Równowaga sił. Napędy hybrydowe do wozów bojowych
Oshkosh L-ATV zaproponowany do programu JLTV armii USA ma opcję hybrydowego układu napędowego spalinowo-elektrycznego
Technologia napędu hybrydowego i elektrycznego jest bardziej kojarzona ze światem pojazdów użytkowych niż z platformami wojskowymi. Jednak wszystko może się zmienić.
Rynek pojazdów opancerzonych korzysta z postępu technologicznego, ale pozostaje ostrożny wobec konsekwencji innowacji. Postęp to proces stopniowego rozwoju, którego celem jest pokazanie klientom wyraźnych korzyści operacyjnych, ponieważ ostateczny sukces wozu bojowego mierzy się wykonanymi zadaniami i uratowanymi życiami.
Niezawodność mechaniczna silnika wysokoprężnego, automatycznej skrzyni biegów, wału napędowego i mechanizmu różnicowego jest od dawna sprawdzona i to samo można powiedzieć o technologiach napędu hybrydowego i elektrycznego. Jednak pomimo programów ewaluacyjnych, pojazdów demonstracyjnych, firm chcących inwestować w badania i rozwój oraz dość udanego rozwoju hybrydowych napędów dieslowsko-elektrycznych w sektorze cywilnym, zastosowanie technologii napędów elektrycznych w wojsku jest obecnie bardzo ograniczone.
Bezpośrednie podejście
Możliwe było podjęcie ryzyka polegającego na technologii napędu bezpośredniego w walce z ludźmi, ale okazało się to dość trudne do wykonania. Konsumenci oczekują lepszej ochrony balistycznej z kadłubem w kształcie litery V, siły ognia zdalnie sterowanego modułu uzbrojenia oraz ulepszonego systemu informacji i kontroli. Potrzebują również sprawdzonej wydajności układu napędowego, aby utrzymać wszystkie te systemy z odpowiednią prędkością, a jednocześnie zapewniać wystarczający moment obrotowy i moc, aby pokonywać wzniesienia i płynąć rzeki.
Poleganie na napędach elektrycznych oznacza zastąpienie mechaniki architekturą, która jest zasadniczo odmienna. W przypadku napędu całkowicie elektrycznego oznacza to użycie akumulatorów do napędzania silników elektrycznych, które bezpośrednio obracają kołami. Ten całkowicie elektryczny obwód sprawdził się w systemach bezzałogowych, takich jak pojazd do usuwania amunicji Cutlass firmy Northrop Grumman, wydany w 2013 roku i obecnie używany przez brytyjskie siły zbrojne. Ten sześciokołowy pojazd, dzięki silnikom elektrycznym w piastach, jest w stanie osiągnąć prędkość do 11 km/h.
L-3 Combat Propulsion Systems CTO Michael Soimar wyjaśnił, że ten typ napędu elektrycznego jest wyposażony w hamulce wewnątrz kół. W rezultacie powstał obwód, który nazwał „prawdziwym bezpośrednim napędem”.
Odnosząc się do jego zalet, zauważył: „Dodatkowa przekładnia redukcyjna jest zawarta w kole napędowym w celu optymalizacji prędkości i momentu obrotowego. Każde koło może niezależnie napędzać maszynę, oferując znaczną redundancję i większe bezpieczeństwo.”
Według Soimara inne jednostki z napędem bezpośrednim mają silniki elektryczne na osiach, ale nie mają tych samych zalet, co silniki w piastach.
Maszyna spalinowo-elektryczna HEMTT A3 na poligonie Yuma z działem przeciwlotniczym Phalanx
W cieniu
Brak mostków zwalnia miejsce w korpusie i pozwala na znaczną zmianę układu maszyny. Te zalety konstrukcji z napędem bezpośrednim zostały ocenione w 2004 r. przez Korpus Piechoty Morskiej i Dowództwo Operacji Specjalnych w pojeździe głębokiego rozpoznania i wyznaczania celów o nazwie Shadow (cień).
