Het militaire materieel dat is gemaakt op basis van de concepten van de vorige eeuw heeft de drempel bereikt, waarboven gigantische inspanningen en kosten een onvoldoende laag resultaat opleveren. Een van de redenen is een forse toename van het energieverbruik van nieuwe AME-faciliteiten. Is er een uitweg uit de impasse?
Er is vraag naar verschillende soorten energie (mechanisch, thermisch, elektrisch, enz.) in alle stadia van het gevechtsgebruik: verkenning, informatieoverdracht, verwerking, gebruik van wapens, bescherming tegen de vijand, manoeuvre, enz. Momenteel wordt de opwekking uitgevoerd vooraf, en energie geleverd door MTO-diensten. Maar de volumes en snelheden die de troepen nodig hebben, beginnen een zelfvoorzienend doel en probleem te worden.
In de voetsporen van Tesla
De situatie wordt verergerd door de opkomst van nieuwe soorten AME (elektromagnetische wapens, gerichte energiewapens). Het wordt steeds duidelijker dat de ontwikkeling van het wapensysteem een verandering in de concepten van energievoorziening vereist. Anders is het onmogelijk om het potentieel van nieuwe ontwerpen te realiseren.
Deze trend is opmerkelijk. Enerzijds is er een actieve ontwikkeling van volledig elektrisch en hybride militair materieel gaande. Anderzijds ontstaan er zonder kosten of met verminderde kosten van aan de troepen geleverde energiedragers (zonnepanelen, windturbines, nieuwe soorten brandstof) opwekkingssystemen en middelen. Tegelijkertijd wordt er (vooral actief in de VS en Japan) fundamenteel onderzoek gedaan naar draadloze overdracht van energie over lange afstanden, wat het meest aantrekkelijk lijkt. Het idee is dat een krachtige bron (kerncentrale, waterkrachtcentrale, etc.) de ontvangstinrichtingen van de wapens en militaire uitrusting via het lucht(ruimte)kanaal voedt. De introductie van een dergelijk schema zou de noodzaak om enorme hoeveelheden energie (brandstof) aan de troepen te leveren bijna volledig elimineren, waardoor hun gevechtsgereedheid en gevechtseffectiviteit radicaal zouden toenemen.
De mogelijkheid om energie over een afstand over te dragen zonder draden werd voor het eerst bewezen en gedemonstreerd door experiment in Colorado Springs in 1899-1900 door Nikola Tesla. De elektrische impuls werd 40 kilometer doorgegeven. Het is echter tot nu toe niet mogelijk geweest om een dergelijk experiment te herhalen.
In 1968 stelde de Amerikaanse ruimteonderzoeker Peter Glazer voor om grote zonnepanelen in een geostationaire baan om de aarde te plaatsen en de energie die ze genereren (5-10 GW) naar de aarde te sturen door een gefocusseerde microgolfstraal, omgezet in gelijkstroom of wisselstroom en gedistribueerd naar consumenten … …
Het huidige ontwikkelingsniveau van microgolfelektronica maakt het mogelijk om te spreken van een vrij hoge efficiëntie van energieoverdracht door een dergelijke straal - 70-75 procent. Maar dit is nog vrij moeilijk te implementeren. Het volstaat te zeggen dat de diameter van de zendantenne gelijk moet zijn aan een kilometer, en dat de grondontvanger 10x13 kilometer groot moet zijn voor een gebied op een breedte van 35 graden. Daarom werd het project vergeten, maar onlangs, rekening houdend met de nieuwste technologische ontwikkelingen, is het onderzoek hervat. Er wordt geëxperimenteerd met draadloze overdracht van energie met behulp van een laser.
Maar onze roadtrain…
Hoewel de vooruitgang niet zo belangrijk is met de ontwikkeling van nieuwe methoden voor opwekking en krachtoverbrenging, zijn ze op het gebied van het maken van volledig elektrische objecten indrukwekkend. Het kan niet gezegd worden dat het idee van militaire (en niet alleen) technologie op deze basis absoluut nieuw is. Het werd economisch en technisch aantrekkelijk gemaakt door vooruitgang in de opwekking, opslag, transformatie en distributie van elektriciteit, in high-power solid-state elektronica, automatisering en controle. Volledig elektrische installaties hebben minder lawaai, een hoger rendement, de mogelijkheid van een rationele verdeling van de stroom tussen de verbruikers, een hoge milieuvriendelijkheid en andere eigenschappen die ze zeer aantrekkelijk maken op zowel civiel als militair gebied.
