Việc tiêu thụ năng lượng ngày càng tăng của các hệ thống phương tiện trên bộ tạo cơ hội cho các công nghệ mới nắm bắt cơ hội thay đổi hoàn toàn sức mạnh và tính cơ động của các phương tiện quân sự trong tương lai
Do thế hệ tiếp theo của quân đội Mỹ có khả năng có một nhà máy điện hybrid, ngành công nghiệp này cần có một chương trình quy mô lớn để có thể giới thiệu các công nghệ năng lượng mà họ đã phát triển (cùng với các sửa đổi không thể tránh khỏi), vào số lượng lớn các phương tiện chiến đấu. Tuy nhiên, một con ruồi trong thuốc mỡ trong thùng mật ong này là theo kế hoạch hiện tại, quân đội có kế hoạch sử dụng những phương tiện như vậy vào khoảng năm 2035. Các quyết định lớn về cấu hình của nó rất có thể sẽ không được đưa ra trước năm 2025, trừ khi các chương trình tương ứng được đẩy nhanh vào nhiệm kỳ tổng thống Trump.
Nhu cầu lớn là động lực tuyệt vời cho sự phát triển của các công nghệ mới, từ đó có thể cung cấp các giải pháp để đáp ứng những nhu cầu này. Ví dụ, nhu cầu ngày càng tăng về năng lượng điện trên chiến trường được kết hợp với nhu cầu giảm gánh nặng hậu cần liên quan đến nguồn cung cấp nhiên liệu, cũng như tăng khả năng địa hình của lực lượng chiến đấu và lực lượng hỗ trợ chiến đấu. Tất cả những điều này là bằng chứng thuyết phục ủng hộ việc áp dụng rộng rãi các đơn vị điện phụ trợ, điều khiển động cơ thông minh và hệ thống truyền động điện hybrid và kết quả là công suất tạo ra cho người tiêu dùng bên ngoài tăng mạnh.
Vượt qua quán tính
Với kinh nghiệm dày dặn trong việc sản xuất các thiết bị trình diễn công nghệ xe hybrid cho các công trình quân sự khác nhau và sản xuất xe buýt hybrid cho lĩnh vực dân sự, BAE Systems có vị trí tốt để đánh giá chính xác vị trí của công nghệ này ngày nay và triển vọng của nó. Điều này cũng đúng đối với DRS Technologies, công ty cũng đã tham gia vào nhiều dự án trình diễn. Tom Weaver, Giám đốc Thương mại tại DRS Network Computing and Test Solutions, cho biết thị trường vẫn đang phát triển và lợi ích của xe điện vẫn chưa thể vượt qua sức ì của phương tiện truyền thống. Sức ì như vậy có tác động tiêu cực đến sự phát triển của máy móc có khả năng tạo ra năng lượng cần thiết cho người tiêu dùng bên ngoài, bất chấp nhu cầu đã tăng "ít nhất 100%" trong thập kỷ qua.
“DRS đang làm việc với các khách hàng khác nhau để trình diễn các máy có tích hợp công nghệ mới trong các bài kiểm tra hiệu suất khác nhau. Các cuộc biểu tình thành công và đánh giá tích cực của người dùng đã không dẫn đến việc triển khai các loại xe như vậy trong quân đội, hơn nữa, các yêu cầu đối với chúng thậm chí còn không được phát triển. Nhưng nhu cầu vẫn sẽ tiếp tục tăng, đặc biệt là đối với các hoạt động viễn chinh và các phương tiện chuyên dụng như hệ thống vũ khí năng lượng chỉ đạo."
DRS hiện cung cấp hệ thống điện tích hợp cho Xe chiến thuật hạng trung (MTV) và thiết bị HMMWV dưới dạng Máy phát điện tích hợp truyền động được phát triển với sự hợp tác của Allison. Ví dụ, hệ thống này được lắp đặt trên xe tải MTV, tạo ra công suất lên tới 125 kW cho các hệ thống bên trong hoặc bên ngoài. Công ty cũng sản xuất các hệ thống quản lý năng lượng khác cho các loại xe khác nhau. Kỹ sư trưởng Andrew Rosenfield của BAE Systems, công ty cũng xử lý các hệ thống như vậy, tin rằng không có khả năng các phương tiện hoàn toàn chạy bằng điện sẽ đóng vai trò quan trọng trong tác chiến trên bộ, chủ yếu là do các vấn đề về sạc pin.
