Uitstekende mobiliteit in de zwaarste omstandigheden is het belangrijkste kenmerk van alle militaire voertuigen. Het is echter veel moeilijker om dit voor gepantserde voertuigen te bereiken, maar het is uiterst belangrijk om hun taken met succes uit te voeren
Mobiliteit is erg belangrijk voor gepantserde voertuigen, maar concurreert tegelijkertijd met andere kritische kenmerken, zoals bijvoorbeeld het waarborgen van de overlevingskansen van het voertuig en de bemanning. En hier kan deze eis gemakkelijk botsen met de eis om mobiliteit te behouden. Het is echter duidelijk dat soldaten, wier veiligheid afhangt van dergelijke voertuigen, behoefte hebben aan meer off-road doorgankelijkheid, snellere acceleratie en hogere snelheid, allemaal zonder de overlevingskansen negatief te beïnvloeden. Deze eisen drijven de ontwikkeling van nieuwe powerpacks en onderwagensystemen om optimale oplossingen te vinden om aan deze vaak tegenstrijdige eisen te voldoen. Om hieraan te voldoen is echter een combinatie en balans van een aantal ontwerpparameters noodzakelijk. Deze omvatten de kenmerken van het veersysteem, dat rechtstreeks van invloed is op de kwaliteit van de beweging, het steunoppervlak van de rupsbanden of wielen, dat de bodemdruk, de bodemvrijheid van het voertuig en het motorvermogen bepaalt. Het laatste kenmerk wordt beschouwd als het belangrijkste en het moeilijkst te bereiken. Dit komt door het feit dat zelfs bij het genereren en distribueren van motorvermogen, de ontwerper compromissen moet sluiten, soms zelfs op de strot van zijn eigen lied stappen. De toename van het vermogen in een gepantserd voertuig wordt beperkt door factoren als het volume van de motorruimte, de noodzaak om een actieradius te behouden, gewichtsbeperkingen en de noodzaak om te voldoen aan de vermogensvereisten van boordsystemen, bijvoorbeeld communicatieapparatuur, navigatiesystemen, sensoren en actieve en passieve beveiligingssystemen.
Effectieve bescherming tegen de zich ontwikkelende bedreigingen van vandaag is absoluut noodzakelijk, vooral degenen die de hoogste eisen stellen aan de aandrijflijn en het onderstel. Bescherming betekent bijna onvermijdelijk bepantsering, en bepantsering voegt massa toe. Er ontstaat een tegenstelling die ons dwingt tot lastige afwegingen: naarmate het dreigingsniveau stijgt, moet ook het beschermingsniveau omhoog. Een verhoging van het beschermingsniveau vertaalt zich in de regel in een behoefte aan extra bepantsering en extra boeking kan bijdragen aan een toename van de massa van het voertuig. Het handhaven of verbeteren van de rijeigenschappen van een gepantserd voertuig brengt onvermijdelijk een toename van het motorvermogen en de efficiëntie van de transmissie en de daarmee verbonden aandrijfaandrijvingen met zich mee. De massa van een voertuig wordt echter ook bepaald door de grootte: hoe groter het voertuig en het oppervlak dat moet worden gepantserd, hoe zwaarder het wordt. De nieuwe krachtbron (motor met transmissie en aandrijvingen) moet dus niet alleen krachtiger zijn, maar moet minstens passen in het toegewezen volume of, bij voorkeur, een lager totaalvolume hebben. Dit criterium is in de eerste plaats absoluut voor krachtbronnen die zijn ontworpen om bestaande gepantserde voertuigen te moderniseren, maar het is ook zeer wenselijk voor nieuwe platforms.
