Konsumsi energi yang meningkat dari sistem kendaraan on-board memberikan teknologi baru kesempatan untuk mengambil kesempatan untuk secara radikal mengubah kekuatan dan mobilitas kendaraan militer di masa depan
Mengingat bahwa generasi berikutnya dari tentara Amerika kemungkinan akan memiliki pembangkit listrik hibrida, industri membutuhkan program skala besar sehingga dapat memperkenalkan teknologi energinya, yang telah dikembangkan (bersama dengan modifikasi yang tak terelakkan), ke dalam sebagian besar kendaraan tempur. Namun, lalat di salep dalam tong madu ini, menurut rencana saat ini, tentara berencana untuk mengadopsi kendaraan semacam itu sekitar tahun 2035. Keputusan besar tentang konfigurasinya kemungkinan besar tidak akan dibuat sebelum 2025, kecuali jika program terkait dipercepat menjadi presiden Trump.
Kebutuhan yang besar merupakan insentif yang sangat baik untuk pengembangan teknologi baru, yang pada gilirannya dapat memberikan solusi untuk memenuhi kebutuhan tersebut. Misalnya, meningkatnya permintaan energi listrik di medan perang dikombinasikan dengan kebutuhan untuk mengurangi beban logistik yang terkait dengan pasokan bahan bakar, serta untuk meningkatkan kemampuan off-road pasukan tempur dan pasukan pendukung tempur. Semua ini adalah bukti kuat yang mendukung adopsi luas unit daya tambahan, kontrol mesin cerdas dan penggerak listrik hibrida dan, sebagai hasilnya, peningkatan tajam dalam daya yang dihasilkan untuk konsumen eksternal.
Mengatasi inersia
Dengan pengalaman yang luas dalam produksi demonstran teknologi kendaraan hibrida untuk berbagai struktur militer dan dalam produksi bus hibrida untuk sektor sipil, BAE Systems berada dalam posisi yang baik untuk menilai dengan tepat di mana teknologi ini saat ini dan apa prospeknya. Hal yang sama berlaku untuk DRS Technologies, yang juga telah berpartisipasi dalam banyak proyek percontohan. Tom Weaver, Direktur Komersial di DRS Network Computing and Test Solutions, mengatakan pasar masih muncul dan manfaat kendaraan listrik belum mengatasi kelambanan kendaraan tradisional. Kelambanan semacam itu berdampak negatif pada kemajuan mesin yang mampu menghasilkan daya yang diperlukan untuk konsumen eksternal, meskipun kebutuhan telah meningkat "setidaknya 100%" selama dekade terakhir.
“DRS bekerja dengan pelanggan yang berbeda untuk mendemonstrasikan mesin dengan teknologi baru yang terintegrasi dalam berbagai tes kinerja. Demonstrasi yang berhasil dan ulasan pengguna yang positif tidak mengarah pada penyebaran kendaraan seperti itu di pasukan, apalagi, persyaratan untuk mereka bahkan tidak dikembangkan. Tetapi permintaan tetap akan terus tumbuh, terutama untuk operasi ekspedisi dan kendaraan khusus seperti sistem senjata energi terarah.”
DRS sekarang menawarkan sistem tenaga onboard untuk Medium Tactical Vehicle (MTV) dan peralatan HMMWV dalam bentuk Generator Integral Transmisi yang dikembangkan bekerja sama dengan Allison. Sistem ini, yang dipasang pada truk MTV, misalnya, menghasilkan daya hingga 125 kW untuk sistem onboard atau eksternal. Perusahaan juga memproduksi sistem manajemen energi lainnya untuk berbagai kendaraan. Chief engineer Andrew Rosenfield dari BAE Systems, yang juga menangani sistem semacam itu, percaya bahwa kecil kemungkinan kendaraan listrik murni akan memainkan peran utama dalam pertempuran darat, terutama karena masalah pengisian ulang baterai.
“Sementara teknologi powertrain untuk operasi semua-listrik sudah mapan, masalah pengisian bahan bakar mungkin mencegah kendaraan listrik murni diterapkan,” lanjutnya. "Bagaimanapun, diesel tersedia di mana saja di dunia, sementara menemukan stasiun pengisian ulang baterai di padang pasir sangat sulit, tetapi bahkan jika Anda menemukannya, menunggu delapan jam untuk terisi penuh mungkin tidak layak."
