Het toenemende energieverbruik van voertuigsystemen aan boord geeft nieuwe technologieën een kans om de kans te grijpen om het vermogen en de mobiliteit van militaire voertuigen in de toekomst radicaal te veranderen
Aangezien de volgende generatie van het Amerikaanse leger waarschijnlijk een hybride energiecentrale zal hebben, heeft de industrie een grootschalig programma nodig om haar energietechnologieën, die ze al heeft ontwikkeld (samen met de onvermijdelijke aanpassingen), in de grootste deel van gevechtsvoertuigen. Een vlieg in de zalf in dit vat honing is echter dat het leger volgens de huidige plannen dergelijke voertuigen rond 2035 wil adopteren. Grote beslissingen over de configuratie ervan zullen hoogstwaarschijnlijk niet vóór 2025 worden genomen, tenzij de bijbehorende programma's worden versneld naar het presidentschap van Trump.
Grote behoeften zijn een uitstekende stimulans voor de ontwikkeling van nieuwe technologieën, die op hun beurt oplossingen kunnen bieden om aan deze behoeften te voldoen. Zo wordt de groeiende vraag naar elektrische energie op het slagveld gecombineerd met de noodzaak om de logistieke lasten die samenhangen met de brandstofvoorziening te verminderen en de off-road capaciteit van gevechtstroepen en gevechtsondersteunende troepen te vergroten. Dit alles is overtuigend bewijs voor een wijdverbreide toepassing van hulpaggregaten, intelligente motorbedieningen en hybride elektrische aandrijving en als gevolg daarvan een sterke toename van het vermogen dat wordt gegenereerd voor externe verbruikers.
Overwin traagheid
Met uitgebreide ervaring in de productie van hybride voertuigtechnologiedemonstraties voor verschillende militaire structuren en in de productie van hybride bussen voor de civiele sector, is BAE Systems goed gepositioneerd om precies te beoordelen waar deze technologie vandaag staat en wat de vooruitzichten zijn. Hetzelfde geldt voor DRS Technologies, dat ook aan veel demonstratieprojecten heeft deelgenomen. Tom Weaver, commercieel directeur bij DRS Network Computing and Test Solutions, zei dat de markt nog steeds in opkomst is en dat de voordelen van elektrische voertuigen de traagheid van traditionele voertuigen nog moeten overwinnen. Een dergelijke traagheid heeft een negatieve invloed op de voortgang van machines die in staat zijn om de benodigde stroom voor externe consumenten te genereren, ondanks de behoeften die de afgelopen tien jaar "met ten minste 100%" zijn toegenomen.
“DRS werkt samen met verschillende klanten om machines met geïntegreerde nieuwe technologieën te demonstreren in verschillende prestatietests. Succesvolle demonstraties en positieve gebruikersrecensies leidden niet tot de inzet van dergelijke voertuigen in de troepen, bovendien waren de vereisten daarvoor niet eens ontwikkeld. Maar de vraag zal niettemin blijven groeien, vooral naar expeditieoperaties en gespecialiseerde voertuigen zoals gerichte energiewapensystemen.”
DRS biedt nu een boordvoedingssysteem voor Medium Tactical Vehicle (MTV) en HMMWV-apparatuur in de vorm van een in samenwerking met Allison ontwikkelde Transmission Integral Generator. Dit systeem, bijvoorbeeld geïnstalleerd op een MTV-truck, genereert een vermogen tot 125 kW voor systemen aan boord of voor externe systemen. Het bedrijf produceert ook andere energiebeheersystemen voor verschillende voertuigen. Chief engineer Andrew Rosenfield van BAE Systems, dat zich ook met dergelijke systemen bezighoudt, acht het onwaarschijnlijk dat puur elektrische voertuigen een grote rol gaan spelen in grondgevechten, vooral vanwege problemen met het opladen van batterijen.
"Hoewel de aandrijflijntechnologie voor volledig elektrische werking goed ingeburgerd is, kan het tankprobleem voorkomen dat puur elektrische voertuigen in gebruik worden genomen", vervolgde hij. "Diesel is immers overal ter wereld verkrijgbaar, terwijl het vinden van een oplaadstation voor batterijen in de woestijn erg moeilijk is, maar zelfs als je er een vindt, is acht uur wachten tot ze volledig zijn opgeladen waarschijnlijk niet haalbaar."