Shadow został zbudowany przez General Dynamics z niemieckim producentem Magnet-Motor (obecnie oddział L-3 Communications) dostarczającym silniki piast. Samochód wykorzystuje zawieszenie pneumatyczne do zmiany miejsca nad głową; koła są cofnięte do korpusu o 43 cm, a prześwit zmniejszony do 10 cm, co oznacza, że maszyna Shadow, mająca taką samą objętość wewnętrzną jak HMMWV, może swobodnie wchodzić do tiltrotora V-22 Osprey w celu transportu powietrznego .
Wadą trakcji elektrycznej jest to, że czas pracy zależy od pojemności akumulatorów i dostępności zewnętrznego źródła zasilania do ładowania. Na przykład maksymalny czas działania Cutlass to tylko trzy godziny.
Walka z tymi ograniczeniami doprowadziła do opracowania hybrydowego napędu elektrycznego (HEP), który wykorzystuje silnik spalinowy do napędzania generatora, który z kolei ładuje akumulatory. Rozszerzyło to pole zastosowań maszyn z napędem bezpośrednim, a firmy takie jak Iveco dużo zainwestowały w tę technologię, choć głównie do wykorzystania w swoim portfolio komercyjnym.
postęp handlowy
Iveco oferuje swoje systemy hybrydowe ECODaily i Eurocargo, które wyróżniają się napędem elektrycznym, a co za tym idzie nie posiadają przekładni. Silnik spalinowy pracuje tylko do napędzania generatora zasilającego akumulatory, a koła napędowe sterowane są za pomocą układów elektronicznych.
Oznacza to, że w celu natychmiastowego przyspieszenia akumulatory mogą dostarczyć więcej energii we właściwym czasie. Taki schemat pozwala również na hamowanie regeneracyjne, ponieważ hamowanie odbywa się poprzez sterowanie silnikami elektrycznymi. Cofanie w celu zatrzymania maszyny zamienia je w dynama, generując więcej energii do ładowania akumulatorów i więcej energii elektrycznej do wykorzystania w podsystemach.
Wraz z Iveco, które nie dąży do konwersji swoich pojazdów wojskowych na napęd hybrydowy, izraelska firma IAI również podziela podobną strategię biznesową. W lutym 2015 roku ogłosił wzrost sprzedaży swojego lekkiego opancerzonego pojazdu RAM Mk3 4x4 i wprowadzenie do użytku nowego hybrydowego ciągnika elektrycznego TaxiBot o mocy 800 KM, opracowanego wspólnie z Lufthansą.
Pomimo sukcesu maszyn RAM, które do tej pory sprzedały się w ponad 450 egzemplarzach, oraz uruchomienia ciężkiego ciągnika TaxiBot dla niemieckiej linii lotniczej, IAI nie widzi możliwości szerokiego zastosowania napędu elektrycznego. Firma potwierdziła, że „IAI nie rozważa zastosowania technologii hybrydowych w pamięci RAM Mk3”.
Soimar wyjaśnił, że zainteresowanie technologią napędu elektrycznego wśród producentów pojazdów wojskowych rośnie, ale siłą napędową jest tu oczywiście przemysł silnikowy.
„Technologia napędu hybrydowo-elektrycznego dojrzała na całym świecie. Przemysł motoryzacyjny poszukuje oszczędności paliwa i redukcji emisji, a to napędza rozwój technologii”.
Powiedział, że na przykład hamowanie regeneracyjne jest szeroko stosowane w cywilnym sektorze komercyjnym w pojazdach takich jak Toyota Prius i całkowicie elektryczna Tesla Roadster, ale w pojazdach wojskowych zaowocowało dopiero w HEMTT A3 (Heavy Expanded). Mobility Tactical Truck) firmy Oshkosh, w której (hamowanie rekuperacyjne) jest integralną częścią hybrydowego układu dieslowo-elektrycznego ProPulse.
Napęd hybrydowy się pokaże
Chociaż opinia publiczna nie tak szybko docenia tę technologię, zastosowanie napędów elektrycznych w przyszłości stanie się bardziej pewne, ponieważ sektor cywilny osiągnie w tej dziedzinie przewagę techniczną. „Znaczny postęp dokonany w ciągu ostatnich kilku lat w oprogramowaniu i elektronicznym sterowaniu komercyjnym hybrydowym napędem elektrycznym zostanie doceniony przez społeczeństwo i może zostać udostępniony pojazdom wojskowym” – wyjaśnił Soimar.