Ông tiếp tục: “Mặc dù công nghệ hệ thống truyền động cho hoạt động hoàn toàn bằng điện đã được thiết lập tốt, nhưng vấn đề tiếp nhiên liệu có thể ngăn cản các phương tiện hoàn toàn chạy bằng điện. "Xét cho cùng, dầu diesel có sẵn ở mọi nơi trên thế giới, trong khi việc tìm một trạm sạc pin trên sa mạc là rất khó, nhưng ngay cả khi bạn tìm thấy một chiếc, thì việc đợi chúng được sạc đầy 8 tiếng có lẽ là không khả thi."
Weaver đồng ý rằng ô tô hybrid có khả năng chiếm ưu thế, cũng đề cập đến những hạn chế của cơ sở hạ tầng sạc ô tô điện sạch và sự phổ biến của nhiên liệu máy bay diesel và JP8. Tuy nhiên, Rosenfield nhấn mạnh rằng các phương tiện chạy điện hoàn toàn có thể đóng một vai trò lớn tại các căn cứ quân sự, vì chúng có thể di chuyển hàng hóa, như trường hợp của các nhà máy hiện đại hoặc tại các sân bay (máy kéo sân bay). Ông nói: “Máy chạy pin nhiên liệu rất có thể có thể thực hiện các nhiệm vụ như vậy, vì chúng cần quyền truy cập miễn phí vào nguồn dự trữ hydro”.
Weaver tin rằng có một chặng đường khó khăn phía trước đối với các loại xe chạy bằng pin nhiên liệu. “Thứ nhất, vẫn chưa có cơ sở hạ tầng khí hydro, và sẽ có sự ngờ vực nhất định trong việc triển khai nhiên liệu mới. Con đường của những chiếc xe như vậy sẽ bắt đầu bằng những cuộc hành quân viễn chinh được tổ chức tốt."
Các thiết kế hybrid cũng phức tạp hơn các thiết kế hoàn toàn bằng điện và có một số tính năng khiến chúng trở nên hấp dẫn hơn so với các máy chạy bằng điện và điện thông thường. “Đầu tiên, nền tảng điện hybrid sử dụng cùng một loại nhiên liệu như các loại xe chạy dầu diesel truyền thống. Thứ hai, mô-men xoắn RPM thấp lý tưởng cho một cỗ máy di chuyển trên địa hình gồ ghề hoặc leo dốc rất lớn."
Ông nói thêm rằng khả năng tạo ra một lượng lớn điện trên tàu ngày càng trở nên quan trọng khi các khả năng mới như hệ thống thông tin liên lạc và vũ khí sử dụng tia laser mạnh được triển khai. Khả năng xuất khẩu năng lượng này cũng là một lợi thế to lớn, vì những cỗ máy này có thể cung cấp năng lượng cho các khu vực đông dân cư và bệnh viện có hệ thống điện riêng đã bị hư hỏng do chiến đấu hoặc thiên tai.
"Cuối cùng, chi phí vận hành và bảo dưỡng giảm đi cùng với việc tiết kiệm nhiên liệu đáng kể và độ tin cậy cao hơn khiến xe điện hybrid trở thành lựa chọn thông minh và lâu dài."
Như Weaver đã lưu ý, nhu cầu về năng lượng điện trên các phương tiện chiến đấu trên tàu chưa bao giờ giảm, chúng sẽ chỉ tăng lên từ năm này qua năm khác. "Các hệ thống chức năng mới hơn đòi hỏi ngày càng nhiều sức mạnh từ nền tảng tàu sân bay, cũng như nâng cấp liên tục đối với hệ thống phát và phân phối điện của các phương tiện hiện tại."
