Det økende energiforbruket til systemer om bord gir nye teknologier en sjanse til å gripe muligheten til å radikalt endre kraften og mobiliteten til militære kjøretøyer i fremtiden
Gitt at neste generasjon av den amerikanske hæren sannsynligvis vil ha et hybridkraftverk, trenger industrien et stort program slik at den kan introdusere sine energiteknologier, som den allerede har utviklet (sammen med de uunngåelige modifikasjonene), i hoveddelen av kampbiler. En flue i salven i dette fatet med honning er imidlertid at ifølge gjeldende planer planlegger hæren å adoptere slike kjøretøyer rundt 2035. Store avgjørelser om konfigurasjonen vil mest sannsynlig ikke bli tatt før 2025, med mindre de tilsvarende programmene blir fremskyndet til Trumps presidentskap.
Store behov er et utmerket insentiv for utvikling av ny teknologi, som igjen kan gi løsninger for å dekke disse behovene. For eksempel kombineres den økende etterspørselen etter elektrisk energi på slagmarken med behovet for å redusere logistikkbyrden knyttet til drivstofftilførsel, samt å øke terrengkapasiteten til kampstyrker og kampstøttestyrker. Alt dette er overbevisende bevis for en utbredt bruk av hjelpekrefter, intelligente motorstyringer og hybrid elektrisk drift, og som et resultat en kraftig økning i effekten som genereres for eksterne forbrukere.
Overvinn treghet
Med lang erfaring i produksjon av demonstrasjoner for hybridbilteknologi for forskjellige militære strukturer og i produksjon av hybridbusser for den sivile sektoren, er BAE Systems godt posisjonert for å vurdere nøyaktig hvor denne teknologien er i dag og hva dens utsikter er. Det samme gjelder DRS Technologies, som også har deltatt i mange demonstrasjonsprosjekter. Tom Weaver, kommersiell direktør for DRS Network Computing and Test Solutions, sa at markedet fremdeles vokser frem og at fordelene med elektriske kjøretøyer ennå ikke har overvunnet tregheten til tradisjonelle kjøretøyer. Slik treghet har en negativ innvirkning på fremdriften til maskiner som er i stand til å generere nødvendig strøm for eksterne forbrukere, til tross for behovene som har økt "med minst 100%" det siste tiåret.
“DRS jobber med forskjellige kunder for å demonstrere maskiner med integrert ny teknologi i forskjellige ytelsestester. Vellykkede demonstrasjoner og positive brukeranmeldelser førte ikke til utplassering av slike kjøretøyer i troppene, dessuten ble kravene til dem ikke engang utviklet. Men etterspørselen vil likevel fortsette å vokse, spesielt for ekspedisjonsoperasjoner og spesialiserte kjøretøyer som f.eks. Styrte energivåpen."
DRS tilbyr nå et innebygd kraftsystem for Medium Tactical Vehicle (MTV) og HMMWV utstyr i form av en Transmission Integral Generator utviklet i samarbeid med Allison. Dette systemet, for eksempel installert på en MTV -lastebil, genererer effekt opp til 125 kW for innebygde eller eksterne systemer. Selskapet produserer også andre energistyringssystemer for forskjellige kjøretøyer. Sjefingeniør Andrew Rosenfield fra BAE Systems, som også omhandler slike systemer, mener det er usannsynlig at rent elektriske kjøretøyer vil spille en stor rolle i bakkekamp, hovedsakelig på grunn av problemer med å lade batterier.
"Selv om drivlinjeteknologien for helelektrisk drift er godt etablert, kan drivstoffproblemet godt forhindre at rent elektriske kjøretøyer settes i verk," fortsatte han. "Tross alt er diesel tilgjengelig hvor som helst i verden, mens det er veldig vanskelig å finne en ladestasjon i ørkenen, men selv om du finner en, er det sannsynligvis ikke mulig å vente åtte timer på at de er fulladet."
