צריכת האנרגיה הגוברת של מערכות הרכב המשולב נותנת לטכנולוגיות חדשות הזדמנות לנצל את ההזדמנות לשנות באופן קיצוני את העוצמה והניידות של כלי רכב צבאיים בעתיד
בהתחשב בעובדה כי לדור הבא של הצבא האמריקאי צפויה להיות תחנת כוח היברידית, התעשייה זקוקה לתוכנית רחבת היקף על מנת שתוכל להכניס את טכנולוגיות האנרגיה שלה, שכבר פיתחה (יחד עם השינויים הבלתי נמנעים), לתוך חלק הארי של רכבי הלחימה. זבוב במשחה בחבית הדבש הזו, לעומת זאת, הוא שלפי התכניות הנוכחיות, הצבא מתכנן לאמץ כלי רכב כאלה בסביבות שנת 2035. סביר להניח כי החלטות מרכזיות בנוגע לתצורתו לא יתקבלו לפני 2025, אלא אם התוכניות המתאימות יואצו לנשיאות טראמפ.
צרכים עצומים הם תמריץ מצוין לפיתוח טכנולוגיות חדשות, אשר בתורן יכולות לספק פתרונות לענות על צרכים אלה. לדוגמה, הביקוש הגובר לאנרגיה חשמלית בשדה הקרב משולב עם הצורך להפחית את הנטל הלוגיסטי הכרוך באספקת הדלק, כמו גם להגדיל את יכולת השטח של הכוחות הלוחמים וכוחות התמיכה הקרביים. כל אלה מהווים עדות משכנעת לטובת אימוץ נרחב של יחידות כוח עזר, בקרות מנועים חכמות והנעה חשמלית היברידית וכתוצאה מכך עלייה חדה בהספק שנוצר לצרכנים חיצוניים.
להתגבר על האינרציה
עם ניסיון רב בייצור מפגינים טכנולוגיים לרכב היברידי למבנים צבאיים שונים וייצור אוטובוסים היברידיים למגזר האזרחי, BAE מערכות נמצאת במיקום טוב להעריך היכן נמצאת הטכנולוגיה הזו כיום ומה הסיכויים שלה. אותו דבר לגבי DRS Technologies, שהשתתפה גם בפרויקטים רבים להפגנה. טום וויבר, מנהל מסחרי ב- DRS Network Computing and Test Solutions, אמר כי השוק עדיין מתפתח וכי היתרונות של כלי רכב חשמליים טרם התגברו על האינרציה של כלי רכב מסורתיים. לאינרציה כזו יש השפעה שלילית על התקדמות המכונות המסוגלות לייצר את הכוח הדרוש לצרכנים חיצוניים, למרות הצרכים שגדלו "ב -100%לפחות" בעשור האחרון.
“DRS עובדת עם לקוחות שונים כדי להדגים מכונות עם טכנולוגיות חדשות משולבות במבחני ביצועים שונים. הפגנות מוצלחות וסקירות משתמשים חיוביות לא הובילו לפריסת כלי רכב כאלה בחיילים, יתר על כן, הדרישות אליהם אפילו לא פותחו. אבל הביקוש ימשיך לגדול, במיוחד לפעולות משלחות ולרכבים מיוחדים כמו מערכות נשק אנרגיה מכוונות.
DRS מציעה כעת מערכת חשמל משולבת לציוד טקטי בינוני (MTV) וציוד HMMWV בדמות מחולל אינטגרלי תמסורת שפותח בשיתוף עם אליסון. מערכת זו, המותקנת על משאית MTV, למשל, מייצרת הספק עד 125 קילוואט למערכות המשולבות או החיצוניות.החברה גם מייצרת מערכות אחרות לניהול אנרגיה לרכבים שונים. המהנדס הראשי אנדרו רוזנפילד מ- BAE Systems, העוסק גם הוא במערכות כאלה, סבור כי אין זה סביר כי כלי רכב חשמליים בלבד ימלאו תפקיד מרכזי בלחימה קרקעית, בעיקר בשל בעיות בהטענת מצברים.
"למרות שטכנולוגיית ההנעה להפעלה חשמלית מבוססת היטב, בעיית התדלוק עשויה בהחלט למנוע כניסת רכבים חשמליים גרידא לפעולה", המשיך. "אחרי הכל, דיזל זמין בכל מקום בעולם, בעוד שמציאת תחנת טעינת מצברים במדבר היא מאוד קשה, אבל גם אם תמצא אותה, כנראה שלא ניתן להמתין שמונה שעות עד להטענה מלאה".
