Держать мощность: задачи военного двигателестроения
Морские пехотинцы после устранения течи масла устанавливают двигатель Caterpillar C7 на машину Stryker
Недавние конфликты, потребовавшие более существенной защиты бронированных машин, как и появление более эффективных, но более тяжелых бортовых систем, оказали прямое влияние на производство двигателей. Стоит взглянуть на то, как некоторые производители отвечают на подобные запросы.
Режимы работы двигателей военных машин существенно отличаются от режимов работы их коммерческих аналогов. Последние, как правило, используются более часто, поскольку такие транспортные средства, как например автомобиль или автобус, ежедневно используются своими владельцами, порой многие часы подряд, многократно останавливаясь и трогаясь с места в городах или монотонно двигаясь по автомагистралям.
Военные транспортные средства, особенно такие тяжелые категории как танки, самоходные гаубицы и более крупные БМП и БТР, используются только на учениях или при развертывании и поэтому им необходимы резкое увеличение скорости и хорошая внедорожная проходимость по пересеченной местности или пескам, что требует существенно большей мощности.
Военные двигатели также должны иметь способность работать на уклонах, запускаться без предварительного подогрева и работать на альтернативном топливе. Им также необходимы специальные системы фильтрации воздуха, прошедшие жесткие испытания, которые позволяли бы двигателям работать в любой пустыне мира.
Еще одно специфическое военное требование заключается в повышении радиационной стойкости с целью защиты электроники от атомного взрыва, что было известным требованием Холодной войны, когда предполагалось, что войсковые соединения бронированных машин смогут пережить атаку и продолжат сражаться в постядерном пространстве.
Проблемы с мобильностью
Сегодня самый неотложный вопрос – это мобильность, поскольку за последние годы вследствие установки дополнительных систем защиты, оборудования и сенсоров значительно увеличилась масса тяжелых боевых бронированных машин (ББМ). Как результат, требования к военным двигателям предусматривают определенную удельную мощность или число лошадиных сил на тонну. По оценке коммерческого директора компании Cummins (известный производитель дизельных двигателей) Найджела Чизмана, в общем и целом, необходимы примерно 25 л.с. на тонну.
«Производители машин будут выбирать двигатель на основе требований к крутящему моменту и мощности, и это не обязательно самый большой двигатель из имеющихся, – тоннаж машины будет соответствовать потребности в мощности и тогда они [производители], отталкиваясь от этого, смогут сделать выбор необходимого двигателя».
Впрочем, чем большую мощность генерирует двигатель, тем он дороже и поэтому производители машин наряду с мощностью ни на мгновение не забывают об экономической эффективности.
Чизман сказал, что есть два пути повышения мощности: повторная регулировка существующих двигателей и установка нового двигателя.
«Как правило, производители брали стандартный двигатель, но в настоящее время машины имеет большую грузоподъемность и поэтому им необходима большая мощность. Но, понятно, что военным хотелось бы оставить этот же двигатель, поскольку это сводит установку и технические расходы к минимуму. Все железо и установка остаются такими же, но электроника или программное обеспечение в двигателе меняются с целью получения большей мощности», – сказал он.
«Всё заключается в разных условиях работы в типичной гражданской автомобильной среде и в военных условиях. Военное оборудование используется существенно реже, то есть позволяет нам сдвигать барьеры или какие-то технические ограничения. Если двигатель не работает на полную мощность продолжительное время, тогда вы сможете улучшить в двигателе определенные параметры».
«Что нам необходимо сделать, так это создать новую кривую крутящего момента, которая программируется электронным способом. Регулировка – это по существу кривая крутящего момента. Инженеры в основном проводят регулировку для того, чтобы получить больше мощности; она базируется на рабочих циклах военной транспортной системы и инструментах анализа, которые мы используем. В общем, уже есть достаточный потенциал доработки двигателя».
