Penggunaan tenaga kenderaan kenderaan yang semakin meningkat memberi peluang kepada teknologi baru untuk merebut peluang untuk mengubah kekuatan dan mobiliti kenderaan tentera secara radikal di masa depan
Memandangkan generasi tentera Amerika yang akan datang kemungkinan memiliki loji kuasa hibrid, industri memerlukan program berskala besar sehingga dapat memperkenalkan teknologi energinya, yang telah dikembangkannya (bersama dengan modifikasi yang tidak dapat dielakkan), ke dalam sebahagian besar kenderaan tempur. Akan tetapi, dengan menggunakan salap dalam tong madu ini, menurut rancangan semasa, tentera merancang untuk menggunakan kenderaan seperti itu sekitar tahun 2035. Keputusan besar mengenai konfigurasinya kemungkinan besar tidak akan dibuat sebelum 2025, kecuali program yang sesuai dipercepat menjadi presiden Trump.
Keperluan besar adalah insentif yang sangat baik untuk pengembangan teknologi baru, yang pada gilirannya dapat memberikan penyelesaian untuk memenuhi keperluan ini. Sebagai contoh, permintaan tenaga elektrik yang semakin meningkat di medan perang digabungkan dengan keperluan untuk mengurangkan beban logistik yang berkaitan dengan bekalan bahan bakar, dan juga untuk meningkatkan kemampuan pasukan tempur dan pasukan sokongan tempur di luar jalan. Semua ini adalah bukti kuat yang menyokong penggunaan unit kuasa tambahan secara meluas, kawalan enjin pintar dan pemacu elektrik hibrid dan, sebagai hasilnya, peningkatan mendadak dalam kuasa yang dihasilkan untuk pengguna luaran.
Atasi inersia
Dengan pengalaman luas dalam pembuatan demonstrasi teknologi kenderaan hibrid untuk pelbagai struktur ketenteraan dan dalam pengeluaran bas hibrid untuk sektor awam, BAE Systems berada pada kedudukan yang tepat untuk menilai dengan tepat di mana teknologi ini sekarang dan bagaimana prospeknya. Perkara yang sama berlaku untuk DRS Technologies, yang juga telah mengambil bahagian dalam banyak projek demonstrasi. Tom Weaver, Pengarah Komersial di DRS Network Computing and Test Solutions, mengatakan bahawa pasaran masih baru muncul dan bahawa faedah kenderaan elektrik belum dapat mengatasi inersia kenderaan tradisional. Inersia semacam itu memberi kesan negatif terhadap kemajuan mesin yang mampu menghasilkan tenaga yang diperlukan untuk pengguna luaran, walaupun terdapat keperluan yang telah meningkat "sekurang-kurangnya 100%" selama dekad yang lalu.
"DRS bekerjasama dengan pelanggan yang berbeza untuk menunjukkan mesin dengan teknologi baru yang terintegrasi dalam pelbagai ujian prestasi. Demonstrasi yang berjaya dan ulasan pengguna yang positif tidak menyebabkan penggunaan kenderaan seperti itu dalam pasukan, lebih-lebih lagi, syarat untuk kenderaan tersebut tidak dikembangkan. Tetapi permintaan akan terus meningkat, terutama untuk operasi ekspedisi dan kenderaan khusus seperti sistem senjata tenaga yang diarahkan."
DRS kini menawarkan sistem kuasa onboard untuk peralatan Medium Tactical Vehicle (MTV) dan HMMWV dalam bentuk Transmission Integral Generator yang dikembangkan dengan kerjasama Allison. Sistem ini, yang dipasang pada trak MTV, misalnya, menghasilkan kuasa sehingga 125 kW untuk sistem onboard atau luaran. Syarikat ini juga mengeluarkan sistem pengurusan tenaga lain untuk pelbagai kenderaan. Ketua jurutera Andrew Rosenfield dari BAE Systems, yang juga menangani sistem seperti itu, percaya tidak mungkin kenderaan elektrik semata-mata akan memainkan peranan utama dalam pertempuran darat, terutama disebabkan oleh masalah dengan pengisian semula bateri.
"Walaupun teknologi powertrain untuk operasi semua-elektrik sudah mapan, masalah pengisian bahan bakar dapat mencegah kenderaan elektrik murni dari tindakan," lanjutnya. "Lagipun, diesel tersedia di mana sahaja di dunia, sementara mencari stesen pengisian bateri di padang pasir sangat sukar, tetapi walaupun anda menjumpainya, menunggu selama lapan jam untuk dicas sepenuhnya mungkin tidak dapat dilaksanakan."
