Электрический танк: перспективы применения электродвижения в наземной боевой технике
Гражданская техника
Первые электромобили появились раньше автомобилей с двигателями внутреннего сгорания (ДВС), в 1828 году. В начале XX века электромобили составляли свыше трети всего автопарка США. Однако затем постепенно стали сдавать свои позиции, уступая автомобилям по дальности хода, удобству заправки и другим параметрам.
Может быть реализовано несколько вариантов конструкции электромобилей. Классический электромобиль получает электроэнергию из аккумуляторных батарей, заряжаемых на зарядной станции. Электромобиль с внешним подводом электрической энергии получает электроэнергию от внешних проводников контактным способом или с помощью электромагнитных полей. Для подзарядки аккумуляторных батарей электромобиля может быть установлен ДВС с генератором или же электроэнергия может вырабатываться из жидкого или газообразного топлива напрямую, с помощью каталитических топливных ячеек. Все вышеперечисленные схемы могут комбинироваться в различных вариантах.
Периодически интерес к электромобилям возобновлялся, обычно во время повышения цен на нефтепродукты, но быстро угасал: автомобили с ДВС оставались вне конкуренции. В результате техника с электродвижением получила распространение в сегменте транспорта с внешним подводом электрический энергии: электропоездах, трамваях троллейбусах, в нише складской техники.
В отдельный сегмент можно выделить специальную технику, например, карьерные самосвалы грузоподъёмностью свыше 100 тонн, на которых применяется электромеханическая трансмиссия.
В начале XXI века интерес к электромобилям возобновился на новом уровне. Определяющим фактором стало не подорожание нефтепродуктов, а требование экологических активистов по уменьшению вредных выбросов. Производителем, максимально оседлавшим «экологическую волну», стала американская компания Tesla обожаемого (ненавидимого) многими Илона Маска.
Но кто и как бы ни относился к Илону Маску, нельзя отрицать того, что компанией Tesla проделана огромная работа: создан фактически отдельный сегмент авторынка, электромобили стали направлением, в которое автогиганты стали активно вкладывать средства. Если в каком-то направлении активно ведутся разработки, то результат рано или поздно будет достигнут. Появятся новые аккумуляторы с увеличенной ёмкостью, высокой скоростью зарядки и расширенным температурным диапазоном применения, более эффективные и компактные электродвигатели, с интегрированными коробками передач, которые могут быть размещены в мотор колёсах с малой неподрессоренной массой и другие разработки.
Можно не сомневаться, что в обозримой перспективе электромобили практически вытеснят автомобили с ДВС, причём не по экологическим причинам, а по причине общего технического превосходства электромобилей.
Военная техника
В 1917 году французская компания FAMH выпустила 400 танков «Saint Chamond» с электротрансмиссией «Crochat Collendeau», в которой бензиновый двигатель «Панар» соединялся непосредственно с электрогенератором, который питал током два электромотора, каждый из которых соединялся с ведущим колесом и гусеничным движителем. Также в 1917 году в Великобритании прошел испытания танк с электрическими трансмиссиями компаний «Даймлер» и «Бритиш вестингхауз».
К более поздним примерам можно отнести немецкую тяжёлую самоходную артиллерийскую установку (САУ) «Фердинанд» («Элефант») массой 65 тонн. Силовая установка «Фердинанда» включала два V-образных 12-цилиндровых карбюраторных двигателя водяного охлаждения «Майбах» HL 120 TRM мощностью по 265 л. с., два электрогенератора Siemens-Schuckert Typ aGV напряжением 365 вольт и два тяговых электродвигателя Siemens-Schuckert D149aAC мощностью по 230 кВт, расположенных в корме корпуса, которые приводили в действие каждый своё колесо через понижающий редуктор, выполненный по планетарной схеме.
При относительной новизне «Фердинанда» существует не так уж много нареканий на её работу. В качестве таковых можно отметить большую сложность и стоимость по сравнению с силовыми установками классической конструкции, а также необходимость использования значительного количества дефицитной у Германии меди.
