Ajoneuvojärjestelmien kasvava energiankulutus antaa uusille tekniikoille mahdollisuuden tarttua tilaisuuteen muuttaa sotilasajoneuvojen tehoa ja liikkuvuutta radikaalisti tulevaisuudessa
Kun otetaan huomioon, että Yhdysvaltain armeijan seuraavalla sukupolvella on todennäköisesti hybridivoimala, teollisuus tarvitsee laaja-alaisen ohjelman, jotta se voi ottaa käyttöön jo kehittämänsä energiateknologiat (yhdessä väistämättömien muutosten kanssa) suurin osa taisteluajoneuvoista. Tämän hunajan tynnyrin voide on kuitenkin se, että nykyisten suunnitelmien mukaan armeija aikoo ottaa tällaiset ajoneuvot käyttöön noin vuonna 2035. Suuria päätöksiä sen kokoonpanosta ei todennäköisesti tehdä ennen vuotta 2025, ellei vastaavia ohjelmia nopeuteta Trumpin presidenttikaudeksi.
Valtavat tarpeet ovat erinomainen kannustin uusien teknologioiden kehittämiselle, mikä puolestaan voi tarjota ratkaisuja näihin tarpeisiin. Esimerkiksi kasvava sähköenergian kysyntä taistelukentällä yhdistetään tarpeeseen vähentää polttoaineen toimituksiin liittyvää logistiikkakuormitusta sekä lisätä taisteluvoimien ja taistelujoukkojen maastokykyä. Kaikki tämä on vakuuttavaa todistetta apuvoimayksiköiden, älykkäiden moottorinohjainten ja hybridi -sähkökäytön laajalle levinneisyyden puolesta ja sen seurauksena ulkoisille kuluttajille tuotetun tehon jyrkästä kasvusta.
Voita hitaus
BAE Systemsillä on laaja kokemus erilaisten sotilasrakenteiden hybridiajoneuvoteknologian esittelyjen tuotannosta ja siviilibussien hybridibussien tuotannosta, ja sillä on hyvät edellytykset arvioida tarkalleen, missä tämä tekniikka on nykyään ja mitkä ovat sen näkymät. Sama koskee DRS Technologiesia, joka on myös osallistunut moniin esittelyhankkeisiin. Tom Weaver, DRS Network Computing and Test Solutionsin kaupallinen johtaja, sanoi, että markkinat ovat vielä kehittymässä ja että sähköajoneuvojen edut eivät ole vielä voittaneet perinteisten ajoneuvojen hitautta. Tällaisella hitaudella on kielteinen vaikutus sellaisten koneiden kehitykseen, jotka pystyvät tuottamaan tarvittavaa sähköä ulkoisille kuluttajille, vaikka tarpeet ovat lisääntyneet "vähintään 100%" viimeisen vuosikymmenen aikana.
”DRS työskentelee eri asiakkaiden kanssa demonstroidakseen koneita, joissa on integroitu uusi tekniikka, erilaisissa suorituskykytesteissä. Onnistuneet mielenosoitukset ja positiiviset käyttäjäarvostelut eivät johtaneet tällaisten ajoneuvojen käyttöönottoon joukkoihin, ja lisäksi niitä koskevia vaatimuksia ei edes kehitetty. Kysyntä kuitenkin kasvaa edelleen, erityisesti retkikuntaoperaatioiden ja erikoisajoneuvojen, kuten suunnattujen energia -asejärjestelmien, osalta.”
DRS tarjoaa nyt sisäisen voimansiirtojärjestelmän MTV (Medium Tactical Vehicle) ja HMMWV -laitteille yhteistyössä Allisonin kanssa kehitetyn integroidun voimansiirtigeneraattorin muodossa. Tämä järjestelmä, joka on asennettu esimerkiksi MTV -kuorma -autoon, tuottaa jopa 125 kW: n tehoa sisäisiin tai ulkoisiin järjestelmiin. Yhtiö valmistaa myös muita energianhallintajärjestelmiä eri ajoneuvoihin. Pääinsinööri Andrew Rosenfield BAE Systemsistä, joka myös käsittelee tällaisia järjestelmiä, pitää epätodennäköisenä, että puhtaasti sähköajoneuvoilla olisi merkittävä rooli maataistelussa, pääasiassa akkujen lataamiseen liittyvien ongelmien vuoksi.
