Det stigende energiforbrug i køretøjssystemer giver nye teknologier en chance for at gribe muligheden for radikalt at ændre kraft og mobilitet for militære køretøjer i fremtiden
I betragtning af at den næste generation af den amerikanske hær sandsynligvis vil have et hybridkraftværk, har industrien brug for et stort program, så den kan introducere sine energiteknologier, som den allerede har udviklet (sammen med de uundgåelige ændringer), i hovedparten af kampbiler. En flue i salven i denne tønde honning er imidlertid, at ifølge nuværende planer planlægger hæren at vedtage sådanne køretøjer omkring 2035. Store beslutninger om dens konfiguration vil højst sandsynligt ikke blive truffet før 2025, medmindre de tilsvarende programmer fremskyndes i Trump -formandskabet.
Store behov er et glimrende incitament til udvikling af nye teknologier, som igen kan levere løsninger til at opfylde disse behov. For eksempel kombineres den stigende efterspørgsel efter elektrisk energi på slagmarken med behovet for at reducere logistikbyrden forbundet med brændstofforsyninger samt at øge off-road kapaciteten for kampstyrker og kampstøttestyrker. Alt dette er overbevisende beviser for en udbredt anvendelse af hjælpekraftenheder, intelligente motorkontroller og hybrid elektrisk drev og som følge heraf en kraftig stigning i den effekt, der genereres til eksterne forbrugere.
Overvind inerti
Med stor erfaring i produktion af demonstratorer til hybridkøretøjsteknologi til forskellige militære strukturer og til produktion af hybridbusser til den civile sektor er BAE Systems godt positioneret til at vurdere præcis, hvor denne teknologi er i dag, og hvad dens udsigter er. Det samme gælder for DRS Technologies, som også har deltaget i mange demonstrationsprojekter. Tom Weaver, kommerciel direktør hos DRS Network Computing and Test Solutions, sagde, at markedet stadig er i vækst, og at fordelene ved elektriske køretøjer endnu ikke har overvundet trægheden ved traditionelle køretøjer. En sådan inerti har en negativ indvirkning på fremskridtene hos maskiner, der er i stand til at producere den nødvendige strøm til eksterne forbrugere, på trods af de behov, der er steget "med mindst 100%" i løbet af det sidste årti.
“DRS arbejder med forskellige kunder for at demonstrere maskiner med integrerede nye teknologier i forskellige ydelsestest. Vellykkede demonstrationer og positive brugeranmeldelser førte ikke til indsættelse af sådanne køretøjer i tropperne, desuden var kravene til dem ikke engang udviklet. Men efterspørgslen vil ikke desto mindre fortsætte med at vokse, især for ekspeditionsoperationer og specialkøretøjer som f.eks. Styrede energivåbnsystemer.”
DRS tilbyder nu et indbygget elsystem til Medium Tactical Vehicle (MTV) og HMMWV udstyr i form af en Transmission Integral Generator udviklet i samarbejde med Allison. Dette system, der f.eks. Er installeret på en MTV -lastbil, genererer effekt op til 125 kW til indbyggede eller eksterne systemer. Virksomheden producerer også andre energistyringssystemer til forskellige køretøjer. Chefingeniør Andrew Rosenfield fra BAE Systems, der også beskæftiger sig med sådanne systemer, mener, at det er usandsynligt, at rent elektriske køretøjer vil spille en stor rolle i terrænkampe, hovedsageligt på grund af problemer med genopladning af batterier.
"Selvom drivlineteknologien til helelektrisk drift er veletableret, kan tankningsproblemet meget vel forhindre rent elektriske køretøjer i at blive sat i aktion," fortsatte han. "Der er jo diesel tilgængelig overalt i verden, mens det er meget svært at finde en batteriopladning i ørkenen, men selvom du finder en, er det sandsynligvis ikke muligt at vente otte timer på, at de er fuldt opladet."
Weaver var enig i, at hybridbiler sandsynligvis vil sejre, og nævner også begrænsningerne ved den rene elbilopladningsinfrastruktur og allestedsnærværende diesel og JP8 jetbrændstof. Rosenfield understregede imidlertid, at rent elektriske køretøjer kunne spille en stor rolle på militærbaser, da de kunne flytte varer, som det er tilfældet på moderne fabrikker eller i lufthavne (flyvepladstraktorer). "Brændselscellemaskiner ville sandsynligvis være i stand til at udføre sådanne opgaver, da de har brug for fri adgang til brintreserver," sagde han.
Weaver mener, at der er en vanskelig vej foran brændselscellebiler.”For det første er der ingen hydrogengasinfrastruktur endnu, og der vil være en vis mistillid til indsættelsen af det nye brændstof. Sådanne køretøjers vej begynder med velorganiserede ekspeditionsoperationer."
