Потребность в движительных и энергетических установках для транспортных средств сегодня беспрецедентно велика. Увеличение массы платформ, как результат повышения уровня защиты и огневой мощи, заставляет разработчиков поддерживать подвижность, тогда как прожорливые цифровые системы только добавляют масла в огонь.
На рынке гражданских транспортных средств все большей популярностью пользуются гибридные и полностью электрические движительные установки, но это не отражается на оборонном рынке, где потребности в мощности существенно выше, в связи с чем приходится решать массу сложнейших проблем
За последние годы военные машины всех классов стали значительно тяжелее, это связано главным образом с необходимостью повышения уровней защиты и огневой мощи. В результате военные теперь просят промышленность сохранить или улучшить подвижность платформы и, из-за шагающего широкой поступью оцифровывания, обеспечить энергоснабжение в достаточном объеме в условиях жестких ограничений по массе, объему и стоимости.
В то время как производители двигателей и силовых установок могут обратиться к гражданскому автомобильному бизнесу за некоторыми ключевыми технологиями и даже частичными решениями, для военных задач необходим особый подход к разработке наряду с огромным терпением в ожидании военных заказчиков, готовых принять уже проверенные в прототипах и программах демонстрации технологических решений.
Цифровые потребности
В компании MTU, например, считают, что соответствовать требованиям к функциональной гибкости, характеристикам и надежности в рамках ограничений по массе и объему в будущем станет еще сложнее. В компании также указали на то, что задействование современных систем вооружения и особенно комплексов самозащиты может повлечь за собой постоянное повышение потребности в электрической мощности.
Для тактических машин реальная надежность и постоянная эксплуатационная готовность очень важны и достижению этой цели может помочь цифровизация движительной установки, являющаяся важнейшим шагом на пути создания систем прогнозного (профилактического) обслуживания, основанных на эксплуатационных данных в реальном времени.
В компании MTU считают, что для большинства транспортных средств движительная установка определяет базовую архитектуру и, следовательно, не только важна для их функционирования, но также оказывает сегодня огромное влияние на те или иные модернизации, которые могут быть проведены на протяжении всего срока эксплуатации. «В то же время, помимо физической интеграции подсистем всё более критичным для выполнения поставленной задачи фактором становится функциональная интеграция и цифровое объединение подобных подсистем в сеть», — сказал Юрген Шиммельс, директор специальных двигателей и движительных установок в компании MTU Friedrichshafen.
«Модульные концепции, базирующиеся на интегрированном подходе, должны максимально повысить гибкость транспортных платформ, предназначенных для многофункциональных приложений с технически идентичными компонентами», — продолжил он.
«В будущем более сильный акцент будет делаться на разработку, закупки и эксплуатационные расходы. Применение модульных движительных установок даст значительные преимущества в сфере специализированных движительных и энергетических систем касательно развития, расходов на логистику и затрат на жизненный цикл».
Поддержка этих систем в течение длительного срока осложняется постоянным и быстрым технологическим прогрессом в движительных и энергетических установках, что заставит промышленность инвестировать в обслуживание и поддержку двигателей и электрических машин в течение десятилетий, при этом преодолевая моральное старение некоторых основных компонентов.
В некоторых случаях двигатели, коробки передач и генераторы могут быть взяты из автомобильной промышленности и либо использоваться как есть, либо адаптироваться для применения в некоторых приложениях. Для таких массовых военных платформ, как например, машины общего назначения и тылового обеспечения, коммерческие двигатели могут быть в допустимой степени доработаны под военные нужды, хотя есть ограничения их применения в особых боевых системах, например, в тактических колесных машинах и гусеничных машинах средней категории.
Двигатели серии MTU 199, например, представляют собой адаптированные варианты дизелей коммерческих грузовиков Mercedes-Benz, успешно используемых в различных легких военных машинах. Подобный подход может быть расширен, чтобы вобрать в себя ряд новых готовых коммерческих технологий.
Производители двигателей всё чаще обращают внимание на решения, которые позволяют электрическим системам дополнять возможности двигателя. Как пример — электрический турбокомпрессор в стиле Формула 1
Напряжение растет
Представитель компании Jenoptik Норман Гайер заметил, что потребность в большем количестве электроэнергии, вырабатываемом в тактических транспортных средствах, заставляет компанию разрабатывать новые системы, как новое генерирующее оборудование, так и интегрированную электрическую архитектуру, при этом напряжение бортовой сети 28 вольт, бывшее стандартом многие десятилетия, уже перестало соответствовать новым потребностям.