"Vaikka täysin sähkökäyttöön tarkoitettu voimansiirtotekniikka on vakiintunut, tankkausongelma voi hyvinkin estää puhtaasti sähköajoneuvojen käyttöönoton", hän jatkoi. "Loppujen lopuksi dieseliä on saatavana kaikkialla maailmassa, kun taas akun latausaseman löytäminen autiomaasta on erittäin vaikeaa, mutta vaikka löydät sellaisen, kahdeksan tunnin odottaminen niiden täyteen lataamisesta ei todennäköisesti ole mahdollista."
Weaver oli samaa mieltä siitä, että hybridiautot tulevat todennäköisesti voittamaan, ja hän mainitsi myös puhtaan sähköautojen latausinfrastruktuurin rajoitukset sekä dieselin ja JP8 -polttoaineen yleisyyden. Rosenfield kuitenkin korosti, että puhtaasti sähköajoneuvoilla voisi olla suuri rooli sotilastukikohdissa, koska ne voisivat siirtää tavaroita, kuten nykyaikaisissa tehtaissa tai lentokentillä (lentokonetraktorit). "Polttokennokoneet pystyisivät todennäköisesti suorittamaan tällaisia tehtäviä, koska ne tarvitsevat ilmaisen pääsyn vetyvarastoihin", hän sanoi.
Weaver uskoo, että polttokennoajoneuvojen edessä on vaikea tie.”Ensinnäkin vetykaasuinfrastruktuuria ei ole vielä olemassa, ja uuden polttoaineen käyttöönottoa kohtaan tulee epäluottamusta. Tällaisten ajoneuvojen polku alkaa hyvin organisoidulla tutkimusmatkalla."
Hybridimallit ovat myös kehittyneempiä kuin puhtaasti sähköiset mallit, ja niissä on useita ominaisuuksia, jotka tekevät niistä houkuttelevampia kuin puhtaasti sähköiset ja perinteiset moottorikäyttöiset koneet.”Ensinnäkin hybridi -sähkölavat käyttävät samaa polttoainetta kuin perinteiset dieselkäyttöiset ajoneuvot. Toiseksi alhaisen kierrosluvun vääntömomentti on ihanteellinen koneelle, joka kulkee epätasaisessa maastossa tai kiipeää erittäin jyrkkään rinteeseen."
Hän lisäsi, että kyky tuottaa suuria määriä sähköä aluksella on tulossa yhä tärkeämmäksi, kun uusia ominaisuuksia, kuten viestintä- ja asejärjestelmiä, jotka käyttävät tehokkaita lasereita, otetaan käyttöön. Mahdollisuus viedä tämä energia on myös valtava etu, koska nämä koneet voivat käyttää asuinalueita ja sairaaloita, joiden omat sähköjärjestelmät ovat vaurioituneet taisteluvaurioiden tai luonnonkatastrofien vuoksi.
"Lopuksi, alhaiset käyttö- ja ylläpitokustannukset, jotka liittyvät huomattaviin polttoainesäästöihin ja suurempaan luotettavuuteen, tekevät hybridiajoneuvoista fiksun ja pitkäaikaisen valinnan."
Kuten Weaver totesi, taisteluajoneuvojen sähköenergian kysyntä ei ole koskaan vähentynyt, vaan ne vain kasvavat vuodesta toiseen. "Uudemmat toiminnalliset järjestelmät vaativat yhä enemmän virtaa kuljetusalustalta sekä jatkuvia päivityksiä nykyisten ajoneuvojen sähköntuotanto- ja jakelujärjestelmiin."
