Naraščajoča poraba energije sistemov vozil na vozilu daje novim tehnologijam priložnost, da izkoristijo priložnost za radikalno spremembo moči in mobilnosti vojaških vozil v prihodnosti
Glede na to, da bo naslednja generacija ameriške vojske verjetno imela hibridno elektrarno, industrija potrebuje obsežen program, da bo lahko svoje energetske tehnologije, ki jih je že razvila (skupaj z neizogibnimi spremembami), uvedla v glavnina bojnih vozil. Muha v mazilu v tem sodu medu pa je ta, da bo vojska po trenutnih načrtih takšna vozila sprejela okoli leta 2035. Velike odločitve o njegovi konfiguraciji bodo najverjetneje sprejete pred letom 2025, razen če se ustrezni programi pospešijo v Trumpovo predsedovanje.
Ogromne potrebe so odlična spodbuda za razvoj novih tehnologij, ki pa lahko zagotovijo rešitve za te potrebe. Na primer, naraščajoče povpraševanje po električni energiji na bojišču je povezano s potrebo po zmanjšanju logističnega bremena, povezanega z dobavo goriva, pa tudi po povečanju zmogljivosti bojnih sil in bojnih sil za terensko uporabo. Vse to je prepričljiv dokaz v prid širokemu uvajanju pomožnih agregatov, inteligentnih krmilnikov motorja in hibridnega električnega pogona ter posledično močnemu povečanju proizvedene energije za zunanje porabnike.
Premagajte vztrajnost
Z bogatimi izkušnjami pri proizvodnji demonstratorjev tehnologije hibridnih vozil za različne vojaške strukture in pri proizvodnji hibridnih avtobusov za civilni sektor je BAE Systems v dobrem položaju, da natančno oceni, kje je ta tehnologija danes in kakšne so njene možnosti. Enako velja za DRS Technologies, ki je sodelovala tudi pri številnih predstavitvenih projektih. Tom Weaver, komercialni direktor pri DRS Network Computing and Test Solutions, je dejal, da se trg še razvija in da prednosti električnih vozil še niso premagale vztrajnosti tradicionalnih vozil. Takšna vztrajnost negativno vpliva na napredek strojev, ki lahko proizvajajo potrebno moč za zunanje porabnike, kljub potrebam, ki so se v zadnjem desetletju povečale "vsaj za 100%".
»DRS sodeluje z različnimi strankami pri predstavitvi strojev z vgrajenimi novimi tehnologijami v različnih preskusih zmogljivosti. Uspešne demonstracije in pozitivni pregledi uporabnikov niso privedli do namestitve takšnih vozil v enote, poleg tega zahteve za njih niso bile niti razvite. Toda povpraševanje bo kljub temu še naprej naraščalo, zlasti za ekspedicijske operacije in specializirana vozila, kot so sistemi orožja z usmerjeno energijo.
DRS zdaj ponuja vgrajen sistem napajanja za opremo srednjih taktičnih vozil (MTV) in opremo HMMWV v obliki prenosnega integralnega generatorja, razvitega v sodelovanju z Allison. Ta sistem, nameščen na primer na tovornjaku MTV, proizvede moč do 125 kW za vgrajene ali zunanje sisteme. Podjetje izdeluje tudi druge sisteme za upravljanje energije za različna vozila. Glavni inženir Andrew Rosenfield iz podjetja BAE Systems, ki se ukvarja tudi s takšnimi sistemi, meni, da je malo verjetno, da bodo povsem električna vozila igrala pomembno vlogo v boju na tleh, predvsem zaradi težav s polnjenjem baterij.
"Čeprav je tehnologija pogonskega sklopa za povsem električno delovanje dobro uveljavljena, lahko problem polnjenja z gorivom prepreči izvajanje povsem električnih vozil," je nadaljeval. "Konec koncev je dizel na voljo povsod po svetu, medtem ko je iskanje postaje za polnjenje baterij v puščavi zelo težko, a tudi če jo najdete, čakanje osem ur, da se popolnoma napolni, verjetno ni izvedljivo."
