Więcej mocy dla każdego samochodu
Technologia silników kołowych firmy Qinetiq dla projektu Ground X-Vehicle Techonology, oparta na koncepcji Urzędu DARPA
Rosnące zużycie energii przez systemy pokładowe pojazdów daje nowym technologiom szansę na wykorzystanie szansy na radykalną zmianę mocy i mobilności pojazdów wojskowych w przyszłości.
Ponieważ pojazd bojowy nowej generacji armii amerykańskiej prawdopodobnie będzie napędzany hybrydowo, przemysł po prostu potrzebuje programu na dużą skalę, aby mógł wykorzystać swoją technologię energetyczną, którą już opracował (wraz z nieuniknionymi udoskonaleniami), do większości działań bojowych pojazdy. Mucha w maści w tej beczce miodu polega jednak na tym, że według aktualnych planów armia planuje wprowadzić takie pojazdy do służby około 2035 roku. Poważne decyzje dotyczące jego konfiguracji najprawdopodobniej nie zapadną przed 2025 r., chyba że odpowiednie programy przyspieszą w czasie prezydentury Trumpa.
Ogromne potrzeby są doskonałym bodźcem do rozwoju nowych technologii, które z kolei mogą dostarczyć rozwiązań, które te potrzeby zaspokoją. Na przykład rosnące zapotrzebowanie na energię elektryczną na polu walki łączy się z koniecznością zmniejszenia obciążeń logistycznych związanych z dostawą paliwa, a także zwiększenia możliwości terenowych bojowych i bojowych sił wsparcia. Wszystko to przemawia na korzyść powszechnego zastosowania pomocniczych jednostek napędowych, inteligentnych sterowników silnika i hybrydowego napędu elektrycznego, a w rezultacie gwałtownego wzrostu mocy generowanej dla odbiorców zewnętrznych.
przezwyciężyć bezwładność
Dzięki wieloletniemu doświadczeniu w budowaniu demonstratorów technologii pojazdów hybrydowych dla różnych zakładów wojskowych i produkcji autobusów hybrydowych dla sektora cywilnego, BAE Systems jest w stanie dokładnie ocenić, gdzie ta technologia jest dzisiaj i co przyniesie jej przyszłość. To samo dotyczy firmy DRS Technologies, która również brała udział w wielu projektach demonstracyjnych. Tom Weaver, dyrektor handlowy w DRS Network Computing and Test Solutions, powiedział, że rynek wciąż ewoluuje i że zalety pojazdów elektrycznych muszą jeszcze pokonać bezwładność tradycyjnych pojazdów. Taka bezwładność ma negatywny wpływ na rozwój maszyn zdolnych do wytworzenia niezbędnej mocy dla odbiorców zewnętrznych, pomimo zapotrzebowania, które w ciągu ostatniej dekady wzrosło o „co najmniej 100%”.
„DRS współpracuje z różnymi klientami, aby zademonstrować maszyny z nowymi technologiami zintegrowanymi w różnych próbach terenowych. Udane demonstracje i pozytywne opinie użytkowników nie doprowadziły do rozmieszczenia takich pojazdów w wojsku, co więcej, wymagania dla nich nie zostały nawet opracowane. Ale popyt mimo wszystko będzie rósł, zwłaszcza na operacje spedycyjne i specjalistyczne maszyny, na przykład z systemami broń skierowana energia.
DRS oferuje teraz pokładowy system zasilania dla średniego pojazdu taktycznego (MTV) i sprzętu HMMWV w postaci generatora integralnego skrzyni biegów, opracowanego we współpracy z Allison. Ten system, zainstalowany na przykład na ciężarówce MTV, generuje do 125 kW mocy dla systemów pokładowych lub zewnętrznych. Firma produkuje również inne systemy zarządzania energią do różnych pojazdów. Główny inżynier Andrew Rosenfield z BAE Systems, która również produkuje podobne systemy, mówi, że jest mało prawdopodobne, aby pojazdy z napędem wyłącznie elektrycznym odgrywały główną rolę w walce naziemnej, głównie z powodu problemów z ładowaniem akumulatorów.
