Мобильность на кону: победа «гибридов» пока под сомнением
БМП «Пума» немецкой армии необходим силовой блок, который мог бы предложить большую мощность, умещенную в ограниченном объеме. MTU 10V 890 соответствует этому требованию, обеспечивая исключительную удельную мощность
Превосходная мобильность в самых сложных условиях является первостепенной характеристикой всех военных транспортных средств. Впрочем, добиться этого для бронированных машин гораздо сложнее, но крайне важно для того, чтобы они успешно могли выполнять свои задачи.
Мобильность очень важна для бронемашин, но при этом она конкурирует с другими важнейшими характеристиками, такими как, например, обеспечение живучести машины и экипажа. И здесь это требование может легко вступить в противоречие с требованием по сохранению подвижности. Однако, понятно, что солдатам, чья безопасность зависит от подобных машин, необходимы повышенная внедорожная проходимость, быстрое ускорение и более высокая скорость, и всё это без негативного влияния на живучесть. Такие потребности заставляют разрабатывать новые силовые блоки и системы ходовой части с целью поиска оптимальных решений, способных удовлетворить этим зачастую противоречивым требованиям. Впрочем, чтобы соответствовать им, необходимо сочетание и баланс ряда конструктивных параметров. К ним можно отнести характеристики системы подвески, от которой напрямую зависит качество движения, опорная поверхность гусениц или колес, которая определяет давление на грунт, дорожный просвет транспортного средства и выходная мощность двигателя. Считается, что последняя характеристика является самой важной и ее сложнее всего достичь. Это связано с тем, что даже в вопросе генерирования и распределения мощности двигателя конструктору необходимо идти на компромиссы, порой даже наступая на горло собственной песне. Повышение мощности в бронированной машине ограничивают такие факторы, как объем двигательного отсека, необходимость сохранения запаса хода, ограничения по массе и необходимость обеспечения потребности в электроэнергии бортовых систем, например, коммуникационной аппаратуры, навигационных систем, сенсоров и систем активной и пассивной защиты.
Крайне необходима эффективная защита от современных меняющихся угроз, особенно тех, что предъявляют самые большие требования к силовому блоку и ходовой части машины. Защита почти неизбежно означает броню, а броня добавляет массу. Возникает противоречие, которое заставляет идти на неудобные компромиссы: по мере повышения уровня угроз необходимо также повышение уровня защиты. Повышение уровня защиты, как правило, транслируется в потребность в дополнительной броне, а дополнительное бронирование может способствовать повышению массы машины. Сохранение или улучшение ходовых характеристик бронемашины неизбежно влечет за собой повышение мощности двигателя и КПД соединенных с ним трансмиссии и силовых приводов. Впрочем, масса машины также обуславливается ее размерами: чем крупнее машина и площадь поверхности, которая должна быть бронирована, тем тяжелее она становится. Таким образом, новый силовой агрегат (двигатель с трансмиссией и приводами) должен быть не только более мощным, но он должен, по меньшей мере, вписываться в отведенный объем или, что предпочтительно, иметь меньший общий объем. Этот критерий, прежде всего, абсолютен для силовых блоков, предназначенных для модернизации существующих бронемашин, но также крайне желателен и для новых платформ.
Бронемашины, например, этот ОБТ Leopard 2A, предъявляют особые требования к разработчикам двигателей и трансмиссий. Им необходима большая мощность, вписывающая в минимально возможный объем
Общепринятой величиной уровня подвижности, обеспечиваемого бронированной машиной, является так называемая удельная мощность или отношение мощности (чаще всего в лошадиных силах) к массе транспортного средства. Это соотношение, хотя и не учитывает все возможные факторы, которые определяют подвижность, представляет собой подходящий, хотя и грубый критерий, и полезно как в качестве проектного параметра, так и в качестве инструмента сравнения различных машин. Как правило, чем больше удельная мощность, например, в л.с. на тонну, тем лучше общие ходовые характеристики, которые машина покажет. Несмотря на тот факт, что при оценке машины зачастую в расчет принимается ее максимальная скорость, для боевой машины ускорение или приёмистость двигателя (способность быстро и плавно переходить с режима устойчивой работы при минимальной мощности на режим максимальной мощности) может быть на самом деле гораздо более важной характеристикой. Часто упускаемая в характеристиках транспортного средства способность быстро ускоряться и быстро перемещаться в безопасное место в ответ на атакующие действия просто бесценна. Она напрямую влияет на живучесть машины и ее экипажа. Таким образом, доступная мощность способствует не только повышению подвижности, но также и живучести, особенно когда используется в комбинации с мерами самозащиты, включая датчики определения выстрела и лазерного облучения, а также пассивные и активные меры противодействия.