Weaver se je strinjal, da bodo verjetno prevladali hibridni avtomobili, pri čemer je omenil tudi omejitve infrastrukture za polnjenje čistih električnih avtomobilov ter vseprisotnost dizelskega goriva in goriva za mlazna goriva JP8. Rosenfield pa je poudaril, da bi lahko čisto električna vozila igrala veliko vlogo v vojaških oporiščih, saj lahko premikajo blago, kot je to v sodobnih tovarnah ali na letališčih (letalski traktorji). "Stroji na gorivne celice bi najverjetneje lahko opravljali take naloge, saj potrebujejo prost dostop do zalog vodika," je dejal.
Weaver meni, da je pred vozili na gorivne celice težka pot. »Prvič, še ni infrastrukture za vodikov plin, pri uvajanju novega goriva pa bo prišlo do določenega nezaupanja. Pot takšnih vozil se bo začela z dobro organiziranimi ekspedicijskimi akcijami."
Hibridni modeli so tudi bolj izpopolnjeni kot povsem električni modeli in imajo več lastnosti, zaradi katerih so privlačnejši od povsem električnih in običajnih strojev na motorni pogon. »Prvič, hibridne električne platforme uporabljajo isto gorivo kot tradicionalna dizelska vozila. Drugič, navor z nizkimi vrtljaji je idealen za stroj, ki potuje po grobem terenu ali se vzpenja po zelo strmem pobočju."
Dodal je, da postaja sposobnost pridobivanja velikih količin električne energije na krovu vse pomembnejša, saj se uvajajo nove zmogljivosti, kot so komunikacijski in orožni sistemi, ki uporabljajo močne laserje. Sposobnost izvoza te energije je tudi velika prednost, saj lahko ti stroji napajajo naseljena območja in bolnišnice, katerih lastni sistemi oskrbe z električno energijo so bili poškodovani zaradi bojne škode ali naravne nesreče.
"Nazadnje, zaradi zmanjšanih stroškov delovanja in vzdrževanja, povezanih z znatnimi prihranki goriva in večjo zanesljivostjo, so hibridna električna vozila pametna in dolgoročna izbira."
Kot je ugotovil Weaver, se povpraševanje po električni energiji na bojnih bojnih vozilih nikoli ni zmanjšalo, le iz leta v leto bodo rasle. "Novejši funkcionalni sistemi zahtevajo vedno več energije z nosilne platforme, pa tudi nenehne nadgradnje sistemov za proizvodnjo in distribucijo električne energije sedanjih vozil."
»Ko dodate funkcije, kot so tiho gibanje, radar, napredna komunikacija, motenje signalov in elektromagnetni oklep ali orožje, platforma zaostaja in postane neobvladljiva, ne da bi prešli na hibridno električno shemo. V naslednjem desetletju bo za vsa bojna vozila ena najpomembnejših sestavin sposobnost ustvarjanja velikih količin električne energije na krovu."
"Vozila na električni pogon morajo opravljati svoje delo enako dobro ali celo bolje od svojih tradicionalnih mehanskih kolegov," je nadaljeval. »Ne samo, da so motorizirani sistemi bistveno enostavnejši in imajo manj gibljivih delov kot motorizirani sistemi, ampak imajo pogosto presenetljivo dobro stopnjo odvečnosti, zaradi česar so bolj zanesljivi. Na primer, večina prečnih električnih menjalnikov lahko normalno deluje z enim samim motorjem, ki je odpovedal."
Weaver je dejal, da so ključne tehnologije, ki se gojijo v javnem prevozu, že vzpostavljene in pripravljene za vstop na trg. "Široka uporaba hibridnih in električnih vezij, zlasti v medkrajevnih avtobusih in tramvajih, je privedla do razvoja krmilnikov motorjev, pretvornikov in pretvornikov, ki so blizu potrebam vojske," je dejal. "Vse potrebe industrije so stranke, ki so pripravljene plačati za kvalifikacijski proces, pa tudi dovolj, da znižajo stroške."