«Высокое напряжение это то, в чем мы заинтересованы, но в действительности рынок военных машин реально не готов к этому, — заметил он. – Нам необходимо уйти от 28 вольт прямо сейчас. Если вам в машине необходимы системы большой мощности, то вы должны иметь электрические системы другого класса по напряжению».
Электрическая мощность, выраженная в ваттах, рассчитывается перемножением разности потенциалов в вольтах на силу тока в амперах. Гораздо эффективнее повышать напряжение, а не силу тока, поскольку большие токи генерируют большее сопротивление и поэтому для их передачи без перегрева необходимы толстые тяжелые кабели, чего в случае с напряжением не происходит. Вот почему британские воздушные линии электропередач, например, находятся под напряжением до 400 киловольт. В электромобилях, например, Tesla Model S, на двигатели подается напряжение 400 вольт, в то время как успешно были продемонстрированы электрические системы бронемашин, работающие на напряжении 600 вольт и более.
Необходимо принимать как данность, что создание высокомощных, высоковольтных компонентов и систем, которые могли бы работать длительное время в суровых условиях войсковой эксплуатации, очень затратно. «Все хотят высокую удельную мощность, поскольку объем в машине ограничен, но кому-то приходиться платить за это», — сказал Гайер. Он добавил, что подобное оборудование могло бы быть дешевле, если бы использовались более крупные компоненты, но каждый заказчик желает иметь самые продвинутые устройства и платить за них минимальную цену.
«Что касается использования компонентов, например, электрических вспомогательных систем или электрического турбонаддува двигателей, то здесь определенно есть потенциал совершенствования совокупной движительной системы, — сказал Шиммельс. – Кроме того, взаимосвязанные компоненты позволяют улучшить профилактическое техническое обслуживание».
Впрочем, долгосрочная материально-техническая поддержка практически всегда является одним из обязательных условий при приобретении военной техники. В компании MTU предлагают сравнить специализированные военные движительные установки, для которых поставки запасных частей и обслуживание гарантируются в течение длительного периода, и готовые коммерческие решения, срок эксплуатации которых из-за ужесточения стандартов по выхлопам и повышения стоимости становится все короче и короче.
«Бесперебойная поставка комплектующих и запасных частей в течение всего срока эксплуатации машины, который в большинстве случаев значительно превышает 30 лет, представляет собой более сложную задачу», — пояснил Шиммельс.
Гайер согласился, заметив, что разработка может занять более 10 лет и что крупным поставщикам будет очень сложно эффективно реагировать на потребности рынка транспортных средств военного назначения. Компания Jenoptik сохраняет свою производственную базу относительно небольшой, что позволяет ей более гибко реагировать на потребности в очень мощных компактных и достаточно прочных системах. «Все это, конечно, добавляет стоимость, но, по сути, более точно соответствует потребностям заказчиков».
Кроме того, появление электрического оружия и других мощных радиочастотных источников, например, постановщиков помех, повлечет за собой значительно более высокие требования к электромагнитной совместимости электрических компонентов и кабельных сетей, что определенно превысит возможности гражданских систем.
Впрочем, без готовых коммерческих технологий никак не обойтись и поэтому они сыграют в будущем большую роль. «Мы видим значительный потенциал в адаптированной к военным требованиям интеллектуальной синергии традиционных механических компонентов с максимальной удельной мощностью и надежностью и новых электронных компонентов, включающих цифровые технологии», — добавил Шиммельс.
В БМП «Пума» немецкой армии установлен стартер-генератор, который работает как генератор, питающий бортовые потребители, и как пусковое устройство запуска двигателя
Дело освоения
Несмотря на множество программ демонстрации технологий быстрое распространение гибридных силовых установок для гражданских автомобилей пока не является трендом в сфере военных машин. Впрочем, в MTU сообщили, что обязательно раскроют потенциал этих систем, который сложно было бы или невозможно достичь с одними только традиционными дизель-механическими установками.
В своих исследованиях и в процессе создания реального оборудования, которое ляжет в основу ее будущих разработок по двигателям и энергосистемам, компания преследовала цель продемонстрировать перспективность гибридных систем. Тем не менее, Шиммельс отметил, что специфические военные требования до сих пор создают значительные технические и коммерческие проблемы.
«Экстремальные требования, предъявляемые к внешним факторам, например, к объему для установки, электрическим сигнатурам и ударным нагрузкам, в комбинации с максимальной надежностью требуют специальных комплексных решений, которые нельзя принять за счет простой модификации компонентов, доступных на гражданском рынке».