Модернизация БМП WARRIOR
За последнее десятилетие масса гусеничной БМП Warrior британской армии значительно повысилась, и в связи с этим остро встал вопрос о модернизации этой машины. Силовой блок Warrior пока не был модернизирован и компания Caterpillar работает совместно с британским министерством обороны над этим. На данный момент на БМП Warrior установлен восьмицилиндровый двигатель мощностью 550 л.с.
Трансмиссия – это механическая система и. как следствие. склонна к блокировке, поэтому существуют планы по внедрению интегрированного контроллера и других усовершенствований для водителя. Может быть установлена общая топливная магистраль с электронным управлением, но это более сложная работа. Впрочем, и топливные насосы приближаются к окончанию своего срока службы, а их замена будет стоить десятки тысяч фунтов стерлингов. Кроме того, есть проблемы и с моральным старением системы пожаротушения.
Системе охлаждения также необходима модернизация; переход от старой, не эффективной медной системы к алюминиевой сможет повысить эффективность на 15-20%.
Как и модернизация американской Bradley, модернизация БМП Warrior должна быть нейтральной, то есть для самой машины изменений не должно быть или они должны быть минимальными. Для того чтобы повысить мощность, будут внедрены усовершенствованные топливный насос и турбокомпрессор; в этом случае мощность повысится на 100 л.с. по сравнению с тем, что есть сейчас. Это позволит вернуть платформу после увеличения массы (с 25 тонн до более чем 30 тонн) к ее первоначальным характеристикам подвижности.
Выхлопная система получит дополнительную защиту, например теплоизоляцию со снижением количества «горячих мест», что поможет сохранить тепловую эффективность. Система охлаждения также дорабатывается, компания Caterpillar изготавливает опытные силовые блоки для испытаний в рамках программы WSCP (Warrior Capability Sustainment Programme – программа поддержания возможностей БМП Warrior). Эти испытания будут идти весь 2016 год, прежде чем будет принято окончательное решение.
Также намечено реализовать программу по продлению срока службы ОБТ Challenger 2 британской армии с целью возвращения его оригинальных уровней подвижности. Работы по программе WSCP войдут в программу продления срока службы танка Challenger 2, которая еще должна начаться. Как ожидается, в ее рамках будет проведена установка общей топливной магистрали, направленная на борьбу с моральным старением топливного насоса и на сокращение потребления топлива, будет повышена мощность 12-цилиндрового двигателя, улучшены выхлопная система, холодный запуск и т.д.
Обновление старичков
Не редки случаи эксплуатации машин довольно длительное время, тридцать, сорок и более лет. Здесь возникает потребность в восстановлении или в капитальном ремонте, в рамках которого обязательно встанет вопрос, что делать с двигателем. В этом случае существующий двигатель может либо пройти полное восстановление, либо может быть установлен новый. На некоторых более старых машинах замена двигателей невозможна, поскольку они более уже не изготавливаются.
Чизман сказал, что подобный двигатель может быть предоставлен, «маловероятно, что он будет таким же с точки зрения установки, но он может быть как можно ближе к оригинальному, с минимальными изменениями в установке. В этом случае может понадобиться некоторая дополнительная система трубопроводов или дополнительные кронштейны или места подсоединений, но он должен устанавливаться в машину с минимальными техническими изменениями».
Кроме регулировки двигателя. возможно изменение «железа» с целью получения большей мощности. и это достигается главным образом за счет модификации турбонагнетателя и модернизации системы трубопроводов, патрубков, штуцеров выхлопного отверстия и другого второстепенных деталей.
«Еще одной системой, которая нуждается в доработке, является система фильтрации, – продолжил Чизман. – Поскольку военные модели Cummins - это, прежде всего, работа на топливе JP-8... то мы должны обеспечить определенный уровень фильтрации».
«Мы могли бы изменить систему фильтрации двигателя, чтобы справиться с серой в топливе и позволить двигателю работать на JP-8. Это вопрос доступности, так как машины зачастую паркуются в авиационных ангарах или возле самолетов, где есть топливо JP-8, поэтому необходимо также, чтобы машины могли на нем работать».
