Consumul crescut de energie al sistemelor de vehicule la bord oferă noilor tehnologii șansa de a profita de oportunitatea de a schimba radical puterea și mobilitatea vehiculelor militare în viitor
Având în vedere că următoarea generație a armatei americane va avea probabil o centrală hibridă, industria are nevoie de un program la scară largă, astfel încât să își poată introduce tehnologiile energetice, pe care le-a dezvoltat deja (împreună cu modificările inevitabile), în grosul vehiculelor de luptă. O muscă în unguentul din acest butoi de miere este însă că, conform planurilor actuale, armata intenționează să adopte astfel de vehicule în jurul anului 2035. Deciziile majore cu privire la configurația sa nu vor fi luate cel mai probabil înainte de 2025, cu excepția cazului în care programele corespunzătoare sunt accelerate în președinția lui Trump.
Nevoile uriașe sunt un stimulent excelent pentru dezvoltarea de noi tehnologii, care la rândul lor pot oferi soluții pentru a satisface aceste nevoi. De exemplu, cererea tot mai mare de energie electrică pe câmpul de luptă este combinată cu necesitatea de a reduce povara logistică asociată cu aprovizionarea cu combustibil, precum și de a crește capacitatea off-road a forțelor de luptă și a forțelor de sprijin pentru luptă. Toate acestea sunt dovezi convingătoare în favoarea adoptării pe scară largă a unităților de putere auxiliare, a comenzilor inteligente ale motorului și a acționării electrice hibride și, ca rezultat, a unei creșteri puternice a puterii generate pentru consumatorii externi.
Depășește inerția
Cu o vastă experiență în producția de demonstratoare tehnologice pentru vehicule hibride pentru diverse structuri militare și în producția de autobuze hibride pentru sectorul civil, BAE Systems este bine poziționată pentru a evalua exact unde se află astăzi această tehnologie și care sunt perspectivele acesteia. Același lucru este valabil și pentru DRS Technologies, care a participat și la multe proiecte demonstrative. Tom Weaver, director comercial la DRS Network Computing and Test Solutions, a declarat că piața este încă în curs de dezvoltare și că beneficiile vehiculelor electrice nu au depășit încă inerția vehiculelor tradiționale. O astfel de inerție are un impact negativ asupra progresului mașinilor capabile să genereze puterea necesară consumatorilor externi, în ciuda nevoilor care au crescut „cu cel puțin 100%” în ultimul deceniu.
„DRS lucrează cu diferiți clienți pentru a demonstra mașini cu noi tehnologii integrate în diferite teste de performanță. Demonstrațiile de succes și recenziile pozitive ale utilizatorilor nu au condus la desfășurarea unor astfel de vehicule în trupe, în plus, cerințele pentru acestea nici măcar nu au fost dezvoltate. Cu toate acestea, cererea va continua să crească, în special pentru operațiuni expediționale și vehicule specializate, cum ar fi sistemele de arme cu energie direcționată.”
DRS oferă acum un sistem de alimentare la bord pentru echipamentele Tactical Medium Vehicle (MTV) și HMMWV sub forma unui generator integrat de transmisie dezvoltat în colaborare cu Allison. Acest sistem, instalat pe un camion MTV, de exemplu, generează putere de până la 125 kW pentru sistemele de la bord sau externe. Compania produce, de asemenea, alte sisteme de management al energiei pentru diferite vehicule. Inginerul șef Andrew Rosenfield de la BAE Systems, care se ocupă și de astfel de sisteme, consideră că este puțin probabil ca vehiculele pur electrice să joace un rol major în lupta la sol, în principal din cauza problemelor cu reîncărcarea bateriilor.
„În timp ce tehnologia grupului propulsor pentru funcționarea complet electrică este bine stabilită, problema realimentării poate împiedica punerea în funcțiune a vehiculelor pur electrice”, a continuat el. "La urma urmei, motorina este disponibilă oriunde în lume, în timp ce găsirea unei stații de reîncărcare a bateriei în deșert este foarte dificilă, dar chiar dacă găsești una, așteptarea a opt ore pentru ca acestea să fie complet încărcate probabil că nu este fezabilă."
