Inżynieria lądowa
Pierwsze samochody elektryczne pojawiły się przed samochodami z silnikami spalinowymi (ICE) w 1828 roku. Na początku XX wieku pojazdy elektryczne stanowiły ponad jedną trzecią całej amerykańskiej floty samochodowej. Jednak potem stopniowo zaczęły tracić grunt pod nogami, ustępując samochodom pod względem zasięgu, łatwości tankowania i innych parametrów.
W samochodzie elektrycznym wyposażonym w dwa 50-kilowatowe silniki i sto dwuwoltowych ogniw, belgijski kierowca wyścigowy Camille Genatsi 29 kwietnia 1899 roku po raz pierwszy w historii Historie osiągnął prędkość 100 km/h
Można wdrożyć kilka opcji projektowania pojazdów elektrycznych. Klasyczny samochód elektryczny pobiera prąd z akumulatorów ładowanych na stacji ładowania. Pojazd elektryczny z zewnętrznym doprowadzeniem energii elektrycznej odbiera prąd z zewnętrznych przewodników poprzez kontakt lub za pomocą pól elektromagnetycznych. Aby naładować akumulatory pojazdu elektrycznego, można zainstalować silnik spalinowy z generatorem lub można generować energię elektryczną z paliw płynnych lub gazowych bezpośrednio przy użyciu katalitycznych ogniw paliwowych. Wszystkie powyższe schematy można łączyć na różne sposoby.
Okresowo powracało zainteresowanie pojazdami elektrycznymi, zwykle w okresie wzrostu cen produktów naftowych, ale szybko zanikało: samochody z silnikami spalinowymi pozostawały poza konkurencją. W efekcie elektryczne urządzenia napędowe upowszechniły się w segmencie transportu z zewnętrznym zasilaniem w energię elektryczną: pociągi elektryczne, tramwaje, trolejbusy oraz w niszy wyposażenia magazynowego.
Jako osobny segment można wyróżnić sprzęt specjalny, na przykład wywrotki górnicze o nośności ponad 100 ton, które wykorzystują przekładnię elektromechaniczną.
Wywrotka górnicza BELAZ-75710 o ładowności 450 ton. Elektrownia obejmuje dwa generatory elektryczne, z których każdy jest podłączony do szesnastocylindrowego silnika wysokoprężnego w kształcie litery V MTU Detroit Diesel 16V4000 o mocy 1715 kW (2330 KM), wytwarzany prąd jest dostarczany do czterech kół silnikowych z moc 1200 kW każdy
Na początku XXI wieku zainteresowanie pojazdami elektrycznymi powróciło na nowy poziom. Czynnikiem decydującym nie był wzrost cen produktów naftowych, ale żądanie działaczy ekologicznych, aby ograniczyć szkodliwe emisje. Uwielbiana (nienawidziana) przez wielu amerykańska firma Tesla, Elon Musk, stała się producentem, który w jak największym stopniu osiodłał „falę ekologiczną”.
Ale bez względu na to, jak traktuje się Elona Muska, nie można zaprzeczyć, że Tesla wykonała świetną robotę: powstał osobny segment rynku samochodowego, samochody elektryczne stały się kierunkiem, w którym giganci motoryzacyjni zaczęli aktywnie inwestować. Jeśli zmiany są aktywnie prowadzone w jakimś kierunku, wynik zostanie osiągnięty prędzej czy później. Pojawią się nowe akumulatory o zwiększonej pojemności, dużej prędkości ładowania i rozszerzonym zakresie temperatur zastosowania, bardziej wydajnych i kompaktowych silnikach elektrycznych, ze zintegrowanymi skrzyniami biegów, które można umieścić w kołach silnika o niskiej masie nieresorowanej i innych rozwiązaniach.
Nie ma wątpliwości, że w dającej się przewidzieć przyszłości pojazdy elektryczne prawie zastąpią samochody ICE i to nie ze względów środowiskowych, ale ze względu na ogólną przewagę techniczną pojazdów elektrycznych.