Помимо САУ «Фердинанд», применение электродвижения рассматривалось и в немецком сверхтяжёлом танке 188-тонном танке «Maus» («Мышонок»).
Примерно в тот же период в СССР на базе танка КВ-1 был разработан экспериментальный тяжелый танк ЭКВ с электромеханической силовой установкой. Технический проект танка ЭКВ был разработан в сентябре 1941 года, а в 1944 году опытный образец танка ЭКВ вышел на испытания. Предполагалось, что применение электромеханической трансмиссии на танке позволит уменьшить расход топлива, улучшить маневренность и динамические характеристики танка.
В состав электромеханической трансмиссии танка ЭКВ входил стартер-генератор ДК-502Б, соединенный с дизелем В-2К, и два тяговых электродвигателя ДК-301В, с двумя бортовыми редукторами и аппаратурой управления.
По результатам испытаний конструкцию танка ЭКВ признали неудовлетворительной, работы по проекту были свёрнуты.
Проекты «электрических» танков велись в Британии, США, СССР, Германии и Франции, а также в других странах на всём протяжении XX века. Тем не менее на текущий момент максимальное развитие получили танки и бронемашины традиционной компоновки.
Преимущества и перспективы
Почему же постоянно происходит возврат к вопросу обеспечения электродвижения наземных боевых машин, несмотря на большое число закрытых экспериментальных проектов?
С одной стороны, идёт развитие технологий, применение которых в системах электродвижения позволяет рассчитывать на получение положительных результатов, недостижимых ранее. Разрабатываются электродвигатели на постоянных магнитах и асинхронные электродвигатели, генераторы электрического тока с высоким КПД, системы распределения энергии, аккумуляторы, обеспечивающие возможность быстрой зарядки и многое другое.
В последнее время речь идёт уже не только о наземной технике с электродвижением, но и о создании полностью электрических самолётов вплоть до достаточно крупных пассажирских моделей.
С другой стороны, всё более востребованными являются преимущества, которые может предоставить электродвижение наземной боевой технике:
— возможность гибкой компоновки боевой машины из-за отсутствия в электротрансмиссии агрегатов с жёсткой механической связью, обеспечиваемой валами;
— повышенная живучесть боевой техники из-за возможности резервирования компонент электротрансмиссии;
— возможность отказа от пожароопасных гидравлических приводов в пользу электрических;
— возможность движения боевой техники на ограниченных отрезках пути в режиме максимальной маскировки, с минимальной демаскировкой по звуковым и тепловым признакам;
— возможность рекуперации электроэнергии при торможении;
— лучшие динамические характеристики и параметры проходимости бронетехники, оснащённой электротрансмиссией;
— большую простоту управления бронетехникой с электродвижением;
— возможность обеспечения достаточным количеством электроэнергии всё возрастающего количества оборудования, сенсоров, перспективных образцов вооружений.
Рассмотрим эти преимущества поподробнее. Основной источник энергии — дизель или газовая турбина, в машинах с электротрансмиссией будут иметь больший ресурс и экономичность за счёт того, что изначально могут быть выбраны оптимальные обороты двигателя, при которых он будет иметь минимальный износ и максимальную топливную эффективность. Повышенные нагрузки при разгоне и энергичном маневрировании будут компенсироваться буферными аккумуляторными батареями.
К примеру, в комплексе с генератором может быть установлена высокооборотная газовая турбина, которая будет работать в режиме «включена/выключена» для подзарядки буферных аккумуляторных батарей, без изменения частоты вращения.
В электротрансмиссии отсутствует необходимость установки громоздких валов и редукторов. Механическая связь в электротрансмиссии имеется только в парах двигатель-электрогенератор и электродвигатель-колесо, но эти блоки могут быть выполнены в виде единого агрегата. Соединение остальных агрегатов осуществляется гибкими кабелями.