„Chociaż technologia układu napędowego do obsługi całkowicie elektrycznej jest dobrze ugruntowana, problem tankowania może uniemożliwić wysyłanie pojazdów z napędem wyłącznie elektrycznym do rzeczywistej walki” – kontynuował. „W końcu olej napędowy jest dostępny w dowolnym miejscu na świecie, podczas gdy znalezienie stacji ładowania akumulatorów na pustyni jest bardzo problematyczne, ale nawet jeśli ją znajdziesz, czekanie osiem godzin na pełne naładowanie jest prawdopodobnie niewykonalnym przedsięwzięciem”.
Weaver zgodził się, że prawdopodobnie będą dominować pojazdy hybrydowe, powołując się również na ograniczenia czystej infrastruktury ładowania pojazdów elektrycznych oraz wszechobecność oleju napędowego i paliwa do silników odrzutowych JP8. Rosenfield podkreślił jednak, że w bazach wojskowych dużą rolę mogą odgrywać pojazdy czysto elektryczne, które mogą przenosić ładunki, tak jak ma to miejsce w nowoczesnych przedsiębiorstwach czy na lotniskach (ciągniki lotniskowe). „Pojazdy na ogniwa paliwowe najprawdopodobniej byłyby w stanie wykonywać takie zadania, ponieważ potrzebują bezpłatnego dostępu do dostaw wodoru” – powiedział.
Weaver wierzy, że pojazdy z ogniwami paliwowymi mają przed sobą trudną drogę. „Po pierwsze, nie ma jeszcze infrastruktury gazowej wodoru i będzie pewien brak zaufania do wdrażania nowego paliwa. Ścieżka takich maszyn rozpocznie się od dobrze zorganizowanych operacji ekspedycyjnych.
Obwody hybrydowe są również bardziej dojrzałe niż czysto elektryczne i mają kilka cech, które czynią je bardziej atrakcyjnymi niż maszyny czysto elektryczne i tradycyjne maszyny napędzane mechanicznie. „Po pierwsze, hybrydowe platformy elektryczne wykorzystują to samo paliwo, co tradycyjne pojazdy z silnikiem Diesla. Po drugie, moment obrotowy przy niskich obrotach silnika elektrycznego jest idealny dla maszyny poruszającej się po nierównym terenie lub wspinającej się po bardzo stromym zboczu.”
Dodał, że zdolność do generowania dużych ilości energii elektrycznej na pokładzie staje się coraz ważniejsza w miarę wdrażania nowych możliwości, takich jak systemy łączności i uzbrojenia wykorzystujące potężne lasery. Możliwość eksportu tej energii jest również ogromną zaletą, ponieważ maszyny te mogą zasilać społeczności i szpitale, których własne sieci energetyczne uległy awarii w wyniku zniszczeń w bitwach lub klęsk żywiołowych.
„Wreszcie zmniejszenie kosztów eksploatacji i konserwacji związane ze znacznymi oszczędnościami paliwa i większą niezawodnością sprawia, że pojazdy hybrydowo-elektryczne są inteligentnym i długoterminowym wyborem”.
Integralny generator przekładni opracowany przez Allison Transmission i DRS może dostarczyć dodatkową moc do istniejących pojazdów opancerzonych
Potrzeby energetyczne
Jak zauważył Weaver, zapotrzebowanie na energię elektryczną na pokładach pojazdów wojskowych nigdy nie zmalało, będzie tylko rosło z roku na rok. „Nowsze systemy funkcjonalne wymagają coraz większej mocy z platformy przewoźnika, a także ciągłej modernizacji systemów wytwarzania i dystrybucji energii w obecnych pojazdach”.