De algemeen aanvaarde waarde voor het mobiliteitsniveau van een gepantserd voertuig is de zogenaamde vermogensdichtheid, of de verhouding tussen vermogen (meestal in pk's) en de massa van het voertuig. Deze verhouding houdt weliswaar geen rekening met alle mogelijke factoren die de mobiliteit bepalen, maar is een geschikt, zij het grof criterium, en nuttig als ontwerpparameter en als hulpmiddel om verschillende machines te vergelijken. In de regel geldt hoe hoger het specifieke vermogen, bijvoorbeeld in pk. per ton, hoe beter de algehele rijprestaties van de machine. Ondanks het feit dat bij de beoordeling van een voertuig vaak rekening wordt gehouden met de maximale snelheid, kan voor een gevechtsvoertuig de acceleratie of de gasrespons van de motor (het vermogen om snel en soepel over te schakelen van een stabiele werking bij minimaal vermogen naar maximaal vermogen) feitelijk worden veel belangrijker kenmerk. Het vermogen om snel te accelereren en snel in veiligheid te komen als reactie op een aanval, wordt vaak over het hoofd gezien bij de prestaties van voertuigen. Het heeft direct invloed op de overlevingskansen van het voertuig en zijn bemanning. Het beschikbare vermogen draagt dus niet alleen bij aan een grotere mobiliteit, maar ook aan de overlevingskansen, vooral wanneer het wordt gebruikt in combinatie met zelfverdedigingsmaatregelen, waaronder sensoren voor het detecteren van een schot en laserstraling, evenals passieve en actieve tegenmaatregelen.
Kracht in het klein
Ondanks individuele gevallen van het gebruik van gasturbinemotoren, zoals in de General Dynamics M1 Abrams Main Battle Tanks (MBT)-familie, blijft de meest populaire motor voor gepantserde voertuigen een dieselmotor of, meer precies, een multi-fuel dieselmotor. Een van de leiders in de productie van krachtbronnen is het Duitse bedrijf MTU. De geïntegreerde benadering is dat in een enkele "power unit" niet alleen de motor, transmissie en aandrijfaandrijvingen zijn opgenomen, maar ook de subsystemen van luchttoevoer en de filtratie, koeling, stroomopwekking en andere. Elk van de componenten van de power unit is zorgvuldig ontworpen en geassembleerd om de meest compacte en efficiënte oplossing te verkrijgen. MTU erkent dat voor een ontwerper en integrator van gevechtsvoertuigen de vermogen-tot-volumeverhouding van cruciaal belang is. Giovanni Spadaro, hoofd SOE's bij MTU, legde uit dat voor hen "de integratie van alle componenten in een enkel systeem erg belangrijk is, we zijn onvermoeibaar onze filosofie van symbiotische ontwikkeling van alle delen van de ontwikkelde oplossing aan het ontwikkelen. Voor ons betekent dit dat letterlijk alles, architectuur, concept, software en alle parameters, gericht is op het verbeteren van de eigenschappen van de uiteindelijke complete power unit.” De impact van deze aanpak op het uiteindelijke platform is enorm, gezien de nauwe samenwerking met grote toonaangevende fabrikanten van militaire voertuigen zoals Krause-Mafei Wegmann (KMW), Nexter, BAE Systems en General Dynamics. Een woordvoerder van General Dynamics Land Systems legde uit: "Wat betreft de krachtbron, meer vermogen is beter, kleiner formaat is beter, goedkoper is over het algemeen uitstekend, maar met de verplichte verhoging van de niveaus van veiligheid, betrouwbaarheid, stilte en onderhoudbaarheid."