”Kun olet lisännyt ominaisuuksia, kuten hiljaisen liikenteen, tutkan, kehittyneen viestinnän, signaalin häirinnän ja sähkömagneettisen panssarin tai aseen, kalusto jää jälkeen ja tulee hallitsemattomaksi siirtymättä hybridi -sähköjärjestelmään. Seuraavan vuosikymmenen aikana kaikkien taisteluajoneuvojen yksi tärkeimmistä komponenteista on kyky tuottaa suuria määriä sähköä aluksella."
"Sähkökäyttöisten ajoneuvojen on tehtävä tehtävänsä yhtä hyvin tai jopa paremmin kuin perinteiset mekaaniset kollegansa", hän jatkoi.”Moottoroidut järjestelmät eivät ole pelkästään merkittävästi yksinkertaisempia ja niissä on vähemmän liikkuvia osia kuin moottoroiduissa järjestelmissä, mutta niiden redundanssi on usein yllättävän hyvä, mikä tekee niistä luotettavampia. Esimerkiksi useimmat poikittaiset sähköiset voimansiirrot voivat toimia normaalisti yhden moottorin ollessa viallinen."
Weaver sanoi, että julkisen liikenteen tärkeimmät teknologiat ovat jo käytössä ja valmiita tulemaan markkinoille. "Hybridi- ja sähköpiirien laaja käyttö, erityisesti kaupunkien välisissä linja -autoissa ja raitiovaunuissa, on johtanut moottorinohjainten, invertterien ja muuntimien kehittämiseen, jotka ovat lähellä armeijan tarpeita", hän sanoi. "Kaikki teollisuuden tarpeet ovat asiakkaita, jotka ovat valmiita maksamaan pätevöintiprosessista, sekä tarpeeksi pitämään kustannukset alhaisina."
Sillä välin mielenosoitustyö jatkuu. General Motors (GM) AUSAlla lokakuussa 2016 esitteli "valmis" -version Chevrolet Colorado ZH2 -polttokennoajoneuvostaan, joka perustuu pitkänomaiseen keskikokoiseen pick-up-alustaan. Aikataulun mukaan Colorado ZH2: lle tehdään TARDEC Armored Research Centerin avustuksella joukko sotilaallisia testejä "äärimmäisissä käyttöolosuhteissa" vuoden 2017 aikana.
Se oli nopeutettu ohjelma. GM ja TARDEC loivat yhdessä esittelyn alle vuoden kuluttua sopimuksen allekirjoittamisesta. "Nopeus, jolla innovatiiviset ideat voidaan osoittaa ja arvioida, on erittäin nopea, minkä vuoksi teollisuuden siteet ovat niin tärkeitä armeijalle", sanoi TARDECin johtaja Paul Rogers. "Polttokennot voivat parantaa merkittävästi sotilasajoneuvojen suorituskykyä hiljaisella toiminnalla, sähköntuotannolla ulkoisille kuluttajille ja vakaalla vääntömomentilla - kaikki nämä edut tekevät tästä tekniikasta tarkemman tutkimuksen."
"ZH2 antaa armeijalle mahdollisuuden osoittaa ja arvioida polttokennoteknologian valmiutta sotilaallisiin sovelluksiin ja samalla vastata kysymykseen siitä, kuinka hyödyllisiä polttokennoiset sähköajoneuvot voivat olla tietyissä olosuhteissa ja tietyissä taistelutehtävissä", sanoi Doug Hallo, TARDECin tiedottaja.
TARDECin arvioituihin hyötyihin kuuluu lähes hiljainen toiminta, joka mahdollistaa hiljaisen valvonnan, pienemmät lämpötunnisteet, suuri pyörän vääntömomentti kaikilla nopeuksilla, alhainen polttoaineenkulutus koko toiminta-alueella ja juomavesi kemiallisena sivutuotteena.. Colorado ZH2: ssa on sisäinen voimanotto ulkoisille kuluttajille.
Käyttövoimajärjestelmä perustuu protonivaihtomembraanipolttokennoihin, jotka pystyvät tuottamaan jopa 93 kW tasavirtaa, sekä akkuun, joka tarjoaa vielä 35 kW käyttövoimajärjestelmälle ja joka ladataan regeneratiivisen jarrutuksen aikana. Näin kertoo GM: n ZH2 -projektipäällikkö Christopher Kolkit.