„Po dodaniu funkcji, takich jak cichy ruch, radar, zaawansowana komunikacja, zagłuszanie sygnału i pancerz elektromagnetyczny lub broń, platforma zaczyna spełniać wymagania, a proces ten staje się niemożliwy do zarządzania bez przejścia na hybrydowy obwód elektryczny. W najbliższej dekadzie, dla wszystkich wozów bojowych, jednym z najważniejszych komponentów będzie zdolność do generowania dużej ilości energii elektrycznej na pokładzie.
„Pojazdy z napędem elektrycznym muszą wykonywać swoją pracę tak samo, jak ich tradycyjne mechaniczne odpowiedniki, a nawet lepiej” – kontynuował. - Systemy napędzane elektrycznie są nie tylko znacznie prostsze i mają mniej ruchomych części w porównaniu z systemami napędzanymi mechanicznie, ale często mają zaskakująco dobry poziom redundancji, co czyni je bardziej niezawodnymi. Na przykład większość poprzecznych przekładni elektrycznych może działać z jednym silnikiem, nie działającym w normalnym stopniu”.
Weaver powiedział, że kluczowe technologie pielęgnowane w transporcie publicznym już istnieją i są gotowe do wprowadzenia na rynek. „Szerokie zastosowanie obwodów hybrydowych i elektrycznych, zwłaszcza w autobusach międzymiastowych i tramwajach, doprowadziło do rozwoju sterowników silników, falowników i przekształtników, które są zbliżone do potrzeb wojska” – powiedział. „Wszystkie potrzeby branży to klienci, którzy są gotowi zapłacić za proces kwalifikacji i wystarczają, aby obniżyć koszty”.
W międzyczasie trwają prace demo. General Motors (GM) na targach AUSA w październiku 2016 r. pokazał „gotową do drogi” wersję swojego pojazdu Chevrolet Colorado ZH2 na ogniwa paliwowe, opartego na rozszerzonym podwoziu pickupa średniej wielkości. Zgodnie z harmonogramem Colorado ZH2, przy pomocy Centrum Badawczo-Rozwojowego TARDEC Armored Center, w 2017 roku musi przejść szereg testów wojskowych „w ekstremalnych warunkach eksploatacyjnych”.
Był to program przyspieszony. GM i TARDEC, współpracując ze sobą, zbudowały demonstrator niecały rok po podpisaniu umowy. „Szybkość, z jaką można zademonstrować i docenić innowacyjne pomysły, jest bardzo szybka, dlatego powiązania przemysłowe są tak ważne dla wojska” – powiedział dyrektor TARDEC Paul Rogers. „Ogniwa paliwowe mają potencjał, aby znacznie rozszerzyć możliwości pojazdów wojskowych poprzez cichą pracę, generowanie energii dla odbiorców zewnętrznych i stabilny moment obrotowy – wszystkie te zalety sprawiają, że konieczne jest dokładniejsze zbadanie tej technologii”.
„ZH2 pozwala armii zademonstrować i ocenić gotowość technologii ogniw paliwowych do zastosowań wojskowych, a jednocześnie odpowiedzieć na pytanie, jak użyteczne mogą być pojazdy elektryczne z ogniwami paliwowymi w określonych warunkach i w określonych misjach bojowych” – powiedział Doug Hallo, rzecznik prasowy TARDEC.
Oczekiwane korzyści, które TARDEC powinien ocenić, obejmują prawie bezgłośną pracę umożliwiającą cichy nadzór, zmniejszone sygnatury termiczne, wysoki moment obrotowy kół przy wszystkich prędkościach, niskie zużycie paliwa w całym zakresie roboczym oraz wodę pitną jako produkt uboczny procesów chemicznych zachodzących w ogniwach paliwowych . Colorado ZH2 ma na pokładzie przystawkę odbioru mocy dla odbiorców zewnętrznych.
Elektrownia oparta jest na ogniwach paliwowych opartych na membranach wymiany protonów, zdolnych do generowania prądu stałego o mocy do 93 kW oraz akumulator, który zapewnia dodatkowe 35 kW dla elektrowni i jest ładowany podczas hamowania regeneracyjnego. Mówi o tym Christopher Kolkit, kierownik projektu ZH2 w GM.