MTU heeft aangetoond dat de aanpassing en modificatie voor militaire doeleinden van commerciële krachtbronnen geschikt is voor lichte en middelzware pantservoertuigen, bijvoorbeeld het ARTEC Boxer vierassige gevechtspantservoertuig, dat is uitgerust met een MTU 8V199 TE20-dieselmotor. Voor zwaardere gepantserde voertuigen en tanks zijn echter eigen motoren nodig, zoals bijvoorbeeld de 880- en 890-serie motoren, speciaal ontworpen voor installatie in zware militaire platforms. De capaciteiten van moderne krachtbronnen worden gedemonstreerd in het Puma-gevechtsvoertuig voor infanterie op rupsbanden. Spadaro zei dat "de MTU-krachtbron voor de Puma de versnellingsbak, starter / generator en koel- en luchtzuiveringssystemen omvat. De dieselmotor MTU 10V 890 staat bekend om zijn zeer hoge vermogensdichtheid en compacte afmetingen. Vergeleken met andere militaire motoren van dezelfde vermogensklasse zijn gewicht en volume met ongeveer 60 procent verminderd.” De directeur van Specialty Engines bij MTU merkte op dat "deze eenheid compacter is dan alle voorgaande aandrijfeenheden." De voordelen van MTU-motoren zijn vooral duidelijk bij het installeren van power units in eerdere generaties machines. Zijn motoren uit de EuroPowerPack-reeks werden gebruikt door het Franse bedrijf GIAT (nu Nexter) om de motoren van Leclerc-EAU-tanks voor de Verenigde Arabische Emiraten te vervangen. Motoren van deze familie zijn ook geïnstalleerd op de Challenger-2E MBT, terwijl er aanzienlijke volumebesparingen werden gerealiseerd terwijl de actieradius werd vergroot dankzij een lager brandstofverbruik.
Caterpillar staat bekend om zijn zware bouwmachines en is uitgegroeid tot een vooraanstaande leverancier van motoren voor tactische en gepantserde voertuigen. Het aanbod aan het leger is gebaseerd op kant-en-klare commerciële systemen die over de hele wereld worden gebruikt. Vandaar de aanzienlijke voordelen - lagere kosten in verband met productievolumes en de beschikbaarheid van technische ondersteuning. Desalniettemin staan de ontwikkelingen van het bedrijf bekend om militair gebruik, bijvoorbeeld de C9.3-motor met een verhoogd specifiek vermogen van 600 pk. De echte innovatie is echter dat de C9.3 in staat is om zijn vermogen te variëren. Om aan de strenge Europese Euro-III-emissie-eisen te voldoen, schakelt hij over naar een modus die is teruggebracht tot 525 pk. stroom. Caterpillar merkt op: “Het voordeel is dat de gebruiker de bedrijfsmodus kan kiezen. Het is mogelijk om maximale prestaties te behalen tijdens actieve operaties in het veld, maar tijdens trainingen of bij het werken in gebieden met een burgerbevolking, kun je in de emissiebeheersingsmodus gaan." In feite is deze "switch" geworteld in technologieën die Caterpillar heeft ontwikkeld voor commerciële systemen.
Het bedrijf wordt steevast gekozen voor programma's voor vervanging en modernisering van bestaande gepantserde wagenparken. De CV8-motor is bijvoorbeeld momenteel geïnstalleerd op de gevechtsvoertuigen van de British Army Warrior-rupsbandinfanterie. Dit werk wordt uitgevoerd onder een contract met Lockheed Martin om het voertuig te upgraden naar de WCSP-standaard (Warrior Capability Sustainment Program), waardoor de werking van de voertuigen tot 2040 wordt verlengd. Caterpillar verandert ook de motor van de Stryker-familie van gepantserde voertuigen van het Amerikaanse leger met een vermogen van 350 pk. voor de C9-motor met een vermogen van 450 pk. De nieuwe motor "past" in het volume van de vorige motor. De vervanging maakt deel uit van het voorstel van General Dynamics voor een technische wijziging van de ECP-1, die een dynamo van 910 ampère, upgrades van de ophanging en andere verbeteringen omvat.
