Больше энергии в каждую машину
Технология мотор-колеса компании Qinetiq для проекта Ground X-Vehicle Techonology, базирующегося на концепции Управления DARPA
Растущее энергопотребление бортовых систем транспортных средств дает новым технологиям шанс воспользоваться случаем для того, чтобы радикально изменить мощность и подвижность военных машин в будущем
Учитывая то, что боевая машина следующего поколения американской армии, скорее всего, будет иметь гибридную силовую установку, промышленности просто необходима крупномасштабная программа с тем, чтобы она могла внедрить свои энергетические технологии, которые она уже разработала (наряду с неизбежными доработками), в большую часть боевых машин. Ложка дегтя в этой бочке меда, однако, состоит в том, что согласно нынешним планам армия планирует принять на вооружение подобные машины примерно в 2035 году. Основные решения по поводу ее конфигурации вероятнее всего не будут приняты ранее 2025 года, если только соответствующие программы не ускорятся в президентство Трампа.
Громадные потребности являются отличным стимулом для развития новых технологий, которые в свою очередь смогут предоставить решения для удовлетворения этих потребностей. Например, растущий спрос на электрическую энергию на поле боя сочетается с необходимостью снижения логистической нагрузки, связанной с поставками топлива, а также с повышением внедорожной проходимости боевых сил и сил боевого обеспечения. Всё это убедительно говорит в пользу широкомасштабного внедрения вспомогательных силовых установок, интеллектуальных средств управления двигателем и гибридного электрического привода и, как следствие, резкого повышения мощности, вырабатываемой для внешних потребителей.
Преодолеть инерцию
Имея большой опыт изготовления демонстрационных образцов технологии гибридных транспортных средств для разных военных структур и производства автобусов с гибридными силовыми установками для гражданского сектора, компания ВАЕ Systems находится в хорошем положении, чтобы точно оценить, где находится эта технология сегодня и каковы ее перспективы. То же самое справедливо и для компании DRS Technologies, которая также участвовала во многих демонстрационных проектах. Коммерческий директор в DRS Network Computing and Test Solutions Том Вивер сказал, что рынок все еще формируется и что преимущества электрических транспортных средств еще должны преодолеть инерцию традиционных средств передвижения. Подобная инерция оказывает негативное влияние на прогресс машин, способных генерировать необходимые мощности для внешних потребителей, несмотря на потребности, увеличившиеся за прошедшее десятилетие «по меньшей мере, на 100%».
«Компания DRS работает с разными заказчиками с целью демонстрации машин с интегрированными новыми технологиями в различных эксплуатационных испытаниях. Успешные демонстрации и положительные отзывы пользователей не привели к развертыванию в войсках подобных транспортных средств, мало того, даже не выработаны требования к ним. Но спрос, тем не менее, продолжит расти, особенно это касается экспедиционных операций и специализированных машин, например, с системами оружия направленной энергии».
Сегодня компания DRS предлагает систему бортового энергоснабжения для оборудования машин Medium Tactical Vehicle (MTV) и HMMWV в виде генератора Transmission Integral Generator, разработанного в сотрудничестве с Allison. Эта система, установленная на грузовике MTV, например, генерирует для бортовых или внешних систем мощность до 125 кВт. Компания также производит и другие системы управлением энергопотреблением, устанавливаемые на различные транспортные средства. Главный инженер Эндрю Розенфилд компании ВАЕ Systems, которая также занимается подобными системами, считает маловероятным, что чисто электрические машины будут играть главную роль в наземном бою, в основном из-за проблем с подзарядкой аккумуляторных батарей.
«В то время как технология силовой передачи для работы в полностью электрическом режиме вполне отработана, проблема дозаправки вполне возможно не позволит отправить чисто электрические машины в реальный бой, - продолжил он. - В конце концов, дизельное топливо доступно в любой точке мира, тогда как найти станцию подзарядки аккумуляторов в пустыне весьма проблематично, но даже если вы ее нашли, ждать восемь часов для их полного заряда - скорее всего неосуществимая затея».