Samochód elektryczny Tesla-X
Sprzęt wojskowy
W 1917 roku francuska firma FAMH wyprodukowała 400 czołgi „Saint Chamond” z elektryczną skrzynią biegów „Crochat Collendeau”, w której silnik benzynowy Panhard był podłączony bezpośrednio do generatora elektrycznego, który dostarczał prąd do dwóch silników elektrycznych, z których każdy był połączony z kołem napędowym i napędem gąsienicowym. Również w 1917 roku w Wielkiej Brytanii testowano czołg z przekładniami elektrycznymi firmy Daimler i brytyjskiej firmy Westinghouse.
Późniejsze przykłady obejmują niemiecki ciężki samobieżny uchwyt artyleryjski (ACS) „Ferdinand” („Słoń”) o wadze 65 ton. Elektrownia Ferdinand zawierała dwa 12-cylindrowe, chłodzone wodą silniki gaźnikowe Maybach HL 120 TRM w kształcie litery V o mocy 265 KM każdy. s., dwa generatory elektryczne Siemens-Schuckert Typ aGV o napięciu 365 V oraz dwa silniki trakcyjne Siemens-Schuckert D149aAC o mocy 230 kW każdy, umieszczone w tylnej części kadłuba, które napędzały każde z jego kół poprzez redukcję przekładnia wykonana zgodnie ze schematem planetarnym.
ACS „Ferdinand”
Przy względnej nowości Ferdynanda nie ma wielu skarg na jej pracę. W związku z tym można zauważyć większą złożoność i koszt w porównaniu z elektrowniami o klasycznej konstrukcji, a także konieczność użycia znacznej ilości miedzi, której w Niemczech brakuje.
Oprócz dział samobieżnych „Ferdinand”, użycie napędu elektrycznego rozważano również w niemieckim super-ciężkim czołgu 188-tonowym „Maus” („Mysz”).
Mniej więcej w tym samym okresie w ZSRR opracowano eksperymentalny czołg ciężki EKV z elektrownią elektromechaniczną na bazie czołgu KV-1. Projekt techniczny czołgu EKV opracowano we wrześniu 1941 r., a w 1944 r. przetestowano prototyp czołgu EKV. Założono, że zastosowanie przekładni elektromechanicznej na zbiorniku zmniejszy zużycie paliwa, poprawi zwrotność i dynamiczne właściwości zbiornika.
W skład elektromechanicznej skrzyni biegów czołgu EKV wchodził rozrusznik-generator DK-502B połączony z silnikiem wysokoprężnym V-2K oraz dwa silniki trakcyjne DK-301V z dwiema przekładniami głównymi i urządzeniami sterującymi.
Obraz zbiornika EKV
Zgodnie z wynikami testów projekt czołgu EKV uznano za niezadowalający, a prace nad projektem skrócono.
Projekty czołgów „elektrycznych” były realizowane w Wielkiej Brytanii, USA, ZSRR, Niemczech i Francji, a także w innych krajach przez cały XX wiek. Niemniej jednak w tej chwili czołgi i pojazdy opancerzone o tradycyjnym układzie zostały maksymalnie rozwinięte.
Korzyści i perspektywy
Dlaczego mimo dużej liczby zamkniętych projektów eksperymentalnych powraca do kwestii zapewnienia napędu elektrycznego dla naziemnych wozów bojowych?
Z jednej strony następuje rozwój technologii, których zastosowanie w elektrycznych układach napędowych pozwala liczyć na uzyskanie nieosiągalnych wcześniej pozytywnych wyników. Trwają prace nad silnikami z magnesami trwałymi i silnikami indukcyjnymi, wysokosprawnymi generatorami elektrycznymi, systemami dystrybucji energii, szybko ładującymi się akumulatorami i nie tylko.
Wysokowydajny silnik elektryczny amerykańskiej firmy HELV Motors (Buddha Energy Inc.)