”Ajoneuvon säiliöissä on noin 4,2 kg puristettua vetyä 10 000 psi: n paineessa, mikä on yli 689 kertaa ilmanpaine. Ilmakehän ilma on sähkökemiallisessa prosessissa tarvittava hapen lähde, jonka seurauksena tarvittava sähkö tuotetaan; vain vesihöyryä vapautuu”, hän totesi.
Kaikissa sähkökäyttöisissä järjestelmissä energian siirtäminen lähteestä pyörille on helpompaa kuin perinteisissä ajoneuvoissa.”ZH2: lla ei ole lähetystä sanan tavanomaisessa merkityksessä. Yksivaiheisella vaihteistolla varustettu AC-vetomoottori siirtää vääntömomentin suoraan siirtokoteloon ja nelivetojärjestelmään”, Kolkit selitti.
Kannettava infrastruktuuri
Tämän ohjelman kautta TARDEC -keskus tutkii myös, mikä voisi olla ainakin osittainen ratkaisu vedyn saatavuuteen (infrastruktuuri) liittyvään ongelmaan. Sen ratkaisua suosii se, että tämä kemiallinen elementti voidaan valmistaa eri tavoilla eri lähteistä. TARDEC -keskuksen edustajan mukaan ZH2 -projektin alkuvaiheessa ajatuksena on saada puristettua vetyä lentopetroolin JP8 uudistamisen aikana kannettavassa uudistuslaitteessa, joka siirretään kuhunkin testipaikkaan yhdessä koneeseen, koska tämä lisää ratkaistujen määrää tässä tehtävävaiheessa.
"Olemme parhaillaan luomassa uudistajaa, joka voi käyttää erilaisia paikallisesti saatavilla olevia lähteitä, kuten maakaasua, JP8 -polttoainetta, DF2 -dieseliä tai propaania, vedyn tuottamiseen", hän sanoi. - Paikallisia sähköverkkoja, mukaan lukien mahdollisesti uusiutuvat energialähteet, sekä vesivaroja voidaan käyttää myös vedyn tuotantoon. Tämä antaisi armeijalle mahdollisuuden vähentää polttoainetta, joka tuodaan tiettyyn operaatioteatteriin, ja luottaa siihen, mitä teatterissa on saatavilla."
Olipa kyseessä akut, polttokennot tai diesel-sähkövoimalaitokset päämoottorina, sähkövirran muuttaminen eteenpäin suuntautuvaksi käyttövoimaksi edellyttää luotettavia ja tehokkaita sähkökäyttöjä. Brittiläinen Magtec -yhtiö valmistaa sähkökäyttöisiä järjestelmiä ilmailu-, meri- ja automarkkinoille ja tarjoaa esimerkiksi useita vaihtoehtoja hyötyajoneuvojen muuttamiseksi uusiksi käyttövoimajärjestelmiksi.
Yhtiö kehitti kuitenkin myös täydellisiä voimansiirtoja tela- ja pyörätasoille demonstroidakseen BAE Systems Hagglundsin brittiläisille ja ruotsalaisille puolustusvirastoille 2000 -luvun alussa valmistamia hybriditekniikoita.
SEP (Splitterskyddad EnhetsPlattform) -alustoille, sekä pyörillä 6x6 että telaketjuille, yhtiö on kehittänyt pyörännapaiset moottorit (moottoripyörät), mukaan lukien kaksivaiheinen alennusvaihde ja jarrujärjestelmä kussakin, kaksoisgeneraattorit, ohjauslaitteet ja virranjakelu. SEP: tä varten hän myös kehitti, asensi ja testasi ohjelmistoja keskeisten toimintojen, kuten tehonjaon, luistonestojärjestelmän, elektronisten tasauspyörästön lukkojen ja ohjauksen, ohjaamiseen, joiden avulla kone voi kääntyä paikalle. Lisäksi tämä järjestelmä täyttää kaikki sotilaalliset EMC- ja ympäristömääräykset.