«Исследования показали также, что гибридные силовые установки, несмотря на потенциал, который они имеют касательно дополнительных возможностей, как то — объем для установки, масса и характеристики, — в сравнении с дизель-механическими системами, работающими на ископаемом топливе, пока не имеют потенциала, необходимого для закрепления на рынке», — сказал он.
Гайер заметил, что пользователи должны решить, собираются ли они связать себя с этими технологиями. За последние 10 лет Jenoptik установила свои опытные системы, разработанные совместно с производителями из других стран, в транспортные средства почти всех классов, от ОБТ и БМП и до различных колесных машин. «Эти прототипы фактически включают в себя почти все гибридные возможности, которые имеют смысл с тактической точки зрения, в том числе бесшумное наблюдение и движение, а также чисто электрический привод».
Одной из платформ, прошедшей этап прототипа/демонстрации, стала немецкая бронемашина «Пума». В ней установлен стартер-генератор ISG (Integrated Starter Generator) от Jenoptik, который делает больше, чем говорит его обычное название. Кроме работы в качестве генератора для выработки электроэнергии, он может также работать как пусковое устройство запуска основного двигателя. В режиме генератора за счет своего электромагнитного сопротивления он обеспечивает рекуперационное торможение машины и одновременно заряжает аккумуляторную батарею. Работая в качестве электродвигателя, он может помочь машине двигаться в бесшумном режиме.
Компания Jenoptik поставляет генераторы воздушного охлаждения на 400-600 Ампер и 11-16 кВт. Эти системы модульные и поэтому могут быть легко адаптированы под индивидуальные требования
Вести за собой
По мнению Гайера, столь раннее принятие Германией гибридного привода, хоть даже и в таком ограниченном виде делает «Пуму» своего рода образцом для подражания в этом технологическом секторе.
ISG генерирует стабильный постоянный ток от 20 до 500 кВт за счет внешней электроники, которая регулирует напряжение и выпрямляет его выходное напряжение из переменного тока в постоянный. Маховиковый генератор с возбуждением от постоянных магнитов работает с заявленным кпд более 95%. Система устанавливается без дополнительных подшипников на коленчатом валу между двигателем и трансмиссией и не требует обслуживания.
Компания Jenoptik также находится в процессе доработки своей линейки генераторов переменного тока и расширения линейки генераторов с жидкостным охлаждением для интеграции в стандартную конфигурацию существующих транспортных средств с целью удовлетворения их потребности в энергии.
Инженеры компании Jenoptik завершили разработку нового модульного генератора воздушного охлаждения на 600 Ампер, который заполнит нишу между системами водяного и масляного охлаждения, самая крупная из которых может генерировать ток более 2000 Ампер. Генерирование дополнительного количества электричества позволяет также обеспечить растущие потребности в экспорте энергии, поскольку машины могут выступать в роли мобильных электростанций для развернутых в экспедиционных операциях подразделений, действующих в сложной боевой обстановке.
Полностью электрические машины также с успехом завоевывают себе место на рынке гражданских автомобилей. Такие новички, как например, Tesla, получают известность со своими автомобилями, получающими всю необходимую энергию от литий-ионных аккумуляторов, а крупные производители добавляют в свои портфолио полностью электрические модели, в основном небольшие городские автомобили. Подобные системы могут достаточно серьезно повлиять на рынок легких войсковых транспортных средств.
Впрочем, в ОБТ и других гусеничных машинах электрические приводы гораздо чаще используются в гибридных движительных системах, например, в качестве устройств повышения силы тяги.
Шиммельс согласился, подчеркнув, что чисто электрические приводы вряд ли выйдут на рынок тактических машин массой более 25 тонн. Назвав объем для установки, массу, удельную мощность и эксплуатационную доступность ключевыми элементами военных движительных установок, Шиммельс отметил, что дизельный двигатель еще какое-то время сохранит роль основного движителя, поскольку удельная энергии ископаемого топлива, даже если нынешнюю емкость батарей удвоить, все еще будет выше удельной энергии аккумуляторов.
Даже для таких функций как бесшумное наблюдение и движение, по мнению Гайера, удельные энергия и мощность и время заряда для лучших литиевых аккумуляторов, доступных для чистых электрических систем, ни в какое сравнение не идет с эквивалентными цифрами для дизельных двигателей и вспомогательных силовых установок. «Я думаю, пройдет еще много времени, прежде чем будут получены более или менее сравнимые характеристики, принимая во внимание ограничения по массе военных транспортных средств».