וויבר הסכים כי מכוניות היברידיות צפויות לנצח, והזכירה גם את המגבלות של תשתית הטעינה של מכוניות חשמליות נקיות ואת כל מקום הדיזל והסילון מסוג JP8. עם זאת, הדגיש רוזנפילד כי כלי רכב חשמליים בלבד יכולים לשחק תפקיד גדול בבסיסים צבאיים, שכן הם יכולים להעביר סחורות, כפי שקורה במפעלים מודרניים או בשדות תעופה (טרקטורים בשדה תעופה). "סביר להניח שמכונות תאי דלק יוכלו לבצע משימות כאלה, מכיוון שהן צריכות גישה חופשית למאגרי מימן", אמר.
וויבר מאמין שיש דרך קשה לפני רכבי תאי דלק. "ראשית, עדיין אין תשתית גז מימן, ויהיה חוסר אמון מסוים בפריסת הדלק החדש. דרכם של רכבים כאלה תחל בפעולות משלחת מאורגנות היטב ".
עיצובים היברידיים הם גם מתוחכמים יותר מאשר עיצובים חשמליים גרידא ויש להם מספר תכונות שהופכות אותם לאטרקטיביים יותר ממכונות חשמליות וקונבנציונאליות המונעות כוח. "ראשית, פלטפורמות חשמליות היברידיות משתמשות בדלק זהה לזה של רכבי דיזל מסורתיים. שנית, מומנט הסל"ד הנמוך אידיאלי עבור מכונה הנוסעת על פני שטח מחוספס או מטפסת על מדרון תלול מאוד."
הוא הוסיף כי היכולת לייצר כמויות גדולות של חשמל על הסיפון הופכת להיות חשובה יותר ויותר כאשר פריסות יכולות חדשות כגון מערכות תקשורת ונשק המשתמשות בלייזר רב עוצמה. היכולת לייצא אנרגיה זו היא גם יתרון עצום, שכן מכונות אלה יכולות להניע אזורים מאוכלסים ובתי חולים שמערכות החשמל שלהם נפגעו מפגיעה לחימה או אסון טבע.
"לבסוף, עלויות התפעול והתחזוקה הנמוכות הכרוכות בחיסכון ניכר בדלק ובאמינות רבה יותר הופכות כלי רכב חשמליים היברידיים לבחירה חכמה וארוכת טווח".
כפי שציין וויבר, הביקוש לאנרגיה חשמלית על כלי רכב קרביים מעולם לא פחת, הוא רק יגדל משנה לשנה. "מערכות פונקציונאליות חדשות דורשות יותר ויותר כוח מפלטפורמת המוביל, כמו גם שדרוגים רציפים של ייצור החשמל ומערכות ההפצה של הרכבים הנוכחיים".
"לאחר שהוספת תכונות כגון תנועה שקטה, מכ"ם, תקשורת מתקדמת, חסימת אותות ושריון או כלי נשק אלקטרומגנטיים, הרציף נופל מאחור והופך לבלתי ניתן לניהול מבלי לעבור לתוכנית חשמלית היברידית. בעשור הקרוב, לכל רכבי הלחימה, אחד המרכיבים החשובים ביותר יהיה היכולת לייצר כמויות גדולות של חשמל על הסיפון ".
"רכבים המונעים על ידי חשמל צריכים לבצע את עבודתם באותה מידה, או אפילו טוב יותר, מעמיתיהם המכניים המסורתיים", המשיך. "לא רק שמערכות ממונעות פשוטות יותר באופן משמעותי ויש להן פחות חלקים נעים ממערכות ממונעות, אלא שלרוב יש להן יתירות טובה להפליא, מה שהופך אותן לאמינות יותר. לדוגמה, רוב ההילוכים החשמליים הרוחביים יכולים לפעול כרגיל עם מנוע יחיד שנכשל ".
וויבר אמר כי הטכנולוגיות המרכזיות המטופחות בתחבורה הציבורית כבר קיימות ומוכנות להיכנס לשוק. "השימוש הנרחב במעגלים היברידיים וחשמליים, במיוחד באוטובוסים וחשמליות בינעירוניות, הוביל להתפתחות בקרים מנועים, ממירים וממירים הקרובים למה שהצבא צריך", אמר. "כל צרכי התעשייה הם לקוחות שמוכנים לשלם עבור תהליך ההסמכה, כמו גם מספיק כדי לשמור על עלות נמוכה".