De eerste machines met elektrische aandrijving dateren uit het begin van de vorige eeuw, toen het Amerikaanse bedrijf LeTourneau een elektrische aandrijving begon te gebruiken op zelfrijdende schrapers. En sinds 1954 worden unieke superzware terreinvoertuigen, sneeuwscooters, militaire transporters-evacuators en meerdelige roadtrains geproduceerd, uitgerust met alle voorste wielpropellers aangedreven door een generator die op het hoofdtrekkervoertuig (leider) is geïnstalleerd. Voor het eerst in de wereldpraktijk begonnen ze krachtige compacte elektromotoren te gebruiken die direct in de wielnaven van een auto waren gemonteerd.
De eerste Sovjet-actieve tweedelige wegtrein met een vereenvoudigde elektrische aandrijving van de aanhangwagenwielen werd in 1959 ontwikkeld. Maar het was niet mogelijk om volledige coördinatie van het werk van alle aandrijfwielen met energiebronnen te bereiken. Verdere ontwikkelingen van andere binnenlandse ondernemingen leidden ook niet tot het verwachte succes. Het struikelblok was het probleem van de automatisering van de besturing van machines met elektrische transmissie: rationele verdeling van energiestromen tussen knooppunten, minimaal brandstofverbruik van de primaire verbrandingsmotor, optimale temperatuuromstandigheden met maximale efficiëntie, enz. Noch de rekenkracht van de computers van die tijd, noch de bijbehorende software was voldoende.
De situatie is de afgelopen jaren radicaal veranderd en het idee van volledig elektrische wapens en militair materieel is teruggekeerd naar een nieuw kwalitatief niveau. De opkomst van onbemande voertuigen wekte de belangstelling nog meer. Elektrische transmissie maakt het gemakkelijker om volledig geautomatiseerde gevechtsdoelen te creëren die worden bestuurd door radio of door middel van een programmeerbaar apparaat.
Onder de zon zeilen
De meest urgente implementatie van het concept van een volledig elektrische faciliteit moet worden erkend in de maritieme technologie. Er zijn verschillende redenen:
grote lengte van krachtoverbrengingen (transmissies) voor verschillende doeleinden, een groot aantal aandrijvingen en energieomzetters van verschillende typen: mechanisch, thermisch, hydraulisch en elektrisch;
een aanzienlijk aantal energieverbruikers: aandrijvingen van schroefassen, artillerie- en raketwerpers, radarstations en elektronische oorlogsvoeringsystemen, andere mechanismen;
de opkomst van wapensystemen die een hoog energieverbruik vereisen (wapens met gerichte energie en militaire uitrusting, elektromagnetische wapens, enz.).
De basis van volledig elektrische schepen is een enkel (geïntegreerd) stroomsysteem, inclusief hoogspanningsopwekkings- en distributiefaciliteiten, compacte modules voor de accumulatie en conversie, geautomatiseerde controlesystemen met energieverbruik in verschillende bedrijfsmodi (volle snelheid, gevechtsgebruik van wapens, manoeuvreren, enz.). De meest illustratieve ervaring is het Amerikaanse programma DDG 1000 en de vernietiger Zumvolt die daarop is gebouwd (https://vpk-news.ru/articles/17993). Helaas richtten veel binnenlandse media zich op de technische en technologische tekortkomingen van dit project, waardoor de aandacht van de lezers ver verwijderd werd van de betekenis van de ontwikkeling van het schip en het idee zelfs enigszins in diskrediet bracht.
DDG 1000 is een knooppunt van de nieuwste prestaties van de Amerikaanse wetenschap en technologie op het gebied van wapencomplexen en -systemen. Maar ze zijn allemaal geïntegreerd in het schip door een goed begrip van de karakteristieke kenmerken van de operatie, plaats en rol, rekening houdend met de mogelijkheden van de torpedojagerenergie (Integrated Power System - IPS). Het zorgt voor de bevoorrading van alle systemen en units, bewaakt en regelt hun werking. De overgang naar volledig elektrische voortstuwing maakte het mogelijk om aanzienlijke hoeveelheden interne ruimte vrij te maken voor het plaatsen van munitie, om comfortabele omstandigheden voor de bemanning te creëren. Stoom-, pneumatische en hydraulische aandrijvingen van alle mechanismen worden volledig vervangen door elektrische. Het totale vermogen van het voedingssysteem - ongeveer 80 MW - is voldoende voor de installatie van geavanceerde wapens (laser, magnetron, elektromagnetische wapens) zonder noemenswaardige schade aan de prestaties van andere consumenten.
Het schip heeft een lage radarsignatuur. Het effectieve dissipatiegebied (EPR) is bijna 50 keer kleiner dan dat van de vorige generatie destroyers. Onzichtbaar!