Rozwój przełomowej technologii nie ogranicza się do systemów sterowania. Poprawia się również technologia akumulatorów, zastępując typy kwasowo-ołowiowe lżejszymi systemami litowo-jonowymi o wyższym napięciu.
Firma Saft nie tylko produkuje akumulatory litowo-jonowe do elektroniki przemysłowej i cywilnej, ale jest również coraz bardziej poszukiwana na rynku obronnym. W 2011 roku firma dostarczyła akumulatory litowo-jonowe ESS do BAE Systems w ramach umowy na demonstrację technologii na opracowanie napędu hybrydowego dla zaawansowanego gąsienicowego pojazdu bojowego GCV (Ground Combat Vehicle) armii amerykańskiej.
We współpracy z Northrop Grumman, BAE podjęło się projektu i zbudowało drogowe stanowisko testowe do oceny systemów wbudowanych, w tym napędów, generatorów, sterowników i oprogramowania. Przebieg instalacji wyniósł 3200 km.
Szczegóły przedstawione przez BAE w 2012 roku dotyczyły ulepszonych osiągów hybrydowego napędu elektrycznego o mocy 1500 KM. i generują moc elektryczną 1100 kW, przy czym oszczędność paliwa w tym przypadku sięgała nawet 20%.
Testy te obaliły założenie, że napęd hybrydowy nie jest wystarczająco mocny dla pojazdów taktycznych. Zarejestrowano przyspieszenie samochodu od 0 do 32 km/h w ciągu 7-8 sekund, a firma stwierdziła, że jego eksperymentalny napęd jest całkowicie cichy w działaniu, co nie jest złe jak na samochód ważący 70 ton.
Ultralekki pojazd z napędem hybrydowym zawiera szereg najnowszych technologii
Problemy z zasilaniem?
To błędne przekonanie, że GEO będzie miał więcej problemów z napędem gąsienic, a nie kół. Deepak Bazaz, dyrektor programów nowych i amfibii w BAE Systems, powiedział: „Nie ma szczególnych problemów podczas korzystania z hybrydowego napędu elektrycznego w pojazdach gąsienicowych. Ten schemat jest w rzeczywistości łatwiejszy do wdrożenia, ponieważ koło napędowe pojazdów gąsienicowych znajduje się w jednym miejscu, nie jest to kilka osi dla układów kołowych.
Celem programu GCV było zastąpienie floty BWP Bradley armii amerykańskiej pojazdami hybrydowymi, ale przy szacowanym koszcie 29 miliardów dolarów i 595 milionach dolarów przeznaczonych na sam rozwój technologii Kongres uznał, że cały projekt jest zbyt kosztowny. W 2014 roku obniżył budżet na rozwój o 400 milionów dolarów, zmieniając program GCV na demonstrator technologii.
Opracowanie prototypu zostało przekazane od producentów do Wojskowego Centrum Badawczo-Rozwojowego Pancernego. Produkcja prototypowego wozu bojowego z napędem hybrydowym przewidywana jest w latach 2019-2020.
Pomimo tej decyzji, Bazaz powiedział, że firma jest przekonana do GEO i powiedział: „Kontynuujemy ograniczone testy, aby wykazać niezawodność systemu”.
Losy GCV ujawniły problemy napędów elektrycznych związane z ich przyjęciem do eksploatacji. Klienci będą poszukiwać, ale nie będą musieli zamawiać, producenci nie podejmą ryzyka pełnego rozwoju technologii bez wsparcia klienta i stanowczych zamówień; obie strony oczekują, że branża w pełni rozwinie rynek i uzyska publiczną akceptację technologii.
Poczekaj i zobacz
Typowe jest podejście brytyjskie. Pomimo napiętych budżetów i redukcji, Departament Obrony zlekceważył oczywisty fakt, że paliwo kosztuje i podpisał w 2012 roku kontrakt na tak zwany zunifikowany system paliwowy, który kosztowałby do 1 miliarda funtów rocznie.
Przyjęcie maszyn napędzanych elektrycznie nie jest obecnie rozważane, pomimo potencjalnych oszczędności kosztów. Zamiast tego przyjęto podejście „poczekaj i zobacz”.