Magtecin toimitusjohtaja sanoi näkevänsä hyvät kasvupotentiaalit sähköautoille, joilla on laajempi kantama taistelutehtäviin. Samaan aikaan uudet tekniikat parantavat merkittävästi liikkuvuutta, vähentävät polttoaineen kulutusta, lisäävät irtisanomisia ja mahdollistavat alkuperäisten ulkoasupäätösten tekemisen. Hän totesi myös, että sähkökäyttöinen työntövoima yksinkertaistaa etäkäytön ja itsenäisyyden toteuttamista.
Tarvittavien tekniikoiden jatkokehityksestä hän totesi, että käyttöjärjestelmät ovat valmiita tulemaan markkinoille parannetulla tehoelektroniikalla (voimansiirtojen ohjaamiseen), jotka perustuvat piikarbidipuolijohdepiireihin. Niitä tarvitaan hallitsemaan korkeajännitettä, jolla uuden sukupolven sähköjärjestelmät toimivat. Magtecin johtaja totesi, että 24 volttia, joilla useimmat nykyaikaiset järjestelmät toimivat, ovat nyt liian alhaiset sähkön pääkuluttajille (jännitteen nousu mahdollistaa suuremman tehon siirtämisen kaapeleiden kautta lisäämättä liikaa virtaa).
Yksi alan yritys, GE Aviation, on voittanut 2,1 miljoonan dollarin sopimuksen piikarbidin tehoelektroniikan kehittämisestä ja esittelemisestä. Yhtiön odotetaan 18 kuukauden kehitysohjelman jälkeen osoittavan piikarbidimetallioksidifetotekniikan edut yhdessä galliumnitridilaitteiden kanssa 15 kW: n 28/600 voltin kaksisuuntaisessa DC / DC-muuntimessa.
Yhtiön mukaan tämä laite pystyy käsittelemään kaksinkertaisen tehon samalla, kun se vie puolet äänenvoimakkuudesta verrattuna nykyiseen piitehoelektroniikkaan, kun taas muuntimet voivat työskennellä rinnakkain ja ohjelmoida CAN -standardin mukaisesti.
Yhtiö kehittää TARDECista seuraavan sukupolven ajoneuvotehoarkkitehtuuria, joka kutsuu sitä häiritseväksi teknologiaksi, ja toivoo, että teknologian esittely on valmis vuoden 2017 puoliväliin mennessä.
Kaksinkertainen nopeus
Toinen läpimurtoteknologia on DARPA Defense Advanced Research Projects Agencyn GXV-T (Ground X-Vehicle Technology) -hanke, jossa sähköjärjestelmillä on merkittävä rooli. Hankkeen tavoitteena on puolittaa lupaavien panssaroitujen ajoneuvojen miehistön koko, paino ja määrä, kaksinkertaistaa niiden nopeus, kyky ylittää 95% maastosta ja vähentää näkyvyyttä.
Heinäkuussa 2016 DARPA antoi Qinetiqille 2,7 miljoonan dollarin investoinnin sähkökäyttöisten järjestelmien teknologian parantamiseksi GXV-T-hanketta varten. Yhtiö kuvaa tätä tekniikkaa kompakteina ja erittäin tehokkaina sähkömoottoreina pyörien sisällä, jotka korvaavat erilaisia vaihteistoja, tasauspyörästöjä ja vetoakseleita. Yhtiön mukaan tämä lähestymistapa vähentää dramaattisesti alustan kokonaispainoa ja avaa uusia suunnitteluvaihtoehtoja, jotka parantavat turvallisuutta ja suorituskykyä.
Qinetiq korostaa, että sen lisäksi, että sitä käytetään uusissa konsepteissa, kuten GXV-T, tämä tekniikka voi myös parantaa olemassa olevien ajoneuvojen ominaisuuksia jälkiasennusten aikana. Esimerkiksi monipyöräinen jalkaväki-ajoneuvo, joka on päivitetty napa-ajomoottorilla tai moottoripyörillä "voisi hyötyä painon säästämisen lisäämästä tehosta ja liikkuvuudesta tai päinvastoin käyttää näitä säästöjä suojan parantamiseen, laitteiden asentamiseen tai matkustajien kapasiteetin lisäämiseen."