В силовом блоке для бронированной машины крайне важно достичь необходимой выходной мощности в наименьшем объеме. Ключевым фактором, способствующим повышению массы машины, является площадь поверхности, которую необходимо бронировать
Мощность в малом
Несмотря на отдельные случаи использования газотурбинных двигателей, как например, в семействе основных боевых танков (ОБТ) М1 Abrams производства General Dynamics, самым популярным двигателем для бронированных машин продолжает оставаться дизельный двигатель или точнее многотопливный дизель. Одним из лидеров в сфере производства силовых блоков является немецкая компания MTU. Ее интегрированный подход заключается в том, что в единый «силовой агрегат» входят не только двигатель, трансмиссия и силовые приводы, но также подсистемы снабжения воздухом и его фильтрации, охлаждения, генерирования электроэнергии и другие. Каждая из составляющих силового блока тщательно прорабатывается и компонуется с целью получения наиболее компактного и эффективного решения. В компании MTU признают, для разработчика и интегратора боевых машин отношение мощности к объему является критически важным фактором. Джованни Спадаро, руководитель департамента по работе с госпредприятиями в компании MTU, пояснил, что для них «интеграция всех компонентов в единую систему имеет очень большое значение, мы неустанно развиваем свою философию симбиотической разработки всех частей разрабатываемого решения. Для нас это означает, что буквально всё, архитектура, концепция, программное обеспечение и все параметры, направлено на повышение характеристик финального комплектного силового блока». Влияние подобного подхода на конечную платформу огромно, учитывая тесное сотрудничество с такими крупными головными производителями военных машин, как например, Krause-Mafei Wegmann (KMW), Nexter, BAE Systems и General Dynamics. Представитель компании General Dynamics Land Systems пояснил: «Что касается силового блока, то больше мощности - лучше, меньше размеры - лучше, дешевле - вообще отлично, но при обязательном повышении уровней безопасности, надежности, бесшумности и обслуживаемости».
Компания MTU продемонстрировала, что адаптация и модификация для военных целей коммерческих силовых блоков подходит для легких и средних бронемашин, например, четырехосной боевой бронемашины ARTEC Boxer, в которой установлен дизельный двигатель MTU 8V199 ТЕ20. Впрочем, для более тяжелых бронемашин и танков необходимы свои двигатели, такие, как например, двигатели серий 880 и 890, разработанные специально для установки в военные тяжелые платформы. Возможности современных силовых блоков продемонстрированы в гусеничной БМП «Пума». Спадаро рассказал, что «силовой блок MTU для машины «Пума» включает коробку передач, стартер/генератор и системы охлаждения и очистки воздуха. Дизельный двигатель MTU 10V 890 известен своей очень высокой удельной мощностью и компактными размерами. По сравнению с другими военными двигателями такого же класса по мощности масса и объем были уменьшены примерно на 60 процентов». Директор департамента специальных двигателей в компании MTU отметил, что «Этот блок более компактен, чем любой другой предыдущий силовой блок». Преимущества двигателей MTU особенно очевидны при установке силовых блоков в машины предыдущих поколений. Ее двигатели из модельного ряда EuroPowerPack французская компания GIAT (сейчас Nexter) использовала при замене двигателей танков Leclerc-EAU для Объединенных Арабских Эмиратов. Двигатели этого семейства также установлены на ОБТ Challenger-2E, при этом был сэкономлен значительный объем при одновременном повышении запаса хода за счет сниженного потребления топлива.
Компания Caterpillar, известная своей тяжелой строительной техникой, стала главным поставщиком двигателей для тактических и бронированных машин. Ее предложения для военных базируются на готовых коммерческих системах, эксплуатирующихся во многих странах мира. Отсюда и значительные преимущества - снижение стоимости, связанное с объемами производства, и доступность технической поддержки. Тем не менее, известны разработки компании и для военного применения, например, двигатель С9.3 с повышенной удельной мощностью 600 л.с. Впрочем, реальная инновация состоит в том, что С9.3 способен менять свою номинальную мощность. С целью соответствия жестким европейским требованиям по выхлопу Euro-III он переключается в режим уменьшенной до 525 л.с. мощности. В компании Caterpillar отмечают, что «Преимущество заключается в том, что пользователь может выбирать режим работы. Возможно достижение максимальных характеристик во время активной эксплуатации в полевых условиях, но во время обучения или при работе в районах с гражданским населением можно перейти в режим контроля выхлопа». Фактически, это «переключение» уходит корнями в технологии, которые компания Caterpillar разработала для коммерческих систем.