В отличие от механических связей, электрические соединения могут быть многократно резервированы. К примеру, на этапе компоновки корпуса могут быть заложены защищённые кабель-каналы, в которых будет размещаться универсальная шина питания и передачи данных, включающая силовые и информационные кабели.
Пространственное разнесение источников энергии, каналов снабжения и коммуникации, а также двигателей и движителей с повышенной вероятностью позволит боевой машине сохранить подвижность и ситуационную осведомлённость при получении повреждений, что обеспечит возможность вывода боевой машины из зоны обстрела и эвакуации с поля боя.
Отказ от гидравлических приводов в пользу электрических также будет способствовать повышению живучести наземных боевых машин как из-за меньшей пожароопасности последних, так и из-за их большей надёжности. Военно-воздушные силы России планируют отказаться от гидравлических приводов на истребителе пятого поколения Су-57 к 2022 году.
Наличие буферных аккумуляторных батарей позволит сохранять подвижность без включения основного двигателя, пусть и на достаточно ограниченном отрезке. Это позволит перспективным боевым машинам реализовать новые тактические сценарии ведения боевых действий из засады, когда в режиме ожидания бронемашина находится в полной боеготовности, при этом её тепловая сигнатура будет сравнима с температурой окружающей среды.
Аккумуляторные батареи также обеспечат возможность движения при отказе основной силовой установки, что позволит бронемашинам самостоятельно покидать поле боя. В ряде случаев для эвакуации боевой машины с электротрансмиссией достаточно будет просто подключить её к внешнему источнику энергии. К примеру, бронированная ремонтно-эвакуационная машина таким способом может одновременно эвакуировать две других бронемашины с частично повреждённой электротрансмиссией, просто перебросив им кабели питания.
Как и в гражданских электромобилях, в бронемашинах с электротрансмиссией может осуществляться рекуперация энергии при торможении.
Наземные боевые машины с электротрансмиссией будут обладать лучшими характеристиками подвижности и управляемости за счёт бесступенчатой передачи мощности на движители, а также гибкого распределения мощности между электродвигателями левого и правого борта. К примеру, во время разворота снижение мощности на электродвигателе отстающего борта будет компенсироваться увеличением мощности электродвигателя забегающего борта.
Одним из важнейших преимуществ электротрансмиссии будет возможность обеспечения электропитанием оборудования и сенсоров, например, радиолокационных станций (РЛС) разведки, наведения и круговой обороны комплекса активной защиты.
В ближайшей перспективе неотъемлемой частью наземных боевых машин станет лазерное оружие, которое сможет во многом нивелировать угрозу со стороны малых беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), противотанковых управляемых ракет и кассетных поражающих элементов с тепловыми и оптическими головками самонаведения.
Электроэнергия может потребоваться и для систем активной маскировки бронетехники в тепловом и оптическом диапазонах длин волн.
Выводы
Создание наземных боевых машин с электродвижением, скорее всего, станет неизбежным по мере совершенствования технологий и повышения требований к энергоснабжению бортового оборудования и вооружений. Существенное влияние на темпы внедрения наземных боевых машин с электродвижением может оказать гражданский рынок электромобилей.
Перспективные наземные боевые машины с электротрансмиссией будут превосходить «классические» образцы по динамичности, проходимости, удобству управления, живучести и защищённости, а также по возможности размещения на них перспективных вооружений и сенсоров с высоким энергопотреблением.
Источник
Военные технологии аккумулирования энергии
Военные внимательно следят за появлением новых технологий, в частности, за появлением продвинутых батарей, микрогенераторов, топливных элементов, источников солнечной энергии, суперкондесаторов, которые предназначены для аккумулирования энергии.
Полный боевой комплект солдат весит немало, однако боевые задачи предполагают в настоящее время и ношение большого количества новейших электронных устройств. Применение более эффективного оборудования и технологий умного управления энергопотреблением в значительной степени облегчили бы массу этого снаряжения. Поэтому возникла необходимость поиска и изучения новых технологических разработок. В свою очередь, в наиболее продвинутых программах военной модернизации, центральное место занимает выработка и управление электроэнергией.