De besturing wordt uitgevoerd via een Total Ship Computing Environment (TSCE) met gemeenschappelijke software en een "commerciële" interface, die onder andere zorgt voor onderhoudsgemak en opleiding van de bemanning. De bovenbouw van de torpedobootjagers van de Zumvolt-klasse is gemaakt van composietmaterialen.
Het is de bedoeling om propellermotoren te installeren met behulp van het effect van supergeleiding bij hoge temperaturen en elektromagnetische kanonnen op de derde romp van een dergelijke torpedojager. Om de railgun te kunnen gebruiken, moet het schip een vermogen van 10 tot 25 MW opwekken, wat al is bereikt.
Je kunt doorgaan met het opsommen van de innovaties die op dit schip zijn toegepast of gepland, maar de Amerikanen hebben al een offshore-platform van de volgende generatie, dat geen enkel ander land bezit. Tot nu toe heeft alleen het Franse scheepsbouwbedrijf DCNS plannen aangekondigd om tegen 2025 een volledig elektrisch gevechtsschip Advansea te bouwen.
Met betrekking tot onderzeese technologie was hybride of volledig elektrische stroomvoorziening oorspronkelijk een voorwaarde voor het ontwerp, dus het heeft geen zin om innovaties op dit gebied in detail te bespreken.
In de civiele scheepsbouw worden ook modellen ontwikkeld die het kunnen doen met de energie van de zon. Er zijn drie concepten geïmplementeerd: het zeil met daarop geplaatste zonnebatterijen zorgt voor de voortstuwing en stroomvoorziening, ze worden ook op de romp geplaatst voor beweging en extractie van waterstof uit het water, de opgewekte energie wordt gebruikt om de elektromotoren van de schroefas aan te drijven en laad de batterijen op.
Het cruiseschip Suntech VIP van het Australische scheepsbouwbedrijf Solar Sailor is in 2010 gebouwd volgens het eerste concept. Op de tweede - de Energy Observer-catamaran, die zich momenteel voorbereidt om de wereld rond te reizen. De derde is de Duitse Planet Solar Turanor, gelanceerd in 2010 en omzeild in 2012. De volledig elektrische onbemande Amerikaanse boot Solar Voyager (5,5 meter lang en 0,76 breed) met zonnepanelen is in juni 2016 te water gelaten en getest. Ze werken aan soortgelijke projecten in Japan, Nederland, Italië en andere landen. Dit is nog exotisch, maar zal na verloop van tijd toepassing vinden in de militaire scheepsbouw.
Timide "spruit"
Een ander type militair materieel dat het meest aantrekkelijk is voor de implementatie van het concept van een volledig elektrische faciliteit en waarbij een aanzienlijk aantal innovatieve producten moet worden geïntroduceerd, is vliegtuigen. Op militair gebied is het nog correcter om over UAV's te praten.
Tot nu toe zijn bemande volledig elektrische voertuigen ontwikkeld als demonstranten van geavanceerde technologie. In 2012 vestigde Long-ESA een snelheidsrecord voor elektrische vliegtuigen en versnelde tijdens de test tot 326 kilometer per uur. De Swiss Solar-Impulse kan voor onbepaalde tijd vanaf de zon vliegen (met batterijen als stroombron). In 2015-2016 voerde het (met landingen) een vlucht rond de wereld uit. Het enige vliegtuig dat tot nu toe voor praktische doeleinden wordt gebruikt, is de Airbus E-Fan voor tweezitstrainingen. Het Duitse bedrijf Lilium Aviation heeft de volledig elektrische tiltrotor Lilium Jet ontwikkeld. Vliegtesten vonden plaats in een onbemande uitvoering.
Al deze apparaten (in relatie tot het militaire veld) kunnen vanwege hun lage geluidsniveau worden beschouwd als prototypes van verkenningsapparaten, maar meer ook niet. De grootste moeilijkheid bij het maken van bemande elektrische vliegtuigen is de onvoldoende capaciteit van de batterijen en de sterk toenemende eisen aan laadvermogen door de aanwezigheid van een persoon aan boord. Sommige luchtvaartbedrijven werken echter al aan hybride vliegtuigprojecten. Dit wordt met name gedaan door EADS samen met Rolls-Royce. De verklaarde doelen zijn het verminderen van de hoeveelheid brandstof die wordt verbruikt, het verminderen van schadelijke emissies naar het milieu en het verminderen van geluid.
Wat drones betreft, er zijn er nogal wat volledig elektrische, zowel in het buitenland als in ons land gemaakt (zij het op geïmporteerde componenten), en zowel vliegtuig- als helikopterschema's. De eerste wereldrecords werden gevestigd: de op zonne-energie aangedreven QinetiQ-Zephyr bleef in 2010 twee weken in de lucht.