Investointia seurasi syyskuussa 2015 julkistettu sopimus, jonka mukaan konsepti muutetaan todelliseksi suunnitteluksi ja testataan, minkä jälkeen valmistetaan kaksi täysin toimivaa prototyyppiä.
"Perinteiset toimilaitteet ovat melko raskaita, niillä on rajallinen kapasiteetti ja ne koostuvat osista, jotka voivat muuttua tappaviksi ammuksiksi, jos kaivos räjäyttää ne", sanoi Qinetiqin tutkimuspäällikkö kommentoidessaan sopimusta. "Vetolaitteiden siirtäminen pyörille poistaa tämän uhan ja rikkoo ajoneuvojen taipumusta muuttua raskaammiksi ja vähemmän liikkuviksi lisääntyneen suojan ja aseiden tehon vuoksi."
Olemassa olevat koneet voivat hyötyä myös ei-käyttövoimaisten osajärjestelmien sähköistämisestä. Esimerkiksi saksalainen yritys Jenoptik toimittaa 126 sähkötornia ja aseiden vakautusjärjestelmää Puolan Leopard 2PL -säiliön modernisointiohjelmaan. Yhtiön mukaan sähköjärjestelmät korvaavat säiliön hydraulijärjestelmät, mikä vähentää huoltoa ja lämmöntuotantoa.
Toimitukset on määrä suorittaa vuosina 2017--2020 23 miljoonan dollarin sopimuksen mukaisesti Puolan Bumar Labédyn kanssa lokakuussa 2016. Sama yritys Bumar Labedy allekirjoitti helmikuussa 2017 yhteistyösopimuksen säiliöiden modernisoinnista saksalaisen Rheinmetall -yrityksen kanssa.
Yksi Jenoptikin toiminnoista on kompaktien vakautettujen ase- / anturialustojen, tornien ja aseiden käyttöjärjestelmien sekä peilien kehittäminen ja tuotanto panssaroitujen ajoneuvojen näköyhteyden vakauttamiseksi.
Esimerkiksi suurten asejärjestelmien aseiden ja tornien käyttöjärjestelmä koostuu vaaka- ja pystysuorasta ohjaavasta sähkömoottorista, jotka ohjaavat pistoolia atsimuutissa ja korkeudessa, riippuen pää- ja varaohjausyksiköiden signaaleista. Molemmissa käyttölaitteissa on absoluuttisesti sijoitettavat harjattomat synkronimoottorit, joiden kummankin moottorin lähtövaihteen ja asekokoonpanon hammastetun sektorin välinen etäisyys on nolla.
Järjestelmä, joka pystyy toimimaan 28 ja 610 voltin tasavirtajännitteellä, voi heittää pistoolin jokaiseen tasoon nopeudella jopa 60 ° / s tai hitaammin kuin 0,2 mrad / s.
Käyttöohjausyksikkö muuntaa anturien, säätimien ja aktiivisen näön tulosignaalien mukaisesti virtalähteen kolmivaiheiseksi järjestelmäksi, yksi kullekin torni- ja aseenohjaus-, vakautus- ja käyttömoottorille.
Maailmanlaajuisten ajoneuvojen sähköistysmarkkinoiden arvo on 300 miljardia dollaria vuoteen 2026 mennessä, kertoo tutkimusyritys IDTechEx viime vuonna. Tämä kasvu, joka johtuu sähkömoottorin ohjaimien määrän kasvusta ajoneuvoa kohti (koska ohjaus, jousitus ja muut aikaisemmin mekaaniset, pneumaattiset ja hydrauliset osat korvaavat sähköjärjestelmät), tarjoaa teknisen perustan massamarkkinoille ja vähentää siten niiden kustannuksia sotilasajoneuvoille.
