Stawką mobilności: zwycięstwo „hybryd” wciąż budzi wątpliwości
BMP "Puma" armii niemieckiej potrzebował jednostki napędowej, która mogłaby zaoferować większą moc, mieszczącą się w ograniczonej objętości. MTU 10V 890 spełnia to wymaganie, zapewniając wyjątkową gęstość mocy
Doskonała mobilność w najtrudniejszych warunkach to najważniejsza cecha wszystkich pojazdów wojskowych. Jednak osiągnięcie tego w przypadku pojazdów opancerzonych jest znacznie trudniejsze, ale niezwykle ważne jest, aby mogły z powodzeniem wykonywać swoje zadania.
Mobilność jest bardzo ważna dla pojazdów opancerzonych, ale jednocześnie konkuruje z innymi ważnymi cechami, takimi jak np. zapewnienie przeżywalności pojazdu i załogi. I tutaj ten wymóg może łatwo kolidować z wymogiem zachowania mobilności. Jest jednak jasne, że żołnierze, których bezpieczeństwo zależy od takich pojazdów, potrzebują zwiększonej zdolności terenowej, szybszego przyspieszenia i większej prędkości, a wszystko to bez negatywnego wpływu na przeżywalność. Takie potrzeby wymuszają rozwój nowych układów napędowych i podwozi w celu znalezienia optymalnych rozwiązań, które sprostają tym często sprzecznym wymaganiom. Aby je jednak spełnić, konieczne jest połączenie i zrównoważenie szeregu parametrów projektowych. Należą do nich charakterystyka układu zawieszenia, która bezpośrednio wpływa na jakość ruchu, powierzchnia nośna gąsienic lub kół, która decyduje o nacisku na podłoże, prześwit pojazdu oraz moc silnika. Uważa się, że ostatnia cecha jest najważniejsza i najtrudniejsza do osiągnięcia. Wynika to z faktu, że nawet w kwestii generowania i dystrybucji mocy silnika konstruktor musi iść na kompromisy, a czasem nawet nadepnąć na gardło własnej piosenki. Zwiększanie mocy w pojazdach opancerzonych jest ograniczane przez takie czynniki jak objętość komory silnika, konieczność utrzymywania rezerwy mocy, ograniczenia wagowe oraz konieczność zaspokojenia zapotrzebowania mocy systemów pokładowych, np. sprzętu łączności, systemy nawigacyjne, czujniki oraz aktywne i pasywne systemy ochrony.
Pilnie potrzebna jest skuteczna ochrona przed współczesnymi, zmieniającymi się zagrożeniami, zwłaszcza tymi, które stawiają największe wymagania zespołowi napędowemu i podwoziu maszyny. Ochrona prawie nieuchronnie oznacza zbroję, a zbroja zwiększa masę. Istnieje sprzeczność, która zmusza do niewygodnych kompromisów: wraz ze wzrostem poziomu zagrożeń, poziom ochrony również musi wzrosnąć. Wzrost poziomu ochrony z reguły przekłada się na konieczność dodatkowego opancerzenia, a dodatkowy pancerz może przyczynić się do wzrostu masy pojazdu. Utrzymanie lub poprawienie właściwości jezdnych pojazdu opancerzonego nieuchronnie pociąga za sobą wzrost mocy silnika oraz sprawności połączonych z nim przekładni i napędów. Jednak masa pojazdu zależy również od jego wielkości: im większy pojazd i powierzchnia, która musi być opancerzona, tym jest cięższy. W związku z tym nowa jednostka napędowa (silnik z przekładnią i napędami) powinna nie tylko być mocniejsza, ale przynajmniej zmieścić się w przydzielonej objętości lub, najlepiej, mieć mniejszą objętość całkowitą. Kryterium to jest przede wszystkim absolutne dla jednostek napędowych przeznaczonych do modernizacji istniejących pojazdów opancerzonych, ale jest również bardzo pożądane dla nowych platform.
Pojazdy opancerzone, takie jak ten czołg podstawowy Leopard 2A, stawiają specjalne wymagania projektantom silników i skrzyń biegów. Potrzebują więcej mocy, aby zmieścić się w najmniejszej możliwej objętości.