Наряду с модернизацией двигателей промышленность также изучает решения, способные дополнить или заменить традиционные вспомогательные силовые установки, снабжающие энергией бортовые системы при заглушённом основном двигателе. Прежде всего это аккумуляторы и топливные элементы
Прилив энергии
Компания Dewey Electronics Corporation проектирует и производит мощные наземные генераторы, переносные гибридные установки и ВСУ для армии и морской пехоты США. Директор Джон Дьюи заметил, что аккумуляторы, способные заряжаться очень быстро от основного двигателя машины, могут стать лучшим выбором, чем топливные элементы или традиционные ВСУ.
«Я считаю, что решение на основе технологии сверхбыстрой зарядки в комбинации с большим сроком службы и высокой безопасностью в конечном счете победит. Когда машина сможет направлять большую часть мощности двигателя на сверхбыстрый заряд блока аккумуляторов, тогда мы получим самое жизнеспособное и востребованное решение».
Он предположил, что мало эксплуатантов будут возражать против запуска основного двигателя на 10 минут в интервале от часу до трех с возможным исключением разведывательных задач, для которых тишина абсолютно критична. «Теоретически газотурбинный двигатель танка М1 без труда выдает достаточно мощности за шесть минут для снабжения самых крупных бортовых потребителей (порядка 10 кВт) в течение 10 часов. Конечно, аккумуляторы на 100 кВт займут большой объем».
Далее он заметил, что если бы было возможным заряжать аккумулятор, используя всю мощность двигателя, то это было бы надежнее и проще, чем запускать обычную ВСУ или топливный элемент при заглушённом основном двигателе, а также снизило бы стоимость обслуживания и обучения. «Десять минут работы основного двигателя возможно дешевле 60 минут работы ВСУ. Я уверен, что шесть минут двигателя М1 дешевле 10 часов работы СВУ».
Господин Шиммельс из компании MTU также считает, что удельная энергия является всего лишь одним из факторов, который должен быть улучшен в аккумуляторах, поскольку они должны выдерживать тяжелые условия поля боя, а также конкурировать с универсальным засильем нефтепродуктов. «Что касается наземных машин, то здесь имеются решающие дополнительные логистические преимущества у систем, работающих на ископаемом топливе, поскольку потребность в ископаемом топливе сохранится неизменной для военной авиации, вертолетов и кораблей».
Там где удельная энергия более востребована, чем удельная мощность, топливные элементы могут оказаться полезнее, поскольку они могут преобразовывать энергию жидкого топлива в электрический ток за счет электрохимического процесса, побочными продуктами которого являются тепло и водяной пар. Они хороши тем, что весьма эффективно генерируют постоянный ток, но не так хороши в реагировании на резкие изменения в потреблении мощности. Поэтому в военных машинах они лучше всего могли бы показать себя в роли ВСУ и устройств заряда аккумуляторов.
Для бортовых ВСУ с типичной потребностью в электроэнергии менее 50 кВт топливные элементы могут стать возможной альтернативой небольшим двигателям внутреннего сгорания. При этом налаживание процессов массового производства и коммерческие аспекты технологии, в частности стоимость разработки, станут факторами, которые в следующие несколько лет в конечном счете окажут влияние на признание рынком топливных элементов.
До сих пор существуют определенные сложности при проектировании топливных элементов для военных машин. Наряду с повышением их эксплуатационной надежности и стойкости к ударам и вибрациям необходимо, как правило, надежное снабжение водородом высокой очистки, а извлечение его из легкодоступных источников энергии, например, дизельного топлива, требует использования технологии реформинга, что увеличивает массу и объем и повышает стоимость, сложность и потери тепла.
Гайер заметил, что топливные элементы в ближайшем будущем даже и не приблизятся к дизельным двигателям касательно общего кпд системы, будь то их использование в качестве ВСУ, зарядных систем или основных движителей. «По сравнению с электроприводом или другими гибридными функциями дизель-электрическая система будет гораздо более эффективной. Все это связано с режимом войсковой эксплуатации, который необходимо учитывать, поскольку он достаточно сильно отличается от гражданского использования».
Есть сомнения
Дьюи также сомневается, что в ближайшем будущем топливные элементы станут успешными в ВСУ для транспортных средств. «Мы проделали с Научно-исследовательским бронетанковым центром TARDEC большую работу в этом направлении. Несколько лет назад мы работали над элементами управления и преобразования энергии для топливного элемента на 10 кВт и установкой для реформинга, которые все должны были вписаться в надгусеничную нишу танка М1 Abrams».