בינתיים נמשכת העבודה על ההפגנה. ג'נרל מוטורס (GM) ב- AUSA באוקטובר 2016 הציגה גרסה "מוכנה לדרך" של רכב תא הדלק שברולט קולורדו ZH2 שלה, המבוסס על שלדת טנדר מוארכת בגודל בינוני. על פי לוח הזמנים, קולורדו ZH2, בסיוע מרכז המחקר המשוריין TARDEC, אמור לעבור סדרת ניסויים צבאיים "בתנאי הפעלה קיצוניים" במהלך 2017.
זו הייתה תוכנית מואצת. GM ו- TARDEC עבדו יחד כדי ליצור הדגמה תוך פחות משנה לאחר חתימת החוזה. "המהירות שבה ניתן להוכיח ולהעריך רעיונות חדשניים היא גבוהה מאוד, ולכן קשרי התעשייה חשובים כל כך לצבא", אמר מנהל TARDEC פול רוג'רס. "לתאי דלק יש פוטנציאל לשפר משמעותית את יכולותיהם של כלי רכב צבאיים באמצעות פעולה שקטה, ייצור חשמל לצרכנים חיצוניים ומומנט יציב - כל היתרונות הללו הופכים את הטכנולוגיה הזו לבחינה מעמיקה יותר".
"ZH2 מאפשר לצבא להפגין ולהעריך את המוכנות של טכנולוגיית תאי דלק ליישומים צבאיים, ובמקביל לענות על השאלה כמה כלי רכב חשמליים שימושיים יכולים להיות בתנאים מסוימים ובמשימות לחימה מסוימות", אמר דאג הלו, דובר חברת TARDEC.
היתרונות הצפויים שעל TARDEC להעריך כוללים פעולה כמעט שקטה המאפשרת מעקב שקט, חתימות תרמיות מופחתות, מומנט גלגלים גבוה בכל המהירות, צריכת דלק נמוכה בכל טווח הפעולה ומי שתייה כתוצר לוואי כימי. תהליכים המתרחשים בתאי דלק.. לקולורדו ZH2 יש הסעת כוח משולבת לצרכנים חיצוניים.
מערכת ההנעה מבוססת על תאי דלק ממברנה מחליפי פרוטונים המסוגלים לייצר עד 93 קילוואט של זרם ישר, וסוללה המספקת עוד 35 קילוואט למערכת ההנעה ונטענת במהלך בלימה רגנרטיבית. כך מסביר מנהל הפרויקטים של ZH2 של GM, כריסטופר קולקיט.
"מיכלי הרכב מכילים כ -4.2 ק"ג מימן דחוס ב -10,000 psi, שהם פי 689 מהלחץ האטמוספרי. אוויר אטמוספרי הוא מקור חמצן הנדרש לתהליך האלקטרוכימי, וכתוצאה מכך נוצר החשמל הנדרש; רק אדי מים משתחררים ", ציין.
עבור כל מערכות ההנעה החשמלית, העברת האנרגיה מהמקור אל הגלגלים קלה יותר מאשר ברכבים מסורתיים. “ל- ZH2 אין שידור במובן הרגיל של המילה.מנוע משיכה AC עם תיבת הילוכים חד-שלבית מעביר מומנט ישירות למארז ההעברה ולמערכת הנעה ארבע גלגלים , הסביר קולקיט.
תשתית ניידת
באמצעות תוכנית זו, מרכז TARDEC בוחן גם מה יכול להיות לפחות פתרון חלקי לבעיית זמינות המימן (תשתית). הפתרון שלה כאן מועדף על ידי העובדה שניתן לייצר יסוד כימי זה בדרכים שונות ממקורות שונים. לדברי נציג מרכז TARDEC, בשלב הראשוני של העבודה על פרויקט ZH2, הרעיון הוא להשיג מימן דחוס במהלך הרפורמה של נפט תעופה JP8 ברפורמטור נייד, שיועבר לכל אתר בדיקה יחד עם מכונה, מכיוון שזה יגדיל את מספר הפתרונות בשלב זה של משימות.
"אנו מחפשים כעת ליצור רפורמטור שיוכל להשתמש במגוון מקורות זמינים מקומיים, כגון גז טבעי, דלק סילוני JP8, דיזל DF2 או פרופאן, כדי לייצר מימן", אמר. - רשתות חשמל מקומיות, כולל מקורות אנרגיה מתחדשים, יחד עם משאבי מים, יכולות לשמש גם לייצור מימן. זה יאפשר לצבא להפחית את כמות הדלק המובאת לתיאטרון פעולות מסוים ולהסתמך על מה שיש באותו תיאטרון ".