Laboratorium Nauki i Technologii Obronnej wyjaśniło: „Laboratorium prowadzi badanie ETF, które łączy wcześniejsze prace nad technologiami ETF i ich przydatnością do warunków wojskowych. W celu zwiększenia poziomu zrozumienia takich technologii, studium opiera się na wcześniejszych pracach nad GEO; obejmuje wcześniejsze i aktualne badania z Departamentu Obrony, przemysłu obronnego i komercyjnego przemysłu motoryzacyjnego."
Praktycznym rezultatem tego procesu było to, że napęd elektryczny nie był rozważany jako opcja w nowym programie armii brytyjskiej dla pojazdu opancerzonego Scout SV.
Jednak Wielka Brytania nie jest osamotniona w unikaniu napędu elektrycznego. Australia, Francja i Polska są obecnie w trakcie dużych zamówień na wymianę swoich flot taktycznych pojazdów opancerzonych, ale żaden z nowych pojazdów (rozważany lub opracowywany) nie będzie miał tej technologii.
Główne przeszkody
Rozmiar i koszt takich programów to główne bariery. Koszt tylko pierwszej partii łącznie 2000 pojazdów Scorpion francuskiej armii, których dostawa zaplanowana jest na 2018 rok, szacowany jest na ponad 930 mln dolarów. Biorąc pod uwagę te ceny i wolumeny zakupów (Scorpion zastąpi całą flotę francuskich transporterów opancerzonych VAB), czas na powszechne przyjęcie nowych technologii napędowych po prostu nie jest najlepszy, zwłaszcza gdy rzeczywistość i praktyka dyktują stworzenie zupełnie nowego łańcucha dostaw, aby go wspierać.
Chociaż napędy hybrydowe i elektryczne nie są jeszcze uważane za wystarczająco dojrzałe, aby można je było wdrożyć, w przyszłości zmiana typu napędu może być uzasadniona. Jako przykład weźmy chroniony samochód patrolowy Foxhound armii brytyjskiej. Ten samochód pancerny, który wszedł do służby w 2010 roku, został opracowany przez firmę Ricardo, która działa również w dziedzinie hybrydyzacji i elektryfikacji. Foxhound jest obecnie napędzany silnikiem turbodiesel Steyr, ale jego kadłub w kształcie litery V został zaprojektowany przez Ricardo z myślą o możliwej przyszłości HEP.
W badaniu przeprowadzonym w 2009 r. dotyczącym rozwoju nowej maszyny (wtedy zwanej Ocelotem) Ricardo poruszył kwestię napędu elektrycznego, argumentując, że jest prawdopodobne, że wojsko będzie w przyszłości zainteresowane napędami hybrydowymi ze względu na konieczność generowania więcej energii elektrycznej i ulepszone zasilanie dla bardziej wyrafinowanego sprzętu.
Soimar zgadza się z tym punktem widzenia i opisuje niektóre możliwe zastosowania GEO. „Znaczna ilość energii, którą generują, pozwala na specjalne cechy bojowe i taktyczne, na przykład: cicha obserwacja [silniki wyłączone, ale czujniki są zasilane bateriami] i manewrowanie; ulepszone przyspieszenie do szybkiego opuszczania niebezpiecznych obszarów; oraz zdolność do dostarczania różnych nowych czujników i podsystemów, takich jak aktywne systemy ochrony, energia skierowana i przeciwdziałanie improwizowanym urządzeniom wybuchowym.
Motocykle elektryczne firmy Zero Motorcycles zostały przetestowane przez Dowództwo Operacji Specjalnych USA
Przyszłe inwestycje
Coraz częściej modernizacja pojazdów jest rozważana pod kątem energii elektrycznej. Zgadzając się z punktem widzenia Soimara, Bazaz wyjaśnił, co BAE Systems uważa za możliwy cel swojej inwestycji w GCV.
„Korzystamy z naszego stanowiska testowego, aby zbadać znaczący potencjał HEP, którego moc może potencjalnie zademonstrować system energii kierowanej laserem” – powiedział.