Weaver bersetuju bahawa kereta hibrid cenderung berlaku, juga menyebut batasan infrastruktur pengecasan kereta elektrik bersih dan keberadaan diesel dan bahan bakar jet JP8. Namun, Rosenfield menekankan bahawa kenderaan elektrik semata-mata dapat memainkan peranan besar di pangkalan tentera, kerana mereka dapat memindahkan barang, seperti yang berlaku di kilang moden atau di lapangan terbang (traktor lapangan terbang). "Mesin sel bahan api kemungkinan besar dapat melakukan tugas seperti itu, kerana mereka memerlukan akses bebas ke cadangan hidrogen," katanya.
Weaver percaya bahawa ada jalan yang sukar di hadapan kenderaan sel bahan bakar. "Pertama, belum ada infrastruktur gas hidrogen, dan akan ada ketidakpercayaan tertentu dalam penggunaan bahan bakar baru. Laluan kenderaan tersebut akan dimulakan dengan operasi ekspedisi yang teratur."
Reka bentuk hibrid juga lebih canggih daripada reka bentuk elektrik semata-mata dan mempunyai beberapa ciri yang menjadikannya lebih menarik daripada mesin elektrik-elektrik dan konvensional semata-mata. “Pertama, platform elektrik hibrid menggunakan bahan bakar yang sama dengan kenderaan diesel tradisional. Kedua, torsi RPM rendah sangat sesuai untuk mesin yang bergerak di kawasan yang kasar atau mendaki cerun yang sangat curam."
Dia menambah bahawa keupayaan untuk menghasilkan sejumlah besar elektrik di kapal menjadi semakin penting kerana keupayaan baru seperti sistem komunikasi dan senjata yang menggunakan laser yang kuat digunakan. Keupayaan untuk mengeksport tenaga ini juga merupakan kelebihan besar, kerana mesin ini dapat memberi tenaga kepada kawasan dan hospital yang berpenduduk dan sistem tenaga sendiri telah rosak akibat kerosakan tempur atau bencana alam.
"Akhirnya, pengurangan kos operasi dan penyelenggaraan yang berkaitan dengan penjimatan bahan bakar yang besar dan kebolehpercayaan yang lebih tinggi menjadikan kenderaan elektrik hibrid sebagai pilihan pintar dan jangka panjang."
Seperti yang dinyatakan oleh Weaver, permintaan tenaga elektrik pada kenderaan tempur tidak pernah menurun, mereka hanya akan meningkat dari tahun ke tahun. "Sistem fungsional yang lebih baru memerlukan lebih banyak tenaga dari platform pembawa, serta peningkatan berterusan ke sistem penjanaan dan pengedaran tenaga kenderaan semasa."
“Setelah anda menambah ciri seperti pergerakan senyap, radar, komunikasi canggih, penggabungan isyarat, dan perisai atau persenjataan elektromagnetik, platform ini ketinggalan dan menjadi tidak terkawal tanpa beralih ke skema elektrik hibrid. Dalam dekad berikutnya, untuk semua kenderaan tempur, salah satu komponen yang paling penting adalah kemampuan untuk menghasilkan sejumlah besar elektrik di kapal."
"Kenderaan bertenaga elektrik harus melakukan tugasnya sama seperti, atau bahkan lebih baik daripada rakan mekanik tradisional mereka," lanjutnya. “Bukan hanya sistem bermotor yang lebih sederhana dan memiliki komponen bergerak yang lebih sedikit daripada sistem bermotor, tetapi mereka sering memiliki tingkat kelebihan yang sangat mengejutkan, menjadikannya lebih dapat diandalkan. Contohnya, kebanyakan transmisi elektrik melintang dapat beroperasi secara normal dengan motor tunggal yang gagal."
Weaver mengatakan bahawa teknologi utama yang dipupuk dalam pengangkutan awam sudah ada dan siap memasuki pasaran. "Penggunaan litar hibrid dan elektrik yang meluas, terutama dalam bas dan tren antar bandar, telah menyebabkan pengembangan pengendali motor, penyongsang dan penukar yang hampir dengan apa yang diperlukan oleh tentera," katanya. "Semua keperluan industri adalah pelanggan yang bersedia membayar untuk proses kelayakan, dan cukup untuk menjaga biaya."
