Баланс мощности. Гибридные приводы для боевых машин
Oshkosh L-ATV, предлагаемый для программы JLTV американской армии, имеет вариант гибридной дизель-электрической силовой передачи
Технология гибридных и электрических приводов, как правило, скорее ассоциируется с миром коммерческих машин, чем с военными платформами. Однако, всё может измениться.
Рынок бронированных машин с успехом пользуется благами технического прогресса, но сохраняет осторожность касательно последствий инноваций. Прогресс – это процесс поэтапного развития, целью которого является демонстрация заказчикам четких эксплуатационных преимуществ, поскольку конечный успех боевой машины измеряется выполненными задачами и спасенными жизнями.
Уже давно доказана механическая надежность дизельного двигателя, автоматической ступенчатой трансмиссии, ведущего вала и дифференциала, то же самое можно сказать и про технологии гибридного и электрического привода. Но, несмотря на программы оценки, демонстрационные машины, компании, желающие инвестировать в исследования и разработки, и довольно успешное развитие гибридных дизельных/электрических приводов в гражданском секторе, применение технологии электрического привода в военной сфере на сегодняшний день весьма условно.
Прямой подход
Наверное, можно было бы рискнуть и положиться на технологии прямого привода в боевых действиях с участием человека, но оказалось довольно трудно сделать подобный шаг. Потребители хотят улучшенную баллистическую защиту с V-образным корпусом, огневое могущество дистанционно управляемого модуля вооружения и улучшенную информационно-управляющую систему. Им также необходимы проверенные характеристики силового привода для того, чтобы возить все эти системы с должной скоростью, при этом обеспечивая достаточный момент и мощность для преодоления склонов и форсирования рек.
Расчет на электрические приводы означает замену механики архитектурой, которая отличается фундаментально. В случае с полностью электрическим приводом это означает использование аккумуляторов для привода электродвигателей, которые напрямую вращают колеса. Такая полностью электрическая схема успешно зарекомендовала себя в беспилотных системах, например в аппарате для обезвреживания боеприпасов Cutlass разработки компании Northrop Grumman, выпущенном в 2013 году и в настоящее время состоящем на вооружении британских вооруженных сил. Эта шестиколесная машина за счет электродвигателей в ступицах способна развить скорость до 11 км/ч.
Технический директор компании L-3 Combat Propulsion Systems Майкл Соймар пояснил, что этот тип электрического привода упакован вместе с тормозами внутри колес. В итоге получилась схема, которую он назвал «истинным прямым приводом».
Касательно ее преимуществ он заметил: «Дополнительная понижающая передача включена в ведущее колесо с целью оптимизации скорости и крутящего момента. Каждое колесо может приводить машину независимо, предлагая значительную избыточность и повышенную безопасность».
По словам Соймара другие прямые силовые приводы имеют электродвигатели на осях, но они не имеют таких преимуществ как двигатели в ступицах.
Дизель-электрическая машина HEMTT A3 на полигоне Юма с зенитной установкой Phalanx
В тени
Отсутствие мостов освобождает пространство в корпусе и позволяет существенно изменить компоновку машины. Эти преимущества конструкции с прямым приводом оценивалось в 2004 году корпусом морской пехоты и командованием силами специальных операций на машине глубокой разведки и целеуказания, получившей имя Shadow (тень).
Машина Shadow была изготовлена компанией General Dynamics при участии немецкого производителя Magnet-Motor (в настоящее время подразделение L-3 Communications), который поставил ступичные двигатели. Машина использует свою пневматическую подвеску для того, чтобы изменять габаритную высоту; колеса втягиваются в корпус на 43 см и дорожный просвет уменьшается до 10 см. Это означает, что машина Shadow, имея такой же внутренний объем как у HMMWV, может свободно войти в конвертоплан V-22 Osprey с целью переброски по воздуху.
Недостаток электрической тяги состоит в том, что продолжительность работы зависит от емкости аккумуляторов и доступности внешнего источника питания для перезарядки. Максимальная продолжительность работы Cutlass например составляет всего три часа.
Борьба с этими ограничениями привела к разработке гибридного электрического привода (ГЭП), в котором используется двигатель внутреннего сгорания для приведения в действие генератора, заряжающего в свою очередь аккумуляторы. Это позволило расширить область практического применения машин с прямым приводом и такие компании, как например Iveco, вложили существенные средства в эту технологию, хотя по большей части для использования в своем коммерческом портфолио.