Weaver a fost de acord că este probabil ca mașinile hibride să prevaleze, menționând, de asemenea, limitele infrastructurii de încărcare a mașinilor electrice curate și omniprezenta motorinei diesel și JP8. Cu toate acestea, Rosenfield a subliniat că vehiculele pur electrice ar putea juca un rol important la bazele militare, deoarece ar putea muta mărfuri, așa cum se întâmplă în fabricile moderne sau în aeroporturi (tractoare pentru aerodromuri). „Mașinile cu celule de combustibil ar putea cel mai probabil să îndeplinească astfel de sarcini, deoarece au nevoie de acces gratuit la rezervele de hidrogen”, a spus el.
Weaver crede că există o cale dificilă în fața vehiculelor cu celule de combustibil. „În primul rând, nu există încă o infrastructură cu hidrogen gazos și va exista o anumită neîncredere în implementarea noului combustibil. Calea acestor vehicule va începe cu operațiuni expediționare bine organizate.
Modelele hibride sunt, de asemenea, mai sofisticate decât modelele pur electrice și au mai multe caracteristici care le fac mai atractive decât mașinile pur electrice și convenționale cu motor. „În primul rând, platformele electrice hibride utilizează același combustibil ca și vehiculele diesel tradiționale. În al doilea rând, cuplul cu turație redusă este ideal pentru o mașină care călătorește pe teren accidentat sau urcă pe o pantă foarte abruptă."
El a adăugat că abilitatea de a genera cantități mari de energie electrică la bord devine din ce în ce mai importantă pe măsură ce sunt implementate noi capacități, cum ar fi sistemele de comunicații și arme care utilizează lasere puternice. Capacitatea de a exporta această energie este, de asemenea, un avantaj imens, deoarece aceste mașini pot alimenta zone populate și spitale ale căror sisteme de alimentare au fost deteriorate de daune de luptă sau de dezastre naturale.
"În cele din urmă, costurile reduse de operare și întreținere asociate cu economii substanțiale de combustibil și o fiabilitate mai mare fac din vehiculele electrice hibride o alegere inteligentă și pe termen lung."
După cum a remarcat Weaver, cererea de energie electrică la bordul vehiculelor de luptă nu a scăzut niciodată, acestea vor crește doar de la an la an. „Sistemele funcționale mai noi necesită din ce în ce mai multă energie de la platforma de transport, precum și upgrade-uri continue la sistemele de generare și distribuție a vehiculelor actuale.”
„După ce ați adăugat funcții precum locomoția silențioasă, radar, comunicații avansate, blocarea semnalului și armura sau armamentul electromagnetic, platforma rămâne în urmă și devine imposibil de gestionat fără a trece la o schemă electrică hibridă. În următorul deceniu, pentru toate vehiculele de luptă, una dintre cele mai importante componente va fi capacitatea de a genera cantități mari de energie electrică la bord."
„Vehiculele alimentate electric trebuie să-și facă treaba la fel de bine sau chiar mai bine decât omologii lor tradiționali mecanici”, a continuat el. „Nu numai că sistemele motorizate sunt semnificativ mai simple și au mai puține piese mobile decât sistemele motorizate, dar au adesea un nivel surprinzător de bun de redundanță, ceea ce le face mai fiabile. De exemplu, majoritatea transmisiilor electrice transversale pot funcționa normal cu un singur motor care a eșuat."
Weaver a spus că tehnologiile cheie hrănite în transportul public sunt deja în vigoare și gata să intre pe piață. „Utilizarea pe scară largă a circuitelor hibride și electrice, în special în autobuze și tramvaie interurbane, a dus la dezvoltarea de controlere de motor, invertoare și convertoare care sunt aproape de ceea ce are nevoie armata”, a spus el. „Toate nevoile industriei sunt clienții dispuși să plătească pentru procesul de calificare, precum și suficienți pentru a menține costul scăzut.”