Ostatnio mówimy nie tylko o pojazdach naziemnych z napędem elektrycznym, ale także o tworzeniu w pełni elektrycznych samolotów aż do dość dużych modeli pasażerskich.
Silnik elektryczny Siemens o wadze nieco ponad 50 kg, o mocy 260 kW, przeznaczony do lekkich lotnictwo
Z drugiej strony, korzyści, jakie może zapewnić napęd elektryczny naziemnego sprzętu bojowego, są coraz bardziej poszukiwane:
- możliwość elastycznego rozmieszczenia wozu bojowego ze względu na brak w przekładni elektrycznej jednostek ze sztywnym połączeniem mechanicznym zapewnianym przez wały;
- zwiększona przeżywalność sprzętu wojskowego dzięki możliwości redundantnych elementów transmisji elektrycznej;
- możliwość rezygnacji z napędów hydraulicznych niebezpiecznych pożarowo na rzecz napędów elektrycznych;
- możliwość przemieszczania się sprzętu wojskowego na ograniczonych odcinkach ścieżki w trybie maksymalnego kamuflażu, przy minimalnym demaskowaniu za pomocą znaków dźwiękowych i termicznych;
- możliwość odzyskania energii podczas hamowania;
- najlepsze charakterystyki dynamiczne i parametry drożności pojazdów opancerzonych wyposażonych w przekładnię elektryczną;
- większa łatwość sterowania pojazdami opancerzonymi z napędem elektrycznym;
- możliwość dostarczenia wystarczającej ilości energii elektrycznej do coraz większej ilości sprzętu, czujników, zaawansowanej broni.
Przyjrzyjmy się bliżej tym korzyściom. Główne źródło energii – turbina dieslowska lub gazowa, w samochodach z przekładnią elektryczną będzie charakteryzować się dłuższym zasobem i wydajnością ze względu na to, że można wstępnie dobrać optymalną prędkość obrotową silnika, przy której będzie miał minimalne zużycie i maksymalną efektywność paliwową. Zwiększone obciążenia podczas przyspieszania i energicznego manewrowania będą kompensowane przez akumulatory buforowe.
Na przykład można zainstalować szybkoobrotową turbinę gazową w połączeniu z generatorem, który będzie działał w trybie „włącz/wyłącz” w celu doładowania akumulatorów buforowych, bez zmiany prędkości.
W przekładni elektrycznej nie ma potrzeby instalowania nieporęcznych wałów i skrzyń biegów. Połączenie mechaniczne w przekładni elektrycznej jest dostępne tylko w parach silnik-prądnica i elektryczne koło silnikowe, ale bloki te mogą być wykonane jako jeden zespół. Połączenie innych jednostek odbywa się za pomocą elastycznych kabli.
Opcje układu przekładni elektrycznej
W przeciwieństwie do połączeń mechanicznych, połączenia elektryczne mogą być wielokrotnie nadmiarowe. Na przykład na etapie projektowania kadłuba można ułożyć zabezpieczone kanały kablowe, w których pomieści się uniwersalna magistrala zasilająca i danych, w tym kable zasilające i do transmisji danych.
Kanały kablowe można umieścić w obudowach pancernych po obwodzie wewnętrznej części obudowy, co zapewni wielokrotną redundancję zasilania i transmisji danych
Przestrzenne rozdzielenie źródeł energii, kanałów zasilających i komunikacyjnych oraz silników i śmigieł ze zwiększonym prawdopodobieństwem pozwoli zachować mobilność i świadomość sytuacyjną wozu bojowego w przypadku uszkodzenia, co zapewni możliwość wycofania wozu bojowego ze strefy ostrzału i ewakuacja z pola bitwy.