Elektrische aandrijvingen
Traditioneel wordt het vermogen van de motor mechanisch overgebracht naar de wielen of rupsbanden. Elektrische aandrijvingen vervangen deze fysieke verbinding door elektromotoren die zijn ondergebracht in aandrijfwielen of tandwielen. De energie om deze elektromotoren te laten werken, kan worden gehaald uit batterijen, een verbrandingsmotor of beide. De "hybride" benadering maakt gebruik van een diesel- of een gasturbinemotor die, zonder mechanische verbindingen, nu overal in het chassis kan worden geïnstalleerd, waardoor ontwerpers meer ontwerpvrijheid hebben. Het is ook mogelijk om twee motoren te installeren, die door BAE Systems zijn geïmplementeerd in haar mobiele testfaciliteit HED (Hybrid Electric Drive). BAE Systems-woordvoerder Deepak Bazaz merkte op dat twee HED-motoren zijn aangesloten op generatoren en batterijen, waardoor deze in verschillende modi kan werken: één motor werkt in de stationaire modus, waardoor brandstof wordt bespaard, twee motoren werken wanneer er meer vermogen nodig is, of in stille observatiemodus werkt alleen op oplaadbare batterijen. Het HED-concept is geïmplementeerd op het AMPV-platform (Armored Multipurpose Vehicle) met rupsen, maar het is de bedoeling dat het schaalbaar is en kan worden gebruikt op voertuigen van elke gewichtscategorie, zowel op wielen als op rupsbanden. De experimentele krachtcentrale HED werd door BAE Systems aangepast voor een hybride concept door Northrop Grumman als onderdeel van zijn voorstel voor een grondgevechtsvoertuig van het Amerikaanse leger GCV (Ground Combat Vehicle).
In een paper van de NATO Technology Research Organization: "Hybride elektrische voertuigen zijn superieur in snelheid, acceleratie, klimvermogen en stilheid vergeleken met elektrisch aangedreven voertuigen… terwijl de brandstofbesparing kan oplopen van 20 tot 30 procent." De elektromotoren zorgen ook voor een bijna onmiddellijke acceleratie, een goede gasrespons en een betere tractie. Dit laatste is direct afhankelijk van het verbeterde koppel dat inherent is aan elektromotoren. Voor gevechtsvoertuigen betekent dit verschillende voordelen: minder reactietijd bij het verplaatsen naar dekking, moeilijker om binnen te komen en betere crosscountry-vaardigheid. De HED-eenheid wordt aangedreven door twee zescilindermotoren, een speciaal ontworpen QinetiQ-transmissie en 600 volt lithium-ionbatterijen.
Een ander aantrekkelijk aspect van de elektrische aandrijving is het vermogen om efficiëntere en hogere niveaus van elektrische energie op te wekken. De energiecentrale van het Northrop Grumman / BAE Systems GCV-platform zal 1.100 kilowatt kunnen leveren, hoewel deze aanzienlijk kleiner en lichter is dan traditionele krachtbronnen. Aangezien energieopslag een belangrijk onderdeel is van de hybride elektrische aandrijving, wordt de mismatch van de batterij echter een groot probleem. Daarom worden momenteel verschillende soorten geavanceerde batterijen met een hogere energiedichtheid overwogen voor hybride voertuigen, waaronder lithiumionen, nikkelmetaalhydride, nikkelnatriumchloride en lithiumpolymeer. Ze bevinden zich echter allemaal nog in de ontwikkelingsfase van de technologie en hebben bepaalde nadelen die moeten worden opgelost voordat ze worden erkend als geschikt voor gebruik in militaire toepassingen. Een ander werkgebied dat moet worden ontwikkeld zodat hybride aandrijvingen massaal op gepantserde voertuigen kunnen worden geïnstalleerd, is het wegnemen van de ontwerpbeperkingen van moderne tractiemotoren. Hoewel ze met succes zijn geïntegreerd in demonstratieprototypes van het HED-type, hebben deze systemen beperkingen in grootte, gewicht en koeling. Totdat deze problemen zijn opgelost, zullen alle elektrische circuits, ondanks hun voordelen, een illusie blijven voor gepantserde voertuigen.
