Rostoucí spotřeba energie palubních systémů vozidel dává novým technologiím šanci využít příležitost radikálně změnit sílu a mobilitu vojenských vozidel v budoucnosti
Vzhledem k tomu, že příští generace americké armády pravděpodobně bude mít hybridní elektrárnu, průmysl potřebuje rozsáhlý program, aby mohl zavést své energetické technologie, které již vyvinul (spolu s nevyhnutelnými úpravami), do převážná část bojových vozidel. Mouchou v tomto sudu s medem ale je, že podle současných plánů plánuje armáda přijmout taková vozidla kolem roku 2035. Hlavní rozhodnutí o jeho konfiguraci s největší pravděpodobností nebudou učiněna dříve než v roce 2025, pokud nebudou příslušné programy urychleny do Trumpova prezidentství.
Obrovské potřeby jsou vynikajícím podnětem pro vývoj nových technologií, které mohou na oplátku poskytnout řešení pro splnění těchto potřeb. Například rostoucí poptávka po elektrické energii na bojišti je spojena s potřebou snížit logistickou zátěž spojenou s dodávkami paliva a také zvýšit schopnost bojových sil a bojových podpůrných sil v terénu. To vše jsou přesvědčivé důkazy ve prospěch rozšířeného využívání pomocných pohonných jednotek, inteligentních ovládacích prvků motoru a hybridního elektrického pohonu a v důsledku toho prudkého nárůstu výkonu generovaného pro externí spotřebitele.
Překonat setrvačnost
Díky rozsáhlým zkušenostem s výrobou demonstrátorů technologie hybridních vozidel pro různé vojenské struktury a s výrobou hybridních autobusů pro civilní sektor má společnost BAE Systems dobrou pozici k tomu, aby přesně vyhodnotila, kde se tato technologie dnes nachází a jaké jsou její vyhlídky. Totéž platí pro společnost DRS Technologies, která se rovněž zúčastnila mnoha předváděcích projektů. Tom Weaver, obchodní ředitel DRS Network Computing and Test Solutions, uvedl, že trh se stále objevuje a že výhody elektrických vozidel ještě musí překonat setrvačnost tradičních vozidel. Taková setrvačnost má negativní dopad na vývoj strojů schopných generovat potřebnou energii pro externí spotřebitele, a to navzdory potřebám, které se za poslední desetiletí zvýšily „alespoň o 100%“.
„Společnost DRS spolupracuje s různými zákazníky na předvádění strojů s integrovanými novými technologiemi v různých výkonnostních testech. Úspěšné demonstrace a pozitivní recenze uživatelů nevedly k nasazení takových vozidel do vojsk, navíc na ně nebyly ani vyvinuty požadavky. Poptávka však bude i nadále růst, zejména po expedičních operacích a specializovaných vozidlech, jako jsou systémy zaměřené na energetické zbraně. “
DRS nyní nabízí palubní napájecí systém pro zařízení pro střední taktická vozidla (MTV) a HMMWV ve formě integrovaného generátoru převodovky vyvinutého ve spolupráci s Allison. Tento systém instalovaný například na kamionu MTV generuje výkon až 125 kW pro palubní nebo externí systémy. Společnost také vyrábí další systémy řízení energie pro různá vozidla. Hlavní inženýr Andrew Rosenfield ze společnosti BAE Systems, která se také zabývá takovými systémy, se domnívá, že je nepravděpodobné, že by čistě elektrická vozidla hrála v pozemním boji hlavní roli, zejména kvůli problémům s dobíjením baterií.