Hybriddesign er også mere sofistikeret end rent elektriske designs og har flere funktioner, der gør dem mere attraktive end rent elektriske og konventionelle motordrevne maskiner.”For det første bruger elektriske hybridplatforme det samme brændstof som traditionelle dieselbiler. For det andet er det lave omdrejningsmoment ideelt til en maskine, der kører over ujævnt terræn eller bestiger en meget stejl skråning."
Han tilføjede, at evnen til at generere store mængder elektricitet om bord bliver stadig vigtigere, efterhånden som nye funktioner såsom kommunikation og våbensystemer, der bruger kraftfulde lasere, indsættes. Evnen til at eksportere denne energi er også en kæmpe fordel, da disse maskiner kan drive befolkede områder og hospitaler, hvis egne elsystemer er blevet beskadiget af bekæmpelsesskader eller naturkatastrofer.
"Endelig gør de reducerede drifts- og vedligeholdelsesomkostninger forbundet med betydelige brændstofbesparelser og større pålidelighed hybridelektriske køretøjer til et smart og langsigtet valg."
Som Weaver bemærkede, er efterspørgslen efter elektrisk energi om bord på kampbiler aldrig faldet, de vil kun vokse fra år til år. "Nyere funktionelle systemer kræver mere og mere strøm fra transportørplatformen, såvel som løbende opgraderinger til strømproduktion og distribution af nuværende køretøjer."
“Når du har tilføjet funktioner som lydløs bevægelse, radar, avanceret kommunikation, signalstop og elektromagnetisk rustning eller våben, falder platformen bagud og bliver uhåndterlig uden at skifte til en hybrid elektrisk ordning. I det næste årti, for alle kampbiler, vil en af de vigtigste komponenter være evnen til at generere store mængder elektricitet om bord."
"Elektrisk drevne køretøjer skal udføre deres arbejde lige så godt som eller endda bedre end deres traditionelle mekaniske modstykker," fortsatte han.”Ikke alene er motoriserede systemer betydeligt enklere og har færre bevægelige dele end motoriserede systemer, men de har ofte et overraskende godt redundansniveau, hvilket gør dem mere pålidelige. For eksempel kan de fleste tværgående elektriske transmissioner fungere normalt med en enkelt motor, der er gået fejl."
Weaver sagde, at de vigtigste teknologier, der plejes i offentlig transport, allerede er på plads og klar til at komme ind på markedet. "Den udbredte brug af hybrid- og elektriske kredsløb, især i intercitybusser og sporvogne, har ført til udviklingen af motorstyringer, omformere og omformere, der er tæt på, hvad militæret har brug for," sagde han. "Alle branchens behov er kunder, der er villige til at betale for kvalificeringsprocessen, samt nok til at holde omkostningerne nede."
I mellemtiden fortsætter arbejdet med demonstrationen. General Motors (GM) på AUSA i oktober 2016 viste en "klar til brug" version af sit Chevrolet Colorado ZH2 brændselscellekøretøj, der er baseret på et langstrakt mid-size pickup truck chassis. Ifølge skemaet skal Colorado ZH2, med bistand fra TARDEC Armored Research Center, gennemgå en række militære tests "under ekstreme driftsforhold" i løbet af 2017.
Det var et accelereret program. GM og TARDEC arbejdede sammen for at oprette en demo på mindre end et år efter underskrivelsen af kontrakten. "Den hastighed, hvormed innovative ideer kan demonstreres og evalueres, er meget høj, hvorfor branchebånd er så vigtige for militæret," sagde TARDEC -direktør Paul Rogers. "Brændselsceller har potentiale til betydeligt at forbedre militære køretøjers muligheder gennem stille drift, elproduktion til eksterne forbrugere og stabilt drejningsmoment - alle disse fordele gør denne teknologi mere udforsket."
"ZH2 gør det muligt for hæren at demonstrere og vurdere brændselscelleteknologiens beredskab til militære applikationer, samtidig med at han besvarer spørgsmålet om, hvor nyttige brændselscelleelektriske køretøjer kan være under visse forhold og i visse kampopgaver," sagde Doug Hallo, talsmand for TARDEC.
De forventede fordele, som TARDEC skal evaluere, omfatter næsten lydløs drift, der muliggør lydløs overvågning, reducerede termiske signaturer, højt hjulmoment ved alle hastigheder, lavt brændstofforbrug i hele driftsområdet og drikkevand som et kemisk biprodukt. Processer, der forekommer i brændselsceller. Colorado ZH2 har et indbygget kraftudtag til eksterne forbrugere.
Fremdrivningssystemet er baseret på brændselsceller med protonudvekslingsmembraner, der er i stand til at generere op til 93 kW likestrøm og et batteri, der yder yderligere 35 kW til fremdrivningssystemet og oplades under regenerativ bremsning. Dette forklarer GM's ZH2 -projektleder Christopher Kolkit.