Вивер согласился, что гибридные машины, скорее всего, будут преобладать, также упомянув ограничения инфраструктуры зарядки чистых электромашин и повсеместность дизельного топлива и авиационного керосина JP8. Впрочем, Розенфилд подчеркнул, что чисто электрические машины могли бы сыграть большую роль на военных базах, так как могли бы перемещать грузы, как это происходит на современных предприятиях или в аэропортах (аэродромные тягачи). «Машины на топливных элементах, скорее всего, смогли бы выполнять подобные задачи, поскольку им необходим свободный доступ к запасам водорода», - сказал он.
Вивер считает, что перед машинами на топливных элементах впереди лежит трудный путь. «Во-первых, пока нет инфраструктуры газообразного водорода, и будет определенное недоверие к развертыванию нового топлива. Путь подобных машин начнется с хорошо организованных экспедиционных операций».
Гибридные схемы также более отработаны, чем чисто электрические, и имеют несколько особенностей, которые делают их более привлекательными по сравнению с чисто электрическими и традиционными машинами с механическим приводом. «Во-первых, гибридные электрические платформы используют такое же топливо, что и традиционные машины с дизельным двигателем. Во-вторых, крутящий момент на низких оборотах электродвигателя идеален для машины, движущейся по пересеченной местности или взбирающейся на очень крутой склон».
Он добавил, что способность генерировать большое количество электроэнергии на борту становится всё более важной по мере развертывания таких новых возможностей, как например, средства связи и системы вооружения, которые используют мощные лазеры. Способность экспортировать эту энергию также является огромным преимуществом, так как эти машины могут запитывать населенные пункты и госпитали, чьи собственные энергосистемы вышли из строя в результате боевых повреждений или стихийного бедствия.
«Наконец, сокращение затрат на эксплуатацию и техническое обслуживание, связанных с существенной экономией топлива и большей надежностью, делают гибридно-электрические транспортные средства умным и долгосрочным выбором».
Генератор Transmission integral Generator разработки компаний Allison Transmission и DRS может снабжать дополнительной энергией существующие бронированные машины
Энергетические потребности
Как заметил Вивер, потребности в электрической энергии на борту боевых машин никогда не снижались, они только будут расти год от года. «Более новые функциональные системы требуют все больше и больше энергии от платформы-носителя, а также постоянных модернизаций систем выработки и распределения энергии нынешних транспортных средств».
«Как только вы добавили такие возможности, как бесшумное передвижение, радиолокационная станция, продвинутые средства связи, глушение сигналов и электромагнитная броня или вооружение, платформа начинает отставать от требований и этот процесс становится неуправляемым без перехода к гибридно-электрической схеме. В следующем десятилетии для всех боевых машин одной из важнейших составляющих станет способность генерировать большое количество электроэнергии на борту».
«Транспортные средства с электрическим приводом должны выполнять свою работу не хуже своих традиционных механических собратьев и даже лучше, - продолжил он. - Системы с электроприводом не только существенно проще и имеют меньше движущихся частей по сравнению с системами с механическим приводом, но зачастую они имеют на удивление хороший уровень избыточности, что делает их более надежными. Например, большинство электрических трансмиссий с поперечным расположением могут с одним вышедшим из строя электродвигателем работать в известной степени нормальном режиме».
Вивер заявил, что ключевые технологии, взращенные в общественном транспорте, уже имеются и готовы выйти на рынок. «Широкомасштабное использование гибридных и электрических схем, особенно в междугородных автобусах и трамваях, привело к развитию контроллеров двигателей, инверторов и конвертеров, которые близки к тому, что необходимо военным, сказал он. - Все, в чем нуждается промышленность - это заказчики, готовые оплатить процесс квалификации, а также количество, достаточное для снижения стоимости».