Коммерческий прогресс
Компания Iveco предлагает свои гибридные системы ECODaily и Eurocargo, которые отличаются наличием электрического привода и как следствие не имеют зубчатой передачи. Двигатель внутреннего сгорания работает только для привода генератора, питающего аккумуляторы, а управление ведущих колес осуществляется через электронные системы.
Это означает, что с целью мгновенного ускорения аккумуляторы в нужный момент могут дать большее количество энергии. Также подобная схема позволяет осуществлять рекуперативное торможение, поскольку торможение выполняется за счет управления электродвигателями. Реверсивное вращение с целью остановки машины превращает их в динамомашины, генерирующие дополнительную мощность для подзаряда аккумуляторов и большее количество электроэнергии для использования в подсистемах.
Наряду с компанией Iveco, которая не стремится переводить свои военные машины на гибридный привод, израильская фирма IAI также разделяет подобную стратегию бизнеса. В феврале 2015 года она объявила об увеличении уровня продаж своего легкого бронеавтомобиля RAM Mk3 4x4 и о вводе в эксплуатацию своего нового гибридного электрического тягача самолетов TaxiBot мощностью 800 л.с., разработанного совместно с компанией Lufthansa.
Несмотря на успех машин RAM, которых на сегодняшний день было продано более 450 штук, и ввод в эксплуатацию тяжелого тягача TaxiBot для немецкого авиаперевозчика, в компании IAI не видят потенциал в широком применении электрического привода. В компании подтвердили, что «IAI не рассматривает применения гибридных технологий для RAM Mk3».
Соймар пояснил, что интерес к технологиям электрического привода среди производителей машин военного назначения растет, но движущей силой здесь, конечно же, выступает моторостроение.
«Технология гибридно-электрического привода достигла зрелости во всем мире. Автомобильная промышленность находится в поисках топливной экономичности и снижения выхлопов и это стимулирует развитие технологии».
Он сказал, что рекуперативное торможение, например, широко представлено в гражданском коммерческом секторе в таких автомобилях как Toyota Prius и полностью электрическом Tesla Roadster, но в сфере военных транспортных средствах дело дошло до реального воплощения только на тяжелом грузовом автомобиле повышенной проходимости HEMTT A3 (Heavy Expanded Mobility Tactical Truck), изготовленном компанией Oshkosh, в котором оно (рекуперативное торможение) является неотъемлемой частью дизель-электрической гибридной системы ProPulse.
Гибридный привод себя покажет
Несмотря на то, что общество не столь быстро готово оценить эту технологию, принятие на вооружение электрических приводов в будущем будет становиться более определенным по мере достижения гражданским сектором технических преимуществ в этой сфере. «Значительный прогресс, достигнутый за последние несколько лет в программном обеспечении и электронном управлении коммерческого гибридного электрического привода, будет оценен обществом по достоинству и может стать доступным для машин военного назначения», – пояснил Соймар.
Разработки в прорывной технологии не ограничиваются системами управления. Также совершенствуются технологии в области аккумуляторов, где идет замена свинцово-кислотных типов более легкими литий-ионными системами с более высоким напряжением.
Компания Saft производит не только литий-ионные аккумуляторы для промышленной и гражданской электроники, но также становится все более востребованной на оборонном рынке. В 2011 году компания поставила свои литий-ионные аккумуляторы ESS компании BAE Systems в рамках контракта по демонстрации технологии, целью которого является разработка гибридного привода для перспективной гусеничной боевой машины GCV (Ground Combat Vehicle) американской армии.
В сотрудничестве с Northrop Grumman компания BAE занялась проектом и изготовила ходовую испытательную установку с целью оценки встроенных систем, включая силовой привод, генераторы, контроллеры и программное обеспечение. Пробег установки составил 3200 км.
Подробности, предоставленные компанией BAE в 2012 году, касались улучшенных характеристик ее гибридного электрического привода, способного выработать 1500 л.с. и сгенерировать электрическую мощность 1100 кВт, тогда как экономия топлива при этом составила до 20%.
Эти испытания опровергли предположения, что гибридный привод недостаточно мощный для тактических машин. Было зафиксировано ускорение машины от 0 до 32 км/ч за 7-8 секунд и в компании заявили, что ее экспериментальный привод полностью бесшумен в работе, неплохо для машины массой 70 тонн.