בין אם מדובר בסוללות, תאי דלק או תחנות כוח מעורבות דיזל-חשמלי כמניע העיקרי, המרת זרם חשמלי להנעה קדימה דורשת כוננים חשמליים אמינים ויעילים. חברת Magtec הבריטית מייצרת מערכות הנעה חשמליות לשוק התעופה, הימי והרכב, ומציעה, למשל, מספר אפשרויות להסבת משאיות מסחריות עם מערכות הנעה חדשות.
עם זאת, החברה פיתחה גם מסילות כוח מלאות לפלטפורמות עם מסלול וגלגלים להפגנת טכנולוגיות היברידיות המיוצרות על ידי BAE Systems Hagglunds עבור סוכנויות ההגנה הבריטיות והשבדיות בתחילת שנות האלפיים.
עבור פלטפורמות SEP (Splitterskyddad EnhetsPlattform), הן בעלות 6x6 גלגלים והן במעקב, פיתחה החברה מנועי רכזות (גלגלי מנוע), כולל הילוך דו-שלבי ומערכת בלימה בכל אחת, גנרטורים תאומים, ציוד בקרה וחלוקת כוח.. עבור SEP, היא גם פיתחה, התקינה ובדקה תוכנות לשליטה בפונקציות מרכזיות כמו חלוקת חשמל, בקרת משיכה, מנעולי דיפרנציאל אלקטרוניים והיגוי המאפשר למכונה להסתובב במקום. בנוסף, מערכת זו עומדת בכל תקנות ה- EMC הצבאי והסביבתי.
מנכ ל מגטק אמר כי הוא רואה פוטנציאל צמיחה טוב לרכבים חשמליים עם טווח מורחב למשימות תמיכה קרבית. במקביל, טכנולוגיות חדשות תורמות לשיפור משמעותי בניידות, לירידה בצריכת הדלק, יתירות רבה יותר, ובנוסף הן מאפשרות קבלת החלטות פריסה מקוריות. הוא גם ציין כי ההנעה החשמלית מפשטת את יישום הפעולה מרחוק ואוטונומיה.
בנוגע להמשך הפיתוח של הטכנולוגיות הדרושות, הוא ציין כי מערכות ההנעה מוכנות להיכנס לשוק עם אלקטרוניקה כוח משופרת (לשליטה בכונני כוח) המבוססת על מעגלים מוליכים למחצה סיליקון קרביד. הם נחוצים כדי לשלוט במתח הגבוה שבו פועלות מערכות חשמל מהדור החדש. מנהל מגטק ציין כי 24 וולט בהן פועלות רוב המערכות המודרניות כעת נמוכות מדי לצרכני החשמל העיקריים (העלייה במתח מאפשרת העברת יותר חשמל דרך הכבלים מבלי להגדיל יתר על המידה את הספק).
חברה אחת בתחום, GE Aviation, זכתה בחוזה של 2.1 מיליון דולר לפיתוח והדגמת אלקטרוניקה חשמלית של סיליקון קרביד.לאחר תוכנית פיתוח של 18 חודשים, החברה צפויה להפגין את היתרונות של טכנולוגיית FET המתכת תחמוצת הסיליקון קרביד שלה בשילוב התקני גליום ניטריד בממיר DC / DC דו כיווני של 15 קילוואט.
לדברי החברה, ציוד זה יכול להתמודד עם כוח כפול, תוך שהוא תופס חצי מהנפח בהשוואה לאלקטרוניקה הנוכחית של סיליקון, בעוד שהממירים יוכלו לעבוד במקביל ולהיות מתוכנתים בהתאם לתקן CAN.
החברה מפתחת ארכיטקטורת כוח הדור הבא של חברת TARDEC, המכנה אותה טכנולוגיה משבשת, ומקווה שהדגמה טכנולוגית תהיה מוכנה עד אמצע 2017.
מהירות כפולה
טכנולוגיה פורצת דרך נוספת היא פרויקט טכנולוגיית ה- X-Vehicle Ground (GXV-T) של סוכנות DARPA Defence Projects Research Research, אשר במסגרתו מערכות החשמל ימלאו תפקיד משמעותי. מטרת הפרויקט היא לחצות את גודל, משקל ומספר הצוות של כלי רכב משוריינים מבטיחים, להכפיל את מהירותם, את היכולת להתגבר על 95% מהשטח, וכן לצמצם את סימני הראות.