Компанию неизменно выбирают для программ замены и модернизации существующих парков бронемашин. Например, в настоящее время ее двигатель CV8 устанавливается на гусеничные БМП Warrior британской армии. Эти работы проводятся по контракту с Lockheed Martin по модернизации машины до стандарта WCSP (Warrior Capability Sustainment Programme - программа продления возможностей БМП Warrior), который позволит продлить эксплуатацию машин до 2040 года. Компания Caterpillar также меняет двигатель бронемашин семейства Stryker американской армии мощностью 350 л.с. на двигатель С9 мощностью 450 л.с. Новый двигатель «вписывается» в объем, который занимал предыдущий двигатель. Эта замена осуществляется в рамках предложения компании General Dynamics о внесении технических изменений ЕСР-1, которое включает генератор на 910 ампер, модернизацию подвески и другие усовершенствования.
«Овоенизированные» двигатели компании Caterpillar базируются на ее модифицированных для особых условий двигателях для тяжелых коммерческих машин. Это позволяет получить преимущества касательно стоимости, материально-технического обеспечения и эксплуатационной готовности. Двигатель С9, входящий в программу модернизации бронемашин Stryker, также широко используется в строительных машинах
Электроприводы
Традиционно мощность от двигателя передается на колеса или гусеницы механическим способом. Электрические приводы заменяют эту физическую связь электродвигателями, размещаемыми в ведущих колесах или звездочках. Энергия для работы этих электродвигателей может быть взята от аккумуляторов, двигателя внутреннего сгорания или от обоих источников сразу. В «гибридном» подходе используется либо дизельный, либо газотурбинный двигатель, который, освободившись от механических соединений, теперь может устанавливаться в любом месте шасси, что дает конструкторам большую свободу при проектировании. Возможна также установка двух двигателей, что и реализовала компания ВАЕ Systems в своей мобильной испытательной установке HED (Hybrid Electric Drive). Представитель ВАЕ Systems Дипак Базаз заметил, что два двигателя HED соединены с генераторами и аккумуляторами, что позволяет работать в разных режимах: в режиме холостого хода работает один двигатель, экономя топливо, два двигателя работают, когда необходима большая мощность, или в режиме бесшумного наблюдения машина работает только от аккумуляторов. Концепция HED реализована на платформе гусеничной AMPV (Armoured Multipurpose Vehicle), но ее планируется сделать масштабируемой и применять на машине любой категории по массе, как колесной, так и гусеничной. Экспериментальная силовая установка HED была доработана фирмой ВАЕ Systems для гибридной концепции компании Northrop Grumman в рамках ее предложения по боевой наземной машине американской армии GCV (Ground Combat Vehicle).
В работе Организации исследования технологий, входящей в структуру НАТО, говорится: «Характеристики гибридных электрических транспортных средств касательно скорости, ускорения, способности преодолевать подъемы и бесшумности превосходят характеристики транспортных средств с механическим приводом... тогда как экономия топлива может составлять от 20 до 30 процентов». Электродвигатели также обеспечивают почти мгновенное ускорение, хорошую приемистость и лучшее тяговое усилие. Последнее напрямую зависит от улучшенного крутящего момента, который присущ электродвигателям. Для боевых машин это означает несколько преимуществ: меньшее время реакции при движении к укрытию, сложнее попасть и лучшая проходимость по пересеченной местности. В установке HED установлены два шестицилиндровых двигателя, специально спроектированная трансмиссия от QinetiQ и литий-ионные аккумуляторы на 600 вольт.
Еще один привлекательный аспект электрического привода заключается в его способности генерировать более эффективные и высокие уровни электрической энергии. Энергетическая установка платформы GCV компаний Northrop Grumman/BAE Systems сможет обеспечить 1100 киловатт, хотя она и существенно меньше и легче по сравнению с традиционными силовыми блоками. Впрочем, поскольку аккумулирование энергии является важной частью гибридного электропривода, несоответствие современных аккумуляторов становится серьезной проблемой. Поэтому в настоящее время для гибридных транспортных средств рассматриваются несколько типов продвинутых аккумуляторов с более высокой плотностью энергии, включая литий-ионные, никель-металлгидридные, никелево-натриево-хлоридные и литий-полимерные. Однако все они пока находятся на этапе отработки технологии и имеют определенные недостатки, которые должны быть решены прежде, чем будут признаны годными для применения в военных приложениях. Еще одним направлением работы, которое необходимо развивать с тем, чтобы гибридные приводы могли массово устанавливаться на бронемашины, является снятие конструктивных ограничений современных тяговых электродвигателей. Хотя и успешно интегрированные в демонстрационные экспериментальные образцы типа HED, эти системы имеют ограничения по размерам, массе и охлаждению. Пока не будут решены эти проблемы, все электрические схемы, несмотря на свои преимущества, так и останутся иллюзией для бронированных машин.