Weaver setuju bahwa mobil hibrida kemungkinan akan menang, juga menyebutkan keterbatasan infrastruktur pengisian mobil listrik yang bersih dan ketersediaan bahan bakar diesel dan jet JP8 di mana-mana. Namun, Rosenfield menekankan bahwa kendaraan listrik murni dapat memainkan peran besar di pangkalan militer, karena mereka dapat memindahkan barang, seperti halnya di pabrik-pabrik modern atau di bandara (traktor lapangan terbang). “Mesin sel bahan bakar kemungkinan besar dapat melakukan tugas seperti itu, karena mereka membutuhkan akses gratis ke cadangan hidrogen,” katanya.
Weaver percaya bahwa ada jalan yang sulit di depan kendaraan sel bahan bakar. “Pertama, belum ada infrastruktur gas hidrogen, dan akan ada ketidakpercayaan tertentu dalam penyebaran bahan bakar baru. Jalur kendaraan semacam itu akan dimulai dengan operasi ekspedisi yang terorganisir dengan baik."
Desain hibrida juga lebih canggih daripada desain listrik murni dan memiliki beberapa fitur yang membuatnya lebih menarik daripada mesin bertenaga listrik murni dan konvensional. “Pertama, platform listrik hibrida menggunakan bahan bakar yang sama dengan kendaraan diesel tradisional. Kedua, torsi RPM rendah sangat ideal untuk alat berat yang melaju di medan kasar atau mendaki lereng yang sangat curam.”
Dia menambahkan bahwa kemampuan untuk menghasilkan listrik dalam jumlah besar di kapal menjadi semakin penting karena kemampuan baru seperti komunikasi dan sistem senjata yang menggunakan laser yang kuat dikerahkan. Kemampuan untuk mengekspor energi ini juga merupakan keuntungan besar, karena mesin ini dapat memberi daya pada daerah berpenduduk dan rumah sakit yang sistem tenaganya sendiri telah rusak akibat kerusakan akibat perang atau bencana alam.
"Akhirnya, pengurangan biaya operasi dan pemeliharaan yang terkait dengan penghematan bahan bakar yang substansial dan keandalan yang lebih besar membuat kendaraan listrik hibrida menjadi pilihan yang cerdas dan jangka panjang."
Seperti yang dicatat Weaver, permintaan energi listrik pada kendaraan tempur tidak pernah berkurang, mereka hanya akan tumbuh dari tahun ke tahun. "Sistem fungsional yang lebih baru membutuhkan lebih banyak daya dari platform pembawa, serta peningkatan berkelanjutan ke pembangkit listrik dan sistem distribusi kendaraan saat ini."
“Begitu Anda menambahkan fitur seperti penggerak senyap, radar, komunikasi canggih, gangguan sinyal, dan pelindung atau persenjataan elektromagnetik, platform akan tertinggal dan menjadi tidak dapat diatur tanpa beralih ke skema listrik hibrida. Dalam dekade berikutnya, untuk semua kendaraan tempur, salah satu komponen terpenting adalah kemampuan untuk menghasilkan listrik dalam jumlah besar di kapal."
“Kendaraan bertenaga listrik harus melakukan pekerjaan mereka sebaik, atau bahkan lebih baik daripada, rekan mekanis tradisional mereka,” lanjutnya. “Tidak hanya sistem bermotor secara signifikan lebih sederhana dan memiliki lebih sedikit bagian yang bergerak daripada sistem bermotor, tetapi mereka sering kali memiliki tingkat redundansi yang sangat baik, membuatnya lebih andal. Misalnya, sebagian besar transmisi listrik transversal dapat beroperasi secara normal dengan satu motor yang gagal.”
Weaver mengatakan teknologi utama yang dikembangkan dalam transportasi umum sudah ada dan siap memasuki pasar. “Meluasnya penggunaan sirkuit hibrida dan listrik, terutama di bus dan trem antarkota, telah menyebabkan pengembangan pengontrol motor, inverter, dan konverter yang mendekati kebutuhan militer,” katanya. “Semua kebutuhan industri adalah pelanggan yang bersedia membayar untuk proses kualifikasi, serta cukup untuk menekan biaya.”
