Den ökande energiförbrukningen för fordonssystem ger nya tekniker en chans att ta tillfället i akt att radikalt förändra kraft och rörlighet för militära fordon i framtiden
Med tanke på att nästa generation av den amerikanska armén sannolikt kommer att ha ett hybridkraftverk behöver industrin ett storskaligt program så att den kan införa sin energiteknik, som den redan har utvecklat (tillsammans med de oundvikliga modifieringarna), i huvuddelen av stridsfordon. En fluga i salvan i detta fat honung är dock att enligt nuvarande planer planerar armén att anta sådana fordon runt 2035. Stora beslut om dess konfiguration kommer sannolikt inte att fattas före 2025, om inte motsvarande program påskyndas till Trumps presidentskap.
Stora behov är ett utmärkt incitament för utveckling av ny teknik, som i sin tur kan ge lösningar för att möta dessa behov. Till exempel kombineras den växande efterfrågan på elektrisk energi på slagfältet med behovet av att minska logistikbördan i samband med bränsleförsörjning, samt att öka terrängförmågan för stridsstyrkor och stridsstyrkor. Allt detta är övertygande bevis för en utbredd användning av hjälpaggregat, intelligenta motorstyrningar och hybridelektrisk drivning och som ett resultat en kraftig ökning av effekten som genereras för externa konsumenter.
Övervinn trögheten
Med lång erfarenhet av tillverkning av demonstratorer för hybridfordonsteknik för olika militära strukturer och för tillverkning av hybridbussar för den civila sektorn, är BAE Systems väl positionerat för att bedöma exakt var denna teknik befinner sig idag och vilka möjligheter det har. Detsamma gäller DRS Technologies, som också har deltagit i många demonstrationsprojekt. Tom Weaver, kommersiell chef på DRS Network Computing and Test Solutions, sa att marknaden fortfarande växer fram och att fördelarna med elfordon ännu inte har övervunnit trögheten hos traditionella fordon. Sådan tröghet har en negativ inverkan på utvecklingen av maskiner som kan generera nödvändig kraft för externa konsumenter, trots de behov som har ökat "med minst 100%" under det senaste decenniet.
”DRS arbetar med olika kunder för att demonstrera maskiner med integrerad ny teknik i olika prestandatester. Framgångsrika demonstrationer och positiva användarrecensioner ledde inte till utplacering av sådana fordon i trupperna, dessutom var kraven för dem inte ens utvecklade. Men efterfrågan kommer att fortsätta att öka, särskilt för expeditionsverksamhet och specialfordon som riktade energivapensystem.”
DRS erbjuder nu ett inbyggt kraftsystem för Medium Tactical Vehicle (MTV) och HMMWV -utrustning i form av en Transmission Integral Generator utvecklad i samarbete med Allison. Detta system, till exempel installerat på en MTV -lastbil, genererar effekt upp till 125 kW för inbyggda eller externa system. Företaget tillverkar även andra energihanteringssystem för olika fordon. Chefsingenjör Andrew Rosenfield från BAE Systems, som också behandlar sådana system, anser att det är osannolikt att rent elektriska fordon kommer att spela en stor roll i markstrid, främst på grund av problem med att ladda batterier.
"Även om drivlinetekniken för helelektrisk drift är väl etablerad, kan tankningsproblemet mycket väl förhindra att rent elektriska fordon sätts i drift", fortsatte han. "När allt kommer omkring finns diesel överallt i världen, medan det är mycket svårt att hitta en laddningsstation i öknen, men även om du hittar en, är det förmodligen inte möjligt att vänta åtta timmar på att de är fulladdade."
Weaver höll med om att hybridbilar sannolikt kommer att råda, och nämnde också begränsningarna för laddningsinfrastrukturen för rena elbilar och allestädes närvarande diesel och JP8 jetbränsle. Rosenfield betonade dock att rent elektriska fordon kan spela en stor roll vid militärbaser, eftersom de kan flytta gods, som är fallet i moderna fabriker eller på flygplatser (flygfältstraktorer). "Bränslecellmaskiner skulle troligen kunna utföra sådana uppgifter, eftersom de behöver fri tillgång till vätgasreserver", sa han.
Weaver tror att det finns en svår väg framför bränslecellsfordon.”För det första finns det ingen vätgasinfrastruktur ännu, och det kommer att finnas en viss misstro i utplaceringen av det nya bränslet. Sådana fordons väg börjar med välorganiserade expeditionsoperationer."