В автомобиле Ultra Light Vehicle с гибридным приводом реализован ряд новейших технологий
Проблемы с мощностью?
Это заблуждение, что ГЭП будет иметь скорее проблемы с приводом гусениц, а не колес. Директор новых и амфибийных программ в компании BAE Systems Дипак Базаз сказал: «Особых проблем нет при использовании гибридного электрического привода на гусеничных машинах. Эту схему на них фактически проще реализовать, поскольку ведущее колесо гусеничных машин находится в одном месте, это вам не несколько осей у колесных систем».
Целью программы GCV являлась замена парка БМП Bradley американской армии машинами с гибридным приводом, но при оценочной стоимости в 29 миллиардов долларов и 595 миллионах долларов, ассигнованных только на технологическую разработку, конгресс решил, что весь проект слишком дорог. В 2014 году он сократил бюджет разработки на 400 миллионов долларов, понизив статус программы GCV до демонстратора технологии.
Разработка прототипа была передана от производителей в армейский Научно-исследовательский бронетанковый центр. Изготовление прототипа боевой машины с гибридным приводом ожидается в 2019-2020 годы.
Несмотря на подобное решение Базаз сказал, что компания сохраняет веру в ГЭП и заметил: «Мы продолжаем ограниченное тестирование с целью демонстрации надежности системы».
Судьба GCV обнажила проблемы электрических приводов, связанные с принятием их в эксплуатацию. Заказчики будут искать, но не будут обязаны заказывать, производители не будут брать риски на полную разработку технологии без поддержки заказчика и твердых заказов; и обе стороны ждут от промышленности полного развития рынка и получения общественного признания технологии.
Поживем-увидим
Подход Великобритании типичен. Несмотря на стесненный бюджет и сокращения численности личного состава, министерство обороны не обратило внимания на столь очевидный факт, что топливо стоит денег, и подписало в 2012 году контракт по так называемой объединенной топливной системе, которая будет стоить до 1 миллиарда фунтов стерлингов в год.
Принятие на вооружение машин с электрическим приводом в настоящее время не рассматривается, несмотря на потенциальную экономию средств. Вместо этого принят подход «поживем-увидим».
В лаборатории оборонной науки и техники пояснили: «Лаборатория проводит исследование ГЭП, в котором объединены предыдущие работы по технологиям ГЭП и их пригодности к военным условиям. С целью повышения уровня понимания подобных технологий в исследовании используются предшествующие работы по ГЭП; в него вошли прошлые и нынешние исследования министерства обороны, оборонной промышленности и коммерческого автомобилестроения».
Практическим результатом этого процесса стало то, что электропривод не стал рассматриваться в качестве варианта для новой программы британской армии по бронированной машине Scout SV.
Впрочем, Великобритания не одна избегает электрического привода. Австралия, Франция и Польша, все они в настоящее время находятся в процессе крупных закупок, которые позволят заменить их парки тактических бронированных машин, но ни одна из новых машин (рассматриваемых или разрабатываемых) не будет иметь эту технологию.
Основные препятствия
Размер и стоимость подобных программ являются основными препятствиями. Стоимость только первой партии из общего количества в 2000 машин Scorpion французской армии, поставка которой намечена на 2018 год, оценивается в более чем 930 миллионов долларов. Учитывая такие цены и объемы закупок (Scorpion заменит весь парк французских бронетранспортеров VAB), время для широкого принятия новых технологий силового привода просто не самое лучшее, особенно когда реальность и практика диктуют создание совершенно новой системы поставок для его поддержки.
Хотя гибридные и электрические приводы пока не считаются достаточно зрелыми для внедрения, но в перспективе смена типа привода вполне может себя оправдать. В качестве примера возьмем защищенный патрульный автомобиль британской армии Foxhound. Этот бронеавтомобиль, поступивший на вооружение в 2010 году, был разработан компанией Ricardo, которая также работает в области гибридизации и электрификации. На Foxhound стоит в настоящее время двигатель турбодизельный Steyr, но его V-образный корпус был сконструирован компанией Ricardo с учетом возможной установки в будущем ГЭП.
В исследовании, проведенном в 2009 году касательно разработки новой машины (тогда она называлась Ocelot), в компании Ricardo подняли вопрос по силовому приводу, утверждая, что, скорее всего, военные в будущем заинтересуются гибридными приводами в связи с потребностью в выработке большего количества электроэнергии и улучшенном снабжении энергией более сложного оборудования.