Powszechnie akceptowaną wartością poziomu mobilności zapewnianego przez pojazd opancerzony jest tzw. moc właściwa lub stosunek mocy (najczęściej w koniach mechanicznych) do masy pojazdu. Stosunek ten, chociaż nie uwzględnia wszystkich możliwych czynników determinujących ruchliwość, jest odpowiednim, choć zgrubnym kryterium, przydatnym zarówno jako parametr projektowy, jak i narzędzie do porównywania różnych maszyn. Z reguły im większa moc właściwa, na przykład w KM. na tonę, tym lepsze będą ogólne właściwości jezdne maszyny. Pomimo tego, że przy ocenie pojazdu często bierze się pod uwagę jego prędkość maksymalną, to dla pojazdu bojowego przyspieszenie czy reakcja silnika (zdolność do szybkiego i płynnego przejścia od stabilnej pracy przy minimalnej mocy do maksymalnej mocy) może być naprawdę dużo. ważniejsza charakterystyka. Często pomijana w osiągach pojazdu, zdolność szybkiego przyspieszania i szybkiego przemieszczania się w bezpieczne miejsce w odpowiedzi na ruchy ataku jest bezcenna. Wpływa bezpośrednio na przeżywalność pojazdu i jego załogi. W ten sposób dostępna moc przyczynia się nie tylko do zwiększenia mobilności, ale także do przeżywalności, zwłaszcza w połączeniu ze środkami samoobrony, w tym wykrywaniem strzałów i czujnikami promieniowania laserowego, a także pasywnymi i aktywnymi środkami zaradczymi.
W zespole napędowym pojazdu opancerzonego niezwykle ważne jest osiągnięcie wymaganej mocy wyjściowej w jak najmniejszej ilości. Kluczowym czynnikiem wpływającym na wzrost masy maszyny jest powierzchnia, która wymaga opancerzenia.
Moc w małym
Pomimo pojedynczych przypadków zastosowania silników turbogazowych, takich jak np. w rodzinie głównej walki czołgi (OBT) M1 Abrams produkcji General Dynamics, najpopularniejszym silnikiem do pojazdów opancerzonych nadal jest silnik wysokoprężny, a raczej wielopaliwowy silnik wysokoprężny. Jednym z liderów w produkcji jednostek napędowych jest niemiecka firma MTU. Jej zintegrowane podejście polega na tym, że jedna „jednostka napędowa” obejmuje nie tylko silnik, przekładnię i napędy, ale także podsystemy do dostarczania powietrza i jego filtrowania, chłodzenia, wytwarzania energii elektrycznej i innych. Każdy z elementów jednostki napędowej jest starannie zaprojektowany i zmontowany w celu uzyskania najbardziej kompaktowego i wydajnego rozwiązania. MTU zdaje sobie sprawę, że dla projektanta i integratora pojazdów bojowych stosunek mocy do objętości jest czynnikiem krytycznym. Giovanni Spadaro, szef SOEs w MTU, wyjaśnił, że dla nich „integracja wszystkich komponentów w jeden system jest bardzo ważna, niestrudzenie rozwijamy naszą filozofię symbiotycznego rozwoju wszystkich części opracowanego rozwiązania. Dla nas oznacza to, że dosłownie wszystko, architektura, koncepcja, oprogramowanie i wszystkie parametry mają na celu poprawę wydajności finalnej kompletnej jednostki napędowej. Wpływ tego podejścia na ostateczną platformę jest ogromny, biorąc pod uwagę ścisłą współpracę z głównymi producentami pojazdów wojskowych, takimi jak Krause-Mafei Wegmann (KMW), Nexter, BAE Systems i General Dynamics. Przedstawiciel General Dynamics Land Systems wyjaśnił: „Jeśli chodzi o jednostkę napędową, większa moc jest lepsza, mniejsza jest lepsza, tańsza jest ogólnie doskonała, ale z obowiązkowym wzrostem poziomu bezpieczeństwa, niezawodności, bezgłośności i łatwości konserwacji”.