Naziemne pojazdy opancerzone z transmisją elektryczną będą miały wysoką przeżywalność po trafieniu pod jednym lub kilkoma kątami
Rezygnacja z napędów hydraulicznych na rzecz elektrycznych zwiększy również przeżywalność naziemnych wozów bojowych, zarówno ze względu na mniejsze zagrożenie pożarowe tych ostatnich, jak i ich większą niezawodność. Rosyjskie Siły Powietrzne planują zrezygnować z napędów hydraulicznych w myśliwcu Su-57 piątej generacji do 2022 roku.
Obecność akumulatorów buforowych pozwoli ci zachować mobilność bez włączania głównego silnika, choć przez dość ograniczony czas. Pozwoli to obiecującym wozom bojowym na realizację nowych scenariuszy taktycznych prowadzenia działań bojowych z zasadzki, gdy pojazd pancerny będzie w pełnej gotowości bojowej w stanie gotowości, a jego sygnatura termiczna będzie porównywalna z temperaturą otoczenia.
Nagrzewanie się elektrowni w znacznym stopniu demaskuje pojazdy opancerzone w zakresie termicznym
Akumulatory zapewnią również możliwość poruszania się w przypadku awarii głównej elektrowni, co pozwoli pojazdom opancerzonym samodzielnie opuścić pole bitwy. W niektórych przypadkach do ewakuacji wozu bojowego z przekładnią elektryczną wystarczy podłączenie go do zewnętrznego źródła zasilania. Na przykład opancerzony pojazd ratowniczy w ten sposób może jednocześnie ewakuować dwa inne pojazdy opancerzone z częściowo uszkodzoną przekładnią elektryczną, po prostu przekazując do nich kable zasilające.
Podobnie jak w cywilnych pojazdach elektrycznych, pojazdy opancerzone z przekładnią elektryczną mogą odzyskiwać energię podczas hamowania.
Naziemne wozy bojowe z napędem elektrycznym będą miały lepszą mobilność i sterowność dzięki bezstopniowemu przekazywaniu mocy do jednostek napędowych, a także elastycznemu rozdziałowi mocy pomiędzy silnikami elektrycznymi na lewej i prawej burcie. Na przykład podczas skrętu spadek mocy silnika elektrycznego strony otuliny zostanie skompensowany wzrostem mocy silnika elektrycznego strony wejściowej.
Jedną z najważniejszych zalet transmisji elektrycznej będzie możliwość dostarczenia mocy sprzęt i czujniki, na przykład stacje radarowe (RLS) do rozpoznania, naprowadzania i wszechstronnej obrony aktywnego kompleksu obronnego.
Radar z aktywnym układem anten fazowanych (AFAR) na wieży czołgu T-14 platformy Armata
W najbliższym czasie integralną częścią naziemnych wozów bojowych stanie się: broń laserowa, które mogą w dużej mierze zneutralizować zagrożenie ze strony małych bezzałogowych statków powietrznych (UAV), przeciwpancernych pocisków kierowanych i pocisków kasetowych z głowicami naprowadzającymi termicznie i optycznie.
Bojowy system laserowy Stryker MEHEL, przeznaczony do niszczenia małych UAV
Elektryczność może być również potrzebna do aktywnych systemów kamuflażu pojazdów opancerzonych w zakresie fal termicznych i optycznych.
Zaawansowane pojazdy opancerzone mogą być wyposażone w aktywny kamuflaż w zakresie długości fali termicznej i optycznej
odkrycia
Stworzenie naziemnych wozów bojowych z napędem elektrycznym prawdopodobnie stanie się nieuniknione wraz z rozwojem technologii i wzrostem wymagań dotyczących zasilania urządzeń pokładowych i uzbrojenia. Cywilny rynek pojazdów elektrycznych może mieć istotny wpływ na tempo wprowadzania naziemnych wozów bojowych z napędem elektrycznym.
Obiecujące naziemne wozy bojowe z elektryczną transmisją prześcigną „klasyczne” modele pod względem dynamiki, zwrotności, łatwości sterowania, przeżywalności i bezpieczeństwa, a także możliwości umieszczenia na nich zaawansowanej broni i czujników o dużym zużyciu energii.