El creciente consumo de energía de los sistemas de vehículos a bordo brinda a las nuevas tecnologías la oportunidad de aprovechar la oportunidad de cambiar radicalmente la potencia y la movilidad de los vehículos militares en el futuro
Dado que es probable que la próxima generación del ejército estadounidense tenga una planta de energía híbrida, la industria necesita un programa a gran escala para poder introducir sus tecnologías energéticas, que ya ha desarrollado (junto con las modificaciones inevitables), en el mercado. la mayor parte de los vehículos de combate. Sin embargo, una mosca en el ungüento de este barril de miel es que, de acuerdo con los planes actuales, el ejército planea adoptar tales vehículos alrededor de 2035. Es muy probable que las decisiones importantes sobre su configuración no se tomen antes de 2025, a menos que los programas correspondientes se aceleren hasta la presidencia de Trump.
Las enormes necesidades son un excelente incentivo para el desarrollo de nuevas tecnologías, que a su vez pueden proporcionar soluciones para satisfacer estas necesidades. Por ejemplo, la creciente demanda de energía eléctrica en el campo de batalla se combina con la necesidad de reducir la carga logística asociada con el suministro de combustible, así como de aumentar la capacidad todoterreno de las fuerzas de combate y las fuerzas de apoyo al combate. Todo esto es una evidencia contundente a favor de la adopción generalizada de unidades de potencia auxiliares, controles de motor inteligentes y propulsión eléctrica híbrida y, como resultado, un fuerte aumento en la energía generada para los consumidores externos.
Superar la inercia
Con una amplia experiencia en la producción de demostradores de tecnología de vehículos híbridos para diversas estructuras militares y en la producción de autobuses híbridos para el sector civil, BAE Systems está bien posicionado para evaluar exactamente dónde se encuentra esta tecnología en la actualidad y cuáles son sus perspectivas. Lo mismo ocurre con DRS Technologies, que también ha participado en muchos proyectos de demostración. Tom Weaver, director comercial de DRS Network Computing and Test Solutions, dijo que el mercado aún está emergiendo y que los beneficios de los vehículos eléctricos aún tienen que superar la inercia de los vehículos tradicionales. Esta inercia tiene un impacto negativo en el progreso de las máquinas capaces de generar la energía necesaria para los consumidores externos, a pesar de las necesidades que han aumentado "al menos en un 100%" durante la última década.
“DRS está trabajando con diferentes clientes para demostrar máquinas con nuevas tecnologías integradas en varias pruebas de rendimiento. Las demostraciones exitosas y las críticas positivas de los usuarios no llevaron al despliegue de dichos vehículos en las tropas; además, los requisitos para ellos ni siquiera se desarrollaron. Sin embargo, la demanda seguirá creciendo, especialmente para operaciones expedicionarias y vehículos especializados como los sistemas de armas de energía dirigida”.
DRS ahora ofrece un sistema de energía a bordo para vehículos tácticos medianos (MTV) y equipos HMMWV en forma de un generador integral de transmisión desarrollado en colaboración con Allison. Este sistema, instalado en un camión MTV, por ejemplo, genera una potencia de hasta 125 kW para sistemas a bordo o externos. La empresa también fabrica otros sistemas de gestión de energía para varios vehículos. El ingeniero jefe Andrew Rosenfield de BAE Systems, que también se ocupa de dichos sistemas, cree que es poco probable que los vehículos puramente eléctricos jueguen un papel importante en el combate terrestre, principalmente debido a problemas con la recarga de las baterías.
“Si bien la tecnología del sistema de propulsión para el funcionamiento totalmente eléctrico está bien establecida, el problema del reabastecimiento de combustible bien puede impedir que los vehículos puramente eléctricos se pongan en funcionamiento”, continuó. "Después de todo, el diesel está disponible en cualquier parte del mundo, mientras que encontrar una estación de recarga de baterías en el desierto es muy difícil, pero incluso si encuentras una, esperar ocho horas para que se carguen por completo probablemente no sea factible".