Weaver var enig i at hybridbiler sannsynligvis vil seire, og nevner også begrensningene i den rene infrastrukturen for lading av elbiler og allestedsnærværende diesel og JP8 jetbrensel. Imidlertid understreket Rosenfield at rent elektriske kjøretøyer kunne spille en stor rolle på militærbaser, siden de kunne flytte varer, som tilfellet er i moderne fabrikker eller på flyplasser (flyplass traktorer). "Brenselcellemaskiner vil mest sannsynlig kunne utføre slike oppgaver, ettersom de trenger gratis tilgang til hydrogenreserver," sa han.
Weaver mener at det er en vanskelig vei foran drivstoffcellebiler. "For det første er det ingen hydrogengassinfrastruktur ennå, og det vil være en viss mistillit til utplasseringen av det nye drivstoffet. Stien til slike kjøretøyer vil begynne med velorganiserte ekspedisjonsoperasjoner."
Hybriddesign er også mer sofistikert enn rent elektriske design og har flere funksjoner som gjør dem mer attraktive enn rent elektriske og konvensjonelle maskindrevne maskiner. "For det første bruker elektriske hybridplattformer det samme drivstoffet som tradisjonelle dieselbiler. For det andre er dreiemomentet med lavt turtall ideelt for en maskin som kjører over ulendt terreng eller bestiger en veldig bratt skråning."
Han la til at evnen til å generere store mengder elektrisitet ombord blir stadig viktigere ettersom nye evner som kommunikasjon og våpensystemer som bruker kraftige lasere blir distribuert. Muligheten til å eksportere denne energien er også en stor fordel, ettersom disse maskinene kan drive befolkede områder og sykehus hvis egne kraftsystemer har blitt skadet av bekjempelsesskader eller naturkatastrofer.
"Til slutt gjør de reduserte drifts- og vedlikeholdskostnadene forbundet med betydelige drivstoffbesparelser og større pålitelighet hybrid-elbiler til et smart og langsiktig valg."
Som Weaver bemerket, har behovet for elektrisk energi om bord på kampbiler aldri gått ned, de vil bare vokse fra år til år. "Nyere funksjonelle systemer krever mer og mer strøm fra bærerplattformen, samt kontinuerlige oppgraderinger av kraftproduksjons- og distribusjonssystemene til nåværende kjøretøyer."
"Når du har lagt til funksjoner som stille bevegelse, radar, avansert kommunikasjon, signalstopp og elektromagnetisk rustning eller våpen, faller plattformen bak og blir uhåndterlig uten å bytte til en hybrid elektrisk plan. I det neste tiåret, for alle kampbiler, vil en av de viktigste komponentene være evnen til å generere store mengder elektrisitet om bord."
"Elektrisk drevne kjøretøyer må gjøre jobben sin like godt som, eller enda bedre enn, sine tradisjonelle mekaniske motstykker," fortsatte han. "Ikke bare er motoriserte systemer betydelig enklere og har færre bevegelige deler enn motoriserte systemer, men de har ofte et overraskende godt redundansnivå, noe som gjør dem mer pålitelige. For eksempel kan de fleste tverrgående elektriske girkasser fungere normalt med en enkelt motor som har sviktet."
Weaver sa at nøkkelteknologien som fostres i offentlig transport allerede er på plass og klar til å komme inn på markedet. "Den utbredte bruken av hybrid- og elektriske kretser, spesielt i intercitybusser og trikker, har ført til utvikling av motorstyrere, omformere og omformere som er i nærheten av det militæret trenger," sa han. "Alle bransjens behov er kunder som er villige til å betale for kvalifiseringsprosessen, samt nok til å holde kostnadene nede."
I mellomtiden fortsetter arbeidet med demonstrasjonen. General Motors (GM) på AUSA i oktober 2016 viste en "ready-to-go" -versjon av sin Chevrolet Colorado ZH2 drivstoffcellebil, som er basert på et langstrakt mellomstort pickup-chassis. I følge tidsplanen skal Colorado ZH2, med bistand fra TARDEC Armored Research Center, gjennomgå en rekke militære tester "under ekstreme driftsforhold" i løpet av 2017.