Weaver was het ermee eens dat hybride auto's waarschijnlijk de overhand zullen hebben, en noemde ook de beperkingen van de schone oplaadinfrastructuur voor elektrische auto's en de alomtegenwoordigheid van diesel en JP8 vliegtuigbrandstof. Rosenfield benadrukte echter dat puur elektrische voertuigen een grote rol zouden kunnen spelen op militaire bases, omdat ze goederen kunnen vervoeren, zoals dat in moderne fabrieken of op luchthavens het geval is (vliegveldtrekkers). "Brandstofcelmachines zouden dergelijke taken hoogstwaarschijnlijk kunnen uitvoeren, omdat ze vrije toegang tot waterstofreserves nodig hebben", zei hij.
Weaver is van mening dat brandstofcelvoertuigen een moeilijke weg te gaan hebben. “Ten eerste is er nog geen waterstofgasinfrastructuur en zal er een zeker wantrouwen zijn in de inzet van de nieuwe brandstof. Het pad van dergelijke voertuigen zal beginnen met goed georganiseerde expeditieoperaties."
Hybride ontwerpen zijn ook geavanceerder dan puur elektrische ontwerpen en hebben verschillende kenmerken die ze aantrekkelijker maken dan puur elektrische en conventionele aangedreven machines. “Ten eerste gebruiken hybride elektrische platforms dezelfde brandstof als traditionele dieselvoertuigen. Ten tweede is het koppel bij lage toerentallen ideaal voor een machine die over ruw terrein rijdt of een zeer steile helling beklimt."
Hij voegde eraan toe dat het vermogen om grote hoeveelheden elektriciteit aan boord op te wekken steeds belangrijker wordt naarmate nieuwe mogelijkheden, zoals communicatie- en wapensystemen die krachtige lasers gebruiken, worden ingezet. De mogelijkheid om deze energie te exporteren is ook een enorm voordeel, aangezien deze machines bevolkte gebieden en ziekenhuizen van stroom kunnen voorzien waarvan de eigen elektriciteitssystemen zijn beschadigd door gevechtsschade of natuurrampen.
"Ten slotte maken de lagere bedrijfs- en onderhoudskosten die gepaard gaan met aanzienlijke brandstofbesparingen en grotere betrouwbaarheid, hybride elektrische voertuigen tot een slimme keuze voor de lange termijn."
Zoals Weaver opmerkte, is de vraag naar elektrische energie aan boord van gevechtsvoertuigen nooit afgenomen, ze zullen alleen maar van jaar tot jaar groeien. "Nieuwere functionele systemen vereisen steeds meer stroom van het draagplatform, evenals continue upgrades van de stroomopwekkings- en distributiesystemen van huidige voertuigen."
“Zodra je functies hebt toegevoegd zoals stille voortbeweging, radar, geavanceerde communicatie, signaalstoringen en elektromagnetische bepantsering of wapens, raakt het platform achterop en wordt het onhandelbaar zonder over te schakelen naar een hybride elektrisch schema. In het komende decennium zal voor alle gevechtsvoertuigen een van de belangrijkste componenten de mogelijkheid zijn om grote hoeveelheden elektriciteit aan boord op te wekken."
"Elektrisch aangedreven voertuigen moeten hun werk net zo goed of zelfs beter doen dan hun traditionele mechanische tegenhangers", vervolgde hij. “Niet alleen zijn gemotoriseerde systemen aanzienlijk eenvoudiger en hebben ze minder bewegende delen dan gemotoriseerde systemen, maar ze hebben vaak een verrassend goede redundantie, waardoor ze betrouwbaarder zijn. De meeste transversale elektrische transmissies kunnen bijvoorbeeld normaal werken met een enkele motor die is uitgevallen."
Weaver zei dat de belangrijkste technologieën in het openbaar vervoer al aanwezig zijn en klaar zijn om de markt te betreden. "Het wijdverbreide gebruik van hybride en elektrische circuits, vooral in streekbussen en trams, heeft geleid tot de ontwikkeling van motorcontrollers, inverters en converters die dicht bij wat het leger nodig heeft," zei hij. "Alles wat de industrie nodig heeft, zijn klanten die bereid zijn te betalen voor het kwalificatieproces, en ook genoeg om de kosten laag te houden."