“Sau khi bạn đã thêm các tính năng như chuyển động im lặng, radar, thông tin liên lạc tiên tiến, gây nhiễu tín hiệu và giáp điện từ hoặc vũ khí, nền tảng sẽ bị tụt lại phía sau và không thể quản lý được nếu không chuyển sang sơ đồ điện lai. Trong thập kỷ tới, đối với tất cả các phương tiện chiến đấu, một trong những thành phần quan trọng nhất sẽ là khả năng tạo ra lượng điện lớn trên tàu."
Ông tiếp tục: “Các phương tiện chạy bằng điện phải thực hiện tốt công việc của chúng, hoặc thậm chí tốt hơn các đối tác cơ khí truyền thống của chúng. “Các hệ thống cơ giới không chỉ đơn giản hơn đáng kể và có ít bộ phận chuyển động hơn các hệ thống cơ giới, mà chúng thường có mức độ dự phòng tốt đáng ngạc nhiên, khiến chúng trở nên đáng tin cậy hơn. Ví dụ, hầu hết các hệ thống truyền điện ngang có thể hoạt động bình thường với một động cơ duy nhất bị hỏng."
Weaver cho biết các công nghệ chủ chốt được nuôi dưỡng trong giao thông công cộng đã sẵn sàng và sẵn sàng gia nhập thị trường. Ông nói: “Việc sử dụng rộng rãi các vi mạch điện và hybrid, đặc biệt là trong xe buýt và xe điện liên tỉnh, đã dẫn đến sự phát triển của các bộ điều khiển động cơ, bộ biến tần và bộ chuyển đổi gần với những gì quân đội cần,” ông nói. “Tất cả những gì ngành công nghiệp cần là khách hàng sẵn sàng trả tiền cho quá trình đánh giá chất lượng, cũng như đủ để giảm chi phí.”
Trong khi chờ đợi, công việc vẫn tiếp tục diễn ra. General Motors (GM) tại AUSA vào tháng 10 năm 2016 đã giới thiệu phiên bản “sẵn sàng để đi” của chiếc xe chạy pin nhiên liệu Chevrolet Colorado ZH2, dựa trên khung gầm xe bán tải cỡ trung thu dài. Theo lịch trình, Colorado ZH2, với sự hỗ trợ của Trung tâm Nghiên cứu Thiết giáp TARDEC, sẽ trải qua một loạt các thử nghiệm quân sự "trong điều kiện hoạt động khắc nghiệt" trong năm 2017.
Đó là một chương trình tăng tốc. GM và TARDEC đã làm việc cùng nhau để tạo ra một bản demo trong vòng chưa đầy một năm sau khi ký hợp đồng. Giám đốc TARDEC Paul Rogers cho biết: “Tốc độ mà các ý tưởng đổi mới có thể được chứng minh và đánh giá là rất cao, đó là lý do tại sao các mối quan hệ trong ngành rất quan trọng đối với quân đội. "Pin nhiên liệu có tiềm năng nâng cao đáng kể khả năng của các phương tiện quân sự thông qua hoạt động êm ái, tạo ra năng lượng cho người tiêu dùng bên ngoài và mô-men xoắn ổn định - tất cả những ưu điểm này khiến công nghệ này được khám phá kỹ hơn."
Doug Hallo cho biết: “ZH2 cho phép quân đội chứng minh và đánh giá mức độ sẵn sàng của công nghệ pin nhiên liệu cho các ứng dụng quân sự, đồng thời trả lời câu hỏi về mức độ hữu ích của xe điện pin nhiên liệu trong một số điều kiện và nhiệm vụ chiến đấu nhất định. phát ngôn viên của TARDEC.
Các lợi ích dự kiến mà TARDEC phải đánh giá bao gồm hoạt động gần như im lặng cho phép giám sát im lặng, giảm ký hiệu nhiệt, mô-men xoắn bánh xe cao ở mọi tốc độ, tiêu thụ nhiên liệu thấp trên toàn bộ phạm vi hoạt động và nước uống như một sản phẩm phụ hóa học. Các quá trình xảy ra trong pin nhiên liệu. Colorado ZH2 có khả năng phát huy sức mạnh tích hợp cho người tiêu dùng bên ngoài.