“Køretøjets tanke rummer omkring 4,2 kg komprimeret brint ved 10.000 psi, hvilket er mere end 689 gange atmosfæretrykket. Atmosfærisk luft er en iltkilde, der kræves til den elektrokemiske proces, hvorved den nødvendige elektricitet genereres; kun vanddamp frigives,”bemærkede han.
For alle elektriske drivsystemer er levering af energi fra kilden til hjulene lettere end med traditionelle køretøjer. “ZH2 har ikke en transmission i ordets sædvanlige betydning. En vekselstrømsmotor med en et-trins gearkasse overfører drejningsmoment direkte til gearkassen og firehjulstræk-systemet,”forklarede Kolkit.
Bærbar infrastruktur
Gennem dette program undersøger TARDEC -centret også, hvad der i det mindste kan være en delvis løsning på problemet med brinttilgængelighed (infrastruktur). Dens løsning her begunstiges af det faktum, at dette kemiske element kan fremstilles på forskellige måder fra forskellige kilder. Ifølge repræsentanten for TARDEC Center, i den indledende fase af arbejdet med ZH2 -projektet, er tanken at opnå komprimeret brint under reformeringen af luftfartspeteri JP8 i en bærbar reformer, som vil blive flyttet til hvert teststed sammen med maskine, fordi dette vil øge antallet af løste på dette trin af opgaver.
"Vi søger i øjeblikket at oprette en reformator, der kan bruge en række forskellige tilgængelige kilder lokalt, såsom naturgas, JP8 jetbrændstof, DF2 diesel eller propan, til at producere brint," sagde han. - Lokale elektriske netværk, herunder muligvis vedvarende energikilder, sammen med vandressourcer, kan også bruges til brintproduktion. Dette ville gøre det muligt for hæren at reducere mængden af brændstof, der bringes til et specifikt operationsteater og stole på, hvad der er tilgængeligt i det teater."
Uanset om det er batterier, brændselsceller eller blandede dieselelektriske kraftværker som drivmotor, kræver omdannelse af elektrisk strøm til fremadgående fremdrift pålidelige og effektive elektriske drev. Det britiske firma Magtec fremstiller elektriske drivsystemer til luftfarts-, marine- og bilmarkedet og tilbyder f.eks. Flere muligheder for at konvertere erhvervsvogne med nye fremdriftssystemer.
Virksomheden udviklede imidlertid også komplette drivlinjer til belte- og hjulplatforme til demonstration af hybridteknologier fremstillet af BAE Systems Hagglunds for de britiske og svenske forsvarsagenturer i begyndelsen af 2000'erne.
For SEP (Splitterskyddad EnhetsPlattform) platforme, både hjulede 6x6 og sporede, har virksomheden udviklet in-wheel navmotorer (motorhjul), herunder et totrins reduktionsgear og bremsesystem i hver, to generatorer, kontroludstyr og strømfordeling. For SEP har hun også udviklet, installeret og testet software til styring af nøglefunktioner såsom strømfordeling, trækkontrol, elektroniske differentialelåse og styring, der gør det muligt for maskinen at tænde på stedet. Desuden opfylder dette system alle militære EMC- og miljøbestemmelser.
Magtecs administrerende direktør sagde, at han ser et godt vækstpotentiale for elektriske køretøjer med udvidet rækkevidde til kampstøttemissioner. Samtidig bidrager nye teknologier til en betydelig forbedring af mobiliteten, et fald i brændstofforbrug, større redundans, plus de gør det muligt at træffe originale layoutbeslutninger. Han bemærkede også, at den elektriske fremdrift forenkler implementeringen af fjernbetjening og autonomi.
Med hensyn til den videre udvikling af de nødvendige teknologier bemærkede han, at drivsystemerne er klar til at komme ind på markedet med forbedret effektelektronik (til styring af kraftdrev) baseret på siliciumcarbid halvlederkredsløb. De er nødvendige for at styre den højspænding, som ny generations elektriske systemer fungerer på. Direktøren for Magtec bemærkede, at de 24 volt, som de fleste moderne systemer fungerer ved nu, er for lave til hovedforbrugerne af elektricitet (stigningen i spænding gør det muligt at overføre mere strøm gennem kablerne uden at øge strømstyrken overdrevent).
Et selskab inden for området, GE Aviation, har vundet en kontrakt på 2,1 millioner dollar for at udvikle og demonstrere siliciumcarbidkraftelektronik. Efter et 18-måneders udviklingsprogram forventes virksomheden at demonstrere fordelene ved sin siliciumcarbidmetaloxid FET-teknologi kombineret med galliumnitrid-enheder i en 15 kW, 28/600 volt tovejs DC / DC-omformer.
Ifølge virksomheden kan dette udstyr klare to gange strømmen, mens det optager halvdelen af volumenet i forhold til nuværende siliciumeffektelektronik, mens omformerne vil kunne arbejde parallelt og programmeres i overensstemmelse med CAN -standarden.