Ondertussen wordt er verder gewerkt aan de demonstratie. General Motors (GM) toonde op AUSA in oktober 2016 een "kant-en-klare" versie van zijn Chevrolet Colorado ZH2 brandstofcelvoertuig, dat is gebaseerd op een langwerpig chassis van een middelgrote pick-up. Volgens het schema zal de Colorado ZH2, met de hulp van het TARDEC Armored Research Center, in 2017 een reeks militaire tests ondergaan "onder extreme bedrijfsomstandigheden".
Het was een versneld programma. GM en TARDEC werkten samen om een demo te maken in minder dan een jaar na ondertekening van het contract. "De snelheid waarmee innovatieve ideeën kunnen worden gedemonstreerd en geëvalueerd, is erg hoog, en daarom zijn de banden met de industrie zo belangrijk voor het leger", zegt TARDEC-directeur Paul Rogers. "Brandstofcellen hebben het potentieel om de capaciteiten van militaire voertuigen aanzienlijk te verbeteren door stille werking, stroomopwekking voor externe verbruikers en stabiel koppel - al deze voordelen maken deze technologie nader onderzocht."
"ZH2 stelt het leger in staat om de gereedheid van brandstofceltechnologie voor militaire toepassingen aan te tonen en te beoordelen, terwijl het tegelijkertijd de vraag beantwoordt hoe nuttig elektrische brandstofcelvoertuigen kunnen zijn in bepaalde omstandigheden en in bepaalde gevechtsmissies," zei Doug Hallo, woordvoerder van TARDEC.
De verwachte voordelen die TARDEC moet evalueren, zijn onder meer een vrijwel geruisloze werking waardoor stille bewaking mogelijk is, verminderde thermische kenmerken, een hoog wielkoppel bij alle snelheden, een laag brandstofverbruik over het gehele bedrijfsbereik en drinkwater als chemisch bijproduct.. De Colorado ZH2 heeft een krachtafnemer aan boord voor externe verbruikers.
Het voortstuwingssysteem is gebaseerd op brandstofcellen met protonenuitwisselingsmembraan die tot 93 kW gelijkstroom kunnen genereren, en een batterij die nog eens 35 kW voor het voortstuwingssysteem levert en wordt opgeladen tijdens regeneratief remmen. Dit legt GM's ZH2-projectmanager Christopher Kolkit uit.
“De tanks van het voertuig bevatten ongeveer 4,2 kg gecomprimeerde waterstof bij 10.000 psi, wat meer dan 689 keer de atmosferische druk is. Atmosferische lucht is een zuurstofbron die nodig is voor het elektrochemische proces, waardoor de benodigde elektriciteit wordt opgewekt; er komt alleen waterdamp vrij', merkte hij op.
Voor alle elektrische aandrijfsystemen is de levering van energie van de bron naar de wielen eenvoudiger dan bij traditionele voertuigen. “De ZH2 heeft geen transmissie in de gebruikelijke zin van het woord. Een AC-tractiemotor met een eentraps versnellingsbak brengt het koppel rechtstreeks over naar de tussenbak en het vierwielaandrijvingssysteem, legde Kolkit uit.
Draagbare infrastructuur
Via dit programma onderzoekt het TARDEC Center ook wat op zijn minst een gedeeltelijke oplossing zou kunnen zijn voor het probleem van de beschikbaarheid van waterstof (infrastructuur). De oplossing hier wordt begunstigd door het feit dat dit chemische element op verschillende manieren uit verschillende bronnen kan worden geproduceerd. Volgens de vertegenwoordiger van het TARDEC Center is het idee om in de beginfase van het werk aan het ZH2-project gecomprimeerde waterstof te verkrijgen tijdens de reforming van luchtvaartkerosine JP8 in een draagbare reformer, die samen met de machine, omdat dit het aantal opgeloste taken in dit stadium van taken zal vergroten.
"We zijn momenteel op zoek naar een hervormer die een verscheidenheid aan lokaal beschikbare bronnen kan gebruiken, zoals aardgas, JP8 vliegtuigbrandstof, DF2-diesel of propaan, om waterstof te produceren", zei hij. - Lokale elektriciteitsnetwerken, inclusief mogelijk hernieuwbare energiebronnen, kunnen samen met waterbronnen ook worden gebruikt voor de productie van waterstof. Dit zou het leger in staat stellen om de hoeveelheid brandstof die naar een specifiek operatiegebied wordt gebracht te verminderen en te vertrouwen op wat er in dat theater beschikbaar is."