Однако многие научно-исследовательские организации сохраняют интерес к концепции электрического привода. Например, в соответствии с контрактами Управления перспективных оборонных исследований DARPA компания QinetiQ проверит свою концепцию ступичных электродвигателей (мотор-редукторов), установив их для испытаний на экспериментальные ходовые макеты. Многочисленные зубчатые редукторы, дифференциалы и силовые приводы заменят мощные компактные электродвигатели в колесах машины. Возможно, что эту концепцию можно будет реализовать также и на существующих колесных бронемашинах. В действительности, в июне 2017 года компания ВАЕ Systems подписала соглашение с QinetiQ по внедрению технологии нового электропривода в боевые машины. Представитель компании ВАЕ Systems заявил, что это позволит «предложить заказчикам отработанную недорогую технологию, которая повысит возможности нынешних и будущих боевых машин».
ВАЕ Systems в сотрудничестве с компанией QinetiQ разработала и изготовила демонстрационный образец гибридного решения HED для бронемашины на базе шасси AMPV
Будущие вызовы мощности
За последнее десятилетие потребности боевых машин в электрической мощности увеличились в несколько раз. Марк Синьорелли, руководитель направления боевых машин в компании ВАЕ Systems, заметил, что «в будущем в бронемашинах будет все сложнее удовлетворять потребности в электроэнергии». В настоящее время предпринимаются попытки решить эту обостряющуюся проблему. Например, для машин семейства М2 Bradley рассматривается генератор на 300 ампер СЕ Niehof, а для новой платформы AMPV два генератора по 150 ампер. Господин Спадаро из MTU заявил, что «ключевыми факторами, которые влияли и влияют на разработку решений по генерации большей мощности, являются постоянно растущая масса ОБТ и колесных машин (главным образом как следствие требований по повышению уровней защиты) и одновременно потребность в большем количестве электроэнергии для бортовых систем любого типа, будь то электроника, комплексы защиты и комфорт для экипажа, например, продвинутая система кондиционирования». В компании MTU считают, что «они решаются за счет более глубокой интеграции электрических компонентов в силовой блок. Хорошим примером здесь является опять же упомянутый выше силовой блок MTU бронемашины «Пума», в состав которого входит стартер/генератор с номинальной мощностью 170 кВт, подающий ток на два охлаждающих вентилятора, а также компрессор хладагента системы кондиционирования».
Мощность бронемашин напрямую влияет на боевые возможности и живучесть. Основные критерии выживаемости на поле боя следующие: «принять все меры, чтобы не быть замеченным, если замечен, не быть подбитым, если всё же попали, не быть убитым». Первому способствует способность перемещаться туда, где оппонент вас не ожидает. Второе требует быстрого ускорения и хорошей маневренности для поиска укрытия и осложняется способностью вражеского стрелка эффективно захватывать цель на поражение. А третье определяется способностью принять соответствующую пассивную защиту и задействовать пассивные и активные меры противодействия. Однако, каждый из этих критериев может неблагоприятно повлиять на другие. Например, дополнительная броня увеличивает массу и, как следствие, подвижность.
Прогресс в сфере силовых установок для бронемашин, новые двигатели, трансмиссии и силовые приводы, инновационные методы интеграции и компоновки позволяют разработчикам военной техники удовлетворять самые смелые пожелания заказчиков. Многие же усовершенствования, которые мы видим на военных платформах, напрямую взяты из коммерческих проектов: двигатели и бортовые компьютеры, цифровое электронное управление, автоматический контроль состояния систем, электроприводы и аккумулирование энергии и, наконец, практические реализации гибридных решений. Впрочем, вызовы этому хрупкому равновесию заставляют промышленность разрабатывать всё больше инновационных решений.
По материалам сайтов:
www.nationaldefensemagazine.org
www.mtu-online.com
www.gd.com
www.rheinmetall.com
www.cat.com
www.baesystems.com
www.darpa.mil
www.nato.int
www.armorama.com
defesaglobal.wordpress.com
pinterest.com
www.wikipedia.org
Информация