Virksomheden udvikler en næste generations køretøjskraftarkitektur fra TARDEC, der kalder det en forstyrrende teknologi, og håber, at en teknologidemonstration vil være klar i midten af 2017.
Dobbelt hastighed
En anden gennembrudsteknologi er DARPA Defense Advanced Research Projects Agency's Ground X-Vehicle Technology (GXV-T) projekt, hvor elektriske systemer vil spille en væsentlig rolle. Målet med projektet er at halvere størrelsen, vægten og antallet af besætningen på lovende pansrede køretøjer, at fordoble deres hastighed, evnen til at overvinde 95% af terrænet samt at reducere tegn på synlighed.
I juli 2016 gav DARPA Qinetiq en investering på 2,7 millioner dollar for at forfine teknologien i elektriske drivsystemer til GXV-T-projektet. Virksomheden beskriver denne teknologi som kompakte og ekstremt kraftfulde elektriske motorer inde i hjulene, der erstatter forskellige gearkasser, differentialer og drivaksler. Denne tilgang, sagde virksomheden, reducerer platformens samlede vægt dramatisk og åbner nye designmuligheder, der vil forbedre sikkerhed og ydeevne.
Qinetiq understreger, at denne teknologi ud over brugen i nye koncepter, f.eks. GXV-T, også kan forbedre eksisterende køretøjers muligheder under eftermontering. For eksempel kan et flerhjulet infanterikøretøj opgraderet med navdrev eller motorhjul "drage fordel af den øgede effekt og mobilitet, som vægtbesparelser giver, eller omvendt, bruge disse besparelser til at forbedre beskyttelsen, installere udstyr eller øge passagerkapaciteten."
Investeringen blev efterfulgt af en kontrakt, annonceret i september 2015, hvorunder konceptet vil blive oversat til et ægte design og testet, hvorefter to fulde arbejdsprototyper vil blive produceret.
"Konventionelle aktuatorer er ret tunge, har begrænset kapacitet og består af komponenter, der kan blive til dødelige projektiler, hvis de eksploderer af en mine," sagde forskningschef ved Qinetiq og kommenterede kontrakten. "At flytte drevene til hjulene fjerner denne trussel og bryder tendensen til, at køretøjer bliver tungere og mindre mobile på grund af det øgede beskyttelsesniveau og kraften i våben."
Eksisterende maskiner kan også drage fordel af elektrificering af ikke-fremdrivende delsystemer. For eksempel skal det tyske firma Jenoptik levere 126 elektriske tårne og våbenstabiliseringssystemer til det polske Leopard 2PL tank moderniseringsprogram. Ifølge virksomheden vil de elektriske systemer erstatte de hydrauliske systemer på tanken og derved reducere vedligeholdelse og varmeproduktion.
Leveringer forfalder i 2017-2020 i henhold til en kontrakt på 23 millioner dollars, der blev underskrevet med Polens Bumar Labédy i oktober 2016. Den samme virksomhed Bumar Labedy underskrev en samarbejdsaftale om modernisering af tanke med det tyske firma Rheinmetall i februar 2017.
En af Jenoptiks aktiviteter er udvikling og produktion af kompakte stabiliserede våben- / sensorplatforme, drivsystemer til tårne og våben og spejle til stabilisering af pansrede køretøjers sigtelinje.
For eksempel består et pistol- og tårndrevsystem til store våbensystemer af vandrette og lodrette styrede elektriske motorer, som leder pistolen i henholdsvis azimut og elevation, afhængigt af signalerne fra hoved- og backupkontrolenhederne. Begge drev inkluderer absolut positionering børsteløse synkronmotorer med nul afstand mellem udgangsgearet for hver motor og den tandede sektor af våbensamlingen.
Systemet, der kan fungere med en forsyningsspænding på 28 og 610 volt DC, kan kaste pistolen i hvert fly med en hastighed på op til 60 ° / s eller langsommere end 0,2 mrad / s.
Drevkontrolenheden, i overensstemmelse med indgangssignalerne fra sensorer, betjeningselementer og et aktivt syn, omdanner strømforsyningen til et par trefasesystemer, et for hvert tårn og våbenstyring, stabilisering og aktiverende servomotorer.
Det globale marked for elektrificering af køretøjer vil være værd at 300 milliarder dollars i 2026, ifølge en rapport fra analysefirmaet IDTechEx sidste år. Denne vækst, drevet af en stigning i antallet af elektriske motorstyringer pr. Køretøj (da styring, affjedring og andre tidligere mekaniske, pneumatiske og hydrauliske dele vil erstatte elektriske systemer), vil give et teknologisk grundlag for massemarkedet og dermed reducere deres omkostninger til militære køretøjer.
