El creixent consum d’energia dels sistemes de vehicles a bord dóna a les noves tecnologies l’oportunitat d’aprofitar l’oportunitat de canviar radicalment la potència i la mobilitat dels vehicles militars en el futur
Tenint en compte que és probable que la propera generació de l’exèrcit nord-americà tingui una central elèctrica híbrida, la indústria necessita un programa a gran escala perquè pugui introduir les seves tecnologies energètiques, que ja ha desenvolupat (juntament amb les inevitables modificacions), gran quantitat de vehicles de combat. Una mosca a l’ungüent d’aquest barril de mel, però, és que, segons els plans actuals, l’exèrcit planeja adoptar aquests vehicles cap al 2035. És probable que les decisions importants sobre la seva configuració no es prenguin abans del 2025, tret que s’accelerin els programes corresponents a la presidència de Trump.
Les grans necessitats són un incentiu excel·lent per al desenvolupament de noves tecnologies, que al seu torn poden proporcionar solucions per satisfer aquestes necessitats. Per exemple, la creixent demanda d’energia elèctrica al camp de batalla es combina amb la necessitat de reduir la càrrega logística associada al subministrament de combustible, així com augmentar la capacitat fora de la carretera de les forces de combat i les forces de suport al combat. Tot plegat és una prova contundent a favor de l’adopció generalitzada d’unitats de potència auxiliar, controls intel·ligents del motor i accionament elèctric híbrid i, com a resultat, un fort augment de la potència generada per als consumidors externs.
Superar la inèrcia
Amb una àmplia experiència en la producció de demostradors de tecnologia de vehicles híbrids per a diverses estructures militars i en la producció d’autobusos híbrids per al sector civil, BAE Systems està ben posicionada per avaluar exactament on es troba aquesta tecnologia actualment i quines són les seves perspectives. El mateix passa amb DRS Technologies, que també ha participat en molts projectes de demostració. Tom Weaver, director comercial de DRS Network Computing and Test Solutions, va dir que el mercat encara està emergint i que els beneficis dels vehicles elèctrics encara han de superar la inèrcia dels vehicles tradicionals. Aquesta inèrcia té un impacte negatiu en el progrés de màquines capaces de generar l'energia necessària per a consumidors externs, malgrat les necessitats que han augmentat "almenys un 100%" durant l'última dècada.
“DRS treballa amb diferents clients per demostrar màquines amb noves tecnologies integrades en diverses proves de rendiment. Les demostracions reeixides i les ressenyes positives dels usuaris no van conduir al desplegament d'aquest tipus de vehicles a les tropes, a més, ni tan sols es van desenvolupar els requisits per a ells. Però la demanda continuarà creixent, sobretot per a operacions expedicionàries i vehicles especialitzats, com ara sistemes d'armes d'energia dirigida.
DRS ara ofereix un sistema d’alimentació a bord per a equips de vehicles tàctics mitjans (MTV) i HMMWV en forma de generador integral de transmissió desenvolupat en col·laboració amb Allison. Aquest sistema, instal·lat en un camió MTV, per exemple, genera potència de fins a 125 kW per a sistemes integrats o externs. L’empresa també fabrica altres sistemes de gestió de l’energia per a diversos vehicles. L’enginyer en cap Andrew Rosenfield de BAE Systems, que també s’ocupa d’aquests sistemes, creu que és poc probable que els vehicles purament elèctrics tinguin un paper important en el combat terrestre, principalment a causa de problemes amb la recàrrega de bateries.
"Tot i que la tecnologia del tren motriu per a un funcionament totalment elèctric està ben establerta, el problema de proveïment de combustible pot evitar que es posin en funcionament vehicles purament elèctrics", va continuar. "Al cap i a la fi, el gasoil està disponible a qualsevol part del món, tot i que trobar una estació de recàrrega de bateries al desert és molt difícil, però fins i tot si en trobeu una, esperar vuit hores perquè estiguin completament carregades probablement no sigui factible".