"Přestože je technologie hnacího ústrojí pro plně elektrický provoz dobře zavedená, problém s tankováním může zabránit uvedení čistě elektrických vozidel do provozu," pokračoval. „Koneckonců, nafta je k dispozici kdekoli na světě, zatímco najít nabíjecí stanici baterií v poušti je velmi obtížné, ale i když ji najdete, čekat osm hodin, než budou plně nabité, pravděpodobně není možné.“
Weaver souhlasil s tím, že pravděpodobně převládnou hybridní automobily, přičemž zmínil také omezení infrastruktury pro nabíjení čistých elektromobilů a všudypřítomnost motorové nafty a leteckého paliva JP8. Rosenfield však zdůraznil, že čistě elektrická vozidla mohou hrát na vojenských základnách velkou roli, protože mohou přepravovat zboží, jak je tomu v moderních továrnách nebo na letištích (letištní traktory). "Stroje na palivové články by s největší pravděpodobností byly schopny takové úkoly provádět, protože potřebují volný přístup k rezervám vodíku," řekl.
Weaver věří, že před vozidly s palivovými články je obtížná cesta. "Za prvé, zatím neexistuje infrastruktura pro vodíkový plyn a bude existovat určitá nedůvěra v nasazení nového paliva." Dráha takových vozidel začne dobře organizovanými expedičními operacemi. “
Hybridní konstrukce jsou také propracovanější než čistě elektrická provedení a mají několik funkcí, díky nimž jsou atraktivnější než čistě elektrické a konvenční stroje poháněné pohonem. "Za prvé, hybridní elektrické platformy používají stejné palivo jako tradiční dieselová vozidla." Zadruhé, točivý moment s nízkými otáčkami je ideální pro stroj, který cestuje nerovným terénem nebo stoupá do velmi strmého svahu. “
Dodal, že schopnost generovat na palubě velké množství elektřiny je stále důležitější, protože jsou nasazovány nové možnosti, jako jsou komunikační a zbraňové systémy využívající výkonné lasery. Možnost exportovat tuto energii je také obrovskou výhodou, protože tyto stroje mohou napájet obydlené oblasti a nemocnice, jejichž vlastní energetické systémy byly poškozeny bojovým poškozením nebo přírodní katastrofou.
„A konečně, snížené náklady na provoz a údržbu spojené s výraznou úsporou paliva a vyšší spolehlivostí dělají z hybridních elektrických vozidel chytrou a dlouhodobou volbu.“
Jak poznamenal Weaver, poptávka po elektrické energii na palubě bojových vozidel nikdy neklesla, budou jen rok od roku růst. "Novější funkční systémy vyžadují stále více energie z nosné platformy, stejně jako neustálé modernizace systémů pro výrobu a distribuci energie současných vozidel."
"Jakmile přidáte funkce, jako je tichá lokomoce, radar, pokročilá komunikace, rušení signálu a elektromagnetické brnění nebo výzbroj, platforma zaostává a stane se neovladatelnou, aniž by přešla na hybridní elektrické schéma." V příštím desetiletí bude u všech bojových vozidel jednou z nejdůležitějších součástí schopnost generovat na palubě velké množství elektřiny. “
"Elektricky poháněná vozidla musí dělat svou práci stejně dobře, nebo dokonce lépe než jejich tradiční mechanické protějšky," pokračoval. "Motorizované systémy jsou nejen výrazně jednodušší a mají méně pohyblivých částí než motorizované systémy, ale často mají překvapivě dobrou úroveň redundance, díky čemuž jsou spolehlivější." Například většina příčných elektrických převodovek může fungovat normálně s jediným motorem, který selhal. “
Weaver uvedl, že klíčové technologie pěstované ve veřejné dopravě jsou již zavedeny a připraveny vstoupit na trh. "Rozšířené používání hybridních a elektrických obvodů, zejména v meziměstských autobusech a tramvajích, vedlo k vývoji motorových ovladačů, měničů a měničů, které jsou blízké tomu, co armáda potřebuje," řekl. "Všechny průmyslové potřeby jsou zákazníci, kteří jsou ochotni zaplatit za kvalifikační proces, a dost na to, aby udrželi nízké náklady."