Sementara itu, pekerjaan berlanjut pada demonstrasi. General Motors (GM) di AUSA pada Oktober 2016 menunjukkan versi "siap pakai" dari kendaraan sel bahan bakar Chevrolet Colorado ZH2, yang didasarkan pada sasis truk pickup ukuran sedang yang memanjang. Menurut jadwal, Colorado ZH2, dengan bantuan Pusat Penelitian Lapis Baja TARDEC, akan menjalani serangkaian uji coba militer "dalam kondisi operasi ekstrem" selama 2017.
Itu adalah program akselerasi. GM dan TARDEC bekerja sama untuk membuat demo dalam waktu kurang dari setahun setelah menandatangani kontrak. “Kecepatan di mana ide-ide inovatif dapat ditunjukkan dan dievaluasi sangat tinggi, itulah sebabnya ikatan industri sangat penting bagi militer,” kata Direktur TARDEC Paul Rogers. "Sel bahan bakar memiliki potensi untuk secara signifikan meningkatkan kemampuan kendaraan militer melalui operasi yang tenang, pembangkit listrik untuk konsumen eksternal dan torsi yang stabil - semua keunggulan ini membuat teknologi ini dieksplorasi lebih dekat."
“ZH2 memungkinkan tentara untuk mendemonstrasikan dan menilai kesiapan teknologi sel bahan bakar untuk aplikasi militer, sementara pada saat yang sama menjawab pertanyaan tentang seberapa berguna kendaraan listrik sel bahan bakar dalam kondisi tertentu dan dalam misi tempur tertentu,” kata Doug Hallo, juru bicara TARDEC.
Manfaat yang diantisipasi yang harus dievaluasi TARDEC mencakup pengoperasian hampir senyap yang memungkinkan pengawasan senyap, pengurangan tanda termal, torsi roda tinggi di semua kecepatan, konsumsi bahan bakar rendah di seluruh rentang pengoperasian, dan air minum sebagai produk sampingan kimia.. Colorado ZH2 memiliki power take-off onboard untuk konsumen eksternal.
Sistem propulsi didasarkan pada sel bahan bakar membran pertukaran proton yang mampu menghasilkan hingga 93 kW arus searah, dan baterai yang menyediakan 35 kW lagi untuk sistem propulsi dan diisi selama pengereman regeneratif. Inilah yang dijelaskan oleh Manajer Proyek ZH2 GM Christopher Kolkit.
“Tangki kendaraan menampung sekitar 4,2 kg hidrogen terkompresi pada 10.000 psi, yang lebih dari 689 kali tekanan atmosfer. Udara atmosfer adalah sumber oksigen yang diperlukan untuk proses elektrokimia, sebagai akibatnya listrik yang dibutuhkan dihasilkan; hanya uap air yang keluar,” catatnya.
Untuk semua sistem penggerak listrik, pengiriman energi dari sumber ke roda lebih mudah dibandingkan dengan kendaraan tradisional. “ZH2 tidak memiliki transmisi dalam arti kata yang biasa. Motor traksi AC dengan gearbox satu tahap mentransfer torsi langsung ke transfer case dan sistem penggerak empat roda,”jelas Kolkit.
Infrastruktur portabel
Melalui program ini, Pusat TARDEC juga menjajaki apa yang setidaknya bisa menjadi solusi parsial untuk masalah ketersediaan hidrogen (infrastruktur). Solusinya di sini disukai oleh fakta bahwa unsur kimia ini dapat diproduksi dengan berbagai cara dari sumber yang berbeda. Menurut perwakilan dari TARDEC Center, pada tahap awal pengerjaan proyek ZH2, idenya adalah untuk mendapatkan hidrogen terkompresi selama reformasi minyak tanah penerbangan JP8 dalam reformer portabel, yang akan dipindahkan ke setiap lokasi pengujian bersama dengan mesin, karena ini akan meningkatkan jumlah yang diselesaikan pada tahap tugas ini.
“Saat ini kami sedang mencari untuk membuat reformer yang dapat menggunakan berbagai sumber yang tersedia secara lokal, seperti gas alam, bahan bakar jet JP8, diesel DF2 atau propana, untuk menghasilkan hidrogen,” katanya. - Jaringan listrik lokal, termasuk kemungkinan sumber energi terbarukan, bersama dengan sumber daya air, juga dapat digunakan untuk produksi hidrogen. Ini akan memungkinkan tentara untuk mengurangi jumlah bahan bakar yang dibawa ke teater operasi tertentu dan bergantung pada apa yang tersedia di teater itu."