Двигатель серии MTU 890 устанавливается на БМП Puma немецкой армии
Большой бизнес
БМП являются значительной частью бизнеса компании Cummins, в частности это касается двигателей ISBe 6.7l и ISL 9l (185-450 л.с.).
В компании сообщили, что «двигатель 6.7l популярен на автомобильном и строительном рынках, но это один из тех основных двигателей, который мы переделали для военного применения. На большинстве ББМ с двигателями Cummins стоит либо двигатель ISBe 6.7l, либо ISL 9l. Первый из них доступен мощностью до 360 л.с.»
«Модернизация компонентов двигателя позволяет нам соответствовать военным требованиям, например, это регулировка фильтров под военное топливо. В некоторых случаях мы смогли упростить технологию двигателей и исключить рециркуляцию выхлопных газов.
Компания Cummins предлагает также свой двигатель V903 (525-675 л.с.) объемом 14,8 литров, который с 80-х годов устанавливался на БМП Bradley британской армии. Предпочтительная модель бизнеса для компании заключается в том, чтобы предлагать скорее повышение характеристик существующих двигателей, а не выполнять дорогостоящую процедуру их замены.
Идея, стоящая в основе подобной стратегии, состоит в том, что слесари и механики в полевых условиях продолжают работать с двигателями, с которыми они знакомы, поэтому в этом случае требуется меньший объем обучения, кроме того, снабжение запчастями и инструментами также уже отлажено. За более чем тридцатилетний срок эксплуатации машины это позволит значительно сэкономить. Компания Cummins постоянно предлагает модернизации своих изделий, не обошел этот процесс и двигатель V903. С целью соответствия требованиям повышения мощности он получил дополнительные компоненты электронной регулировки, доработанную топливную систему и несколько вариантов турбонаддува.
Еще один всемирно известный производитель двигателей, компания MTU, не рассматривает двигатель в качестве отдельного продукта. Ее концепция заключается в поставке двигателя как части целого движительного комплекса (или силового блока), который включает трансмиссию, охлаждение, фильтрацию воздуха, систему выхлопа. По сути, изготовитель машины, используя несколько быстроразъемных соединений, должен просто соединить силовой блок с топливом, охлаждающей жидкостью, маслом и электропроводкой и затем машина уже может двигаться.
Компания MTU разработала двигатели для различных машин тяжелой категории по массе, а это 55 тонн и более. К ним можно отнести ОБТ, самоходные гаубицы и крупные БМП. Боевые машины, весящие менее 20-40 тонн, относятся к средней категории по массе.
Модернизации двигателя V903
Хотя на боевой машине Bradley американской армии установлен двигатель Cummins V903, моторно-трансмиссионное отделение у нее относительно небольшое. Это означает, что имеется относительно мало возможностей для изменения компонентов двигателя или замены его на двигатель большего размера.
Следовательно, для того. чтобы получить необходимую мощность, были проведены некоторые модернизации в существующем объеме; это коснулось системы охлаждения и других компонентов.
Компания Cummins подняла мощность двигателя VTA903E с 600 и 660 л.с. до стандартной мощности 675 л.с. (получил обозначение VTA903E-T675) с использованием компонентов от второго варианта.
Эта модернизация была впервые реализована в программе по самоходной гаубице M109A7, но насколько это возможно он идентичен предыдущему варианту двигателя гаубицы M109. Доработанный двигатель VTA903E-T675 также намечен для установки на модернизированный вариант БМП Bradley ECP2.