MTU wykazało, że adaptacja i modyfikacja do celów wojskowych komercyjnych jednostek napędowych nadaje się do lekkich i średnich pojazdów opancerzonych, na przykład czteroosiowego bojowego transportera opancerzonego ARTEC Boxer, który jest wyposażony w silnik wysokoprężny MTU 8V199 TE20. Jednak cięższe pojazdy opancerzone i czołgi wymagają własnych silników, takich jak np. silniki serii 880 i 890, zaprojektowane specjalnie do montażu na ciężkich platformach wojskowych. Możliwości nowoczesnych jednostek napędowych demonstruje gąsienicowy bojowy wóz piechoty Puma. Spadaro powiedział, że „jednostka napędowa MTU do Pumy obejmuje skrzynię biegów, rozrusznik/alternator oraz układy chłodzenia i oczyszczania powietrza. Silnik wysokoprężny MTU 10V 890 słynie z bardzo dużej gęstości mocy i kompaktowych wymiarów. W porównaniu z innymi silnikami wojskowymi tej samej klasy mocy masa i objętość zostały zmniejszone o około 60 procent”. Dyrektor Special Motors w MTU skomentował, że „Ta jednostka jest bardziej kompaktowa niż jakakolwiek poprzednia jednostka napędowa”. Zalety silników MTU są szczególnie widoczne podczas instalowania jednostek napędowych w maszynach poprzednich generacji. Jej silniki z gamy EuroPowerPack zostały wykorzystane przez francuską firmę GIAT (obecnie Nexter) do wymiany silników czołgów Leclerc-EAU dla Zjednoczonych Emiratów Arabskich. Silniki z tej rodziny są również instalowane na czołgu podstawowym Challenger-2E, oszczędzając znaczną objętość przy jednoczesnym zwiększeniu rezerwy mocy dzięki zmniejszonemu zużyciu paliwa.
Firma Caterpillar, znana z ciężkiego sprzętu budowlanego, stała się głównym dostawcą silników do pojazdów taktycznych i opancerzonych. Jej propozycje dla wojska opierają się na gotowych systemach komercyjnych działających w wielu krajach na całym świecie. Stąd znaczące korzyści - redukcja kosztów związanych z wielkościami produkcji oraz dostępność wsparcia technicznego. Niemniej jednak znane są również rozwiązania firmy do zastosowań wojskowych, na przykład silnik C9.3 o zwiększonej gęstości mocy 600 KM. Jednak prawdziwą innowacją jest to, że C9.3 jest w stanie zmienić swoją moc znamionową. Aby spełnić rygorystyczne europejskie wymagania dotyczące emisji Euro-III, przełącza się w tryb zredukowany do 525 KM. moc. Caterpillar zauważa, że „Zaletą jest to, że użytkownik może wybrać tryb pracy. Możliwe jest osiągnięcie maksymalnej wydajności podczas aktywnej pracy w terenie, ale podczas szkolenia lub podczas pracy na obszarach zamieszkanych przez ludność cywilną istnieje możliwość przełączenia w tryb kontroli emisji. W rzeczywistości to „przełączanie” jest zakorzenione w technologii opracowanej przez firmę Caterpillar dla systemów komercyjnych.
Firma jest konsekwentnie wybierana do programów wymiany i modernizacji istniejących flot pojazdów opancerzonych. Na przykład, jego silnik CV8 jest obecnie instalowany w pojazdach bojowych piechoty typu Warrior, gąsienicowych armii brytyjskiej. Prace te są realizowane w ramach umowy z Lockheed Martin na modernizację maszyny do standardu WCSP (Warrior Capability Sustainment Program), co przedłuży eksploatację maszyn do 2040 roku. Caterpillar zmienia również silnik pojazdów opancerzonych Stryker o mocy 350 KM armii amerykańskiej. na silniku C9 o mocy 450 KM. Nowy silnik „pasuje” do objętości, którą zajmował poprzedni silnik. Ta wymiana jest częścią propozycji zmian technicznych ECP-1 General Dynamics, która obejmuje alternator 910 A, ulepszenia zawieszenia i inne ulepszenia.
Zmilitaryzowane silniki Caterpillar są oparte na specjalnie zaprojektowanych silnikach do ciężkich pojazdów użytkowych. Pozwala to uzyskać korzyści pod względem kosztów, logistyki i dostępności. Silnik C9, będący częścią programu modernizacji pojazdów opancerzonych Stryker, jest również szeroko stosowany w pojazdach budowlanych.