Процессы стандартизации и интеграции в НАТО крайне сложны, потому как не существует единого натовского стандарта соединительных устройств или напряжения в системах обеспечения деятельности солдата. Поэтому, как правило, разработчики свои основные усилия направляют на разработку распределенных и централизованных систем энергосбережения.
Распределенная система характеризуется тем, что каждая отдельная часть оборудования оснащена собственной батареей, а связь с остальными частями осуществляется исключительно для передачи данных. Централизованная система характеризуется тем, что комплект аккумуляторов, который в нее входит, интегрирован в ранцевую энергетическую систему, и представляет собой единое целое с персональной электроникой.
Благодаря централизованной системе возможно уменьшение нагрузки на человека, а также объема логистических операций, которое достигается за счет использования вместо нескольких батарей единого перезаряжаемого блока, являющегося источником энергии для оборудования. Чтобы использование их было эффективным, необходимо, чтобы все устройства имели одинаковое напряжение, либо имели собственные системы регулирования мощности или же блок управления энергопотреблением. Использование централизованных энергосхем больше подходит для использования в современных технологиях, в частности, в электронных тканях и плоских кабельных проводках.
Потребителем электроэнергии в настоящее время становится также и стрелковое оружие. Ни для кого уже не является новинкой оптические прицелы, лазерные указатели, устройства подсветки, усилители изображения и тепловизоры. Многие военные также не исключают возможности модернизации и доработки вооружения через встроенные средства передачи данных и энергопитания. Так, к примеру, программа модернизации солдатского снаряжения LAND 125 Австралии включает улучшенную винтовку Steyr F88, оснащенную батарейным блоком, который снабжает энергией дополнительные устройства.
ISSE DE&S (Управление по интегрированным солдатским системам МО Великобритании) и компанией ABSL Power Systems совместными усилиями были разработаны легкие батареи для радиостанций с ультракоротким диапазоном BOWMAN, которые имеют больший срок службы. Батареи основаны на соединении литий-монофторид углерода, в последнее время находящего все большее применение.
В химических реакциях батарей используется кислород, в результате чего вырабатывается электроэнергия. Свинцово-кислотные аккумуляторы, к примеру, кислород вырабатывается благодаря электролиту с серной кислотой. В литиево-воздушных батареях кислород получается из атмосферы, за счет чего снижается масса батареи. В теории, литиево-воздушные батареи получают большую энергетическую плотность, равную 1000 Вт/ч на 1 килограмм элемента, но на практике батареи такого типа пока не достигают этой плотности. Помимо этого, такие батареи не способны дать высокой выходной мощности, и на практике перезаряжаемые модели еще не реализованы. К тому же, существуют определенные проблемы со сроком эксплуатации и безопасностью, потому как литий является высокореактивным веществом и может взрываться или воспламеняться при повреждениях или неосторожном обращении.
Британским МО в настоящее время осуществляется программа RBDS, которая имеет своей целью снижение нагрузки на солдата до 25 килограммов. В основу ее положены разработки персонального энергосбережения и электронных систем. Конечным результатом должно стать создание интегрированной архитектуры энергетических и электронных систем, которая будет полагаться на основной источник питания, имеющий энергетическую плотность порядка 600-800 Вт/ч на килограмм. Первые прототипы были созданы в 2011 году, а рабочие образцы могут появиться уже через несколько лет.
Программа RBDS предусматривает рассмотрение применения различных концепций с целью достичь ступенчатых изменений энергетической плотности энергоисточников.
Надо сказать, что ученые и промышленные группы занимаются исследованиями различных технологий, в частности, программных агентов, которые способны совершать интеллектуальное управление энергосбережением, а также топливные элементы, химические перспективные составы, фотогальванистические массивы, аккумулирование энергии, электронные ткани и микродвигатели.