Нынешние машины, на которые устанавливается двигатель V903:
• бронированная землеройная машина M9ACE (Armored Combat Earthmover) мощностью 295 л.с.;
• десантно-гусеничная машина-амфибия Amphibious Assault Vehicle (AAV7A1) мощностью 400 л.с.;
• десантно-гусеничная машина-амфибия Amphibious Assault Vehicle (AAV7A1 RAM/RS) мощностью 525 л.с.;
• РСЗО M270 мощностью 500 л.с.;
• РСЗО M270 мощностью 600 л.с.;
• РСЗО M270A1 мощностью 600 л.с. с регулированием подачи топлива Centry;
• БМП Bradley M2A2 мощностью 600 л.с.;
• Разведывательная машина Bradley M3A2 мощностью 600 л.с.;
• БМП Bradley M2A3 мощностью 600 л.с.;
• Разведывательная машина Bradley M3A3 мощностью 600 л.с.;
• самоходная 155-мм гаубица AS90 мощностью 660 л.с.; и
• самоходная 155-мм гаубица Paladin Improved Management мощностью 675 л.с.
Тяжелая категория
Глава департамента продаж в компании MTU Джованни Спадаро сказал, что в тяжелой категории на рынке работают всего несколько компаний, которые могут предоставить подходящие двигатели.
«Ситуация с нынешним парком ОБТ такова, что при разработке и изготовлении каждого танка ему предназначался свой уникальный двигатель местной разработки, но эти двигатели никогда не ставились на другие машины в больших количествах», – пояснил он.
Впрочем, немецкий танк Leopard 2 экспортировался в больших масштабах с установленным силовым блоком от MTU на базе серии 870. Хотя продолжаются разработки местных двигателей, в частности на Ближнем Востоке и Восточной Азии, они скорее стимулируются политическим желанием быть независимым в военной технике, а не чисто экономическими причинами и здесь господин Спадаро неуверен, закончится ли это продвижением на зарубежные рынки.
«Тяжелым гусеничным машинам наподобие ОБТ или гаубиц необходимо больше мощности, поэтому им необходимы специальные двигатели военного типа, как например наши двигатели MTU серий 870, 880 или 890», – сказал он.
Что касается колесных машин, то они существенно отличаются тем, что имеют ограничение по массе, связанное с колесной конфигурацией (примерно 35 тонн) и поэтому требования к максимальной выходной мощности составляют примерно 800 л.с. По этой причине на колесные машины, как правило, устанавливаются модификации двигателей грузовых автомобилей.
Двигатель MTU серии 199 представляет собой готовое коммерческие решение военного исполнения, соответствующее этим требованиям. Спадаро заметил, что его компания никогда не прекращала инвестировать в перспективные разработки. В результате появился двигатель серии 880, который в настоящее время установлен на экспортном варианте французского танка Leclerc, корейской гаубицы K9 Thunder и немецкой самоходной гаубице PzH2000.
Нельзя сравнивать?
Рассказывая о новых разработках, Спадаро с полной уверенностью заявил, что серия 880 является «самым современным двигателем для тяжелых танков в мире» и что здесь нет сопоставимого продукта.
Серия 880 была в дальнейшем доработана за счет интеграции системы впрыска топлива с общей топливной рампой, дающей возможность использовать различную электронику для впрыска, что поднимает КПД двигателя, ведет к меньшему расходу топлива и позволяет более гибко регулировать двигатель.
Впрочем, Спадаро видит тенденцию уменьшения размеров двигателей для будущих машин. С целью соответствия этому компания MTU разработала серию 890, которую он назвал не просто эволюцией, а «революцией» касательно массогабаритных и энергопотребительских характеристик двигателя. Двигатель 890 устанавливается на БМП Puma немецкой армии и имеет практически такую же мощность при существенно меньших размерах, например, если сравнивать с моделями серии 880.
«Мы не просто предоставляем двигатель, а предоставляем комплексную движительную установку, включая трансмиссию, продвинутый стартер-генератор, установленный между двигателем и трансмиссией который вырабатывает 170 кВт мощности, идущей на привод вентиляторов системы охлаждения», – рассказывает Спадаро.
«От объема, который нам был выделен для двигательного отделения, мы заполнили компонентами почти 92%, то есть очень мало воздуха вокруг силовой установки и все плотно упаковано в этом объеме. Он прошел квалификацию и в настоящее время часть машин уже находится в эксплуатации, а часть еще в производстве».