Între timp, lucrările continuă la demonstrație. General Motors (GM) de la AUSA în octombrie 2016 a prezentat o versiune „gata de utilizare” a vehiculului său cu pilă de combustibil Chevrolet Colorado ZH2, care se bazează pe un șasiu alungit de dimensiuni medii. Conform programului, Colorado ZH2, cu asistența Centrului de cercetare blindată TARDEC, urmează să fie supus unei serii de teste militare „în condiții extreme de funcționare” în cursul anului 2017.
A fost un program accelerat. GM și TARDEC au lucrat împreună pentru a crea o demonstrație în mai puțin de un an de la semnarea contractului. "Viteza cu care ideile inovatoare pot fi demonstrate și evaluate este foarte mare, motiv pentru care legăturile din industrie sunt atât de importante pentru armată", a declarat directorul TARDEC, Paul Rogers. "Celulele de combustibil au potențialul de a spori semnificativ capacitățile vehiculelor militare printr-o funcționare silențioasă, generarea de energie pentru consumatorii externi și un cuplu stabil - toate aceste avantaje fac ca această tehnologie să fie explorată mai îndeaproape."
„ZH2 permite armatei să demonstreze și să evalueze disponibilitatea tehnologiei pilelor de combustibil pentru aplicații militare, răspunzând în același timp la întrebarea cât de utile pot fi vehiculele electrice cu pilă de combustibil în anumite condiții și în anumite misiuni de luptă”, a spus Doug Hallo, purtător de cuvânt al TARDEC.
Beneficiile anticipate pe care TARDEC trebuie să le evalueze includ funcționarea aproape silențioasă, permițând supravegherea silențioasă, semnăturile termice reduse, cuplul ridicat al roții la toate turațiile, consumul redus de combustibil pe toată gama de funcționare și apa potabilă ca produs secundar chimic.. Colorado ZH2 are o priză de putere la bord pentru consumatori externi.
Sistemul de propulsie se bazează pe pile de combustie cu membrană schimbătoare de protoni capabili să genereze până la 93 kW de curent continuu și o baterie care furnizează încă 35 kW pentru sistemul de propulsie și se încarcă în timpul frânării regenerative. Așa explică directorul de proiect ZH2 al GM, Christopher Kolkit.
„Rezervoarele vehiculului conțin aproximativ 4,2 kg de hidrogen comprimat la 10.000 psi, ceea ce reprezintă de peste 689 ori presiunea atmosferică. Aerul atmosferic este o sursă de oxigen necesar procesului electrochimic, în urma căruia este generată energia electrică necesară; se eliberează numai vapori de apă”, a remarcat el.
Pentru toate sistemele de acționare electrică, furnizarea de energie de la sursă la roți este mai ușoară decât la vehiculele tradiționale. „ZH2 nu are o transmisie în sensul obișnuit al cuvântului. Un motor de tracțiune alternativ cu o cutie de viteze cu o singură treaptă transferă cuplul direct la carcasa de transfer și la sistemul de tracțiune integrală”, a explicat Kolkit.
Infrastructură portabilă
Prin acest program, Centrul TARDEC explorează, de asemenea, ceea ce ar putea fi cel puțin o soluție parțială la problema disponibilității hidrogenului (infrastructură). Soluția sa aici este favorizată de faptul că acest element chimic poate fi produs în diferite moduri din surse diferite. Potrivit reprezentantului Centrului TARDEC, la etapa inițială a lucrărilor la proiectul ZH2, ideea este de a obține hidrogen comprimat în timpul reformării kerosenului de aviație JP8 într-un reformator portabil, care va fi mutat la fiecare loc de testare împreună cu mașină, deoarece acest lucru va crește numărul rezolvat în această etapă a sarcinilor.
"În prezent, căutăm să creăm un reformator care să poată utiliza o varietate de surse disponibile la nivel local, cum ar fi gazul natural, combustibilul cu jet JP8, motorina DF2 sau propanul, pentru a produce hidrogen", a spus el. - Rețelele electrice locale, inclusiv surse regenerabile de energie, împreună cu resursele de apă, pot fi, de asemenea, utilizate pentru producția de hidrogen. Acest lucru ar permite armatei să reducă cantitatea de combustibil adusă unui teatru de operațiuni specific și să se bazeze pe ceea ce este disponibil în acel teatru."