Hybriddesigner är också mer sofistikerade än rent elektriska konstruktioner och har flera funktioner som gör dem mer attraktiva än rent elektriska och konventionella motordrivna maskiner.”För det första använder hybridelektriska plattformar samma bränsle som traditionella dieselbilar. För det andra, det låga varvtalet är idealiskt för en maskin som reser över grov terräng eller klättrar på en mycket brant sluttning."
Han tillade att möjligheten att generera stora mängder el ombord blir allt viktigare när nya funktioner som kommunikation och vapensystem som använder kraftfulla lasrar används. Möjligheten att exportera denna energi är också en stor fördel, eftersom dessa maskiner kan driva befolkade områden och sjukhus vars egna kraftsystem har skadats av stridsskador eller naturkatastrofer.
"Slutligen gör de minskade drifts- och underhållskostnaderna i samband med betydande bränslebesparingar och större tillförlitlighet hybridelektriska fordon till ett smart och långsiktigt val."
Som Weaver noterade har efterfrågan på elektrisk energi ombord på stridsfordon aldrig minskat, de kommer bara att växa från år till år. "Nyare funktionella system kräver mer och mer kraft från bärplattformen, liksom kontinuerliga uppgraderingar av elproduktions- och distributionssystem för nuvarande fordon."
"När du har lagt till funktioner som tyst rörelse, radar, avancerad kommunikation, signalstopp och elektromagnetisk rustning eller vapen, hamnar plattformen bakom och blir oöverskådlig utan att byta till ett hybridelektrisk system. Under det kommande decenniet, för alla stridsfordon, kommer en av de viktigaste komponenterna att vara förmågan att generera stora mängder el ombord."
"Eldrivna fordon måste göra sitt jobb lika bra som, eller ännu bättre än, deras traditionella mekaniska motsvarigheter", fortsatte han.”Inte bara är motoriserade system betydligt enklare och har färre rörliga delar än motoriserade system, men de har ofta en överraskande bra redundansnivå, vilket gör dem mer tillförlitliga. Till exempel kan de flesta tvärgående elektriska transmissioner fungera normalt med en motor som har misslyckats."
Weaver sa att nyckelteknologin som vårdats inom kollektivtrafiken redan är på plats och redo att komma in på marknaden. "Den utbredda användningen av hybrid- och elektriska kretsar, särskilt i bussar och spårvagnar, har lett till utvecklingen av motorstyrenheter, växelriktare och omvandlare som ligger nära vad militären behöver," sa han. "Alla branschbehov är kunder som är villiga att betala för kvalificeringsprocessen, liksom tillräckligt för att hålla kostnaden nere."
Under tiden fortsätter arbetet med demonstrationen. General Motors (GM) på AUSA i oktober 2016 visade en "ready-to-go" -version av sitt Chevrolet Colorado ZH2-bränslecellfordon, som är baserat på ett långsträckt medelstor pickup-chassi. Enligt schemat ska Colorado ZH2, med hjälp av TARDEC Armored Research Center, genomgå en rad militära tester "under extrema driftförhållanden" under 2017.
Det var ett påskyndat program. GM och TARDEC arbetade tillsammans för att skapa en demo på mindre än ett år efter undertecknandet av kontraktet. "Hastigheten med vilken innovativa idéer kan demonstreras och utvärderas är mycket hög, varför branschband är så viktiga för militären", säger TARDEC -chefen Paul Rogers. "Bränsleceller har potential att avsevärt förbättra förmågan hos militära fordon genom tyst drift, elproduktion för externa konsumenter och stabilt vridmoment - alla dessa fördelar gör att denna teknik utforskas närmare."
"ZH2 gör det möjligt för armén att demonstrera och bedöma bränslecellsteknologins beredskap för militära tillämpningar, samtidigt som den besvarar frågan om hur användbara bränslecellselbilar kan vara under vissa förhållanden och i vissa stridsuppdrag", säger Doug Hallo, talesman för TARDEC.
De förväntade fördelarna som TARDEC måste utvärdera inkluderar nästan tyst drift som möjliggör tyst övervakning, minskade termiska signaturer, högt vridmoment vid alla hastigheter, låg bränsleförbrukning över hela driftsområdet och dricksvatten som en kemisk biprodukt. Processer som förekommer i bränsleceller. Colorado ZH2 har ett kraftuttag ombord för externa konsumenter.
Framdrivningssystemet är baserat på bränsleceller med protonbytarmembran som kan generera upp till 93 kW likström och ett batteri som ger ytterligare 35 kW för framdrivningssystemet och laddas vid regenerativ bromsning. Detta förklarar GM: s ZH2 -projektledare Christopher Kolkit.