Так, в рамках одной из программ МО Великобритании проводится изучение биомеханического аккумулирования энергии, которое заключается в том, что движение тела используется для выделения энергии, которая и используется для обеспечения работы персональной радиостанции. Исследовательская работа «Солнечный солдат» занимается изучением многоуровневого фотогальванического устройства, подающего энергию для устройств. Помимо этого, существует и еще одно направление исследовательской работы, которое направлено на разработку быстроразвертываемых печатных антенн, которое можно носить на теле и с их помощью аккумулировать радиочастотную энергию. Необходимость большой мощности в определенные короткие временные промежутки заставляет обращать внимание и на перспективные суперконденсаторы.
Большое количество исследований по продвинутым батареям сосредоточено на использовании литиево-воздушных систем, о которых мы упоминали выше. Ввиду того, что применение практических литиево-воздушных систем нерационально, в последние несколько лет в мире появились новые батареи, имеющие литий-ионный состав. Ими являются литий-железофосфатные безопасные батареи, которые обладают высокой пиковой мощностью и высокой энергетической плотностью. Среди производителей таких батарей ведущие позиции занимают американская компания A123 Sуstems и канадская Phostech Lithium. Особенность новых батарей заключается в том, что они обладают гораздо большей энергоплотностью, поэтому при перезарядке смогут обеспечить уменьшение логистических задач.
Существует и еще одно направление в развитии аккумуляторов, которое заключается в слиянии двух технологий – конденсатора и батареи. Конденсатор – это пара проводников, которые разделены диэлектриками. Между этими проводниками накапливается разность потенциалов, которая представляет собой электрический статический заряд. Когда положительный и отрицательный полюса соединяются, конденсатор разряжается. Электроемкость измеряется в фарадах, но в последнее время появились мультифарадные конденсаторы, которые содержат большой электрический заряд в небольшом объеме, могут быстро разряжаться и перезаряжаться. Недостатком их является неспособность сохранять заряд долгое время. Благодаря таким своим характеристикам суперконденсаторы могут дополнить аккумуляторы в тех случаях, когда необходима высокая импульсивная мощность на небольшой временной промежуток.
Использование энергии как единого целого очень важно, независимо от типа силовой архитектуры. До настоящего времени солдаты уже научились более разумно использовать энергию, управляя энергопотреблением при помощи включения и выключения оборудования. Вместе с тем, автоматические системы управления дадут возможность продлить срок службы батарей и снизить уровень рабочей нагрузки.
Особенно важно эффективное управление энергопотреблением для солдат в боевой обстановке. К примеру, в Афганистане, пехотинцы и связисты, которые проводят двухсуточное патрулирование по пересеченной местности, могут носить до 11 килограмм батарей. При этом практически половина массы аккумуляторов используется для защиты, в то время как для метровой радиостанции используется всего 39 процентов. Остальные 22 процента делятся между универсальной батареей, высокочастотной радиостанцией, коммерческими элементами.
Для того чтобы уменьшить вес аккумуляторов, по заказу британских военных компанией ABSL Power Systems Ltd было разработано новое устройство, которое способно извлекать остаток энергии из неперезаряжаемых севших батарей. Устройство, названное SPC, помимо извлечения энергии из батарей, может проделывать то же самое и с другими возможными источниками энергии. Данное устройство можно подсоединить к аккумуляторам транспортных средств и передать необходимое количество энергии в перезаряжаемое устройство. Кроме того, прибор можно подсоединить к солнечной панели, тогда оно превратится в зарядное устройство для батарей.
На поле боя уже давно используются переносные генераторы, оснащенные двигателями внутреннего сгорания небольших размеров. Такие генераторы экономичны и надежны, но переносить их непросто ввиду немаленького веса. Это стало причиной того, что ученые и промышленность занялись разработками миниатюрного генератора или даже микрогенератора. Первый тип устройства очень близки к двигателям беспилотников, и в скором времени могут появиться на рынке. Что касается второго типа, то это микроэлектромеханические системы, которые изготавливаются с использованием технологии получения полупроводников.