V tem času se delo nadaljuje. General Motors (GM) je na AUSA oktobra 2016 pokazal "pripravljeno za uporabo" različico svojega vozila z gorivnimi celicami Chevrolet Colorado ZH2, ki temelji na podolgovatem podvozju tovornjaka srednje velikosti. V skladu z urnikom naj bi Colorado ZH2 v letu 2017 s pomočjo oklepnega raziskovalnega centra TARDEC opravil vrsto vojaških preskusov "v ekstremnih pogojih delovanja".
To je bil pospešen program. GM in TARDEC sta skupaj ustvarila demo v manj kot enem letu po podpisu pogodbe. "Hitrost, s katero je mogoče predstaviti in ovrednotiti inovativne ideje, je zelo velika, zato so industrijske vezi tako pomembne za vojsko," je dejal direktor TARDEC Paul Rogers. "Gorivne celice imajo potencial, da s tihim delovanjem, proizvodnjo električne energije za zunanje porabnike in stabilnim navorom znatno povečajo zmogljivosti vojaških vozil - zaradi vseh teh prednosti je ta tehnologija natančneje raziskana."
"ZH2 vojski omogoča, da dokaže in oceni pripravljenost tehnologije gorivnih celic za vojaške namene, hkrati pa odgovori na vprašanje, kako uporabna so lahko električna vozila na gorivne celice v določenih pogojih in v določenih bojnih misijah," je dejal Doug Hallo, predstavnik TARDEC -a.
Pričakovane koristi, ki jih mora oceniti TARDEC, vključujejo skoraj tiho delovanje, ki omogoča tihi nadzor, zmanjšan toplotni podpis, visok navor koles pri vseh hitrostih, nizko porabo goriva v celotnem območju delovanja in pitno vodo kot kemični stranski proizvod. Procese, ki se pojavljajo v gorivnih celicah. Colorado ZH2 ima vgrajen odvod moči za zunanje potrošnike.
Pogonski sistem temelji na membranskih gorivnih celicah s protonsko izmenjavo, ki lahko proizvedejo do 93 kW enosmernega toka, in bateriji, ki pogonskemu sistemu zagotavlja še 35 kW in se polni med regenerativnim zaviranjem. Tako pojasnjuje vodja projekta GM ZH2 Christopher Kolkit.
»Rezervoarji vozila vsebujejo približno 4,2 kg stisnjenega vodika pri 10.000 psi, kar je več kot 689 -kratni atmosferski tlak. Atmosferski zrak je vir kisika, potrebnega za elektrokemijski proces, zaradi česar nastane potrebna elektrika; sprošča se le vodna para, «je opozoril.
Za vse sisteme električnih pogonov je dostava energije od vira do koles lažja kot pri tradicionalnih vozilih. »ZH2 nima prenosa v običajnem pomenu besede. AC vlečni motor z enostopenjskim menjalnikom prenaša navor neposredno v prenosno ohišje in sistem štirikolesnega pogona, «je pojasnil Kolkit.
Prenosna infrastruktura
S tem programom Center TARDEC raziskuje tudi, kaj bi lahko bilo vsaj delno rešitev problema razpoložljivosti vodika (infrastrukture). Njegovi rešitvi tukaj daje prednost dejstvo, da se ta kemični element lahko proizvaja na različne načine iz različnih virov. Kot je povedal predstavnik centra TARDEC, je v začetni fazi dela na projektu ZH2 ideja pridobiti stisnjen vodik med reformo letalskega kerozina JP8 v prenosnem reformatorju, ki se bo skupaj z stroj, ker bo to povečalo število rešenih nalog na tej stopnji.
"Trenutno želimo ustvariti reformator, ki bo za proizvodnjo vodika lahko uporabil različne lokalne vire, na primer zemeljski plin, gorivo JP8, DF2 dizel ali propan," je dejal. - Lokalna električna omrežja, vključno z morebitnimi obnovljivimi viri energije, skupaj z vodnimi viri se lahko uporabljajo tudi za proizvodnjo vodika. To bi vojski omogočilo, da zmanjša količino goriva, ki se prinese na določeno operacijsko gledališče, in se zanese na tisto, kar je v tem gledališču na voljo."