Fie că este vorba de baterii, pile de combustibil sau centrale mixte diesel-electrice ca motor principal, transformarea curentului electric în propulsie directă necesită acționări electrice fiabile și eficiente. Compania britanică Magtec produce sisteme de acționare electrică pentru piețele aerospațiale, marine și auto, oferind, de exemplu, mai multe opțiuni pentru transformarea camioanelor comerciale cu sisteme noi de propulsie.
Cu toate acestea, compania a dezvoltat, de asemenea, sisteme de propulsie complete pentru platforme cu șenile și roți pentru a demonstra tehnologiile hibride fabricate de BAE Systems Hagglunds pentru agențiile de apărare britanice și suedeze la începutul anilor 2000.
Pentru platformele SEP (Splitterskydd EnhetsPlattform), atât pe roți 6x6, cât și pe șenile, compania a dezvoltat motoare cu butuc în roți (roți cu motor), incluzând un reductor cu două trepte și un sistem de frânare în fiecare, două generatoare, echipamente de control și distribuție de putere. Pentru SEP, ea a dezvoltat, instalat și testat software pentru a controla funcțiile cheie, cum ar fi distribuția energiei electrice, controlul tracțiunii, blocările electronice ale diferențialului și direcția, care permite mașinii să pornească la fața locului. În plus, acest sistem îndeplinește toate reglementările militare EMC și de mediu.
Șeful executiv al Magtec a declarat că vede un potențial de creștere bun pentru vehiculele electrice cu autonomie extinsă pentru misiuni de sprijin pentru luptă. În același timp, noile tehnologii contribuie la o îmbunătățire semnificativă a mobilității, la o scădere a consumului de combustibil, la o redundanță mai mare, plus că permit luarea unor decizii originale de aspect. El a menționat, de asemenea, că propulsia electrică simplifică implementarea funcționării și autonomiei la distanță.
În ceea ce privește dezvoltarea în continuare a tehnologiilor necesare, el a menționat că sistemele de acționare sunt gata să intre pe piață cu electronice de putere îmbunătățite (pentru controlul acționărilor de putere) bazate pe circuite semiconductoare din carbură de siliciu. Acestea sunt necesare pentru a controla tensiunea înaltă pe care funcționează sistemele electrice de nouă generație. Directorul Magtec a menționat că cele 24 de volți la care operează majoritatea sistemelor moderne sunt acum prea mici pentru principalii consumatori de energie electrică (creșterea tensiunii permite transmiterea mai multă energie prin cabluri fără creșterea excesivă a intensității).
O companie din domeniu, GE Aviation, a câștigat un contract de 2,1 milioane de dolari pentru a dezvolta și demonstra electronice de putere din carbură de siliciu. În urma unui program de dezvoltare de 18 luni, compania este de așteptat să demonstreze beneficiile tehnologiei sale FET cu oxid de metal din carbură de siliciu combinată cu dispozitive de nitrură de galiu într-un convertor de 15 kW, 28/600 volți bidirecțional DC / DC.
Potrivit companiei, acest echipament poate suporta de două ori puterea, ocupând în același timp jumătate din volum în comparație cu electronica curentă de putere din siliciu, în timp ce convertoarele vor putea funcționa în paralel și vor fi programate în conformitate cu standardul CAN.
Compania dezvoltă o arhitectură de putere a vehiculelor de generația următoare de la TARDEC, numind-o o tehnologie perturbatoare și speră că o demonstrație tehnologică va fi gata până la jumătatea anului 2017.
Viteză dublă
O altă tehnologie de ultimă oră este proiectul DARPA Defense Advanced Research Projects Agency, Ground X-Vehicle Technology (GXV-T), în care sistemele electrice vor juca un rol semnificativ. Scopul proiectului este de a înjumătăți dimensiunea, greutatea și numărul echipajului vehiculelor blindate promițătoare, de a dubla viteza acestora, capacitatea de a depăși 95% din teren, precum și de a reduce semnele de vizibilitate.