Mezitím práce na demonstraci pokračují. Společnost General Motors (GM) v AUSA v říjnu 2016 ukázala „připravenou“verzi svého vozu s palivovými články Chevrolet Colorado ZH2, který je založen na prodlouženém podvozku pickupu střední velikosti. Podle harmonogramu má Colorado ZH2 za pomoci Armoured Research Center TARDEC během roku 2017 podstoupit sérii vojenských testů „v extrémních provozních podmínkách“.
Byl to zrychlený program. GM a TARDEC spolupracovali na vytvoření demo za méně než rok po podpisu smlouvy. "Rychlost, s jakou lze inovativní nápady předvádět a hodnotit, je velmi vysoká, a proto jsou průmyslové vazby pro armádu tak důležité," řekl ředitel TARDEC Paul Rogers. „Palivové články mají potenciál výrazně posílit schopnosti vojenských vozidel prostřednictvím tichého provozu, výroby energie pro externí spotřebitele a stabilního točivého momentu - díky všem těmto výhodám je tato technologie podrobněji prozkoumána.“
"ZH2 umožňuje armádě demonstrovat a posoudit připravenost technologie palivových článků pro vojenské aplikace a současně odpovědět na otázku, jak užitečná mohou být elektrická vozidla s palivovými články za určitých podmínek a v určitých bojových misích," řekl Doug Hallo, mluvčí společnosti TARDEC.
Mezi očekávané výhody, které musí TARDEC vyhodnotit, patří téměř tichý provoz umožňující tichý dohled, snížené tepelné podpisy, vysoký točivý moment kol při všech rychlostech, nízká spotřeba paliva v celém provozním rozsahu a pitná voda jako chemický vedlejší produkt. Procesy vyskytující se v palivových článcích. Colorado ZH2 má integrovaný pomocný náhon pro externí spotřebitele.
Pohonný systém je založen na palivových článcích s protonovou výměnnou membránou schopných generovat až 93 kW stejnosměrného proudu a baterii, která poskytuje dalších 35 kW pohonnému systému a nabíjí se během regenerativního brzdění. To vysvětluje manažer projektu GM ZH2 Christopher Kolkit.
"Nádrže vozidla pojmou asi 4,2 kg stlačeného vodíku při 10 000 psi, což je více než 689násobek atmosférického tlaku." Atmosférický vzduch je zdrojem kyslíku potřebného pro elektrochemický proces, v důsledku čehož vzniká potřebná elektřina; uvolňuje se pouze vodní pára, “poznamenal.
U všech systémů elektrického pohonu je dodávka energie ze zdroje na kola snazší než u tradičních vozidel. "ZH2 nemá přenos v obvyklém slova smyslu."Střídavý trakční motor s jednostupňovou převodovkou přenáší točivý moment přímo na převodovku a systém pohonu všech čtyř kol, “vysvětlil Kolkit.
Přenosná infrastruktura
Prostřednictvím tohoto programu centrum TARDEC také zkoumá, co by mohlo být alespoň částečným řešením problému s dostupností vodíku (infrastruktura). Jeho řešení zde podporuje skutečnost, že tento chemický prvek lze vyrobit různými způsoby z různých zdrojů. Podle zástupce centra TARDEC je v počáteční fázi prací na projektu ZH2 myšlenka získat stlačený vodík během reformování leteckého petroleje JP8 v přenosném reformátoru, který bude přesunut na každé testovací místo spolu s stroj, protože tím se zvýší počet vyřešených v této fázi úkolů.
"V současné době usilujeme o vytvoření reformátoru, který by k výrobě vodíku mohl využívat řadu místně dostupných zdrojů, jako je zemní plyn, proudové palivo JP8, nafta DF2 nebo propan," řekl. - K výrobě vodíku lze také použít místní elektrické sítě, včetně případně obnovitelných zdrojů energie, spolu s vodními zdroji. To by armádě umožnilo snížit množství paliva přiváděného do konkrétního operačního prostoru a spoléhat se na to, co je v tomto divadle k dispozici. “
Ať už jde o baterie, palivové články nebo smíšené dieselelektrické elektrárny jako hnací motor, převod elektrického proudu na pohon vpřed vyžaduje spolehlivé a účinné elektrické pohony. Britská společnost Magtec vyrábí elektrické pohonné systémy pro letecký, námořní a automobilový trh a nabízí například několik možností pro přestavbu nákladních vozidel na nové pohonné systémy.