Sementara itu, kerja berterusan dalam demonstrasi. General Motors (GM) di AUSA pada bulan Oktober 2016 memperlihatkan versi "siap pakai" dari kenderaan sel bahan bakar Chevrolet Colorado ZH2, yang berdasarkan pada casis trak pikap ukuran panjang yang memanjang. Menurut jadual, Colorado ZH2, dengan bantuan Pusat Penyelidikan Lapis Baja TARDEC, akan menjalani satu siri ujian ketenteraan "dalam keadaan operasi yang melampau" pada tahun 2017.
Itu adalah program yang dipercepat. GM dan TARDEC bekerjasama untuk membuat demo dalam masa kurang dari setahun setelah menandatangani kontrak. "Kepantasan idea inovatif dapat ditunjukkan dan dinilai sangat tinggi, itulah sebabnya hubungan industri sangat penting bagi tentera," kata Pengarah TARDEC Paul Rogers. "Sel bahan bakar berpotensi untuk meningkatkan keupayaan kenderaan tentera secara signifikan melalui operasi yang tenang, penjanaan kuasa untuk pengguna luaran dan tork yang stabil - semua kelebihan ini menjadikan teknologi ini diterokai dengan lebih teliti."
"ZH2 memungkinkan tentera untuk menunjukkan dan menilai kesediaan teknologi sel bahan bakar untuk aplikasi ketenteraan, dan pada masa yang sama menjawab persoalan bagaimana kenderaan elektrik sel bahan bakar berguna dalam keadaan tertentu dan dalam misi tempur tertentu," kata Doug Hallo, jurucakap TARDEC.
Manfaat yang diharapkan yang mesti dinilai oleh TARDEC termasuk operasi senyap dekat yang memungkinkan untuk pengawasan senyap, pengurangan tanda tangan terma, tork roda tinggi pada semua kelajuan, penggunaan bahan bakar rendah di seluruh julat operasi, dan air minum sebagai produk sampingan kimia. Proses yang berlaku dalam sel bahan bakar. Colorado ZH2 mempunyai daya henti onboard untuk pengguna luaran.
Sistem penggerak didasarkan pada sel bahan bakar membran pertukaran proton yang mampu menghasilkan arus terus hingga 93 kW, dan bateri yang menyediakan 35 kW lagi untuk sistem pendorong dan dicas semasa brek regeneratif. Inilah yang dijelaskan oleh Pengurus Projek ZH2 GM, Christopher Kolkit.
Tangki kenderaan menahan sekitar 4,2 kg hidrogen termampat pada 10,000 psi, yang lebih dari 689 kali tekanan atmosfera. Udara atmosfera adalah sumber oksigen yang diperlukan untuk proses elektrokimia, akibatnya elektrik yang diperlukan dihasilkan; hanya wap air yang dibebaskan,”katanya.
Untuk semua sistem pemacu elektrik, penghantaran tenaga dari sumber ke roda lebih mudah berbanding dengan kenderaan tradisional. ZH2 tidak memiliki transmisi dalam arti kata yang biasa. Motor daya tarikan AC dengan kotak gear satu tahap memindahkan tork terus ke sarung pemindahan dan sistem pacuan empat roda,”jelas Kolkit.
Infrastruktur mudah alih
Melalui program ini, Pusat TARDEC juga mengeksplorasi apa yang mungkin merupakan penyelesaian separa untuk masalah ketersediaan hidrogen (infrastruktur). Penyelesaiannya di sini disukai oleh fakta bahawa unsur kimia ini dapat dihasilkan dengan pelbagai cara dari pelbagai sumber. Menurut wakil Pusat TARDEC, pada tahap awal kerja projek ZH2, ideanya adalah untuk mendapatkan hidrogen termampat semasa pembaharuan minyak tanah JP8 dalam pembaharuan mudah alih, yang akan dipindahkan ke setiap lokasi ujian bersama dengan mesin, kerana ini akan meningkatkan jumlah yang diselesaikan pada tahap tugas ini.
"Kami sedang mencari untuk menciptakan pembaharu yang dapat menggunakan berbagai sumber yang tersedia di dalam negara, seperti gas asli, bahan bakar jet JP8, diesel DF2 atau propana, untuk menghasilkan hidrogen," katanya. - Rangkaian elektrik tempatan, termasuk sumber tenaga yang boleh diperbaharui, bersama dengan sumber air, juga dapat digunakan untuk pengeluaran hidrogen. Ini akan memungkinkan tentera mengurangkan jumlah bahan bakar yang dibawa ke teater operasi tertentu dan bergantung pada apa yang ada di teater itu."