Baik itu baterai, sel bahan bakar, atau pembangkit listrik tenaga diesel campuran sebagai penggerak utama, mengubah arus listrik menjadi penggerak maju membutuhkan penggerak listrik yang andal dan efisien. Perusahaan Inggris Magtec memproduksi sistem penggerak listrik untuk pasar kedirgantaraan, kelautan dan otomotif, menawarkan, misalnya, beberapa opsi untuk mengubah truk komersial dengan sistem propulsi baru.
Namun, perusahaan juga mengembangkan powertrain lengkap untuk platform beroda dan beroda untuk mendemonstrasikan teknologi hibrida yang diproduksi oleh BAE Systems Hagglunds untuk badan pertahanan Inggris dan Swedia pada awal 2000-an.
Untuk platform SEP (Splitterskyddad EnhetsPlattform), baik roda 6x6 maupun track, perusahaan telah mengembangkan motor hub in-wheel (roda motor), termasuk gigi reduksi dua tahap dan sistem pengereman di masing-masing, generator kembar, peralatan kontrol, dan distribusi daya. Untuk SEP, ia juga mengembangkan, menginstal, dan menguji perangkat lunak untuk mengontrol fungsi utama seperti distribusi daya, kontrol traksi, kunci diferensial elektronik, dan kemudi yang memungkinkan alat berat berputar di tempat. Selain itu, sistem ini memenuhi semua EMC militer dan peraturan lingkungan.
Kepala eksekutif Magtec mengatakan dia melihat potensi pertumbuhan yang baik untuk kendaraan listrik dengan jangkauan yang diperluas untuk misi dukungan tempur. Pada saat yang sama, teknologi baru berkontribusi pada peningkatan mobilitas yang signifikan, penurunan konsumsi bahan bakar, redundansi yang lebih besar, ditambah lagi memungkinkan pengambilan keputusan tata letak asli. Dia juga mencatat bahwa penggerak listrik menyederhanakan pelaksanaan operasi jarak jauh dan otonomi.
Mengenai pengembangan lebih lanjut dari teknologi yang diperlukan, ia mencatat bahwa sistem penggerak siap memasuki pasar dengan elektronika daya yang ditingkatkan (untuk mengendalikan penggerak daya) berdasarkan sirkuit semikonduktor silikon karbida. Mereka diperlukan untuk mengontrol tegangan tinggi di mana sistem kelistrikan generasi baru beroperasi. Direktur Magtec mencatat bahwa 24 volt di mana sebagian besar sistem modern beroperasi sekarang terlalu rendah untuk konsumen utama listrik (kenaikan tegangan memungkinkan lebih banyak daya untuk ditransmisikan melalui kabel tanpa meningkatkan arus listrik secara berlebihan).
Salah satu perusahaan di lapangan, GE Aviation, telah memenangkan kontrak $ 2,1 juta untuk mengembangkan dan mendemonstrasikan elektronika daya silikon karbida. Mengikuti program pengembangan selama 18 bulan, perusahaan diharapkan untuk menunjukkan manfaat dari teknologi FET oksida logam silikon karbida yang dikombinasikan dengan perangkat galium nitrida dalam konverter DC / DC dua arah 15 kW, 28/600 volt.
Menurut perusahaan, peralatan ini dapat menangani daya dua kali lipat, sementara menempati setengah volume dibandingkan dengan elektronik daya silikon saat ini, sedangkan konverter akan dapat bekerja secara paralel dan diprogram sesuai dengan standar CAN.
Perusahaan sedang mengembangkan arsitektur tenaga kendaraan generasi berikutnya dari TARDEC, menyebutnya sebagai teknologi yang mengganggu, dan berharap demonstrasi teknologi akan siap pada pertengahan 2017.
Kecepatan ganda
Teknologi terobosan lainnya adalah proyek Ground X-Vehicle Technology (GXV-T) dari DARPA Defense Advanced Research Projects Agency, di mana sistem kelistrikan akan memainkan peran penting. Tujuan dari proyek ini adalah untuk mengurangi separuh ukuran, berat dan jumlah awak kendaraan lapis baja yang menjanjikan, menggandakan kecepatan mereka, kemampuan untuk mengatasi 95% medan, serta mengurangi tanda-tanda visibilitas.