Двигатель 880 доступен в двух конфигурациях, 8 и 12 цилиндров. Первый вырабатывает такую же мощность 1000 л.с., как и десятицилиндровый двигатель 890 немецкой БМП Puma. Что касается размеров силового блока, то двигатель серии 890 занимает примерно 70% от эквивалентного объема силового блока на базе двигателя серии 880.
Что касается скорости вращения двигателей, то 880 работает на 2700-3000 об/мин, а двигатели серии 890 развивают от 3800 до 4250 об/мин. Двигатели серии 890 имеют более интегрированную конструкцию, трубопроводы и масляные насосы уже встроены во внутренний контур самого двигателя.
Среди прочих претендентов двигатели серий 890 и 880 также рассматривались для программы американской армии по боевой наземной машине Ground Combat Vehicle (до того, как она была закрыта). Кроме того, компания MTU не прочь поучаствовать в новой программе по перспективной боевой машине Future Fighting Vehicle.
Электрический привод
Благодаря таким своим характеристикам, как скорость вращения, мощность и размеры, двигатели серии 890 также подходят для электрических двигательных установок.
В системе с механическим приводом мощность, генерируемая дизельным двигателем, через коробку передач механически передается на колеса или гусеницы. В системах с электрическим приводом дизельный двигатель соединяется с генератором, который трансформирует энергию, вырабатываемую двигателем, в электрическую. Эта электрическая энергия используется для приведения в действие одного или более электродвигателей, которые приводят машину в движение, а также могут использоваться для снабжения бортовых потребителей.
Впрочем, Спадаро сказал, что в настоящее спрос на машины с электрическим приводом ограничен: «На наш взгляд сейчас заказчики скорее ищут варианты с меньшим риском из-за ограничений времени и бюджета. Традиционно военный бизнес всегда был движущей силой в новых технологиях. Поэтому я считаю, что это просто период, который нам необходимо пройти в связи с финансовыми трудностями».
Компания предлагает комплектные силовые блоки на базе серий 890, 880 и 199. MTU EuroPowerPack, базирующийся на серии 880, представляет собой заднеприводную систему для прототипа турецкого танка Altay, в которой объединены двигатель MT 883 с трансмиссией Renk HSWL 295 TM.
Для средней категории компания способна также предоставить комплектные двигательные системы. Впрочем, также не исключается и такой вариант: изготовитель машины получает только двигатель и систему охлаждения от компании MTU и сам изготавливает остальные компоненты или получает их от другого поставщика.
Компания MTU также разрабатывает для особых военных задач и другие двигатели. Совсем свежий пример: для британской разведывательной машины Ajax (бывшая Scout SV) был выбран двигатель серии 199. За основу этого двигателя взят двигатель для грузового автомобиля, который был доработан компанией MTU под военные стандарты.
Совершенствование компонентов
Компания Honeywell поставляет газотурбинный двигатель AGT1500 для танков M1 Abrams американской армии. Он, после немецкого танка Leopard, является одним из самых успешных западных танков на экспортном рынке. По данным компании, двигатель AGT1500 устанавливается на танки Abrams с 1979 года, на которых и прошел в общей сложности более 40 миллионов миль. В компании также добавили, что в рамках недавней программы модернизации силовой установки TIGER (Total Integrated Engine Revitalization), целью которой было сокращение эксплуатационных расходов, была достигнута экономия топлива 13% по сравнению с предыдущим вариантом двигателя.
В компании постоянно работают над совершенствованием двигателей, повышая их эффективность и мощность и уменьшая размеры и массу. Представитель компании сообщил, что это достигается за счет «современных жаропрочных материалов, меньших зазоров, улучшенной аэродинамики и совершенствования вспомогательных схем охлаждения».