Sama ada bateri, sel bahan bakar atau loji tenaga elektrik diesel-elektrik sebagai penggerak utama, menukar arus elektrik menjadi penggerak ke hadapan memerlukan pemacu elektrik yang boleh dipercayai dan cekap. Syarikat Britain Magtec mengeluarkan sistem pemacu elektrik untuk pasaran aeroangkasa, laut dan automotif, menawarkan, misalnya, beberapa pilihan untuk menukar trak komersial dengan sistem pendorong baru.
Walau bagaimanapun, syarikat itu juga mengembangkan kereta api lengkap untuk platform yang dilacak dan beroda untuk menunjukkan teknologi hibrid yang dihasilkan oleh BAE Systems Hagglunds untuk agensi pertahanan Britain dan Sweden pada awal tahun 2000-an.
Untuk platform SEP (Splitterskyddad EnhetsPlattform), beroda 6x6 dan dilacak, syarikat telah mengembangkan motor hub roda (motor-roda), termasuk gear pengurangan dua tahap dan sistem brek di masing-masing, generator berkembar, peralatan kawalan dan pengedaran kuasa. Untuk SEP, dia juga mengembangkan, memasang dan menguji perisian untuk mengendalikan fungsi utama seperti pengedaran kuasa, kawalan daya tarikan, kunci pembezaan elektronik dan kemudi yang memungkinkan mesin menyala dengan segera. Di samping itu, sistem ini memenuhi semua peraturan EMC ketenteraan dan persekitaran.
Ketua eksekutif Magtec mengatakan dia melihat potensi pertumbuhan yang baik untuk kenderaan elektrik dengan jangkauan yang luas untuk misi sokongan tempur. Pada saat yang sama, teknologi baru menyumbang pada peningkatan mobilitas yang signifikan, penurunan penggunaan bahan bakar, redundansi yang lebih besar, dan mereka memungkinkan untuk membuat keputusan tata letak asli. Dia juga menyatakan bahawa pendorong elektrik mempermudah pelaksanaan operasi jarak jauh dan autonomi.
Mengenai pengembangan teknologi yang diperlukan selanjutnya, dia menyatakan bahawa sistem pemacu siap memasuki pasar dengan elektronik daya yang lebih baik (untuk mengendalikan pemacu daya) berdasarkan litar semikonduktor silikon karbida. Mereka diperlukan untuk mengawal voltan tinggi di mana sistem elektrik generasi baru beroperasi. Pengarah Magtec menyatakan bahawa 24 volt di mana kebanyakan sistem moden beroperasi sekarang terlalu rendah untuk pengguna elektrik utama (kenaikan voltan membolehkan lebih banyak kuasa dihantar melalui kabel tanpa meningkatkan amperage secara berlebihan).
Satu syarikat di lapangan, GE Aviation, telah memenangi kontrak bernilai $ 2.1 juta untuk membangun dan menunjukkan elektronik kuasa silikon karbida. Mengikuti program pembangunan selama 18 bulan, syarikat ini diharapkan dapat menunjukkan kelebihan teknologi FET logam silikon karbida logamnya yang digabungkan dengan peranti gallium nitrida dalam penukar DC / DC dua arah 15 kW, 28/600 volt.
Menurut syarikat itu, peralatan ini dapat mengendalikan dua kali tenaga, sementara menempati separuh isipadu berbanding elektronik kuasa silikon semasa, sementara penukar dapat bekerja secara selari dan diprogramkan sesuai dengan standard CAN.
Syarikat ini mengembangkan seni bina kenderaan generasi akan datang dari TARDEC, menyebutnya sebagai teknologi yang mengganggu, dan berharap demonstrasi teknologi akan siap pada pertengahan 2017.
Kelajuan berganda
Teknologi terobosan lain adalah projek Teknologi X-Vehicle Ground (GXV-T) Agensi Projek Penyelidikan Lanjutan Pertahanan DARPA, di mana sistem elektrik akan memainkan peranan penting. Matlamat projek ini adalah untuk mengurangkan separuh, berat, dan jumlah kru kenderaan perisai yang menjanjikan, untuk melipatgandakan kelajuannya, kemampuan untuk mengatasi 95% medan, dan juga untuk mengurangkan tanda-tanda penglihatan.