”Fordonets tankar rymmer cirka 4,2 kg komprimerat väte vid 10 000 psi, vilket är mer än 689 gånger atmosfärstrycket. Atmosfärisk luft är en källa till syre som krävs för den elektrokemiska processen, vilket resulterar i att den nödvändiga elen genereras; bara vattenånga släpps ut, konstaterade han.
För alla elektriska drivsystem är det lättare att leverera energi från källan till hjulen än med traditionella fordon.”ZH2 har ingen överföring i ordets vanliga bemärkelse. En AC-dragmotor med enstegs växellåda överför vridmomentet direkt till överföringslådan och fyrhjulsdriften, förklarade Kolkit.
Bärbar infrastruktur
Genom detta program undersöker TARDEC -centret också vad som kan vara åtminstone en partiell lösning på problemet med vätgas tillgänglighet (infrastruktur). Dess lösning här gynnas av det faktum att detta kemiska element kan produceras på olika sätt från olika källor. Enligt representanten för TARDEC -centret, i det inledande skedet av arbetet med ZH2 -projektet, är tanken att få komprimerat väte under reformeringen av flygfotogen JP8 i en bärbar reformator, som kommer att flyttas till varje testplats tillsammans med maskin, eftersom detta kommer att öka antalet lösta i detta skede av uppgifter.
"Vi söker för närvarande att skapa en reformator som kan använda en mängd olika källor som är tillgängliga lokalt, till exempel naturgas, JP8 jetbränsle, DF2 -diesel eller propan, för att producera väte," sa han. - Lokala elnät, inklusive eventuellt förnybara energikällor, tillsammans med vattenresurser, kan också användas för vätgasproduktion. Detta skulle göra det möjligt för armén att minska mängden bränsle som förs till en specifik operatör och förlita sig på vad som finns tillgängligt i den teatern."
Oavsett om det är batterier, bränsleceller eller blandade dieselelektriska kraftverk som drivkraft, kräver omvandling av elektrisk ström till framdrivning pålitlig och effektiv eldrift. Det brittiska företaget Magtec tillverkar elektriska drivsystem för flyg-, marin- och bilmarknaden och erbjuder till exempel flera alternativ för att konvertera kommersiella lastbilar med nya framdrivningssystem.
Företaget utvecklade dock också kompletta drivlinor för band- och hjulplattformar för att demonstrera hybridteknik som tillverkades av BAE Systems Hagglunds för de brittiska och svenska försvarsorganen i början av 2000 -talet.
För SEP-plattformar (Splitterskyddad EnhetsPlattform), både hjul 6x6 och spår, har företaget utvecklat navnavmotorer (motorhjul), inklusive ett tvåstegs reduktionsväxel och bromssystem i varje, två generatorer, styrutrustning och kraftfördelning. För SEP har hon också utvecklat, installerat och testat programvara för att styra viktiga funktioner som kraftfördelning, dragstyrning, elektroniska differentialspärrar och styrning som gör att maskinen kan slå på plats. Dessutom uppfyller detta system alla militära EMC- och miljöbestämmelser.
Magtecs verkställande direktör sa att han ser god tillväxtpotential för elfordon med utökat intervall för stridsuppdrag. Samtidigt bidrar ny teknik till en avsevärd förbättring av rörligheten, en minskning av bränsleförbrukningen, en större redundans, plus att de gör det möjligt att fatta ursprungliga layoutbeslut. Han noterade också att den elektriska framdrivningen förenklar genomförandet av fjärrstyrning och autonomi.
När det gäller den vidare utvecklingen av den nödvändiga tekniken noterade han att drivsystemen är redo att komma in på marknaden med förbättrad kraftelektronik (för styrning av kraftdrivrutiner) baserat på halvledarkretsar av kiselkarbid. De är nödvändiga för att styra den högspänning som nya generations elektriska system fungerar på. Direktören för Magtec noterade att de 24 volt vid vilka de flesta moderna system fungerar nu är för låga för huvudkonsumenterna av el (spänningsökningen gör att mer kraft kan överföras genom kablarna utan att överdrivet öka strömstyrkan).
Ett företag inom området, GE Aviation, har vunnit ett kontrakt på 2,1 miljoner dollar för att utveckla och visa kiselkarbidkraftelektronik. Efter ett 18-månaders utvecklingsprogram förväntas företaget visa fördelarna med sin kiselkarbidmetalloxid FET-teknik i kombination med galliumnitridanordningar i en 15 kW, 28/600 volt dubbelriktad DC / DC-omvandlare.
Enligt företaget kan denna utrustning hantera dubbelt så mycket ström, samtidigt som den upptar halva volymen jämfört med nuvarande kiseleffektelektronik, medan omvandlarna kommer att kunna arbeta parallellt och programmeras i enlighet med CAN -standarden.