Toepassing op militair gebied heeft brede perspectieven: monitoring, verkennings- en stakingsacties, doelaanduiding, enz. In het algemeen omvat de creatie van dergelijke vliegtuigen de oplossing van veel innovatieve problemen, waaronder de ontwikkeling van zeer sterke composietmaterialen, ultragrote batterijen, kleine elektrische motoren met een hoog rendement, automatische systemen.
Wat betreft militaire uitrusting op de grond, hier is het spectrum van hybride (een combinatie van een verbrandingsmotor, een elektrische generator, apparaten voor energieopslag, volledig elektrische aandrijvingen) en volledig elektrische ontwikkelingen vrij breed, en binnenlandse ontwerpers hebben ook enig succes.
Maar net als in de vorige gevallen rijst de vraag: wat zijn de voordelen? De elektrische transmissie maakt het mogelijk om de voortstuwingsmodi (wielen of rupsen) te optimaliseren, de rijsnelheid en trekkracht in een breed bereik traploos aan te passen en te zorgen voor effectieve antiblokkeer- en tractiecontrolesystemen. Dit maakt het mogelijk om de vereisten voor de kwalificaties en psychofysische toestand van chauffeurs te verminderen en tegelijkertijd de basisindicatoren van mobiliteit te vergroten.
Elektrische transmissies hebben hoge kenmerken van betrouwbaarheid, maakbaarheid, bediening en reparatie, controlemogelijkheden. Vermindert geluid, verhoogt de milieuvriendelijkheid. Mogelijkheid tot stroomvoorziening van wapens en uitrusting met een hoog stroomverbruik van radarstations en elektronische oorlogsvoeringsystemen, elektrothermochemische of EMP-kanonnen, enz. is veelbelovend.
Een van de taken is het creëren van krachtige kleine tractiemotoren. Het grootste succes hierin is behaald in de VS en Duitsland, waar ze worden gemaakt op basis van permanente magneten met zeldzame aardelementen (samarium, kobalt, etc.) met een hoge mate van magnetisme. Dit maakte het mogelijk om het volume en het gewicht van elektrische machines aanzienlijk te verminderen en de controle te vergemakkelijken.
In Rusland werd een gevechtsvoertuig op wielen met een hybride krachtcentrale en een elektrische transmissie op basis van de BTR-90 Rostok gecreëerd als resultaat van het Krymsk-onderzoeksproject. Zoals gemeld, liet een experimenteel model van een hybride gepantserde personeelsdrager op zeeproeven met een motorvermogen dat bijna anderhalf keer minder is dan dat van het prototype, significant betere resultaten zien. Het brandstofbereik is anderhalf keer zo groot als dat van de BTR-90.
Wat betreft onbemande (op afstand bestuurde en gerobotiseerde) volledig elektrische objecten, is er in het buitenland en in ons land een enorm scala aan monsters van grondwapens en -uitrusting gemaakt. Hun ontwikkeling verloopt in een versneld tempo, als gevolg van de behoeften van de troepen die de vijandelijkheden voeren in Afghanistan, Irak, Syrië en andere regio's, evenals interne behoeften. We hebben dit om de activiteiten van het ministerie van Binnenlandse Zaken, de FSB, de Nationale Garde, het ministerie van Noodsituaties en andere afdelingen te waarborgen.
Het concept van volledig elektrische of hybride AME-faciliteiten wordt geïmplementeerd in alle geavanceerde landen van de wereld. De meest systematische en praktische - in de VS, Duitsland, Frankrijk, Groot-Brittannië. Er is een wetenschappelijke en technische basis voor de ontwikkeling en productie van een breed scala aan producten, die in de nabije toekomst de basis zullen vormen van een wapensysteem gebouwd op volledig elektrische machines. Het zal zorgen voor een effectief, alomvattend gebruik van wapens op basis van nieuwe fysieke principes.
Het ontwerp van volledig elektrische objecten van militair materieel is geen bepaald eerbetoon aan de mode. Dit is een van de belangrijkste richtingen voor de vorming van het wapensysteem van de toekomst. De opkomst van nieuwe methoden om energie op te wekken, over te dragen en te verbruiken, en deze te gebruiken om de vijand te verslaan, zal de capaciteiten van troepen, de aard en inhoud van het proces van hun logistieke en logistieke ondersteuning aanzienlijk veranderen. Het is zorgwekkend dat er in ons land en de krijgsmacht nog steeds geen systematische aanpak is om de lijst, inhoud en resultaten van dit soort werk vast te stellen.