Hệ thống đẩy dựa trên các tế bào nhiên liệu màng trao đổi proton có khả năng tạo ra dòng điện một chiều lên đến 93 kW và một pin cung cấp 35 kW khác cho hệ thống đẩy và được sạc trong quá trình phanh tái sinh. Đây là những gì Giám đốc Dự án ZH2 của GM Christopher Kolkit giải thích.
“Các bình của xe chứa khoảng 4,2 kg hydro nén ở 10.000 psi, gấp 689 lần áp suất khí quyển. Không khí trong khí quyển là nguồn cung cấp oxy cần thiết cho quá trình điện hóa, do đó điện năng cần thiết được tạo ra; chỉ có hơi nước được giải phóng,”ông lưu ý.
Đối với tất cả các hệ thống truyền động điện, việc phân phối năng lượng từ nguồn đến các bánh xe dễ dàng hơn so với các loại xe truyền thống. “ZH2 không có sự truyền tải theo nghĩa thông thường của từ này. Kolkit giải thích: Một động cơ kéo AC với hộp số một cấp truyền mô-men xoắn trực tiếp đến hộp số và hệ dẫn động bốn bánh.
Cơ sở hạ tầng di động
Thông qua chương trình này, Trung tâm TARDEC cũng đang khám phá xem điều gì có thể là giải pháp một phần cho vấn đề cơ sở hạ tầng (cơ sở hạ tầng) hydro. Giải pháp của nó ở đây được ưa chuộng bởi thực tế là nguyên tố hóa học này có thể được sản xuất theo nhiều cách khác nhau từ các nguồn khác nhau. Theo đại diện của Trung tâm TARDEC, ở giai đoạn đầu của dự án ZH2, ý tưởng là thu được hydro nén trong quá trình cải tiến dầu hỏa hàng không JP8 trong một máy cải tiến di động, sẽ được chuyển đến từng địa điểm thử nghiệm cùng với vì điều này sẽ làm tăng số lượng công việc được giải quyết ở giai đoạn này.
Ông nói: “Chúng tôi hiện đang tìm cách tạo ra một thiết bị cải cách có thể sử dụng nhiều nguồn khác nhau có sẵn tại địa phương, chẳng hạn như khí tự nhiên, nhiên liệu phản lực JP8, dầu diesel DF2 hoặc propan, để sản xuất hydro”. - Các mạng điện địa phương, bao gồm cả các nguồn năng lượng tái tạo, cùng với các nguồn nước, cũng có thể được sử dụng để sản xuất hydro. Điều này sẽ cho phép quân đội giảm lượng nhiên liệu được đưa đến một nhà ga hoạt động cụ thể và dựa vào những gì có sẵn trong nhà hát đó."
Cho dù đó là pin, tế bào nhiên liệu hay các nhà máy điện hỗn hợp diesel là động cơ chính, việc chuyển đổi dòng điện thành động cơ đẩy về phía trước đòi hỏi phải có hệ thống truyền động điện hiệu quả và đáng tin cậy. Công ty Magtec của Anh sản xuất hệ thống truyền động điện cho thị trường hàng không, hàng hải và ô tô, cung cấp một số tùy chọn để chuyển đổi xe tải thương mại với hệ thống động cơ mới.
Tuy nhiên, công ty cũng đã phát triển hệ thống truyền động hoàn chỉnh cho các nền tảng bánh xích và bánh lốp để trình diễn công nghệ hybrid do BAE Systems Hagglunds sản xuất cho các cơ quan quốc phòng Anh và Thụy Điển vào đầu những năm 2000.
Đối với các nền tảng SEP (Splitterskyddad EnhetsPlattform), cả hai bánh 6x6 và bánh xích, công ty đã phát triển động cơ trung tâm bánh xe (mô-tơ-bánh), bao gồm một hộp số giảm hai giai đoạn và hệ thống phanh trong mỗi chiếc, máy phát điện đôi, thiết bị điều khiển và phân phối điện. Đối với SEP, cô cũng phát triển, cài đặt và thử nghiệm phần mềm để điều khiển các chức năng chính như phân phối lực, kiểm soát lực kéo, khóa vi sai điện tử và hệ thống lái cho phép máy bật tại chỗ. Ngoài ra, hệ thống này đáp ứng tất cả các quy định về EMC và môi trường của quân đội.