Jakby na potwierdzenie tych słów, w marcu 2015 roku Lockheed Martin wykazał się jeszcze większą gorliwością, z powodzeniem testując w terenie swój Advanced Test High Energy Asset, który spalił silnik samochodu naziemnym laserem światłowodowym o mocy 30 kW z odległości 1,6 km.
Rozwój tych nowych podsystemów da impuls do wprowadzenia napędów hybrydowych w przyszłości, ponieważ dodatkowa energia elektryczna, jaką generują, stanie się absolutną koniecznością.
Inicjatywy oszczędzania energii są również priorytetem dla armii amerykańskiej, zmuszonej do oszczędzania pieniędzy na paliwach kopalnych. Jednak, jak stwierdziła firma Oshkosh Defence, zmniejszenie tej zależności będzie miało wpływ na ostateczne wyrównanie sił.
„Departament Obrony jest jednym z największych konsumentów paliw na świecie” – czytamy w oświadczeniu. „W 2010 r. Armia i Korpus Piechoty Morskiej oszacowały, że w Iraku i Afganistanie całkowity koszt paliwa ze wszystkimi kosztami wahał się od 9 do 40 USD za galon, w zależności od tras dostaw i metod uzupełniania paliwa”.
„Jak podkreślono w strategii energetycznej Departamentu Obrony, wojsko jest zaangażowane w lepsze wykorzystanie swoich źródeł energii w celu zmniejszenia ryzyka dla walczących, skierowania dostępnych zasobów do zadań o wyższym priorytecie i zmniejszenia kosztów”.
To jest powód, dla którego zamknięcie programu GVC nie zmniejszyło entuzjazmu Departamentu Obrony dla technologii napędów elektrycznych. Obecny program lekkiego pojazdu taktycznego JLTV (Joint Light Tactical Vehicle) ma na celu zastąpienie samochodu pancernego HMMWV pojazdem w technologii GEO.
Poprzednie doświadczenie
Oshkosh jest jednym z uczestników programu JLTV i, jak wyjaśniła firma, prototyp L-ATV (Light Combat Tactical All-Terrain Vehicle) wykorzysta całe swoje bogate doświadczenie w dziedzinie systemów dieslowo-elektrycznych.
„Opcjonalny hybrydowy napęd dieslowo-elektryczny Oshkosh ProPulse został zaprojektowany, zainstalowany i przetestowany w naszym L-ATV” – podała firma.
Opierając się na zwiększonej presji konkurencyjnej związanej z programem JLTV, Oshkosh odmówił stwierdzenia, czy L-ATV będzie miał elektrownię, ale potwierdził, że elektrownia została zainstalowana w prototypowym pojeździe JLTV „zapewniając zasilanie systemom pokładowym i zewnętrznym konsumentów."
Energia na użytek zewnętrzny, generowana przez całą flotę pojazdów, stwarza perspektywę taktycznych sieci energetycznych (mikrosieci energetycznych), które są równie mobilne, jak obsługiwane przez nie siły lądowe. Pozwalają zmniejszyć uzależnienie od paliw płynnych i naładować akumulatory, od których teraz tak wiele zależy.
Centrum Badań Elektroniki i Komunikacji Armii USA uruchomiło już program Tactical Power Generation w celu zbadania tego pomysłu, a demonstracja technologiczna koncepcji zasilania sił ekspedycyjnych, która odbyła się w czerwcu, pokazała gotowe rozwiązania, które zaspokoją przyszłe potrzeby pojazdów hybrydowych i akumulatorów.
Powiązane technologie
Niestety tempo wprowadzania technologii napędu elektrycznego nadal wiąże się z tempem rozwoju pojazdu taktycznego, jest tu silny związek. Na przykład produkcja JLTV rozpocznie się najwcześniej w 2018 r., a produkcja przedłuży się do lat 2030. XX wieku. W perspektywie krótkoterminowej naziemne pojazdy bezzałogowe i ultralekkie są silniejszymi pretendentami do wdrażania napędu elektrycznego i eksportu energii.
Na przykład przewoźnicy towarowiroboty Carry-all Modular Equipment Landrover firmy Northrop Grumman i wielozadaniowy bezzałogowy transport taktyczny firmy General Dynamics Land Systems (GDLS), przetestowane przez piechotę morską w 2014 r., są przeznaczone do eskortowania i wspierania zsiadanej drużyny.