„Zbiorniki samochodowe przechowują około 4,2 kg sprężonego wodoru pod ciśnieniem 10000 689 psi, czyli ponad XNUMX razy więcej niż ciśnienie atmosferyczne. Powietrze atmosferyczne jest źródłem tlenu niezbędnego do procesu elektrochemicznego, w wyniku którego wytwarzana jest wymagana energia elektryczna; w tym przypadku uwalniana jest tylko para wodna” – zauważył.
W przypadku wszystkich elektrycznych układów napędowych dostarczanie mocy ze źródła na koła jest łatwiejsze niż w przypadku konwencjonalnych pojazdów. „ZH2 nie posiada transmisji w zwykłym znaczeniu tego słowa. Silnik trakcyjny prądu przemiennego z jednostopniową skrzynią biegów przekazuje moment obrotowy bezpośrednio do skrzyni rozdzielczej i układu napędu na cztery koła” – wyjaśnił Kolkit.
Ogniwo paliwowe Chevrolet Colorado ZH2 może w przyszłości rozszerzyć zakres ogniw paliwowych w pojazdach wojskowych
Przenośna infrastruktura
W ramach tego programu TARDEC bada również, co może być przynajmniej częściowym rozwiązaniem problemu dostępności wodoru (infrastruktury). Jego rozwiązaniu sprzyja tutaj fakt, że ten pierwiastek chemiczny można wytwarzać na różne sposoby z różnych źródeł. Według przedstawiciela Centrum TARDEC, na początkowym etapie prac nad projektem ZH2 chodzi o otrzymywanie sprężonego wodoru w procesie reformingu nafty lotniczej JP8 w przenośnym reformerze, który wraz z maszyną przeniesie się na każde stanowisko badawcze. , ponieważ zwiększy to liczbę rozwiązanych na tym etapie zadania.
„Obecnie chcemy zbudować reformer, który może korzystać z różnych dostępnych lokalnie źródeł, takich jak gaz ziemny, lotnictwo Powiedział, że nafta JP8, olej napędowy DF2 lub propan do produkcji wodoru. - Do produkcji wodoru można wykorzystać także lokalne sieci elektryczne, w tym ewentualnie odnawialne źródła energii, wraz z zasobami wodnymi. Pozwoliłoby to armii na zmniejszenie ilości paliwa dostarczanego na konkretny teatr działań i poleganie na tym, co jest dostępne na tym teatrze.
Niezależnie od tego, czy chodzi o akumulatory, ogniwa paliwowe, czy mieszany napęd dieslowo-elektryczny jako główny napęd, przekształcanie prądu elektrycznego w napęd wymaga niezawodnych i wydajnych napędów elektrycznych. Brytyjska firma Magtec produkuje elektryczne układy napędowe dla rynku lotniczego, morskiego i motoryzacyjnego, oferując na przykład kilka opcji konwersji do samochodów ciężarowych z nowymi układami napędowymi.
Jednak firma opracowała również kompletne układy napędowe dla gąsienicowych i kołowych platform demonstracyjnych technologii hybrydowej produkowanych przez BAE Systems Hagglunds dla brytyjskich i szwedzkich departamentów obrony na początku XXI wieku.
Dla platform SEP (Splitterskyddad EnhetsPlattform), zarówno kołowych 6x6, jak i gąsienicowych, firma opracowała silniki elektryczne (koła silnikowe) wbudowane w piasty kół, w tym dwustopniową skrzynię biegów i układ hamulcowy w każdym, podwójne generatory, sterowanie i zasilanie sprzęt dystrybucyjny. Dla firmy SEP opracowała, zainstalowała i przetestowała również oprogramowanie do sterowania kluczowymi funkcjami, takimi jak rozdział mocy, kontrola trakcji, elektroniczne blokady mechanizmu różnicowego i układ kierowniczy, który umożliwia maszynie skręcanie w miejscu. Ponadto system ten jest zgodny ze wszystkimi wojskowymi przepisami EMC i ochrony środowiska.