Det var et akselerert program. GM og TARDEC jobbet sammen for å lage en demo på mindre enn et år etter at kontrakten ble signert. "Hastigheten som innovative ideer kan demonstreres og evalueres er veldig høy, og derfor er næringsbånd så viktige for militæret," sa TARDEC -direktør Paul Rogers. "Drivstoffceller har potensial til å forbedre militære kjøretøyers evner betydelig gjennom stille drift, kraftproduksjon for eksterne forbrukere og stabilt dreiemoment - alle disse fordelene gjør denne teknologien mer utforsket."
"ZH2 gjør hæren i stand til å demonstrere og vurdere beredskapen til brenselcelleteknologi for militære applikasjoner, samtidig som han svarer på spørsmålet om hvor nyttige brenselcelleelektriske kjøretøyer kan være under visse forhold og i visse kampoppdrag," sa Doug Hallo, talsmann for TARDEC.
De forventede fordelene som TARDEC må evaluere inkluderer nesten lydløs drift som tillater lydløs overvåking, reduserte termiske signaturer, høyt dreiemoment ved alle hastigheter, lavt drivstofforbruk over hele driftsområdet og drikkevann som et kjemisk biprodukt. Prosesser som forekommer i brenselceller. Colorado ZH2 har innebygd kraftuttak for eksterne forbrukere.
Framdriftssystemet er basert på protonutvekslingsmembranens brenselceller som er i stand til å generere opptil 93 kW likestrøm, og et batteri som gir ytterligere 35 kW for fremdriftssystemet og lades under regenerativ bremsing. Dette forklarer GMs ZH2 -prosjektleder Christopher Kolkit.
“Kjøretøyets tanker rommer omtrent 4,2 kg komprimert hydrogen ved 10 000 psi, som er mer enn 689 ganger atmosfæretrykket. Atmosfærisk luft er en kilde til oksygen som kreves for den elektrokjemiske prosessen, som resulterer i at nødvendig elektrisitet genereres; bare vanndamp frigjøres,”bemerket han.
For alle elektriske drivsystemer er det lettere å levere energi fra kilden til hjulene enn med tradisjonelle kjøretøyer. “ZH2 har ikke en overføring i ordets vanlige betydning. En vekselstrømsmotor med en ett-trinns girkasse overfører dreiemoment direkte til overføringshuset og firehjulsdriftssystemet, forklarte Kolkit.
Bærbar infrastruktur
Gjennom dette programmet utforsker TARDEC -senteret også hva som i det minste kan være en delvis løsning på hydrogentilgjengelighetsproblemet (infrastruktur). Løsningen her er begunstiget av det faktum at dette kjemiske elementet kan produseres på forskjellige måter fra forskjellige kilder. Ifølge representanten for TARDEC -senteret, i den innledende fasen av arbeidet med ZH2 -prosjektet, er tanken å skaffe komprimert hydrogen under reformeringen av luftfartspeter JP8 i en bærbar reformator, som vil bli flyttet til hvert teststed sammen med maskin, fordi dette vil øke antallet løste på dette stadiet av oppgaver.
"Vi ønsker for tiden å lage en reformator som kan bruke en rekke kilder tilgjengelig lokalt, for eksempel naturgass, JP8 jetbrensel, DF2 diesel eller propan, for å produsere hydrogen," sa han. - Lokale elektriske nettverk, inkludert muligens fornybare energikilder, sammen med vannressurser, kan også brukes til hydrogenproduksjon. Dette ville tillate hæren å redusere mengden drivstoff som blir brakt til et bestemt operasjonsteater og stole på hva som er tilgjengelig i det teatret."