С этой точкой зрения Соймар согласен и описывает некоторые возможные варианты применения ГЭП. «Значительное количество энергии, которое они вырабатывают, позволяет получить особые боевые и тактические характеристики, например: бесшумное наблюдение [двигатели выключены, но сенсоры питаются от аккумуляторов] и маневрирование; улучшенное ускорение для быстрого покидания опасных зон; и возможность снабжения множества новых сенсоров и подсистем, например систем активной защиты, направленной энергии и борьбы с самодельными взрывными устройствами».
Электрические мотоциклы компании Zero Motorcycles были испытаны американским командованием силами специальных операций
Будущие инвестиции
Все в большей степени модернизация транспортных средств рассматривается с точки зрения электрической мощности. Согласившись с точкой зрения Соймара, Базаз пояснил, что компания BAE Systems рассматривает в качестве возможного объекта для своих инвестиций в GCV.
«Мы используем свою тестовую установку для изучения значительного потенциала ГЭП, мощность которого позволит, возможно, продемонстрировать лазерную систему направленной энергии», – сказал он.
Как бы в подтверждение этих слов в марте 2015 года компания Lockheed Martin продемонстрировала даже большее рвение, проведя успешные полевые испытания своей продвинутой опытной высокоэнергетической установки Advanced Test High Energy Asset, которая прожгла двигатель автомобиля наземным оптоволоконным лазером мощностью 30 кВт с расстояния 1,6 км.
Разработка этих новых подсистем придаст импульс внедрению гибридных приводов в будущем, поскольку дополнительная электрическая мощность, которую они вырабатывают, станет безусловной необходимостью.
Энергосберегающие инициативы также являются высоким приоритетом для американских военных, вынужденных экономить средства на ископаемом топливе. Впрочем, как заявили в компании Oshkosh Defense, уменьшение этой зависимости окажет влияние на окончательный расклад сил.
«Министерство обороны один из самых крупных потребителей топлива в мире, – говорится в заявлении. – В 2010 году армия и корпус морской пехоты провели оценки, согласно которым в Ираке и Афганистане полная стоимость топлива со всеми издержками варьировалась от 9 до 40 долларов за галлон в зависимости от путей поставки и методов пополнения топливом».
«Как подчеркнуто в энергетической стратегии министерства обороны, военные стремятся лучше использовать свои источники энергии с целью снижения рисков для бойцов, направлять имеющиеся ресурсы на выполнение задач с более высоким приоритетом и сокращать расходы».
Здесь кроется причина, почему закрытие программы GVC не уменьшило энтузиазм министерства обороны по применению технологий электрических приводов. Текущая программа по легкому тактическому автомобилю JLTV (Joint Light Tactical Vehicle) нацелена на замену бронеавтомобиля HMMWV машиной с технологией ГЭП.
Предыдущий опыт
Oshkosh является одним из участников программы JLTV и как в компании пояснили, в прототипе L-ATV (Light Combat Tactical All-Terrain Vehicle) будет использован весь ее богатый опыт работы в области дизель-электрических систем.
«Опциональный гибридный дизель-электрический силовой привод Oshkosh ProPulse был разработан, установлен и испытан на нашем L-ATV», – заявили в компании.
Исходя из повышенного конкурентного давления, связанного с программой JLTV, в компании Oshkosh отказались сказать, будет ли L-ATV иметь ГЭП, но подтвердили, что в опытном автомобиле JLTV был установлена электроэнергетическая установка «обеспечивающая энергоснабжение бортовых систем и внешних потребителей».
Энергия для внешнего потребления, генерируемая целым парком машин, повышает перспективы тактических энергосетей (энергомикросетей), которые мобильны в той же степени, что и наземные силы, которых они поддерживают. Они позволяют снизить зависимость от жидкого топлива и перезаряжать аккумуляторы, от которых в настоящее время так много зависит.
Научно-исследовательский центр электроники и средств связи американской армии уже начал программу Tactical Power Generation по изучению этой идеи, а во время технологической демонстрации энергетических концепций экспедиционных сил, проведенной в июне, были показаны готовые решения с целью соответствия будущим потребностям в гибридном транспортном средстве и аккумуляторах.
