorskej výške, v závislosti od signálov hlavnej a záložnej riadiacej jednotky. Oba pohony zahrnujú absolútne polohovacie bezkartáčové synchrónne motory s nulovou vôľou medzi výstupným ozubeným kolesom každého motora a ozubeným sektorom zostavy zbrane.
Systém schopný pracovať s napájacím napätím 28 a 610 voltov DC dokáže vrhať zbraň v každej rovine rýchlosťou až 60 ° / s alebo nižšou ako 0,2 mrad / s.
Riadiaca jednotka pohonu v súlade so vstupnými signálmi zo senzorov, ovládačov a aktívneho zameriavača transformuje napájanie na dvojicu trojfázových systémov, pre každý z nich vežové a zbraňové navádzacie, stabilizačné a aktivačné servomotory.
Podľa správy výskumnej firmy IDTechEx z minulého roku bude mať globálny trh s elektrifikáciou vozidiel hodnotu 300 miliárd dolárov do roku 2026. Tento nárast poháňaný zvýšením počtu regulátorov elektromotorov na vozidlo (keďže riadenie, zavesenie a ďalšie predtým mechanické, pneumatické a hydraulické diely nahradia elektrické systémy), poskytne technologický základ pre masový trh, čím sa zníži ich cena. pre vojenské vozidlá.