Так, компанией Cubewano проводятся разработки, направленные на создание устройств, которые при небольшом весе (порядка 10 килограммов) имели бы выходную мощность в 2 кВт. Такое устройство могло бы обеспечить энергией группу из 8-12 солдат на 72 часа. Роторные двигатели Sonic от данной компании используют искровое зажигание, и могут работать на различном топливе.
Что касается двигателей внутреннего сгорания MEMS (микроэлектромеханические системы), то по ним еще ведутся исследования, направленные на решение вопросов герметизации, смесеобразования, смазки, зажигания, диагностики двигателя, управления тепловыделением и компоновки дополнительных систем.
Роторные двигатели MEMS, разработанные в университете Беркли, способны выработать около 26 милливатт энергии. Такая же программа существует и в Кембриджском университете. Помимо этого, в Беркли также проводятся разработки минироторного двигателя, который смог бы вырабатывать 10-100 Вт. Такие двигатели могли бы прийти на смену аккумуляторам.
Что касается топливных генераторов, то они уже долгое время находятся в центре внимания военных. Это обусловлено более высокой, по сравнению с химическими составами, энергетической плотностью топлива. Топливные элементы способны вырабатывать энергию, пока к ним поступает воздух и топливо. Некоторое время казалось, что такие элементы потеснят аккумуляторы, став более предпочтительными портативными источниками энергии. Но на практике этого не случилось ввиду проблем со снабжением их топливом. Помимо этого, проблема заключается и в снабжении их водородом, необходимым для соединения с кислородом и выработки тока. Водород очень проблематично перевозить, потому как он взрывоопасен и обладает низкой энергетической плотностью. Хранение его в жидком состоянии также сопряжено с определенными проблемами, поскольку для этого требуются очень низкие температуры и высокое давление. Все эти характеристики делают водород очень непрактичным для использования, особенно на поле боя.
Топливные элементы вполне могут работать на керосине или дизельном топливе, но для этого необходима дополнительная обработка нефтепродуктов, а необходимое для этого оборудование чрезвычайно дорогое.
В конечном итоге все эти проблемы привели к тому, что на данный момент основные разработки топливных элементов для военных сосредоточены на использовании алкогольного топлива, в частности, этанола и метанола.
Топливные элементы находятся в центре двух разработок британской лаборатории оборонной технологии и науки: программы RBDS-CV по снижению нагрузки на солдата и персонального источника энергии Personal Power Source.
В разработке PPS принимают участие компании Qinetiq и ABSL, которые работают над созданием двух систем с топливными элементами: Strand A и Strand B. Первая система предназначена для выделения мощности порядка 7,2 кВт на протяжении двух суток. Ее использование возможно в силовой портативной электронике и коммуникационном оборудовании, в частности, BOWMAN C4I и FIST. Вес источника составляет порядка 1,4 килограмма, а сам он обладает энергетической мощностью 250 кВт в час на килограмм.
Компании занимаются совместными разработками и вторым источником, который представляет собой объединение аккумулятора и топливных элементов. Протоннообменная мембрана в качестве источника водорода использует твердый бесцветный гидрид бора-азота. Вес второго источника составит около 6,3 килограммов, а его энергетическая мощность будет равна 220 кВт в час на килограмм.
Существует и еще один перспективный топливный элемент, предложенный компанией SFC Energy – это легкое портативное устройство для военного использования под названием JENNY 600S. В нем использована технология прямого окисления метанола. Носить его можно на теле, а также использовать для проведения работ дистанционных устройств.
В настоящее время определить, какая из всех перечисленных технологий является лучшей, невозможно. Все они находятся в процессе развития и совершенствования, и вполне возможно, что в будущем возможно появление устройств, которые будут сочетать в себе данные технологии.
Источник