Napędy elektryczne
Tradycyjnie moc z silnika jest przenoszona mechanicznie na koła lub gąsienice. Napędy elektryczne zastępują to fizyczne połączenie silnikami elektrycznymi umieszczonymi w kołach napędowych lub zębatkach. Energia potrzebna do napędzania tych silników elektrycznych może pochodzić z akumulatorów, silnika spalinowego lub obu. Podejście „hybrydowe” wykorzystuje albo silnik wysokoprężny, albo silnik z turbiną gazową, który bez połączeń mechanicznych można teraz zamontować w dowolnym miejscu na podwoziu, dając projektantom większą swobodę projektowania. Możliwe jest również zainstalowanie dwóch silników, co BAE Systems wdrożyło na swoim mobilnym stanowisku testowym HED (Hybrid Electric Drive). Rzecznik BAE Systems Deepak Bazaz zauważył, że dwa silniki HED są podłączone do generatorów i akumulatorów, co pozwala mu pracować w różnych trybach: jeden silnik pracuje na biegu jałowym, aby oszczędzać paliwo, dwa silniki pracują, gdy potrzebna jest większa moc, lub w trybie cichym samochód ogląda. działa tylko na bateriach. Koncepcja HED została wdrożona na platformie gąsienicowej AMPV (Armored Multipurpose Vehicle), ale planuje się, że będzie skalowalna i używana na maszynie dowolnej kategorii wagowej, zarówno kołowej, jak i gąsienicowej. Eksperymentalna elektrownia HED została sfinalizowana przez BAE Systems dla koncepcji hybrydowej Northrop Grumman jako część jej propozycji dla naziemnego pojazdu bojowego GCV (Ground Combat Vehicle) armii amerykańskiej.
Praca Organizacji Badań nad Technologią NATO stwierdza: „Osiągi hybrydowych pojazdów elektrycznych pod względem prędkości, przyspieszenia, zdolności wspinania się i ciszy są lepsze niż w przypadku pojazdów napędzanych mechanicznie… podczas gdy oszczędność paliwa może wynosić od 20 do 30 procent” . Silniki elektryczne zapewniają również niemal natychmiastowe przyspieszenie, dobrą reakcję przepustnicy i lepszą przyczepność. Ta ostatnia zależy bezpośrednio od lepszego momentu obrotowego, który jest nieodłączny od silników elektrycznych. W przypadku pojazdów wojskowych oznacza to kilka zalet: szybszy czas reakcji podczas przechodzenia do osłony, trudniejsze trafienie i lepszą zdolność do przełajów. Jednostka HED jest zasilana dwoma sześciocylindrowymi silnikami, specjalnie zaprojektowaną skrzynią biegów firmy QinetiQ oraz 600-woltowymi akumulatorami litowo-jonowymi.
Innym atrakcyjnym aspektem napędu elektrycznego jest jego zdolność do generowania wydajniejszej i większej ilości energii elektrycznej. Elektrownia platformowa GCV firmy Northrop Grumman/BAE Systems będzie w stanie dostarczyć 1100 kilowatów, aczkolwiek znacznie mniejsza i lżejsza niż konwencjonalne jednostki napędowe. Ponieważ jednak magazynowanie energii jest ważną częścią hybrydowego napędu elektrycznego, niedopasowanie nowoczesnych akumulatorów staje się poważnym problemem. Dlatego obecnie rozważa się kilka rodzajów zaawansowanych akumulatorów o wyższej gęstości energii do pojazdów hybrydowych, w tym litowo-jonowy, niklowo-wodorkowy, niklowo-sodowy i litowo-polimerowy. Jednak wszystkie z nich są wciąż na etapie rozwoju technologii i mają pewne wady, które należy usunąć, zanim zostaną uznane za odpowiednie do zastosowań wojskowych. Kolejnym obszarem prac, który należy rozwinąć, aby napędy hybrydowe mogły być masowo instalowane na pojazdach opancerzonych, jest usunięcie ograniczeń konstrukcyjnych nowoczesnych silników trakcyjnych. Chociaż z powodzeniem zintegrowano je z prototypami demonstracyjnymi typu HED, systemy te mają ograniczenia pod względem rozmiaru, wagi i chłodzenia. Dopóki te problemy nie zostaną rozwiązane, wszystkie obwody elektryczne, pomimo swoich zalet, pozostaną iluzją dla pojazdów opancerzonych.
Jednak wiele organizacji badawczych pozostaje zainteresowanych koncepcją napędu elektrycznego. Na przykład, zgodnie z kontraktami Agencji Zaawansowanych Projektów Badawczych Obrony DARPA, QinetiQ przetestuje swoją koncepcję silników piastowych (motoreduktorów), instalując je do testów na eksperymentalnych modelach biegowych. Liczne reduktory biegów, dyferencjały i napędy zastąpią potężne kompaktowe silniki elektryczne w kołach maszyny. Możliwe, że ta koncepcja może zostać wdrożona również w istniejących kołowych pojazdach opancerzonych. W rzeczywistości w czerwcu 2017 r. BAE Systems podpisało umowę z QinetiQ na wprowadzenie nowej technologii napędu elektrycznego do pojazdów bojowych. Przedstawiciel BAE Systems powiedział, że pozwoli to „zaoferować klientom sprawdzoną, niskobudżetową technologię, która zwiększy możliwości obecnych i przyszłych wozów bojowych”.