Ne glede na to, ali gre za baterije, gorivne celice ali mešane dizelsko-električne elektrarne, je za pretvorbo električnega toka v pogon naprej potreben zanesljiv in učinkovit električni pogon. Britansko podjetje Magtec proizvaja sisteme električnih pogonov za vesoljski, pomorski in avtomobilski trg ter na primer ponuja več možnosti za predelavo komercialnih tovornjakov z novimi pogonskimi sistemi.
Vendar pa je podjetje razvilo tudi celotne pogonske sklope za platforme na gosenicah in kolesih za prikaz hibridnih tehnologij, ki jih je v začetku leta 2000 za britanske in švedske obrambne agencije izdelala družba BAE Systems Hagglunds.
Za platforme SEP (Splitterskyddad EnhetsPlattform), tako na kolesih 6x6 kot na gosenicah, je podjetje razvilo motorje pestov na kolesih (motorna kolesa), vključno z dvostopenjskim reduktorjem in zavornim sistemom v vsakem, dvojnimi generatorji, krmilno opremo in distribucijo moči. Za SEP je razvila, namestila in preizkusila tudi programsko opremo za nadzor ključnih funkcij, kot so porazdelitev moči, nadzor oprijema, elektronske zapore diferenciala in krmiljenje, ki omogoča, da se stroj vklopi na mestu. Poleg tega ta sistem ustreza vsem vojaškim EMC in okoljskim predpisom.
Izvršni direktor Magteca je dejal, da vidi dober potencial rasti za električna vozila s podaljšanim dosegom za misije bojne podpore. Hkrati nove tehnologije prispevajo k znatnemu izboljšanju mobilnosti, zmanjšanju porabe goriva, večji redundanci, poleg tega pa omogočajo sprejemanje prvotnih odločitev glede postavitve. Opozoril je tudi, da električni pogon poenostavlja izvajanje daljinskega upravljanja in avtonomije.
V zvezi z nadaljnjim razvojem potrebnih tehnologij je opozoril, da so pogonski sistemi pripravljeni za vstop na trg z izboljšano energetsko elektroniko (za krmiljenje pogonov) na osnovi polprevodniških vezij iz silicijevega karbida. Potrebni so za nadzor visoke napetosti, na kateri delujejo električni sistemi nove generacije. Direktor Magteca je opozoril, da so 24 volti, pri katerih deluje večina sodobnih sistemov, prenizki za glavne porabnike električne energije (povečanje napetosti omogoča prenos več energije po kablih brez pretiranega povečanja jakosti toka).
Eno podjetje na tem področju, GE Aviation, je pridobilo 2,1 milijona dolarjev vredno pogodbo za razvoj in demonstracijo elektronike silicijevega karbida. Po 18-mesečnem razvojnem programu naj bi podjetje pokazalo prednosti svoje tehnologije FET za kovinski oksid silicijevega karbida v kombinaciji z napravami z galijevim nitridom v dvosmernem DC / DC pretvorniku 15 kW, 28/600 V.
Po navedbah podjetja lahko ta oprema prenese dvakrat večjo moč, hkrati pa zaseda polovico prostornine v primerjavi s trenutno silicijevo elektroniko, medtem ko bodo pretvorniki lahko delovali vzporedno in bili programirani v skladu s standardom CAN.
Podjetje razvija arhitekturo moči nove generacije iz TARDEC-a, ki jo imenuje moteča tehnologija, in upa, da bo predstavitev tehnologije pripravljena do sredine leta 2017.
Dvojna hitrost
Druga prebojna tehnologija je projekt Ground X-Vehicle Technology (GXV-T) agencije DARPA Defense Advanced Research Projects Agency, v katerem bodo imeli pomembno vlogo električni sistemi. Cilj projekta je prepoloviti velikost, težo in število posadke obetavnih oklepnikov, podvojiti njihovo hitrost, sposobnost premagovanja 95% terena, pa tudi zmanjšati znake vidljivosti.