Platformy kołowe i gąsienicowe SEP
Dyrektor generalny Magtec powiedział, że widzi duży potencjał wzrostu dla pojazdów elektrycznych o dużym zasięgu, zaprojektowanych do misji wsparcia bojowego. Jednocześnie nowe technologie przyczyniają się do znacznej poprawy mobilności, zmniejszenia zużycia paliwa, większej redundancji, a także umożliwiają podejmowanie oryginalnych decyzji dotyczących układu. Zauważył również, że napęd elektryczny ułatwia realizację pracy zdalnej i autonomię.
Odnośnie dalszego rozwoju niezbędnych technologii zauważył, że układy napędowe są gotowe do wejścia na rynek z ulepszoną energoelektroniką (do sterowania napędami mocy) opartą na obwodach półprzewodnikowych z węglika krzemu. Są one potrzebne do kontrolowania wysokiego napięcia, na którym pracuje nowa generacja systemów elektrycznych. Dyrektor Magtec zauważył, że 24 wolty, na których pracuje większość nowoczesnych systemów, są teraz zbyt małe dla głównych odbiorców energii elektrycznej (zwiększenie napięcia pozwala na przesyłanie większej ilości energii przez kable bez zbyt dużego wzrostu prądu).
Jedna firma w tej dziedzinie, GE Aviation, otrzymała kontrakt o wartości 2,1 miliona dolarów na opracowanie i demonstrację elektroniki mocy z węglika krzemu. Pod koniec 18-miesięcznego programu rozwojowego firma ma zaprezentować zalety technologii FET z węglika krzemu z tlenku metalu w połączeniu z urządzeniami z azotku galu, zaimplementowanymi w dwukierunkowej przetwornicy DC/DC o mocy 15 kW, 28/600 V.
Sprzęt jest w stanie obsłużyć dwukrotnie większą moc na połowę mniej niż obecne krzemowe energoelektronika, podczas gdy konwertery będą mogły pracować równolegle i być programowane zgodnie ze standardem CAN, podała firma.
Firma opracowuje architekturę zasilania pojazdów nowej generacji TARDEC, nazywając ją przełomową technologią i ma nadzieję, że demonstracja tej technologii będzie gotowa do połowy 2017 roku.
Polski czołg Leopard 2A4 przygotowuje się do modernizacji, w tym technologii elektrycznej od Jenoptik
Podwójna prędkość
Kolejną przełomową technologią jest projekt Ground X-Vehicle Technology (GXV-T) DARPA, w którym systemy elektryczne będą odgrywać znaczącą rolę. Celem projektu jest zmniejszenie o połowę gabarytów, masy i liczby załogi zaawansowanych pojazdów opancerzonych, podwojenie ich prędkości, możliwości pokonywania 95% terenu, a także zmniejszenie znaków widoczności.
Koncepcja technologii naziemnego pojazdu X
W lipcu 2016 r. DARPA przyznała firmie Qinetiq inwestycję w wysokości 2,7 miliona dolarów na udoskonalenie technologii elektrycznego układu napędowego dla projektu GXV-T. Technologia jest opisywana przez firmę jako kompaktowe i niezwykle mocne silniki elektryczne wewnątrz kół, które zastępują różne skrzynie biegów, dyferencjały i wały napędowe. Takie podejście, jak twierdzi firma, drastycznie zmniejsza całkowitą wagę platformy i otwiera nowe możliwości projektowe, które poprawią bezpieczeństwo i wydajność.
Qinetiq podkreśla, że oprócz zastosowania w nowych koncepcjach, takich jak GXV-T, technologia ta może również zwiększyć możliwości istniejących pojazdów w ramach modernizacji. Na przykład wielokołowy pojazd piechoty zmodernizowany o napędy piast lub silniki kół „może skorzystać ze zwiększonej mocy i mobilności, które zapewnia redukcja masy, lub odwrotnie, wykorzystać te oszczędności do zwiększenia poziomu ochrony, instalacji wyposażenia lub zwiększenia liczby pasażerów Pojemność."