Dieslowo-elektryczne systemy napędowe obu zrobotyzowanych pojazdów są w stanie generować nie tylko wystarczającą ilość energii dla własnych silników elektrycznych, ale także eksportować 1-2 kW energii, którą GDLS nazywa „energią ekspedycyjną”.
Tymczasem rośnie zainteresowanie ultralekkimi pojazdami dwu- i trzyosobowymi, otwierając rynek pojazdów taktycznych dla producentów silników hybrydowych/elektrycznych, takich jak Millenworks i TomCar. Obie firmy wykorzystują swoje możliwości produkcyjne, aby zaspokoić zapotrzebowanie na lotnicze pojazdy patrolowe, których głównymi cechami są prędkość i zwrotność, a także napędy hybrydowe/elektryczne, aby skorzystać z cichej jazdy oraz zmniejszonej emisji ciepła i spalin.
Entuzjazm dla lekkich i szybkich pojazdów podsycił również zainteresowanie Departamentu Obrony motocyklami elektrycznymi i hybrydowymi. W 2014 roku Dowództwo Operacji Specjalnych przetestowało całkowicie elektryczny motocykl MMX wyprodukowany przez Zero Motorcycles.
Firma Zero nie weszła w szczegóły testów, ale powiedziała, że nadal trwają i że istnieje zainteresowanie linią motocykli dla policji i sił bezpieczeństwa z jednostek żandarmerii wojskowej. Firma potwierdziła również, że współpracuje z niektórymi armiami zagranicznymi.
Zainteresowanie DARPA
W styczniu 2015 r. DARPA (Defence Advanced Research Agency) przyznała firmie Logos Technologies grant na zbadanie możliwości opracowania wojskowej wersji hybrydowego motocykla terenowego SilentHawk.
Menedżer programu SilentHawk, Eric Bell, wyjaśnił: „Ponieważ trudno jest przenosić duże ilości systemów, takich jak samochody lub quady, na terytorium wroga, cichy, terenowy motocykl o długim czasie pracy może być w niektórych przypadkach rozwiązaniem, a ponadto wejść na równi z innymi pojazdami w rozwijającą się koncepcję działań wojennych.
„Motocykle terenowe zapewniają mobilność w ekstremalnym terenie, takim jak lasy bez szlaków, wąskie górskie szlaki i skalisty teren, umożliwiając wojsku pokonanie tego wszystkiego i dotarcie do wroga w niemal każdych warunkach”.
„Zaletą napędu hybrydowego SilentHawk” – kontynuował Bell – „jest oddzielenie komponentów związanych z paliwem – silnika, zbiorników paliwa i układu chłodzenia – od głównych części elektrycznych”.
„Cały system hybrydowy, z wyjątkiem akumulatora, zostaje usunięty z motocykla, pozostawiając tylko motocykl elektryczny, w pełni funkcjonalny, o wysokich osiągach, ze zintegrowanym, chłodzonym cieczą napędem elektrycznym” – dodał. „Oceniamy wojskowe wykorzystanie tych możliwości z bliskiej odległości, gdzie kierowca może zamienić ciężar systemu hybrydowego na dodatkowy sprzęt, którego może potrzebować podczas misji bojowej”.
Energia jest również dostępna dla odbiorców zewnętrznych. Bell wyjaśnił: „Planujemy stworzyć motocykl, który umożliwi operatorom ładowanie różnych urządzeń z ich sieci energetycznej. Projektujemy SilentHawk z wieloma złączami zasilania, aby spełnić dodatkowe wymagania dotyczące mocy 500 W.”
Napędy elektryczne i elektryczność dla odbiorców zewnętrznych otwierają wielkie perspektywy dla wysoce mobilnych sił zależnych od stabilnego źródła energii. Technologia już istnieje, ale dopóki ktoś nie odważy się wbudować jej w koncepcję działań bojowych i wcielić jej w życie, rewolucja w taktyce lądowej pozostanie na etapie „poczekaj i zobacz”.
Użyte materiały:
www.shephardmedia.com
www.oshkosh.com
www2.l-3com.com
www.generaldynamics.com
www.baesystems.pl
www.zeromotocykle.com
www.darpa.mil
informacja