Julija 2016 je DARPA podjetju Qinetiq namenila 2,7 milijona dolarjev naložbe za izboljšanje tehnologije sistemov električnih pogonov za projekt GXV-T. Družba to tehnologijo opisuje kot kompaktne in izjemno zmogljive elektromotorje znotraj koles, ki nadomeščajo različne menjalnike, diferenciale in pogonske gredi. Družba pravi, da ta pristop dramatično zmanjšuje skupno težo platforme in odpira nove možnosti oblikovanja, ki bodo izboljšale varnost in zmogljivost.
Qinetiq poudarja, da lahko ta tehnologija poleg uporabe v novih konceptih, kot je GXV-T, izboljša tudi zmogljivosti obstoječih vozil med predelavo. Na primer, pehotno vozilo na več kolesih, nadgrajeno s pogoni pestov ali motornimi kolesi, bi lahko imelo koristi od povečane moči in mobilnosti, ki jih prinaša prihranek teže, ali obratno, te prihranke uporabiti za izboljšanje zaščite, namestitev opreme ali povečanje zmogljivosti potnikov."
Po naložbi je sledila pogodba, objavljena septembra 2015, po kateri bo koncept preveden v pravo zasnovo in preizkušen, nato pa bosta izdelana dva celovita delovna prototipa.
"Konvencionalni aktuatorji so precej težki, imajo omejeno zmogljivost in so sestavljeni iz komponent, ki se lahko pretvorijo v smrtonosne izstrelke, če jih eksplodira mina," je povedal vodja raziskave pri podjetju Qinetiq, komentira pogodbo. "Premik pogonov na kolesa odpravlja to grožnjo in odpravlja težnjo, da bi vozila zaradi povečane stopnje zaščite in moči orožja postala težja in manj mobilna."
Obstoječi stroji lahko izkoristijo tudi elektrifikacijo ne-pogonskih podsistemov. Nemško podjetje Jenoptik bo na primer za poljski program posodobitve tankov Leopard 2PL dobavilo 126 sistemov za stabilizacijo električnih stolpov in orožja. Po navedbah podjetja bodo električni sistemi nadomestili hidravlične sisteme na rezervoarju in s tem zmanjšali vzdrževanje in proizvodnjo toplote.
Dobave bodo zapadle v letih 2017–2020 v skladu s pogodbo v višini 23 milijonov dolarjev, podpisano s poljskim Bumar Labédyjem oktobra 2016. Isto podjetje Bumar Labedy je februarja 2017 z nemškim podjetjem Rheinmetall podpisalo pogodbo o sodelovanju pri posodobitvi tankov.
Ena od dejavnosti Jenoptika je razvoj in proizvodnja kompaktnih stabiliziranih platform za orožje / senzorje, pogonskih sistemov za stolpe in orožje ter ogledal za stabilizacijo vidnega polja oklepnih vozil.
Na primer, pogonski sistem pištole in kupole za velike orožne sisteme je sestavljen iz vodoravnih in navpičnih elektromotorjev, ki usmerjajo pištolo po azimutu in višini, odvisno od signalov glavne in rezervne krmilne enote. Oba pogona vključujeta sinhronske motorje brez krtačk z absolutnim pozicioniranjem z ničelno razdaljo med izhodno prestavo vsakega motorja in zobatim sektorjem sklopa orožja.
Sistem, ki lahko deluje z napajalno napetostjo 28 in 610 voltov DC, lahko pištolo vrže v vsako ravnino s hitrostjo do 60 ° / s ali počasneje od 0,2 mrad / s.
Krmilna enota pogona v skladu z vhodnimi signali iz senzorjev, krmilnikov in aktivnega merilnika pretvori napajanje v par trifaznih sistemov, po enega za vsakega od kupolov in vodenja orožja, stabilizacijo in aktiviranje servomotorjev.
Svetovni trg elektrifikacije vozil bo do leta 2026 vreden 300 milijard dolarjev, je po poročilu lanskega raziskovalnega podjetja IDTechEx. Ta rast, ki jo je povzročilo povečanje števila krmilnikov elektromotorjev na vozilo (ker bodo krmiljenje, vzmetenje in drugi prej mehanski, pnevmatski in hidravlični deli nadomestili električne sisteme), bo zagotovila tehnološko osnovo za množični trg in s tem znižala njihove stroške za vojaška vozila.