Giám đốc điều hành của Magtec cho biết ông nhận thấy tiềm năng tăng trưởng tốt đối với các loại xe điện có phạm vi hoạt động mở rộng cho các nhiệm vụ hỗ trợ chiến đấu. Đồng thời, các công nghệ mới góp phần cải thiện đáng kể khả năng di chuyển, giảm tiêu thụ nhiên liệu, dự phòng nhiều hơn, ngoài ra chúng còn cho phép đưa ra các quyết định bố trí ban đầu. Ông cũng lưu ý rằng động cơ điện đơn giản hóa việc thực hiện vận hành từ xa và tự chủ.
Về việc phát triển thêm các công nghệ cần thiết, ông lưu ý rằng các hệ thống truyền động đã sẵn sàng gia nhập thị trường với các thiết bị điện tử công suất được cải tiến (để điều khiển các ổ điện) dựa trên các mạch bán dẫn silicon cacbua. Chúng cần thiết để kiểm soát điện áp cao mà hệ thống điện thế hệ mới hoạt động. Giám đốc của Magtec lưu ý rằng 24 vôn mà hầu hết các hệ thống hiện đại vận hành hiện nay là quá thấp đối với những người tiêu thụ điện chính (việc tăng điện áp cho phép nhiều điện năng được truyền qua cáp hơn mà không làm tăng cường độ dòng điện).
Một công ty trong lĩnh vực này, GE Aviation, đã giành được hợp đồng trị giá 2,1 triệu USD để phát triển và trình diễn thiết bị điện tử công suất cacbua silicon. Sau một chương trình phát triển kéo dài 18 tháng, công ty dự kiến sẽ chứng minh những lợi ích của công nghệ FET oxit kim loại silic cacbua kết hợp với các thiết bị gallium nitride trong bộ chuyển đổi DC / DC hai chiều 15 kW, 28/600 volt.
Theo công ty, thiết bị này có thể xử lý điện năng gấp đôi, đồng thời chiếm một nửa thể tích so với các thiết bị điện tử sử dụng năng lượng silicon hiện nay, trong khi các bộ chuyển đổi sẽ có thể hoạt động song song và được lập trình theo tiêu chuẩn CAN.
Công ty đang phát triển kiến trúc sức mạnh phương tiện thế hệ tiếp theo từ TARDEC, gọi đây là công nghệ đột phá và hy vọng một cuộc trình diễn công nghệ sẽ sẵn sàng vào giữa năm 2017.
Tốc độ gấp đôi
Một công nghệ đột phá khác là dự án Công nghệ phương tiện trên mặt đất (GXV-T) của Cơ quan Nghiên cứu Quốc phòng DARPA, trong đó hệ thống điện sẽ đóng một vai trò quan trọng. Mục tiêu của dự án là giảm một nửa kích thước, trọng lượng và số lượng kíp lái của những chiếc xe bọc thép đầy hứa hẹn, tăng gấp đôi tốc độ của chúng, khả năng vượt qua 95% địa hình, cũng như giảm các dấu hiệu về tầm nhìn.
Vào tháng 7 năm 2016, DARPA đã đầu tư cho Qinetiq 2,7 triệu đô la để cải tiến công nghệ hệ thống truyền động điện cho dự án GXV-T. Công ty mô tả công nghệ này là các động cơ điện nhỏ gọn và cực kỳ mạnh mẽ bên trong các bánh xe có thể thay thế các hộp số, bộ vi sai và trục truyền động khác nhau. Cách tiếp cận này, công ty cho biết, làm giảm đáng kể trọng lượng tổng thể của nền tảng và mở ra các tùy chọn thiết kế mới giúp cải thiện độ an toàn và hiệu suất.
Qinetiq nhấn mạnh rằng ngoài việc sử dụng trong các khái niệm mới, chẳng hạn như GXV-T, công nghệ này cũng có thể nâng cao khả năng của các phương tiện hiện có trong quá trình trang bị thêm. Ví dụ, một chiếc xe bộ binh nhiều bánh được nâng cấp với hệ thống truyền động trung tâm hoặc bánh xe động cơ "có thể được hưởng lợi từ việc tăng sức mạnh và tính cơ động mà việc tiết kiệm trọng lượng mang lại, hoặc ngược lại, sử dụng những khoản tiết kiệm này để cải thiện khả năng bảo vệ, lắp đặt thiết bị hoặc tăng sức chở hành khách."