BAE Systems, we współpracy z QinetiQ, opracowała i wyprodukowała demonstracyjną próbkę hybrydowego rozwiązania HED dla pojazdu opancerzonego opartego na podwoziu AMPV.
Wyzwania dotyczące przyszłej mocy
W ciągu ostatniej dekady kilkukrotnie wzrosło zapotrzebowanie na pojazdy bojowe zasilane energią elektryczną. Mark Signorelli, szef działu pojazdów bojowych w BAE Systems, zauważył, że „w przyszłości pojazdom opancerzonym będzie coraz trudniej zaspokoić zapotrzebowanie na energię elektryczną”. Podejmowane są starania, aby rozwiązać ten narastający problem. Na przykład w przypadku maszyn z rodziny M2 Bradley rozważany jest 300-amperowy generator CE Niehof, a dla nowej platformy AMPV dwa generatory po 150 amperów każdy. Pan Spadaro z MTU stwierdził, że „kluczowymi czynnikami, które wpłynęły i wpływają na rozwój rozwiązań w zakresie generowania większej mocy są stale rosnąca masa pojazdów podstawowych i kołowych (głównie w wyniku wymagań dotyczących zwiększonego poziomu ochrony) oraz jednocześnie potrzeba więcej energii elektrycznej dla systemów pokładowych wszelkiego rodzaju, czy to elektroniki, systemów ochrony i komfortu dla załogi, na przykład zaawansowanego systemu klimatyzacji.” MTU uważa, że „rozwiązuje się je poprzez głębszą integrację komponentów elektrycznych z jednostką napędową. Dobrym przykładem jest tu ponownie jednostka napędowa MTU wspomnianego wcześniej transportera puma, w skład którego wchodzi rozrusznik/generator o mocy znamionowej 170 kW, dostarczający prąd do dwóch wentylatorów chłodzących, a także sprężarka czynnika chłodniczego klimatyzacji.
Moc pojazdów opancerzonych bezpośrednio wpływa na możliwości bojowe i przeżywalność. Główne kryteria przetrwania na polu bitwy są następujące: „podejmij wszelkie środki, aby nie być widzianym, jeśli zauważono, nie zostać trafionym, jeśli nadal trafisz, nie zostać zabitym”. Pierwszy jest ułatwiony dzięki możliwości poruszania się tam, gdzie przeciwnik cię nie oczekuje. Drugie wymaga szybkiego przyspieszenia i dobrej manewrowości, aby znaleźć osłonę, i jest utrudnione przez zdolność wrogiego strzelca do skutecznego namierzenia celu do zabicia. A trzeci determinowany jest umiejętnością podjęcia odpowiedniej ochrony biernej oraz stosowania pasywnych i aktywnych środków zaradczych. Jednak każde z tych kryteriów może niekorzystnie wpływać na inne. Na przykład dodatkowy pancerz zwiększa masę, a w efekcie mobilność.
Postęp w dziedzinie elektrowni dla pojazdów opancerzonych, nowe silniki, przekładnie i napędy napędowe, innowacyjne metody integracji i rozmieszczenia pozwalają twórcom sprzętu wojskowego na zaspokojenie najśmielszych życzeń klientów. Wiele ulepszeń, które widzimy na platformach wojskowych, pochodzi bezpośrednio z projektów komercyjnych: silniki i komputery pokładowe, cyfrowe sterowanie elektroniczne, automatyczne sterowanie stanem systemów, napędy elektryczne i magazyny energii, czy wreszcie praktyczne wdrożenia hybryd rozwiązania. Jednak wyzwania dla tej delikatnej równowagi zmuszają branżę do opracowywania coraz bardziej innowacyjnych rozwiązań.
Na podstawie materiałów z witryn:
www.nationaldefensemagazine.org
www.mtu-online.com
www.gd.com
www.rheinmetall.pl
www.kot.com
www.baesystems.pl
www.darpa.mil
www.nato.int
www.armorama.pl
defesaglobal.wordpress.com
pinterest.com
www.wikipedia.org
informacja