Тем временем, продолжается работа по демонстрации. Компания General Motors (GM) на выставке AUSA в октябре 2016 года показала «готовый к работе» вариант своего автомобиля на топливных элементах Chevrolet Colorado ZH2, который базируется на удлиненном шасси пикапа среднего размера. По графику Colorado ZH2 при содействии Научно-исследовательского бронетанкового центра TARDEC в течение 2017 года должен пройти серию войсковых испытаний «в экстремальных эксплуатационных условиях».
Это была ускоренная программа. GM и TARDEC, работая совместно, создали демонстрационный образец менее чем за год после подписания контракта. «Скорость, с которой инновационные идеи могут быть продемонстрированы и оценены, весьма высока, вот почему связи с промышленностью так важны для армии, - сказал директор TARDEC Пол Роджерс. - Топливные элементы имеют потенциал касательно значительного расширения возможностей армейских транспортных средств за счет бесшумной работы, выработки электроэнергии для внешних потребителей и устойчивого крутящего момента - все эти преимущества заставляют исследовать эту технологию более внимательно».
«ZH2 позволяет армии продемонстрировать и оценить готовность технологии топливных элементов для военного применения и в то же время ответить на вопрос - насколько полезными могут быть электромобили на топливных элементах в определенных условиях и в определенных боевых задачах», - сказал Даг Халло, представитель TARDEC.
Ожидаемые преимущества, которые TARDEC должен оценить, включают почти бесшумную работу, позволяющую вести бесшумное наблюдение, сниженные тепловые признаки заметности, высокий крутящий момент на колесах на всех скоростях, низкое потребление топлива во всем диапазоне рабочих режимов, а также получение питьевой воды как побочного продукта химических процессов, происходящих в топливных элементах. Colorado ZH2 имеет на борту блок отбора мощности для внешних потребителей.
Силовая установка базируется на топливных элементах на основе протонообменных мембран, способных генерировать постоянный ток мощностью до 93 кВт, и аккумуляторной батарее, которая дает еще 35 кВт для силовой установки и заряжается в процессе рекуперативного торможения. Об этом рассказывает руководитель проекта ZH2 в компании GM Кристофер Колкит.
«В баках автомобиля хранится около 4,2 кг сжатого водорода под давлением 10000 фунт на квадратный дюйм, что более чем в 689 раз больше атмосферного давления. Атмосферный воздух является источником кислорода, необходимого для электрохимического процесса, в результате чего генерируется потребная электроэнергия; при этом выделяется только водяной пар», - отметил он.
Что касается всех электроприводных систем, то доставка энергии от источника к колесам проще, чем у традиционных транспортных средств. «ZH2 не имеет трансмиссии в обычном понимании этого слова. Тяговый двигатель переменного тока с одноступенчатым редуктором передает крутящий момент прямо на раздаточную коробку и систему привода четырех колес», - пояснил Колкит.
Топливный элемент Chevrolet Colorado ZH2 мог бы в перспективе расширить сферу применения топливных элементов в войсковых транспортных средствах
Портативная инфраструктура
В рамках этой программы Центр TARDEC также изучает то, что могло бы стать, по крайней мере, частичным решением проблемы с доступностью (инфраструктурой) водорода. Ее решению здесь благоприятствует тот факт, что этот химический элемент может производиться различными способами из разных источников. Как рассказал представитель Центра TARDEC, на начальном этапе работ по проекту ZH2 замысел состоит в том, чтобы получать сжатый водород в процессе реформинга авиационного керосина JP8 в портативной установке реформинга, которая будет переезжать на каждый испытательный полигон вместе с машиной, ведь это позволит увеличить число решаемых на этом этапе задач.
«Мы в настоящее время хотим создать установку реформинга, которая могла бы использовать различные источники, имеющиеся на местах, например, природный газ, авиационный керосин JP8, дизельное топливо DF2 или пропан, для производства водорода, - сказал он. - Местные электрические сети, включая возможно источники возобновляемой энергии, наряду водными ресурсами могут также использоваться для производства водорода. Это позволило бы армии сократить количество топлива, которое привозится на конкретный театр военных действий, и положиться на то, что имеется на данном театре».