Společnost však také vyvinula kompletní hnací ústrojí pro pásové a kolové platformy, aby předvedla hybridní technologie vyráběné společností BAE Systems Hagglunds pro britské a švédské obranné agentury na počátku roku 2000.
Pro platformy SEP (Splitterskyddad EnhetsPlattform), jak kolové, 6x6, tak pásové, vyvinula společnost motory s nábojovými koly (motorová kola), včetně dvoustupňového redukčního převodu a brzdového systému v každé z nich, dvougenerátorů, řídicího zařízení a distribuce energie. Pro SEP také vyvinula, nainstalovala a testovala software pro ovládání klíčových funkcí, jako je distribuce výkonu, kontrola trakce, elektronické uzávěrky diferenciálu a řízení, které umožňuje stroji zapnout se na místě. Kromě toho tento systém splňuje všechny vojenské EMC a ekologické předpisy.
Generální ředitel společnosti Magtec uvedl, že vidí dobrý růstový potenciál pro elektrická vozidla s prodlouženým dojezdem pro mise bojové podpory. Nové technologie zároveň přispívají k výraznému zlepšení mobility, snížení spotřeby paliva, větší redundanci a navíc umožňují přijímat originální rozhodnutí o rozvržení. Poznamenal také, že elektrický pohon zjednodušuje implementaci dálkového ovládání a autonomie.
Pokud jde o další vývoj potřebných technologií, poznamenal, že pohonné systémy jsou připraveny vstoupit na trh s vylepšenou výkonovou elektronikou (pro řízení pohonů pohonů) na bázi polovodičových obvodů z karbidu křemíku. Jsou nezbytné k ovládání vysokého napětí, na kterém fungují elektrické systémy nové generace. Ředitel společnosti Magtec poznamenal, že 24 voltů, při nichž většina moderních systémů pracuje, je nyní pro hlavní spotřebitele elektřiny příliš nízká (nárůst napětí umožňuje přenos většího množství energie kabely, aniž by se nadměrně zvyšoval proud).
Jedna společnost v oboru, GE Aviation, získala zakázku 2,1 milionu dolarů na vývoj a předvádění výkonové elektroniky z karbidu křemíku. Očekává se, že po 18měsíčním vývojovém programu společnost prokáže výhody své technologie FET na bázi oxidu kovu z karbidu křemíku v kombinaci se zařízeními z nitridu galia v 15 kW, 28/600 voltovém obousměrném DC / DC měniči.
Podle společnosti toto zařízení zvládne dvojnásobný výkon, přičemž zabírá poloviční objem ve srovnání se současnou křemíkovou výkonovou elektronikou, přičemž převodníky budou moci pracovat paralelně a být programovány v souladu se standardem CAN.
Společnost vyvíjí novou generaci energetické architektury vozidel od společnosti TARDEC, která ji označuje za převratnou technologii, a doufá, že do poloviny roku 2017 bude připravena ukázka technologie.
Dvojnásobná rychlost
Další průlomovou technologií je projekt Ground X-Vehicle Technology (GXV-T) agentury DARPA Defense Advanced Research Projects Agency, ve kterém budou hrát významnou roli elektrické systémy. Cílem projektu je snížit na polovinu velikost, hmotnost a počet posádky slibných obrněných vozidel, zdvojnásobit jejich rychlost, schopnost překonat 95% terénu a také snížit známky viditelnosti.