Pada bulan Julai 2016, DARPA memberikan pelaburan $ 2.7 juta kepada Qinetiq untuk memperbaiki teknologi sistem pemacu elektrik untuk projek GXV-T. Syarikat menggambarkan teknologi ini sebagai motor elektrik yang padat dan sangat kuat di dalam roda yang menggantikan pelbagai kotak gear, pembeza dan aci pemacu. Pendekatan ini, kata syarikat, secara dramatik menurunkan berat keseluruhan platform dan membuka pilihan reka bentuk baru yang akan meningkatkan keselamatan dan prestasi.
Qinetiq menekankan bahawa selain penggunaannya dalam konsep baru, seperti GXV-T, teknologi ini juga dapat meningkatkan kemampuan kenderaan yang ada semasa melakukan retrofit. Sebagai contoh, kenderaan infanteri pelbagai roda yang ditingkatkan dengan pemacu hub atau roda motor "dapat memanfaatkan peningkatan daya dan mobiliti yang disediakan oleh penjimatan berat badan, atau sebaliknya, menggunakan penjimatan ini untuk meningkatkan perlindungan, memasang peralatan, atau meningkatkan kapasitas penumpang."
Pelaburan itu diikuti oleh kontrak, diumumkan pada bulan September 2015, di mana konsep itu akan diterjemahkan ke dalam reka bentuk sebenar dan diuji, setelah itu dua prototaip berfungsi penuh akan dihasilkan.
"Penggerak konvensional cukup berat, mempunyai kapasiti terhad dan terdiri dari komponen yang dapat berubah menjadi proyektil mematikan jika meletup oleh lombong," kata ketua penyelidikan Qinetiq, yang mengulas kontrak tersebut. "Memindahkan pemacu ke roda menghilangkan ancaman ini dan mematahkan kecenderungan kenderaan menjadi lebih berat dan kurang bergerak kerana peningkatan tahap perlindungan dan kekuatan senjata."
Mesin yang ada juga boleh mendapat manfaat daripada elektrifikasi subsistem bukan penggerak. Sebagai contoh, syarikat Jerman Jenoptik akan membekalkan 126 sistem turet elektrik dan penstabilan senjata untuk program pemodenan tangki Leopard 2PL Poland. Menurut syarikat itu, sistem elektrik akan menggantikan sistem hidraulik pada tangki, sehingga mengurangkan penyelenggaraan dan penjanaan haba.
Penghantaran akan dijelaskan pada tahun 2017-2020 di bawah kontrak bernilai $ 23 juta yang ditandatangani dengan Bumar Labédy dari Poland pada bulan Oktober 2016. Bumar Labedy syarikat yang sama menandatangani perjanjian kerjasama untuk memodenkan kereta kebal dengan syarikat Jerman Rheinmetall pada Februari 2017.
Salah satu aktiviti Jenoptik adalah pengembangan dan pengeluaran platform senjata / sensor stabil yang padat, sistem pemacu untuk menara dan senjata, dan cermin untuk menstabilkan jarak pandang kenderaan berperisai.
Sebagai contoh, sistem pemacu pistol dan turet untuk sistem senjata besar terdiri daripada motor elektrik panduan mendatar dan menegak, yang mengarahkan senapang dalam azimut dan ketinggian, masing-masing, bergantung pada isyarat unit kawalan utama dan sandaran. Kedua-dua pemacu ini merangkumi motor sinkron berus kedudukan mutlak dengan jarak sifar antara gear output setiap motor dan sektor bergigi dari pemasangan senjata.
Sistem ini, yang mampu beroperasi dengan voltan bekalan DC dan 610 volt DC, dapat melemparkan senapang di setiap satah dengan kelajuan hingga 60 ° / s atau lebih perlahan daripada 0.2 mrad / s.
Unit kawalan pemacu, sesuai dengan isyarat input dari sensor, kawalan dan penglihatan aktif, mengubah bekalan kuasa menjadi sepasang sistem tiga fasa, satu untuk setiap turret dan panduan senjata, penstabilan dan servomotor penggerak.
Pasaran elektrik kenderaan global akan bernilai $ 300 bilion pada tahun 2026, menurut laporan firma penyelidikan IDTechEx tahun lalu. Pertumbuhan ini, didorong oleh peningkatan jumlah pengawal motor elektrik setiap kenderaan (kerana stereng, suspensi dan bahagian mekanikal, pneumatik dan hidraulik lain yang sebelumnya akan menggantikan sistem elektrik), akan memberikan asas teknologi untuk pasaran massa, sehingga dapat mengurangkan biaya mereka untuk kenderaan tentera.