Of het nu gaat om batterijen, brandstofcellen of gemengde diesel-elektrische centrales als krachtbron, het omzetten van elektrische stroom in voorwaartse voortstuwing vereist betrouwbare en efficiënte elektrische aandrijvingen. Het Britse bedrijf Magtec produceert elektrische aandrijfsystemen voor de lucht- en ruimtevaart, de scheepvaart en de automobielmarkt en biedt bijvoorbeeld verschillende opties voor het ombouwen van commerciële vrachtwagens met nieuwe voortstuwingssystemen.
Het bedrijf ontwikkelde echter ook complete aandrijflijnen voor rups- en wielplatforms om hybride technologieën te demonstreren die begin jaren 2000 door BAE Systems Hagglunds werden vervaardigd voor de Britse en Zweedse defensie-instanties.
Voor SEP-platforms (Splitterskyddad EnhetsPlattform), zowel met 6x6 wielen als met rupsbanden, heeft het bedrijf in-wheel-naafmotoren (motorwielen) ontwikkeld, inclusief een tweetraps reductietandwiel en remsysteem in elk, dubbele generatoren, regelapparatuur en stroomverdeling. Voor SEP ontwikkelde, installeerde en testte ze ook software om belangrijke functies te bedienen, zoals stroomverdeling, tractiecontrole, elektronische differentieelsloten en besturing waarmee de machine ter plaatse kan draaien. Bovendien voldoet dit systeem aan alle militaire EMC- en milieuvoorschriften.
De chief executive van Magtec zei dat hij een goed groeipotentieel ziet voor elektrische voertuigen met een groter bereik voor gevechtsondersteunende missies. Tegelijkertijd dragen nieuwe technologieën bij aan een aanzienlijke verbetering van de mobiliteit, een lager brandstofverbruik, grotere redundantie en maken ze het mogelijk om originele lay-outbeslissingen te nemen. Hij merkte ook op dat de elektrische voortstuwing de implementatie van bediening op afstand en autonomie vereenvoudigt.
Wat betreft de verdere ontwikkeling van de benodigde technologieën merkt hij op dat de aandrijfsystemen klaar zijn om de markt te betreden met verbeterde vermogenselektronica (voor het aansturen van aandrijfaandrijvingen) op basis van siliciumcarbide halfgeleiderschakelingen. Ze zijn nodig om de hoogspanning te regelen waarop elektrische systemen van de nieuwe generatie werken. De directeur van Magtec merkte op dat de 24 volt waarop de meeste moderne systemen werken nu te laag is voor de belangrijkste verbruikers van elektriciteit (door de toename van de spanning kan er meer vermogen door de kabels worden overgedragen zonder de stroomsterkte te veel te verhogen).
Een bedrijf in het veld, GE Aviation, heeft een contract van $ 2,1 miljoen gewonnen voor het ontwikkelen en demonstreren van siliciumcarbide vermogenselektronica. Na een ontwikkelingsprogramma van 18 maanden zal het bedrijf naar verwachting de voordelen aantonen van zijn siliciumcarbide-metaaloxide-FET-technologie in combinatie met galliumnitride-apparaten in een bidirectionele DC/DC-omzetter van 15 kW, 28/600 volt.
Volgens het bedrijf kan deze apparatuur twee keer zoveel stroom aan, terwijl hij de helft van het volume in beslag neemt in vergelijking met de huidige silicium vermogenselektronica, terwijl de converters parallel kunnen werken en worden geprogrammeerd in overeenstemming met de CAN-standaard.
Het bedrijf ontwikkelt een voertuigstroomarchitectuur van de volgende generatie van TARDEC, noemt het een disruptieve technologie, en hoopt dat een technologiedemonstratie medio 2017 klaar zal zijn.
Dubbele snelheid
Een andere baanbrekende technologie is het Ground X-Vehicle Technology (GXV-T) project van het DARPA Defense Advanced Research Projects Agency, waarin elektrische systemen een belangrijke rol zullen spelen. Het doel van het project is om de grootte, het gewicht en het aantal bemanningsleden van veelbelovende gepantserde voertuigen te halveren, hun snelheid te verdubbelen, het vermogen om 95% van het terrein te overwinnen en de tekenen van zichtbaarheid te verminderen.