Будь то аккумуляторы, топливные элементы или смешанные дизель-электрические силовые установки в качестве первичного движителя, преобразование электрического тока в движение вперед требует надежных и эффективных электроприводов. Британская компания Magtec производит системы электроприводов для авиационно-космического, морского и автомобильного рынков, предлагая, например, несколько вариантов переоборудования коммерческих грузовиков новыми силовыми установками.
Впрочем, компания также разработала комплектные силовые передачи для гусеничных и колесных платформ демонстрации гибридных технологий, изготовленных компанией BAE Systems Hagglunds для британских и шведских оборонных ведомств в начале 2000-х.
Для платформ SEP (Splitterskyddad EnhetsPlattform), как колесной 6x6, так и гусеничной, компания разработала встроенные в ступицы колес электродвигатели (мотор-колеса), включая двухступенчатый редуктор и тормозную систему в каждом, спаренные генераторы, оборудование управления и распределения мощности. Для SEP она также разработала, установила и испытала программное обеспечение для контроля основных функций, например, распределения мощности, управления тяговым усилием, электронной блокировкой дифференциалов и поворота вокруг оси, что позволяет машине разворачиваться на месте. Кроме того, эта система соответствует всем военным нормам по электромагнитной совместимости и экологическим требованиям.
Колесная и гусеничная платформы SEP
Исполнительный директор компании Magtec сказал, что видит хороший потенциал роста для электромобилей с увеличенным запасом хода, предназначенных для задач боевого обеспечения. При этом новые технологии способствуют значительному улучшению мобильности, снижению потребления топлива, большей избыточности, плюс позволяют принимать оригинальные компоновочные решения. Он также отметил, что электрический движитель упрощает реализацию дистанционной работы и автономности.
Касательно дальнейшего развития необходимых технологий он заметил, что системы приводов готовы выйти на рынок с улучшенной силовой электроникой (для управления силовыми приводами), базирующейся на полупроводниковых схемах из карбида кремния. Они необходимы для управления высоким напряжением, на котором работают электрические системы нового поколения. Директор Magtec отметил, что 24 вольта, на которых работает большинство современных систем, ныне стало слишком мало для основных потребителей электроэнергии (повышение напряжения позволяет передавать большую мощность по кабелям без чрезмерно большого увеличения силы тока).
Одна из компаний, работающая в этой области, GE Aviation, получила контракт на 2,1 миллиона долларов на разработку и демонстрацию силовой электроники на базе карбида кремния. По итогам 18-месячной программы разработки компания должна представить преимущества своей технологии металлоксидных полевых транзисторов на карбиде кремния в комбинации с устройствами на нитриде галлия, реализованной в двунаправленном преобразователе постоянного тока на 15 кВт, 28/600 вольт.
Как сообщили в компании, это оборудование может обрабатывать в два раза большую мощность, занимая при этом в два раза меньший объем по сравнению с нынешней кремниевой силовой электроникой, при этом конвертеры будут способны работать параллельно и программироваться в соответствии со стандартом CAN.
Компания развивает архитектуру электропитания транспортного средства следующего поколения разработки Центра TARDEC, называя ее прорывной технологией, и надеется, что демонстрация технологии будет готова к середине 2017 года.
Польский танк Leopard 2A4 готовится к модернизации, включающей электрические технологии компании Jenoptik
Двойная скорость
Еще одной прорывной технологией является проект Управления перспективных оборонных исследований DARPA под названием Ground X-Vehicle Technology (GXV-T), в котором электрические системы будут играть значительную роль. Целью проекта является уменьшение в два раза размеров, массы и численности экипажа перспективных бронированных машин, удвоение их скорости, способность преодолевать 95% местности, а также снижение признаков заметности.
Концепция Ground X-Vehicle Technology
В июле 2016 года DARPA выдало компании Qinetiq 2,7 миллиона долларов инвестиций на доработку технологии электроприводных систем для проекта GXV-T. Эту технологию в компании описывают, как компактные и чрезвычайно мощные электродвигатели внутри колес, которые заменяют различные редукторы, дифференциалы и приводные валы. Этот подход, сообщили в компании, резко снижает общую массу платформы и открывает новые конструктивные возможности, которые позволят повысить безопасность и характеристики.