V červenci 2016 dala společnost DARPA společnosti Qinetiq investici ve výši 2,7 milionu dolarů na vylepšení technologie elektrických pohonných systémů pro projekt GXV-T. Společnost tuto technologii popisuje jako kompaktní a extrémně silné elektromotory uvnitř kol, které nahrazují různé převodovky, diferenciály a hnací hřídele. Tento přístup, uvedla společnost, dramaticky snižuje celkovou hmotnost platformy a otevírá nové možnosti designu, které zvýší bezpečnost a výkon.
Společnost Qinetiq zdůrazňuje, že kromě použití v nových konceptech, jako je GXV-T, může tato technologie také vylepšit možnosti stávajících vozidel během dodatečných úprav. Například vícekolové pěchotní vozidlo modernizované nábojovými pohony nebo motorovými koly „by mohlo těžit ze zvýšeného výkonu a mobility, které úspory hmotnosti poskytují, nebo naopak tyto úspory použít ke zlepšení ochrany, instalaci zařízení nebo zvýšení kapacity pro cestující."
Po investici následovala smlouva, vyhlášená v září 2015, podle které bude koncept převeden do skutečného designu a testován, načež budou vyrobeny dva plně funkční prototypy.
"Konvenční akční členy jsou poměrně těžké, mají omezenou kapacitu a jsou složeny z komponentů, které se v případě výbuchu v dole mohou proměnit v smrtící projektily," uvedl vedoucí výzkumu společnosti Qinetiq a komentoval smlouvu. „Přesunutí pohonů na kola tuto hrozbu odstraní a naruší tendenci vozidel být těžší a méně mobilní díky zvýšené úrovni ochrany a síle zbraní.“
Stávající stroje mohou také těžit z elektrifikace nepohonových subsystémů. Například německá společnost Jenoptik má dodat 126 elektrických systémů věžových a zbraňových stabilizačních systémů pro polský program modernizace tanku Leopard 2PL. Podle společnosti nahradí elektrické systémy hydraulické systémy na nádrži, čímž se sníží údržba a tvorba tepla.
Dodávky jsou splatné v letech 2017-2020 na základě smlouvy na 23 milionů dolarů podepsané s polskou Bumar Labédy v říjnu 2016. Stejná společnost Bumar Labedy podepsala v únoru 2017 dohodu o spolupráci na modernizaci tanků s německou společností Rheinmetall.
Jednou z činností společnosti Jenoptik je vývoj a výroba kompaktních stabilizovaných zbraňových / senzorových platforem, pohonných systémů pro věže a zbraně a zrcátek pro stabilizaci výhledu obrněných vozidel.
Například pohonný systém děla a věže pro velké zbraňové systémy se skládá z vodorovných a svislých naváděcích elektromotorů, které řídí zbraň v azimutu a výšce, v závislosti na signálech hlavních a záložních řídicích jednotek. Oba pohony zahrnují absolutní polohování střídavých synchronních motorů s nulovou vůlí mezi výstupním ozubeným kolem každého motoru a ozubeným sektorem sestavy zbraně.
Systém, schopný pracovat s napájecím napětím 28 a 610 voltů DC, může vrhat zbraň v každé rovině rychlostí až 60 ° / s nebo pomaleji než 0,2 mrad / s.
Řídicí jednotka pohonu v souladu se vstupními signály ze senzorů, ovládacích prvků a aktivního zaměřovače transformuje napájení na dvojici třífázových systémů, jeden pro každou z věží a naváděcích, stabilizačních a ovládacích servomotorů.
Podle zprávy výzkumné firmy IDTechEx z loňského roku bude mít světový trh s elektrifikací vozidel hodnotu 300 miliard dolarů. Tento růst, vedený zvýšením počtu ovladačů elektromotorů na vozidlo (jelikož řízení, odpružení a další dříve mechanické, pneumatické a hydraulické součásti nahradí elektrické systémy), poskytne technologický základ pro masový trh, čímž se sníží jejich náklady pro vojenská vozidla.