Pada Juli 2016, DARPA memberi Qinetiq investasi $ 2,7 juta untuk menyempurnakan teknologi sistem penggerak listrik untuk proyek GXV-T. Perusahaan menggambarkan teknologi ini sebagai motor listrik yang kompak dan sangat kuat di dalam roda yang menggantikan berbagai gearbox, diferensial, dan poros penggerak. Pendekatan ini, kata perusahaan, secara dramatis mengurangi bobot keseluruhan platform dan membuka opsi desain baru yang akan meningkatkan keamanan dan kinerja.
Qinetiq menekankan bahwa selain digunakan dalam konsep baru, seperti GXV-T, teknologi ini juga dapat meningkatkan kemampuan kendaraan yang ada selama retrofit. Misalnya, kendaraan infanteri multi-roda yang ditingkatkan dengan penggerak hub atau roda motor "dapat memperoleh manfaat dari peningkatan daya dan mobilitas yang diberikan oleh penghematan berat, atau sebaliknya, gunakan penghematan ini untuk meningkatkan perlindungan, memasang peralatan, atau meningkatkan kapasitas penumpang."
Investasi tersebut diikuti dengan kontrak, diumumkan pada September 2015, di mana konsep tersebut akan diterjemahkan ke dalam desain nyata dan diuji, setelah itu dua prototipe kerja penuh akan diproduksi.
“Aktuator konvensional cukup berat, memiliki kapasitas terbatas dan terdiri dari komponen yang dapat berubah menjadi proyektil mematikan jika diledakkan oleh ranjau,” kata kepala penelitian di Qinetiq, mengomentari kontrak tersebut. "Memindahkan drive ke roda menghilangkan ancaman ini dan mematahkan kecenderungan kendaraan menjadi lebih berat dan kurang bergerak karena peningkatan tingkat perlindungan dan kekuatan senjata."
Mesin yang ada juga dapat memanfaatkan elektrifikasi subsistem non-propulsi. Misalnya, perusahaan Jerman Jenoptik akan memasok 126 menara listrik dan sistem stabilisasi senjata untuk program modernisasi tank Leopard 2PL Polandia. Menurut perusahaan, sistem kelistrikan akan menggantikan sistem hidrolik pada tangki, sehingga mengurangi perawatan dan pembangkitan panas.
Pengiriman akan jatuh tempo pada 2017-2020 di bawah kontrak $ 23 juta yang ditandatangani dengan Bumar Labédy Polandia pada Oktober 2016. Perusahaan yang sama Bumar Labedy menandatangani perjanjian kerja sama modernisasi tank dengan perusahaan Jerman Rheinmetall pada Februari 2017.
Salah satu kegiatan Jenoptik adalah pengembangan dan produksi platform senjata/sensor kompak yang distabilkan, sistem penggerak untuk menara dan senjata, dan cermin untuk menstabilkan garis pandang kendaraan lapis baja.
Misalnya, sistem penggerak meriam dan menara untuk sistem senjata besar terdiri dari motor listrik pemandu horizontal dan vertikal, yang masing-masing mengarahkan meriam ke azimuth dan elevasi, tergantung pada sinyal unit kontrol utama dan cadangan. Kedua drive mencakup motor sinkron tanpa sikat pemosisian absolut dengan jarak bebas nol antara roda gigi keluaran setiap motor dan sektor bergigi dari rakitan senjata.
Sistem, yang mampu beroperasi dengan tegangan suplai 28 dan 610 volt DC, dapat melemparkan senjata ke setiap pesawat dengan kecepatan hingga 60 ° / s atau lebih lambat dari 0,2 mrad / s.
Unit kontrol penggerak, sesuai dengan sinyal input dari sensor, kontrol, dan penglihatan aktif, mengubah catu daya menjadi sepasang sistem tiga fase, satu untuk masing-masing turret dan panduan senjata, stabilisasi, dan servomotor penggerak.
Pasar elektrifikasi kendaraan global akan bernilai $ 300 miliar pada tahun 2026, menurut sebuah laporan oleh perusahaan riset IDTechEx tahun lalu. Pertumbuhan ini, didorong oleh peningkatan jumlah pengontrol motor listrik per kendaraan (karena kemudi, suspensi, dan komponen mekanis, pneumatik, dan hidrolik lainnya yang sebelumnya akan menggantikan sistem kelistrikan), akan menyediakan basis teknologi untuk pasar massal, sehingga mengurangi biayanya. untuk kendaraan militer.