По словам Дьюи, ВСУ на топливных элементах работает на «грязном дизельном топливе». Это означает высокую долю примесей, например, серы, а объем, в который систему необходимо было вписать, был недостаточным, даже если базироваться на традиционном двигателе. «Я считаю, что программа подтвердила возможность создания подобной системы. Но технология пока гораздо ближе к лаборатории, чем к полю боя». Стоит заметить, что традиционные двигатели совершенствовались не одно десятилетие, громадный опыт эксплуатации, неправильного обращения, доработок и постепенное повышение уровня автоматизации производства подняли их на самый высокий уровень технического развития и поэтому с ними пока тяжело конкурировать.
«Топливные элементы не подходят для поля боя, но если брать их как отдельную систему, то вы увидите, что это чудо проектирования, опыта и оптимизации. Я считаю, что топливные элементы реально не достигнут финишной черты и не попадут на поле боя пока в гражданской сфере не будут выявлены все недостатки и не будет оплачен весь процесс проектирования с тем, чтобы быть уверенным в их бесперебойной работе и высокой рентабельности производства, -заметил Дьюи. — Массовое производство новых систем и соответствующее снижение общей стоимости жизненного цикла, снижение закупочной стоимости, всё это будет способствовать завоеванию рынка».
Хотя двигатели и являются сложными системами, топливные элементы, которые могут справиться с грязным дизельным топливом, не менее сложны. «Это достижимо, но займет много времени и средств, понадобится огромный объем испытаний в реальных условиях, чтобы дойти до практического результата, возможно понадобятся десятилетия. Стоит это того? Несомненно, но это серьезная задача для оборонного рынка».
С дальним прицелом
Компания MTU большое внимание уделяет разработкам в области интеграции большего количества электрических систем в двигатели с целью повышения их общих характеристик. Например, компания работает над электрическими турбокомпрессорами (в принципе подобные турбокомпрессоры применяются в автомобилях Формулы 1) с целью улучшения динамических характеристик двигателя в общем и сокращения времени реакции на внезапные потребности в дополнительной мощности в частности. Подобных же целей позволяет добиться интеграция стартеров-генераторов, которые поставляют механическую энергию напрямую в силовую цепь. В качестве примера можно привести БМП «Пума», где генератор ISG от Jenoptik работает вместе с дизельным двигателем MTU 800 кВт серии 892.
«Подобный комплексный поход к разработке позволяет разрабатывать решения, которые дают максимальные характеристики и гибкость при минимальных требованиях к объему установки и массе, — сказал Шиммельс. — В общем, мы видим значительный потенциал в адаптированной к военным требованиям интеллектуальной взаимной синергии традиционных механических компонентов с максимальной удельной мощностью и надежностью и электронных компонентов с цифровыми технологиями».
«С точки зрения компании Jenoptik, будущее — это больше, чем генерирование энергии, — подчеркнул Гайер. — В машине необходимо обеспечить снабжение энергией более интеллектуальным способом, обеспечить своего рода финальную связь между нашими системами».
Ископаемое топливо сложно победить, когда речь идет об удельной энергии и привычной инфраструктуре, но в компании MTU уверены, что возобновляемое или синтетическое топливо, например, биотопливо, станут ключевым фактором в обеспечении устойчивого снабжения энергией и при этом позволят снизить выбросы углекислого газа. «Эти потребности в качестве альтернативы ископаемому топливу определенно будут приняты во внимание при разработке военных двигателей, — заметил Шиммельс. — Но биотопливо для военных машин подходит только в ограниченной степени из-за ограничений сроков хранения и изменений органических свойств».
Дьюи согласился, заметив, что ВМС США уже определили полезность биотоплива в истребителях и провели ряд испытаний в подтверждение этой концепции. Стоить заметить, например, что во время Второй мировой войны Германия успешно производила в массовых количествах синтетическое жидкое топливо из разных источников, включая уголь, поскольку могла быть отрезана от поставок нефти. Если не брать во внимание стоимость, то более широкому распространению этих технологий, скорее всего, мешают политические и логистические препятствия, но «если нефть вернется к 100 или 150 долларам за баррель, то все они моментально исчезнут».
Трансформация движителыных и энергетических систем наземных боевых машин может идти значительно быстрее, но этот процесс тормозится из-за ряда объективных причин, которые вряд ли исчезнут в ближайшее время.
По материалам сайтов: Николай Антонов
www.nationaldefensemagazine.org
www.mtu-online.com
www.jenoptik.com
www.deweyelectronics.com
www.bundeswehr.de
pinterest.com
www.alamy.com
ru.wikipedia.org
www.wikipedia.org
www.liveinternet.ru