Enten det er batterier, brenselceller eller blandede dieselelektriske kraftverk som drivkraft, krever omdannelse av elektrisk strøm til fremdrift fremover pålitelige og effektive elektriske drivenheter. Det britiske selskapet Magtec produserer elektriske drivsystemer for luftfarts-, marine- og bilmarkedet, og tilbyr for eksempel flere alternativer for å konvertere kommersielle lastebiler med nye fremdriftssystemer.
Imidlertid utviklet selskapet også komplette drivlinjer for belte- og hjulplattformer for å demonstrere hybridteknologi produsert av BAE Systems Hagglunds for de britiske og svenske forsvarsbyråene på begynnelsen av 2000 -tallet.
For SEP (Splitterskyddad EnhetsPlattform) plattformer, både 6x6 og belte hjul, har selskapet utviklet hjulnavmotorer (motorhjul), inkludert et totrinns reduksjonsgir og bremsesystem i hver, tvillinggeneratorer, kontrollutstyr og kraftdistribusjon. For SEP utviklet, installerte og testet hun også programvare for å kontrollere viktige funksjoner som strømfordeling, trekkraftkontroll, elektroniske differensiallåser og styring som gjør at maskinen kan slå seg på stedet. I tillegg oppfyller dette systemet alle militære EMC- og miljøbestemmelser.
Magtecs administrerende direktør sa at han ser et godt vekstpotensial for elektriske kjøretøyer med utvidet rekkevidde for kampstøtteoppdrag. Samtidig bidrar ny teknologi til en betydelig forbedring i mobilitet, et redusert drivstofforbruk, større redundans, pluss at de gjør det mulig å ta originale layoutbeslutninger. Han bemerket også at den elektriske fremdriften forenkler implementeringen av fjernbetjening og autonomi.
Når det gjelder videre utvikling av de nødvendige teknologiene, bemerket han at drivsystemene er klare til å komme inn på markedet med forbedret kraftelektronikk (for styring av kraftdrev) basert på silisiumkarbidhalvlederkretser. De er nødvendige for å kontrollere høyspenningen som nye generasjons elektriske systemer opererer på. Direktøren for Magtec bemerket at de 24 volt som de fleste moderne systemer opererer med nå er for lave for hovedforbrukerne av elektrisitet (spenningsøkningen gjør at mer kraft kan overføres gjennom kablene uten å øke strømstyrken overdrevent).
Ett selskap i feltet, GE Aviation, har vunnet en kontrakt på 2,1 millioner dollar for å utvikle og demonstrere silisiumkarbidkraftelektronikk. Etter et 18-måneders utviklingsprogram forventes det at selskapet demonstrerer fordelene med sin silisiumkarbidmetalloksid FET-teknologi kombinert med galliumnitrid-enheter i en 15 kW, 28/600 volt toveis DC / DC-omformer.
Ifølge selskapet kan dette utstyret håndtere dobbelt så mye strøm, mens det opptar halvparten av volumet sammenlignet med dagens silisiumkraftelektronikk, mens omformerne vil kunne arbeide parallelt og programmeres i henhold til CAN -standarden.
Selskapet utvikler en neste generasjons bilkraftarkitektur fra TARDEC, og kaller det en forstyrrende teknologi, og håper en teknologidemonstrasjon vil være klar i midten av 2017.
Dobbel hastighet
En annen gjennombruddsteknologi er DARPA Defense Advanced Research Projects Agency's Ground X-Vehicle Technology (GXV-T) -prosjekt, der elektriske systemer vil spille en betydelig rolle. Målet med prosjektet er å halvere størrelsen, vekten og antallet mannskapet på lovende pansrede kjøretøyer, doble hastigheten, evnen til å overvinne 95% av terrenget, samt å redusere tegn på synlighet.