ביולי 2016 נתנה DARPA ל- Qinetiq השקעה של 2.7 מיליון דולר לשיפור הטכנולוגיה של מערכות הנעה חשמליות לפרויקט GXV-T. החברה מתארת את הטכנולוגיה הזו כמנועים חשמליים קומפקטיים וחזקים במיוחד בתוך הגלגלים המחליפים תיבות הילוכים, דיפרנציאלים ופירים. הגישה הזו, אמרה החברה, מפחיתה באופן דרמטי את המשקל הכולל של הפלטפורמה ופותחת אפשרויות עיצוב חדשות שישפרו את הבטיחות והביצועים.
Qinetiq מדגיש כי בנוסף לשימוש שלה בקונספטים חדשים, כגון GXV-T, טכנולוגיה זו יכולה גם לשפר את יכולות הרכבים הקיימים במהלך שיפוצים. לדוגמה, רכב חי"ר מרובה גלגלים המשודרג עם כונני רכזת או גלגלי מנוע "יכול להפיק תועלת מההגברת הכוח והניידות שחיסכון במשקל מספק, או להיפך, להשתמש בחיסכון זה כדי לשפר את ההגנה, להתקין ציוד או להגדיל את קיבולת הנוסעים."
לאחר ההשקעה חוזה, שהוכרז בספטמבר 2015, במסגרתו הקונספט יתורגם לעיצוב אמיתי ויבדק, ולאחר מכן יוצרו שני אבות טיפוס מלאים.
"המפעילים הקונבנציונאליים כבדים למדי, בעלי קיבולת מוגבלת והם מורכבים מרכיבים שיכולים להפוך לקליעים קטלניים אם יתפוצצו על ידי מוקש", אמר ראש המחקר ב- Qinetiq. "העברת הכוננים לגלגלים מסירה את האיום הזה ושוברת את הנטייה לכלי רכב להיות כבדים ופחות ניידים בשל רמת ההגנה והעוצמה של כלי הנשק".
מכונות קיימות יכולות ליהנות גם מהחשמול של תת-מערכות שאינן הנעה. לדוגמה, חברת ג'נופטיק הגרמנית תספק 126 מערכות צריח חשמליות וייצוב נשק לתוכנית המודרניזציה של הטנקים 2 Leopard הפולני. לדברי החברה, מערכות החשמל יחליפו את המערכות ההידראוליות במיכל, ובכך יפחיתו תחזוקה וייצור חום.
המשלוחים אמורים להסתיים בשנים 2017-2020 במסגרת חוזה של 23 מיליון דולר שנחתם עם בומאר לאבדי הפולני באוקטובר 2016. אותה חברה Bumar Labedy חתמה על הסכם שיתוף פעולה בנושא מודרניזציה של טנקים עם חברת Rheinmetall הגרמנית בפברואר 2017.
אחת הפעילויות של ג'נופטיק היא פיתוח וייצור פלטפורמות נשק / חיישן קומפקטיות מיוצבות, מערכות הנעה למגדלים ולנשק ומראות לייצוב קו הראייה של כלי רכב משוריינים.
לדוגמה, מערכת הנעה של אקדח וצריח למערכות נשק גדולות מורכבת ממנועים חשמליים מנחים אופקיים ואנכיים, המכוונים את האקדח באזימוט וגובה, בהתאמה, בהתאם לאותות יחידות הבקרה הראשיות והגיבוי.שני הכוננים כוללים מנועים סינכרוניים ללא מברשת עם מיקום מוחלט עם מרווח אפס בין הילוך המוצא של כל מנוע למגזר השיניים של מכלול הנשק.
המערכת, המסוגלת לפעול עם מתח אספקה של 28 ו -610 וולט DC, יכולה לזרוק את האקדח בכל מטוס במהירות של עד 60 ° / s או לאט יותר מ- 0.2 mrad / s.
יחידת בקרת הכונן, בהתאם לאותות הכניסה מחיישנים, פקדים ומראה פעיל, הופכת את אספקת החשמל לצמד מערכות תלת פאזיות, אחת לכל אחד מהצריח והנחיית הנשק, ייצוב והפעלה של מנוע מנועים.
שוק החשמול העולמי לרכב יעמוד על 300 מיליארד דולר עד שנת 2026, על פי דו ח של חברת המחקר IDTechEx בשנה שעברה. גידול זה, המונע על ידי עלייה במספר בקרי המנועים החשמליים לרכב (כיוון שהיגוי, מתלים וחלקים אחרים מכניים, פנאומטיים והידראוליים יחליפו מערכות חשמל), יספק בסיס טכנולוגי לשוק ההמונים, ובכך יקטין את עלותם לרכבים צבאיים.