Företaget utvecklar en nästa generations fordonskraftsarkitektur från TARDEC som kallar det en störande teknik och hoppas att en teknologisk demonstration kommer att vara klar i mitten av 2017.
Dubbel hastighet
En annan genombrottsteknik är DARPA Defense Advanced Research Projects Agency: s projekt för mark X-Vehicle Technology (GXV-T), där elsystem kommer att spela en betydande roll. Målet med projektet är att halvera storleken, vikten och antalet besättningar på lovande pansarfordon, fördubbla deras hastighet, förmågan att övervinna 95% av terrängen samt minska tecken på synlighet.
I juli 2016 gav DARPA Qinetiq en investering på 2,7 miljoner dollar för att förfina tekniken för elektriska drivsystem för GXV-T-projektet. Företaget beskriver denna teknik som kompakta och extremt kraftfulla elmotorer inuti hjulen som ersätter olika växellådor, differentialer och drivaxlar. Detta tillvägagångssätt, sade företaget, minskar dramatiskt plattformens totala vikt och öppnar nya designalternativ som förbättrar säkerhet och prestanda.
Qinetiq betonar att förutom att den används i nya koncept, till exempel GXV-T, kan denna teknik också förbättra befintliga fordons kapacitet under eftermonteringar. Till exempel kan ett flerhjuligt infanterifordon uppgraderat med navdrev eller motorhjul "dra nytta av den ökade kraft och rörlighet som viktbesparingar ger, eller vice versa, använda dessa besparingar för att förbättra skyddet, installera utrustning eller öka passagerarkapaciteten."
Investeringen följdes av ett kontrakt, tillkännagivet i september 2015, enligt vilket konceptet kommer att översättas till en verklig design och testas, varefter två fullständiga fungerande prototyper kommer att produceras.
"Konventionella ställdon är ganska tunga, har begränsad kapacitet och består av komponenter som kan förvandlas till dödliga projektiler om de exploderar av en gruva", säger forskningschefen på Qinetiq och kommenterar kontraktet. "Att flytta drivenheterna till hjulen tar bort detta hot och bryter tendensen för fordon att bli tyngre och mindre rörliga på grund av den ökade skyddsnivån och kraften i vapen."
Befintliga maskiner kan också dra nytta av elektrifiering av icke-framdrivande delsystem. Till exempel ska det tyska företaget Jenoptik leverera 126 elektriska torn och stabiliseringssystem för vapen för det polska moderniseringsprogrammet Leopard 2PL. Enligt företaget kommer elsystemen att ersätta hydraulsystemen på tanken och därmed minska underhållet och värmeproduktionen.
Leveranserna beräknas under 2017-2020 enligt ett kontrakt på 23 miljoner dollar som tecknades med Polens Bumar Labédy i oktober 2016. Samma företag Bumar Labedy tecknade ett samarbetsavtal om modernisering av tankar med det tyska företaget Rheinmetall i februari 2017.
En av Jenoptiks aktiviteter är utveckling och tillverkning av kompakta stabiliserade vapen / sensorplattformar, drivsystem för torn och vapen och speglar för att stabilisera siktlinjen för pansarfordon.
Till exempel består ett pistol- och torn -drivsystem för stora vapensystem av horisontella och vertikala styrmotorer som styr pistolen i azimut respektive höjd beroende på signalerna från huvud- och reservstyrenheterna. Båda drivenheterna inkluderar absolut positionerade borstlösa synkronmotorer med nollavstånd mellan utgångsväxeln för varje motor och den tandade sektorn i vapendonet.
Systemet, som kan fungera med en matningsspänning på 28 och 610 volt DC, kan kasta pistolen i varje plan med en hastighet på upp till 60 ° / s eller långsammare än 0,2 mrad / s.
Drivkontrollenheten, i enlighet med insignalerna från sensorer, kontroller och en aktiv sikt, omvandlar strömförsörjningen till ett par trefassystem, ett för var och en av torn och vapenstyrning, stabilisering och manövrerande servomotorer.
Den globala bilmarknaden för fordon kommer att vara värd 300 miljarder dollar år 2026, enligt en rapport från forskningsföretaget IDTechEx förra året. Denna tillväxt, som drivs av en ökning av antalet elektriska motorstyrenheter per fordon (eftersom styrning, fjädring och andra tidigare mekaniska, pneumatiska och hydrauliska delar kommer att ersätta elsystem), kommer att ge en teknisk grund för massmarknaden och därmed minska deras kostnader för militära fordon.