Weaver estuvo de acuerdo en que es probable que prevalezcan los automóviles híbridos, y también mencionó las limitaciones de la infraestructura de carga de automóviles eléctricos limpios y la ubicuidad del diesel y el combustible para aviones JP8. Sin embargo, Rosenfield enfatizó que los vehículos puramente eléctricos podrían jugar un papel importante en las bases militares, ya que podrían mover mercancías, como es el caso de las fábricas modernas o en los aeropuertos (tractores de aeródromos). “Lo más probable es que las máquinas de pila de combustible puedan realizar tales tareas, ya que necesitan acceso libre a las reservas de hidrógeno”, dijo.
Weaver cree que hay un camino difícil por delante de los vehículos de pila de combustible. “En primer lugar, todavía no existe una infraestructura de gas hidrógeno y habrá cierta desconfianza en el despliegue del nuevo combustible. El camino de tales vehículos comenzará con operaciones expedicionarias bien organizadas.
Los diseños híbridos también son más sofisticados que los diseños puramente eléctricos y tienen varias características que los hacen más atractivos que las máquinas de motor puramente eléctricas y convencionales. “Primero, las plataformas eléctricas híbridas utilizan el mismo combustible que los vehículos diésel tradicionales. En segundo lugar, el par de torsión a bajas revoluciones es ideal para una máquina que se desplaza sobre terreno accidentado o que sube una pendiente muy empinada.
Añadió que la capacidad de generar grandes cantidades de electricidad a bordo se está volviendo cada vez más importante a medida que se despliegan nuevas capacidades como las comunicaciones y los sistemas de armas que utilizan potentes láseres. La capacidad de exportar esta energía también es una gran ventaja, ya que estas máquinas pueden alimentar áreas pobladas y hospitales cuyos propios sistemas de energía han sido dañados por daños de combate o desastres naturales.
"Finalmente, los costos de operación y mantenimiento reducidos asociados con ahorros sustanciales de combustible y mayor confiabilidad hacen que los vehículos eléctricos híbridos sean una opción inteligente ya largo plazo".
Como señaló Weaver, la demanda de energía eléctrica a bordo de vehículos de combate nunca ha disminuido, solo crecerá de año en año. "Los sistemas funcionales más nuevos requieren cada vez más energía de la plataforma del operador, así como actualizaciones continuas de los sistemas de generación y distribución de energía de los vehículos actuales".
“Una vez que ha agregado características como locomoción silenciosa, radar, comunicaciones avanzadas, interferencia de señales y blindaje o armamento electromagnético, la plataforma se queda atrás y se vuelve inmanejable sin cambiar a un esquema eléctrico híbrido. En la próxima década, para todos los vehículos de combate, uno de los componentes más importantes será la capacidad de generar grandes cantidades de electricidad a bordo.
“Los vehículos eléctricos tienen que hacer su trabajo tan bien o incluso mejor que sus contrapartes mecánicas tradicionales”, continuó. “Los sistemas motorizados no solo son significativamente más simples y tienen menos partes móviles que los sistemas motorizados, sino que a menudo tienen un nivel sorprendentemente bueno de redundancia, lo que los hace más confiables. Por ejemplo, la mayoría de las transmisiones eléctricas transversales pueden funcionar normalmente con un solo motor que ha fallado.
Weaver dijo que las tecnologías clave desarrolladas en el transporte público ya están implementadas y listas para ingresar al mercado. “El uso generalizado de circuitos híbridos y eléctricos, especialmente en autobuses y tranvías interurbanos, ha llevado al desarrollo de controladores de motor, inversores y convertidores que están cerca de lo que necesitan los militares”, dijo. "Todas las necesidades de la industria son clientes dispuestos a pagar por el proceso de calificación, así como lo suficiente para mantener el costo bajo".