In juli 2016 gaf DARPA Qinetiq een investering van $ 2,7 miljoen om de technologie van elektrische aandrijfsystemen voor het GXV-T-project te verfijnen. Het bedrijf omschrijft deze technologie als compacte en extreem krachtige elektromotoren in de wielen die verschillende versnellingsbakken, differentiëlen en aandrijfassen vervangen. Deze aanpak, zei het bedrijf, vermindert het totale gewicht van het platform drastisch en opent nieuwe ontwerpopties die de veiligheid en prestaties zullen verbeteren.
Qinetiq benadrukt dat deze technologie naast het gebruik in nieuwe concepten, zoals de GXV-T, ook de mogelijkheden van bestaande voertuigen tijdens retrofits kan verbeteren. Een infanterievoertuig met meerdere wielen dat is opgewaardeerd met naafaandrijvingen of motorwielen "zou bijvoorbeeld kunnen profiteren van het toegenomen vermogen en de mobiliteit die gewichtsbesparingen bieden, of omgekeerd, deze besparingen kunnen gebruiken om de bescherming te verbeteren, apparatuur te installeren of de passagierscapaciteit te vergroten."
De investering werd gevolgd door een contract, aangekondigd in september 2015, waarbij het concept zal worden vertaald naar een echt ontwerp en getest, waarna twee volledig werkende prototypes zullen worden geproduceerd.
"Conventionele actuatoren zijn vrij zwaar, hebben een beperkte capaciteit en bestaan uit componenten die in dodelijke projectielen kunnen veranderen als ze door een mijn worden ontploft", zei het hoofd van het onderzoek bij Qinetiq, commentaar op het contract. "Het verplaatsen van de aandrijvingen naar de wielen neemt deze dreiging weg en doorbreekt de neiging van voertuigen om zwaarder en minder mobiel te worden vanwege het verhoogde beschermingsniveau en de kracht van wapens."
Bestaande machines kunnen ook profiteren van de elektrificatie van niet-aangedreven subsystemen. Zo gaat het Duitse bedrijf Jenoptik 126 elektrische geschutskoepel- en wapenstabilisatiesystemen leveren voor het Poolse Leopard 2PL-tankmoderniseringsprogramma. Volgens het bedrijf zullen de elektrische systemen de hydraulische systemen op de tank vervangen, waardoor het onderhoud en de warmteontwikkeling worden verminderd.
De leveringen zijn gepland in 2017-2020 onder een contract van $ 23 miljoen ondertekend met het Poolse Bumar Labédy in oktober 2016. Hetzelfde bedrijf Bumar Labedy tekende in februari 2017 een samenwerkingsovereenkomst voor de modernisering van tanks met het Duitse bedrijf Rheinmetall.
Een van de activiteiten van Jenoptik is de ontwikkeling en productie van compacte gestabiliseerde wapen-/sensorplatforms, aandrijfsystemen voor torens en wapens, en spiegels voor het stabiliseren van de zichtlijn van gepantserde voertuigen.
Een kanon- en torenaandrijfsysteem voor grote wapensystemen bestaat bijvoorbeeld uit horizontale en verticale geleidingselektromotoren, die het kanon respectievelijk in azimut en elevatie richten, afhankelijk van de signalen van de hoofd- en back-upbesturingseenheden. Beide aandrijvingen bevatten borstelloze synchrone motoren met absolute positionering zonder speling tussen het uitgangstandwiel van elke motor en de getande sector van het wapensamenstel.
Het systeem, dat kan werken met een voedingsspanning van 28 en 610 volt DC, kan het pistool in elk vlak werpen met een snelheid tot 60 ° / s of langzamer dan 0,2 mrad / s.
De aandrijfregeleenheid transformeert, in overeenstemming met de ingangssignalen van sensoren, bedieningselementen en een actief vizier, de voeding in een paar driefasige systemen, één voor elk van de toren- en wapengeleiding, stabilisatie en aandrijvende servomotoren.
Volgens een rapport van onderzoeksbureau IDTechEx vorig jaar zal de wereldwijde markt voor de elektrificatie van voertuigen in 2026 $ 300 miljard waard zijn. Deze groei, aangedreven door een toename van het aantal elektrische motorcontrollers per voertuig (aangezien besturing, ophanging en andere voorheen mechanische, pneumatische en hydraulische onderdelen elektrische systemen zullen vervangen), zal een technologische basis vormen voor de massamarkt, waardoor hun kosten dalen voor militaire voertuigen.