Việc đầu tư được theo sau bởi một hợp đồng, được công bố vào tháng 9 năm 2015, theo đó khái niệm sẽ được chuyển thành một thiết kế thực và thử nghiệm, sau đó hai nguyên mẫu hoạt động hoàn chỉnh sẽ được sản xuất.
Người đứng đầu bộ phận nghiên cứu của Qinetiq cho biết: “Các thiết bị truyền động thông thường khá nặng, có công suất hạn chế và được tạo thành từ các thành phần có thể biến thành đạn gây chết người nếu phát nổ bởi mìn,” người đứng đầu bộ phận nghiên cứu của Qinetiq, nhận xét về hợp đồng. "Việc chuyển động cơ sang các bánh xe loại bỏ mối đe dọa này và phá vỡ xu hướng các phương tiện trở nên nặng hơn và kém cơ động hơn do mức độ bảo vệ và sức mạnh của vũ khí được gia tăng."
Các máy móc hiện có cũng có thể hưởng lợi từ việc điện khí hóa các hệ thống phụ không động cơ. Ví dụ, công ty Jenoptik của Đức đang cung cấp 126 tháp pháo điện và hệ thống ổn định vũ khí cho chương trình hiện đại hóa xe tăng Leopard 2PL của Ba Lan. Theo công ty, hệ thống điện sẽ thay thế hệ thống thủy lực trên xe tăng, do đó giảm thiểu việc bảo trì và phát sinh nhiệt.
Việc giao hàng sẽ đến hạn vào năm 2017-2020 theo hợp đồng trị giá 23 triệu đô la được ký với Bumar Labédy của Ba Lan vào tháng 10 năm 2016. Cũng chính công ty Bumar Labedy đã ký một thỏa thuận hợp tác về hiện đại hóa xe tăng với công ty Rheinmetall của Đức vào tháng 2/2017.
Một trong những hoạt động của Jenoptik là phát triển và sản xuất các bệ cảm biến / vũ khí ổn định nhỏ gọn, hệ thống truyền động cho tháp và vũ khí, gương để ổn định đường ngắm của xe bọc thép.
Ví dụ, hệ thống truyền động của súng và tháp pháo cho các hệ thống vũ khí lớn bao gồm các động cơ điện dẫn hướng ngang và dọc, hướng súng theo phương vị và độ cao, tương ứng tùy thuộc vào tín hiệu của thiết bị điều khiển chính và dự phòng. Cả hai hệ thống truyền động đều bao gồm động cơ đồng bộ không chổi than định vị tuyệt đối với khe hở giữa bánh răng đầu ra của mỗi động cơ và khu vực có răng của cụm vũ khí.
Hệ thống có khả năng hoạt động với điện áp cung cấp 28 và 610 vôn DC, có thể ném súng vào mỗi máy bay với tốc độ lên tới 60 ° / s hoặc chậm hơn 0,2 mrad / s.
Bộ phận điều khiển truyền động, phù hợp với các tín hiệu đầu vào từ các cảm biến, bộ điều khiển và tầm nhìn hoạt động, chuyển nguồn điện thành một cặp hệ thống ba pha, một cho mỗi tháp pháo và dẫn hướng vũ khí, ổn định và dẫn động động cơ servo.
Theo báo cáo của công ty nghiên cứu IDTechEx năm ngoái, thị trường điện khí hóa phương tiện giao thông toàn cầu sẽ trị giá 300 tỷ USD vào năm 2026. Sự tăng trưởng này, được thúc đẩy bởi sự gia tăng số lượng bộ điều khiển động cơ điện trên mỗi xe (vì hệ thống lái, hệ thống treo và các bộ phận cơ khí, khí nén và thủy lực khác trước đây sẽ thay thế các hệ thống điện), sẽ cung cấp cơ sở công nghệ cho thị trường đại chúng, do đó giảm chi phí của chúng cho các loại xe quân sự.