В компании Qinetiq подчеркивают, что кроме ее применения в новых концепциях, например GXV-T, эта технология при проведении модернизаций может также повысить возможности существующих транспортных средств. Например, многоколесная машина пехоты, модернизированная ступичными приводами или мотор-колесами, «могла бы получить преимущество от повышения мощности и подвижности, которую дает снижение массы, или наоборот, использовать эту экономию для повышения уровня защиты, установки оборудования или увеличения пассажировместимости».
Вслед за инвестициями последовал контракт, объявленный в сентябре 2015 года, в соответствии с которым эта концепция будет воплощена в реальной конструкции и испытана, после чего будут изготовлены два полноценных рабочих образца.
«Обычные приводы довольно тяжелые, они имеют ограничения по использованию имеющегося объема и состоят из компонентов, которые могут превратиться в смертельные снаряды в случае подрыва на мине, - сказал руководитель исследовательского департамента в компании Qinetiq, комментируя этот контракт. - Перенос приводов в колеса снимает эту угрозу и ломает тенденцию, когда машины становится тяжелее и менее подвижными в связи с повышением уровня защиты и могущества вооружения».
Существующие машины могут также выиграть от электрификации подсистем, не связанных с движителем. Например, немецкая компания Jenoptik должна поставить 126 электрических систем стабилизации башни и вооружения для польской программы модернизации танков Leopard 2PL. По данным компании, электрические системы заменят стоящие на этом танке гидравлические системы, тем самым снизится объем обслуживания и выработка тепла.
Поставки должны пройти в 2017-2020 годы в рамках контракта стоимостью 23 миллиона долларов, подписанного с польской Bumar Labеdy в октябре 2016 года. Сама же фирма Bumar Labеdy подписала соглашение о сотрудничестве по модернизации танков с немецкой компанией Rheinmetall в феврале 2017 года.
Одним из направлений деятельности компании Jenoptik является разработка и производство компактных стабилизированных платформ вооружения/сенсоров, систем приводов для башен и вооружения и блоков зеркал для стабилизации линии визирования бронированных машин.
Например, система привода пушки и башни для крупных систем вооружения состоит из электродвигателей горизонтального и вертикального наведения, которые наводят пушку по азимуту и углу места соответственно в зависимости от сигналов основного и резервного блоков управления. В состав обоих приводов входят бесщеточные синхронные электродвигатели с абсолютным позиционированием, имеющие нулевой зазор между выходной шестерней каждого электродвигателя и зубчатым сектором блока вооружения.
Система, способная работать при напряжении питания 28 и 610 вольт постоянного тока, может перебрасывать пушку в каждой плоскости со скоростью до 60°/с или медленнее 0,2 мрад/с.
Блок управления приводом в соответствии с входящими сигналами от сенсоров, органов управления и активного прицела трансформирует силовое питание в пару трехфазных систем, по одной для каждого из серводвигателей наведения, стабилизации и исполнительного режима башни и вооружения.
По данным доклада исследовательской компании IDTechEx, опубликованного в прошлом году, стоимость мирового рынка электрификации транспортных средств к 2026 году составит 300 миллиардов долларов. Этот рост, обусловленный увеличением количества контроллеров электродвигателей на машину (поскольку рулевое управление, подвеску и другие прежде механические, пневматические и гидравлические части заменят электрические системы), обеспечит технологическую основу для массового рынка, что позволит снизить их стоимость для военных транспортных средств.
Использованы материалы:
www.shephardmedia.com
www.qinetiq.com
www.leonardodrs.com
www.allisontransmission.com
www.gm.com
www.jenoptik.com
www.army.mil
www.baesystems.com
www.saabgroup.com
www.wikipedia.org
ru.wikipedia.org
Информация