Связанные технологии
К сожалению, темпы внедрения технологий электрического привода до сих пор связаны со скоростью разработки тактической машины, здесь существует прочная взаимосвязь. Производство JLTV, например, начнется не ранее 2018 года с производственным циклом продолжительностью до 2030-х годов. В краткосрочной перспективе более сильным претендентом на развертывание электрического привода и экспорта энергии являются наземные беспилотные машины и сверхлегкие автомобили.
К примеру, грузовые транспортеры-роботы Carry-all Modular Equipment Landrover от компании Northrop Grumman и Multi-purpose Unmanned Tactical Transport от компании General Dynamics Land Systems (GDLS), испытанные морской пехотой в 2014 году, предназначены для сопровождения и поддержки спешенного отделения.
Дизель-электрические силовые установки обеих роботизированных машин способны генерировать не только достаточное количество энергии для собственных ходовых электродвигателей, но и экспортировать 1-2 кВт того, что в GDLS называют «экспедиционной энергией».
Между тем, растет интерес к сверхлегким двух- и трехместным транспортным средствам, здесь открывается рынок тактических машин для таких производителей гибридных/электрических двигателей, как например Millenworks и TomCar. Обе компании используют свои производственные мощности для удовлетворения потребности в транспортируемых по воздуху патрульных автомобилях, чьими основными особенностями являются скорость и маневренность, а также гибридные/электрические приводы, позволяющие получить преимущества касательно бесшумного движения плюс сниженных признаков заметности по теплу и выхлопу.
Энтузиазм касательно легких и быстрых машин также способствовал повышению интереса министерства обороны к электрическим и гибридным мотоциклам. В 2014 году командование силами специальных операций испытало полностью электрический мотоцикл MMX производства компании Zero Motorcycles.
В компании Zero не вдаются в подробности испытаний, но говорят о том, что они еще продолжаются, а также о том, что был проявлен интерес к линейке мотоциклов для полиции и сил безопасности со стороны подразделений военной полиции. В компании также подтвердили то, что она работает с некоторыми зарубежными армиями.
Интерес DARPA
В январе 2015 года DARPA (Агентство перспективных оборонных исследований) предоставило компании Logos Technologies грант на исследование возможности разработки военного варианта гибридного внедорожного мотоцикла SilentHawk.
Руководитель программы по SilentHawk Эрик Бэлл пояснил: «Поскольку такие системы, как например автомобили или квадроциклы, сложно доставлять в больших количествах по воздуху на вражескую территорию, бесшумный, внедорожный мотоцикл с большой продолжительностью работы мог бы стать решением в некоторых случаях и, кроме того, войти на равных с другими транспортными средствами в развивающуюся концепцию боевых действий».
«Внедорожные мотоциклы обеспечивают мобильность на экстремальной местности, например лес без троп, узкие горные тропы и скалистые ландшафты, позволяя военным преодолевать всё это и достигать врага почти в любых условиях».
«Преимущества гибридного привода SilentHawk, – продолжил Бэлл, – заключаются в отделении компонентов, связанных с топливом – двигателя, топливных баков и системы охлаждения – от основных электрических частей».
«Вся гибридная система за исключением аккумулятора снимается с мотоцикла, остается только электрический мотоцикл, полностью функциональный, с высокими характеристиками, имеющий интегрированный электропривод с жидкостным охлаждением, – добавил он. – Мы оцениваем военное использование этих возможностей на ближних дистанциях, где мотоциклист может обменять вес гибридной системы на дополнительное снаряжение, в котором он может нуждаться во время выполнения боевой задачи».
Также доступна энергия для внешних потребителей. Бэлл пояснил: «Мы планируем создать такой мотоцикла, который позволял бы операторам перезаряжать различные устройства от своей энергосистемы. Мы проектируем SilentHawk с несколькими силовыми разъемами, способными удовлетворить потребности в дополнительной мощности 500 Вт».
Электрические приводы и электроэнергия для внешних потребителей открывают перед высокомобильными силами, зависящими от стабильного источника энергии, широкие перспективы. Технологии уже имеются, но до тех пор, пока кто-нибудь не осмелится встроить их в концепцию боевых операций и применить на деле, революция в тактике действий наземных сил так и будет оставаться на стадии «поживем-увидим».
Использованы материалы:
www.shephardmedia.com
www.oshkosh.com
www2.l-3com.com
www.generaldynamics.com
www.baesystems.com
www.zeromotorcycles.com
www.darpa.mil
Информация