Mientras tanto, se sigue trabajando en la demostración. General Motors (GM) en AUSA en octubre de 2016 mostró una versión "lista para usar" de su vehículo de celda de combustible Chevrolet Colorado ZH2, que se basa en un chasis alargado de camioneta pickup de tamaño mediano. Según el cronograma, el Colorado ZH2, con la asistencia del Centro de Investigación Blindado TARDEC, será sometido a una serie de pruebas militares "en condiciones operativas extremas" durante 2017.
Fue un programa acelerado. GM y TARDEC trabajaron juntos para crear una demostración en menos de un año después de firmar el contrato. “La velocidad a la que se pueden demostrar y evaluar ideas innovadoras es muy alta, razón por la cual los vínculos con la industria son tan importantes para los militares”, dijo el director de TARDEC, Paul Rogers. "Las pilas de combustible tienen el potencial de mejorar significativamente las capacidades de los vehículos militares a través de un funcionamiento silencioso, la generación de energía para consumidores externos y un par estable; todas estas ventajas hacen que esta tecnología se explore más de cerca".
"ZH2 permite al ejército demostrar y evaluar la preparación de la tecnología de celdas de combustible para aplicaciones militares, mientras que al mismo tiempo responde a la pregunta de cuán útiles pueden ser los vehículos eléctricos de celdas de combustible en ciertas condiciones y en ciertas misiones de combate", dijo Doug Hallo. portavoz de TARDEC.
Los beneficios anticipados que TARDEC debe evaluar incluyen un funcionamiento casi silencioso que permite una vigilancia silenciosa, firmas térmicas reducidas, alto par de ruedas a todas las velocidades, bajo consumo de combustible en todo el rango operativo y agua potable como subproducto químico.. El Colorado ZH2 tiene una toma de fuerza a bordo para consumidores externos.
El sistema de propulsión se basa en pilas de combustible de membrana de intercambio de protones capaces de generar hasta 93 kW de corriente continua, y una batería que proporciona otros 35 kW para el sistema de propulsión y se carga durante el frenado regenerativo. Esto es lo que explica el gerente de proyectos ZH2 de GM, Christopher Kolkit.
“Los tanques del vehículo contienen alrededor de 4.2 kg de hidrógeno comprimido a 10,000 psi, que es más de 689 veces la presión atmosférica. El aire atmosférico es una fuente de oxígeno necesaria para el proceso electroquímico, como resultado del cual se genera la electricidad necesaria; sólo se libera vapor de agua”, anotó.
Para todos los sistemas de propulsión eléctrica, la entrega de energía desde la fuente a las ruedas es más fácil que con los vehículos tradicionales. “El ZH2 no tiene transmisión en el sentido habitual de la palabra. Un motor de tracción de CA con una caja de cambios de una etapa transfiere el par directamente a la caja de transferencia y al sistema de tracción en las cuatro ruedas”, explicó Kolkit.
Infraestructura portátil
A través de este programa, el Centro TARDEC también está explorando lo que podría ser al menos una solución parcial al problema de la disponibilidad (infraestructura) de hidrógeno. Su solución aquí se ve favorecida por el hecho de que este elemento químico puede producirse de diversas formas a partir de distintas fuentes. Según el representante del Centro TARDEC, en la etapa inicial de trabajo del proyecto ZH2, la idea es obtener hidrógeno comprimido durante el reformado de queroseno JP8 de aviación en un reformador portátil, que será trasladado a cada sitio de prueba junto con el máquina, porque esto aumentará el número de tareas resueltas en esta etapa.
“Actualmente estamos buscando crear un reformador que pueda usar una variedad de fuentes disponibles localmente, como gas natural, combustible para aviones JP8, diesel DF2 o propano, para producir hidrógeno”, dijo. - Las redes eléctricas locales, incluidas las posibles fuentes de energía renovables, junto con los recursos hídricos, también se pueden utilizar para la producción de hidrógeno. Esto permitiría al ejército reducir la cantidad de combustible que se lleva a un teatro de operaciones específico y depender de lo que esté disponible en ese teatro.