În iulie 2016, DARPA a acordat Qinetiq o investiție de 2,7 milioane de dolari pentru a rafina tehnologia sistemelor de acționare electrică pentru proiectul GXV-T. Compania descrie această tehnologie drept motoare electrice compacte și extrem de puternice în interiorul roților care înlocuiesc diverse cutii de viteze, diferențiale și arbori de acționare. Această abordare, a spus compania, reduce dramatic greutatea totală a platformei și deschide noi opțiuni de design care vor îmbunătăți siguranța și performanța.
Qinetiq subliniază faptul că, pe lângă utilizarea sa în concepte noi, precum GXV-T, această tehnologie poate îmbunătăți și capacitățile vehiculelor existente în timpul modernizărilor. De exemplu, un vehicul de infanterie cu mai multe roți îmbunătățit cu antrenări cu butuc sau roți cu motor „ar putea beneficia de puterea și mobilitatea crescute pe care le oferă economiile de greutate sau, invers, să utilizeze aceste economii pentru a îmbunătăți protecția, a instala echipamente sau pentru a crește capacitatea pasagerilor."
Investiția a fost urmată de un contract, anunțat în septembrie 2015, în baza căruia conceptul va fi tradus într-un design real și testat, după care vor fi produse două prototipuri complete de lucru.
„Actuatoarele convenționale sunt destul de grele, au capacitate limitată și sunt alcătuite din componente care se pot transforma în proiectile letale dacă sunt explodate de o mină”, a spus șeful cercetării de la Qinetiq, comentând contractul. „Mutarea transmisiei pe roți elimină această amenințare și rupe tendința vehiculelor de a deveni mai grele și mai puțin mobile datorită nivelului crescut de protecție și a puterii armelor.”
Mașinile existente pot beneficia, de asemenea, de electrificarea subsistemelor fără propulsie. De exemplu, compania germană Jenoptik va furniza 126 de sisteme de turnare electrică și de stabilizare a armelor pentru programul de modernizare a tancurilor poloneze Leopard 2PL. Potrivit companiei, sistemele electrice vor înlocui sistemele hidraulice de pe rezervor, reducând astfel întreținerea și generarea de căldură.
Livrările sunt scadente în 2017-2020 în baza unui contract de 23 de milioane de dolari semnat cu polonezul Bumar Labédy în octombrie 2016. Aceeași companie Bumar Labedy a semnat un acord de cooperare privind modernizarea tancurilor cu compania germană Rheinmetall în februarie 2017.
Una dintre activitățile Jenoptik este dezvoltarea și producția de platforme compacte stabilizate de arme / senzori, sisteme de acționare pentru turnuri și arme și oglinzi pentru stabilizarea liniei de vedere a vehiculelor blindate.
De exemplu, un sistem de acționare a pistolului și a turelei pentru sistemele de arme mari constă din motoare electrice de ghidare orizontală și verticală, care direcționează arma în azimut și, respectiv, în elevație, în funcție de semnalele unităților de control principale și de rezervă. Ambele acționări includ motoare sincrone de poziționare absolută fără perii cu joc zero între angrenajul de ieșire al fiecărui motor și sectorul dințat al ansamblului armei.
Sistemul, capabil să funcționeze cu o tensiune de alimentare de 28 și 610 volți DC, poate arunca arma în fiecare plan cu o viteză de până la 60 ° / s sau mai mică de 0,2 mrad / s.
Unitatea de comandă a acționării, în conformitate cu semnalele de intrare de la senzori, comenzi și o vedere activă, transformă sursa de alimentare într-o pereche de sisteme trifazate, câte unul pentru fiecare servomotor de ghidare, stabilizare și acționare a turelei și a armelor.
Piața globală de electrificare a vehiculelor va avea o valoare de 300 de miliarde de dolari până în 2026, potrivit unui raport al firmei de cercetare IDTechEx anul trecut. Această creștere, determinată de o creștere a numărului de controlere de motoare electrice pe vehicul (deoarece direcția, suspensia și alte piese mecanice, pneumatice și hidraulice anterioare vor înlocui sistemele electrice), va oferi o bază tehnologică pentru piața de masă, reducând astfel costul acestora pentru vehicule militare.