W ślad za inwestycją podpisano umowę ogłoszoną we wrześniu 2015 roku, zgodnie z którą koncepcja ta zostanie przełożona na rzeczywisty projekt i przetestowana, po czym zostaną wykonane dwie pełnoprawne próbki robocze.
– Konwencjonalne siłowniki są dość ciężkie, mają ograniczenia objętościowe i zawierają elementy, które po trafieniu przez minę mogą zamienić się w śmiercionośne pociski – powiedział szef działu badań i rozwoju Qinetiq, komentując kontrakt. „Przeniesienie napędów na koła usuwa to zagrożenie i przełamuje trend, gdy maszyny stają się cięższe i mniej mobilne ze względu na wzrost poziomu ochrony i mocy broni.”
Istniejące pojazdy mogą również skorzystać na elektryfikacji podsystemów nienapędowych. Na przykład niemiecka firma Jenoptik ma dostarczyć 126 elektrycznych systemów stabilizacji wieży i uzbrojenia dla polskiego programu modernizacji. czołgi Lampart 2PL. Według firmy układy elektryczne zastąpią układy hydrauliczne na zbiorniku, zmniejszając tym samym konserwację i wytwarzanie ciepła.
Dostawy powinny nastąpić w latach 2017-2020 w ramach kontraktu o wartości 23 mln USD podpisanego z Bumar Łabędy w październiku 2016 roku. Sam Bumar Labora podpisał umowę o współpracy w zakresie modernizacji czołgów z niemiecką firmą Rheinmetall w lutym 2017 roku.
Jedną z działalności firmy Jenoptik jest rozwój i produkcja kompaktowych stabilizowanych platform uzbrojeniowo-czujnikowych, systemów napędowych do wież i uzbrojenia oraz jednostek lustrzanych stabilizujących pole widzenia pojazdów opancerzonych.
Na przykład system napędu armaty i wieży dla dużych systemów uzbrojenia składa się z silników elektrycznych naprowadzania poziomego i pionowego, które prowadzą armatę odpowiednio w azymucie i elewacji, w zależności od sygnałów z głównej i zapasowej jednostki sterującej. Oba napędy są wyposażone w bezszczotkowe silniki synchroniczne z pozycjonowaniem absolutnym, z zerowym luzem między przekładnią wyjściową każdego silnika a sektorem przekładni bloku uzbrojenia.
System, zdolny do działania przy napięciu 28 i 610 V DC, może rzucać działo w każdą płaszczyznę z prędkością do 60°/s lub mniejszą niż 0,2 mrad/s.
Jednostka sterująca napędem, zgodnie z przychodzącymi sygnałami z czujników, sterowań i aktywnego celownika, przekształca zasilanie w parę układów trójfazowych, po jednym dla każdego z siłowników dla trybu naprowadzania, stabilizacji i wykonania wieży i broń.
Według raportu firmy badawczej IDTechEx opublikowanego w zeszłym roku globalny rynek elektryfikacji pojazdów będzie wart 2026 miliardów dolarów do 300 roku. Ten wzrost, napędzany wzrostem liczby sterowników silników elektrycznych przypadających na pojazd (ponieważ układy kierownicze, zawieszenia i inne wcześniej mechaniczne, pneumatyczne i hydrauliczne części zastępują układy elektryczne), stworzy bazę technologiczną dla rynku masowego, zmniejszając w ten sposób ich koszt pojazdów wojskowych.
Użyte materiały:
www.shephardmedia.com
www.qinetiq.com
www.leonardodrs.com
www.allisontransmission.com
www.gm.com
www.jenoptik.com
www.armia.mil
www.baesystems.pl
www.saabgroup.com
www.wikipedia.org
pl.wikipedia.org
informacja