Veel onderzoeksorganisaties blijven echter geïnteresseerd in het concept van elektrische aandrijving. Op basis van contracten van het Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) zal QinetiQ bijvoorbeeld zijn concept van naafmotoren (motorreductoren) testen door ze in te stellen voor proefmodellen. Talrijke versnellingsbakken, differentiëlen en aandrijfmotoren zullen de krachtige compacte elektromotoren in de wielen van de machine vervangen. Mogelijk is dit concept ook toepasbaar op bestaande gepantserde wielvoertuigen. In juni 2017 tekende BAE Systems zelfs een overeenkomst met QinetiQ om nieuwe elektrische aandrijftechnologie in gevechtsvoertuigen te introduceren. Een vertegenwoordiger van het bedrijf BAE Systems zei dat dit "klanten een bewezen goedkope technologie zal bieden die de mogelijkheden van huidige en toekomstige gevechtsvoertuigen zal verbeteren."
Toekomstige uitdagingen van macht
In het afgelopen decennium zijn de behoeften van gevechtsvoertuigen voor elektrische stroom verschillende keren toegenomen. Mark Signorelli, hoofd gevechtsvoertuigen bij BAE Systems, merkte op dat "het in de toekomst steeds moeilijker zal worden voor gepantserde voertuigen om aan de elektriciteitsbehoeften te voldoen." Er worden pogingen ondernomen om dit groeiende probleem aan te pakken. Voor de M2 Bradley-familie wordt bijvoorbeeld gedacht aan een CE Niehof-generator van 300 ampère en twee generatoren van 150 ampère voor het nieuwe AMPV-platform. De heer Spadaro van MTU verklaarde dat "de belangrijkste factoren die de ontwikkeling van oplossingen voor het genereren van meer vermogen hebben beïnvloed en beïnvloeden, de voortdurend groeiende massa van MBT- en wielvoertuigen zijn (voornamelijk als gevolg van eisen voor hogere beschermingsniveaus) en op tegelijkertijd de behoefte aan meer elektriciteit voor systemen aan boord van elk type, of het nu gaat om elektronica, beveiligingssystemen en comfort voor de bemanning, bijvoorbeeld een geavanceerd airconditioningsysteem. MTU is van mening dat “ze worden aangepakt door de diepere integratie van de elektrische componenten in de power unit. Een goed voorbeeld hier is weer de bovengenoemde power unit MTU van het Puma pantservoertuig, die onder meer een starter/generator met een nominaal vermogen van 170 kW, die stroom levert aan twee koelventilatoren, en een airco-koelcompressor bevat."
De kracht van gepantserde voertuigen heeft een directe invloed op de gevechtscapaciteiten en overlevingskansen. De belangrijkste criteria om te overleven op het slagveld zijn als volgt: "neem alle maatregelen om niet opgemerkt te worden, indien gezien, niet geraakt te worden, als je geraakt wordt, niet gedood te worden." De eerste wordt vergemakkelijkt door de mogelijkheid om naar een plek te gaan waar de tegenstander je niet verwacht. De tweede vereist snelle acceleratie en goede manoeuvreerbaarheid om dekking te vinden en wordt bemoeilijkt door het vermogen van de vijandelijke schutter om het doelwit effectief te vangen om te doden. En de derde wordt bepaald door het vermogen om passende passieve bescherming te nemen en passieve en actieve tegenmaatregelen te nemen. Elk van deze criteria kan echter andere nadelig beïnvloeden. Extra bepantsering verhoogt bijvoorbeeld de massa en daarmee de mobiliteit.
Vooruitgang op het gebied van krachtcentrales voor gepantserde voertuigen, nieuwe motoren, transmissies en aandrijvingen, innovatieve methoden van integratie en lay-out stellen ontwikkelaars van militair materieel in staat om aan de meest gedurfde wensen van klanten te voldoen. Veel van de verbeteringen die we op militaire platforms zien, zijn rechtstreeks afkomstig uit commerciële projecten: motoren en boordcomputers, digitale elektronische besturing, automatische bewaking van de staat van systemen, elektrische aandrijvingen en energieopslag, en tot slot praktische implementaties van hybride oplossingen. Uitdagingen voor dit delicate evenwicht dwingen de industrie echter om steeds meer innovatieve oplossingen te ontwikkelen.