Ya sean baterías, celdas de combustible o plantas de energía mixta diesel-eléctrica como motor principal, convertir la corriente eléctrica en propulsión hacia adelante requiere accionamientos eléctricos confiables y eficientes. La empresa británica Magtec fabrica sistemas de propulsión eléctrica para los mercados aeroespacial, marítimo y automotriz, ofreciendo, por ejemplo, varias opciones para convertir camiones comerciales con nuevos sistemas de propulsión.
Sin embargo, la compañía también desarrolló trenes de potencia completos para plataformas sobre orugas y ruedas para demostrar las tecnologías híbridas fabricadas por BAE Systems Hagglunds para las agencias de defensa británica y sueca a principios de la década de 2000.
Para las plataformas SEP (Splitterskyddad EnhetsPlattform), tanto con ruedas 6x6 como con orugas, la compañía ha desarrollado motores de cubo en las ruedas (motor-ruedas), que incluyen un engranaje de reducción de dos etapas y un sistema de frenado en cada uno, generadores gemelos, equipos de control y distribución de energía.. Para SEP, también desarrolló, instaló y probó software para controlar funciones clave como la distribución de energía, el control de tracción, los bloqueos electrónicos del diferencial y la dirección que permite que la máquina gire en el acto. Además, este sistema cumple con todas las regulaciones ambientales y de EMC militares.
El director ejecutivo de Magtec dijo que ve un buen potencial de crecimiento para los vehículos eléctricos con rango extendido para misiones de apoyo de combate. Al mismo tiempo, las nuevas tecnologías contribuyen a una mejora significativa en la movilidad, una disminución en el consumo de combustible, una mayor redundancia, además de que permiten tomar decisiones de diseño originales. También señaló que la propulsión eléctrica simplifica la implementación del funcionamiento remoto y la autonomía.
Con respecto al desarrollo adicional de las tecnologías necesarias, señaló que los sistemas de accionamiento están listos para ingresar al mercado con electrónica de potencia mejorada (para controlar los accionamientos de potencia) basados en circuitos semiconductores de carburo de silicio. Son necesarios para controlar la alta tensión con la que operan los sistemas eléctricos de nueva generación. El director de Magtec señaló que los 24 voltios a los que operan la mayoría de los sistemas modernos son ahora demasiado bajos para los principales consumidores de electricidad (el aumento de voltaje permite que se transmita más potencia a través de los cables sin aumentar excesivamente el amperaje).
Una empresa en el campo, GE Aviation, ganó un contrato de $ 2,1 millones para desarrollar y demostrar la electrónica de potencia de carburo de silicio. Después de un programa de desarrollo de 18 meses, se espera que la compañía demuestre los beneficios de su tecnología FET de óxido metálico de carburo de silicio combinada con dispositivos de nitruro de galio en un convertidor CC / CC bidireccional de 15 kW y 28/600 voltios.
Según la compañía, este equipo puede manejar el doble de potencia, ocupando la mitad del volumen en comparación con la electrónica de potencia de silicio actual, mientras que los convertidores podrán trabajar en paralelo y programarse de acuerdo con el estándar CAN.
La compañía está desarrollando una arquitectura de energía para vehículos de próxima generación de TARDEC, calificándola de tecnología disruptiva, y espera que una demostración de tecnología esté lista para mediados de 2017.
Doble velocidad
Otra tecnología innovadora es el proyecto Ground X-Vehicle Technology (GXV-T) de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa DARPA, en el que los sistemas eléctricos desempeñarán un papel importante. El objetivo del proyecto es reducir a la mitad el tamaño, peso y número de la tripulación de prometedores vehículos blindados, duplicar su velocidad, la capacidad de superar el 95% del terreno, así como reducir las señales de visibilidad.