I juli 2016 ga DARPA Qinetiq en investering på 2,7 millioner dollar for å forbedre teknologien til elektriske drivsystemer for GXV-T-prosjektet. Selskapet beskriver denne teknologien som kompakte og ekstremt kraftige elektriske motorer inne i hjulene som erstatter forskjellige girkasser, differensialer og drivaksler. Denne tilnærmingen, sa selskapet, reduserer plattformens totale vekt dramatisk og åpner for nye designalternativer som vil forbedre sikkerhet og ytelse.
Qinetiq understreker at denne teknologien i tillegg til bruk i nye konsepter, for eksempel GXV-T, også kan forbedre egenskapene til eksisterende kjøretøy under ettermontering. For eksempel kan et flerhjuls infanterikjøretøy oppgradert med navdrev eller motorhjul "dra nytte av den økte kraften og mobiliteten som vektbesparelser gir, eller omvendt, bruke disse besparelsene for å forbedre beskyttelsen, installere utstyr eller øke passasjerkapasiteten."
Investeringen ble fulgt av en kontrakt, kunngjort i september 2015, der konseptet skal oversettes til en ekte design og testes, hvoretter to fullstendig fungerende prototyper vil bli produsert.
"Konvensjonelle aktuatorer er ganske tunge, har begrenset kapasitet og består av komponenter som kan bli til dødelige prosjektiler hvis de eksploderer av en gruve," sa forskningssjef i Qinetiq og kommenterte kontrakten. "Å flytte stasjonene til hjulene fjerner denne trusselen og bryter tendensen til at kjøretøyer blir tyngre og mindre mobile på grunn av det økte beskyttelsesnivået og kraften til våpen."
Eksisterende maskiner kan også dra fordel av elektrifisering av undersystemer som ikke er fremdrift. For eksempel skal det tyske selskapet Jenoptik levere 126 elektriske tårn- og våpenstabiliseringssystemer for det polske moderniseringsprogrammet for Leopard 2PL -tanker. Ifølge selskapet vil de elektriske systemene erstatte de hydrauliske systemene på tanken, og dermed redusere vedlikehold og varmegenerering.
Leveransene forfaller i 2017-2020 under en kontrakt på 23 millioner dollar som ble signert med Polens Bumar Labédy i oktober 2016. Det samme selskapet Bumar Labedy signerte en samarbeidsavtale om modernisering av tanker med det tyske selskapet Rheinmetall i februar 2017.
En av aktivitetene til Jenoptik er utvikling og produksjon av kompakte stabiliserte våpen- / sensorplattformer, drivsystemer for tårn og våpen, og speil for å stabilisere siktlinjen til pansrede kjøretøyer.
For eksempel består et pistol- og tårndrivsystem for store våpensystemer av horisontale og vertikale ledede elektriske motorer, som styrer pistolen i henholdsvis azimut og høyde, avhengig av signalene til hoved- og reservekontrollenhetene. Begge drivenhetene inkluderer absolutt posisjonering børsteløse synkronmotorer med null klaring mellom utgangsgiret til hver motor og tannsektoren i våpensamlingen.
Systemet, som kan fungere med en forsyningsspenning på 28 og 610 volt DC, kan kaste pistolen i hvert fly med en hastighet på opptil 60 ° / s eller langsommere enn 0,2 mrad / s.
Drivenhetens styreenhet, i samsvar med inngangssignalene fra sensorer, kontroller og et aktivt syn, forvandler strømforsyningen til et par trefasesystemer, ett for hvert tårn og våpenstyring, stabilisering og aktiverende servomotorer.
Det globale kjøretøyelektrifiseringsmarkedet vil være verdt 300 milliarder dollar innen 2026, ifølge en rapport fra forskningsfirmaet IDTechEx i fjor. Denne veksten, drevet av en økning i antall elektriske motorkontrollere per kjøretøy (ettersom styring, fjæring og andre tidligere mekaniske, pneumatiske og hydrauliske deler vil erstatte elektriske systemer), vil gi et teknologisk grunnlag for massemarkedet og dermed redusere kostnadene for militære kjøretøyer.