Эффективность может быть достигнута за счет совершенствования системы впрыска топлива, где может принести награду правильное соотношение химических веществ в камере сгорания. Также он сказал, что оптимизация топливовоздушной смеси может быть достигнута за счет улучшенных методов распыления топлива, улучшенных конструкций камеры сгорания и улучшенных схем ее охлаждения.
Компания подтвердила, что поскольку военные машины эксплуатируются в неблагоприятных внешних условиях, фильтрация воздуха представляет собой «значительную проблему».
По словам представителя компании: «Правильное обслуживание системы воздушной фильтрации обязательно для того, чтобы гарантировать, что двигатель не страдает от всасывания песка и пыли. Все места сопряжения двигателя с «внешним миром», включая всасывание и выхлоп, систему охлаждения, топливную систему, органы управления, подачу электроэнергии, стартеры и фильтрацию воздуха, должны быть упакованы в единый блок с целью обеспечения надлежащей работы двигателя и его максимальной эффективности. Для газотурбинных двигателей используются современные компьютерные инструменты гидрогазодинамики с целью сокращения потерь на входе и выходе и улучшения схем внутреннего и внешнего охлаждения».
В октябре 2015 года компания Honeywell получила контракт стоимостью 20 миллионов долларов от американской армии в рамках программы TIGER на продолжение поставки запчастей для двигателя AGT 1500
Основные усовершенствования
Компания MTU берет за основу двигатель, добавляет турбонагнетатели для повышения мощности, вводит смазку при сухом картере и другие модификации, чтобы сделать двигатель соответствующим готовому изделию военного назначения. Подобную схему компания реализовала на новой машине Ajax, базой которой является машина ASCOD компании General Dynamics, состоящая на вооружении Испании и Австрии. Двигатель 6V 199 также устанавливается на колесную машину GD Piranha V, которую Дания выбрала в апреле 2015 года.
Двигатели компании Caterpillar устанавливаются на машины Stryker американской армии и тактические автомобили и грузовики, а также на тактические машины корпуса морской пехоты, что в общей сложности составляет до 95% всего парка колесных машин вооруженных сил США. Также двигатели этой компании устанавливаются на бронированные машины британской армии.
Компания устанавливает свой дизельный двигатель C9.3 на новую машину Terrex 2 8x8 производства Singapore Technologies Kinetics (Terrex 1 имеет двигатель мощностью 450 л.с.) и предлагает двигатель C9.3 для программы ACV1.1 корпуса морской пехоты. Он имеет два уровня мощности (600 л.с. для боевых порядков и 525 л.с. в остальных случаях), между которыми может переключаться водитель.
По словам представителя компании Honeywell, при установке двигателя на машину очень важно тесное сотрудничество между поставщиком двигателя и изготовителем платформы.
«Решения заключаются в оптимизации системы впуска и выхлопа, интеграции системы управления и интеграции с трансмиссией. Каждая машина имеет свои уникальные особенности касательно интеграции двигателя».
В компании также отметили, что помимо обеспечения правильной интеграции всех компонентов в двигателе, ремонтные мастерские должны иметь все необходимые запасные части для поддержания работоспособности и готовности любой машины. В октябре 2015 года компания Honeywell получила контракт стоимостью 20 миллионов долларов от американской армии в рамках контракта TIGER на продолжение поставки запчастей для двигателя AGT 1500.
В компании с оптимизмом глядят в будущее и считают, что рынок военных двигателей держится на плаву, несмотря на финансовые трудности. «Хотя военные бюджеты для текущих и новых разработок ограничены, тяжелые бронированные машины останутся составной частью вооруженных еще на десятилетия вперед. Помимо новых проектов до сих пор имеется огромное количество тяжелых бронированных машин по всему миру, которым необходимы новые модернизации и капитальные ремонты. Финансирование новых программ разработки будет ограниченным, что, как следствие, выведет на первый план модернизацию существующих машин и систем».
Использованы материалы:
www.shephardmedia.com
www.cummins.com
www.mtu-online.com
www.honeywell.com
www.cat.com
www.wikipedia.org
Информация