En julio de 2016, DARPA otorgó a Qinetiq una inversión de $ 2.7 millones para refinar la tecnología de los sistemas de propulsión eléctrica para el proyecto GXV-T. La compañía describe esta tecnología como motores eléctricos compactos y extremadamente potentes dentro de las ruedas que reemplazan varias cajas de cambios, diferenciales y ejes de transmisión. Este enfoque, dijo la compañía, reduce drásticamente el peso total de la plataforma y abre nuevas opciones de diseño que mejorarán la seguridad y el rendimiento.
Qinetiq enfatiza que, además de su uso en nuevos conceptos, como el GXV-T, esta tecnología también puede mejorar las capacidades de los vehículos existentes durante las actualizaciones. Por ejemplo, un vehículo de infantería de múltiples ruedas mejorado con propulsores de cubo o ruedas de motor "podría beneficiarse del aumento de potencia y movilidad que brindan los ahorros de peso, o viceversa, usar estos ahorros para mejorar la protección, instalar equipos o aumentar la capacidad de pasajeros."
La inversión fue seguida por un contrato, anunciado en septiembre de 2015, en virtud del cual el concepto se traducirá en un diseño real y se probará, después del cual se producirán dos prototipos funcionales completos.
“Los actuadores convencionales son bastante pesados, tienen una capacidad limitada y están formados por componentes que pueden convertirse en proyectiles letales si explotan con una mina”, dijo el jefe de investigación de Qinetiq, al comentar sobre el contrato. "Mover las unidades a las ruedas elimina esta amenaza y rompe la tendencia de los vehículos a volverse más pesados y menos móviles debido al mayor nivel de protección y el poder de las armas".
Las máquinas existentes también pueden beneficiarse de la electrificación de subsistemas sin propulsión. Por ejemplo, la empresa alemana Jenoptik suministrará 126 torretas eléctricas y sistemas de estabilización de armas para el programa polaco de modernización de tanques Leopard 2PL. Según la compañía, los sistemas eléctricos reemplazarán los sistemas hidráulicos en el tanque, reduciendo así el mantenimiento y la generación de calor.
Las entregas vencen en 2017-2020 en virtud de un contrato de 23 millones de dólares firmado con Bumar Labédy de Polonia en octubre de 2016. La misma empresa Bumar Labedy firmó un acuerdo de cooperación para la modernización de tanques con la empresa alemana Rheinmetall en febrero de 2017.
Una de las actividades de Jenoptik es el desarrollo y producción de plataformas de sensores / armas estabilizadas compactas, sistemas de propulsión para torres y armas, y espejos para estabilizar la línea de visión de vehículos blindados.
Por ejemplo, un sistema de accionamiento de pistola y torreta para sistemas de armas grandes consta de motores eléctricos de guía horizontal y vertical, que dirigen el arma en azimut y elevación, respectivamente, según las señales de las unidades de control principal y de respaldo. Ambos accionamientos incluyen motores síncronos sin escobillas de posicionamiento absoluto con espacio cero entre el engranaje de salida de cada motor y el sector dentado del conjunto de arma.
El sistema, capaz de funcionar con una tensión de alimentación de 28 y 610 voltios CC, puede lanzar el arma en cada plano a una velocidad de hasta 60 ° / so inferior a 0,2 mrad / s.
La unidad de control de accionamiento, de acuerdo con las señales de entrada de los sensores, controles y una mira activa, transforma la fuente de alimentación en un par de sistemas trifásicos, uno para cada uno de los servomotores de guía, estabilización y accionamiento de torreta y arma.
El mercado mundial de electrificación de vehículos tendrá un valor de $ 300 mil millones para 2026, según un informe de la firma de investigación IDTechEx el año pasado. Este crecimiento, impulsado por un aumento en el número de controladores de motores eléctricos por vehículo (ya que la dirección, la suspensión y otras partes previamente mecánicas, neumáticas e hidráulicas reemplazarán a los sistemas eléctricos), proporcionará una base tecnológica para el mercado masivo, reduciendo así su costo. para vehículos militares.