Weaver va acceptar que és probable que prevalguin els cotxes híbrids, també esmentant les limitacions de la infraestructura de recàrrega de vehicles elèctrics nets i la ubiqüitat del gasoil i el combustible per a avions JP8. No obstant això, Rosenfield va destacar que els vehicles purament elèctrics podrien tenir un paper important a les bases militars, ja que podrien moure mercaderies, com és el cas de les fàbriques modernes o dels aeroports (tractors d’aeròdroms). "És probable que les màquines de cèl·lules de combustible puguin realitzar aquestes tasques, ja que necessiten accés gratuït a les reserves d'hidrogen", va dir.
Weaver creu que hi ha un camí difícil per davant dels vehicles amb pila de combustible. “En primer lloc, encara no hi ha cap infraestructura de gas d’hidrogen i hi haurà una certa desconfiança en el desplegament del nou combustible. El recorregut d’aquests vehicles començarà amb operacions expedicionàries ben organitzades.
Els dissenys híbrids també són més sofisticats que els dissenys purament elèctrics i tenen diverses funcions que els fan més atractius que les màquines accionades amb energia purament elèctriques i convencionals. “En primer lloc, les plataformes elèctriques híbrides fan servir el mateix combustible que els vehicles dièsel tradicionals. En segon lloc, el parell de baixa RPM és ideal per a una màquina que viatja per terrenys difícils o que puja per un pendent molt fort."
Va afegir que la capacitat de generar grans quantitats d’electricitat a bord és cada vegada més important a mesura que es desplegen noves capacitats, com ara sistemes de comunicacions i armes que utilitzen potents làsers. La capacitat d’exportar aquesta energia també és un enorme avantatge, ja que aquestes màquines poden alimentar zones poblades i hospitals els sistemes propis d’energia dels quals han estat danyats per danys de combat o desastres naturals.
"Finalment, els reduïts costos d'operació i manteniment associats a un estalvi substancial de combustible i una major fiabilitat fan dels vehicles elèctrics híbrids una elecció intel·ligent i a llarg termini".
Com va assenyalar Weaver, la demanda d’energia elèctrica a bord dels vehicles de combat no ha disminuït mai, només creixeran d’any en any. "Els sistemes funcionals més nous requereixen cada vegada més energia de la plataforma de transportistes, així com actualitzacions contínues als sistemes de generació i distribució d'energia dels vehicles actuals".
"Un cop afegides funcions com ara locomoció silenciosa, radar, comunicacions avançades, bloqueig de senyals i armadures o armes electromagnètiques, la plataforma es queda enrere i es fa manejable sense canviar a un esquema elèctric híbrid. En la propera dècada, per a tots els vehicles de combat, un dels components més importants serà la capacitat de generar grans quantitats d’electricitat a bord ".
"Els vehicles alimentats elèctricament han de fer la seva feina tan bé, o fins i tot millor que els seus homòlegs mecànics tradicionals", va continuar. “Els sistemes motoritzats no només són significativament més simples i tenen menys parts mòbils que els sistemes motoritzats, sinó que sovint tenen un nivell de redundància sorprenentment bo, cosa que els fa més fiables. Per exemple, la majoria de transmissions elèctriques transversals poden funcionar normalment amb un sol motor que ha fallat ".
Weaver va dir que les tecnologies clau que es nodreixen del transport públic ja estan implantades i estan a punt per entrar al mercat. "L'ús generalitzat de circuits elèctrics i híbrids, especialment en autobusos i tramvies interurbans, ha conduït al desenvolupament de controladors de motor, inversors i convertidors propers al que necessiten els militars", va dir. "Totes les necessitats de la indústria són clients disposats a pagar pel procés de qualificació, així com prou per mantenir el cost baix".
Mentrestant, es continua treballant en la manifestació. General Motors (GM) a AUSA a l’octubre de 2016 va mostrar una versió “a punt” del seu vehicle amb pila de combustible Chevrolet Colorado ZH2, que es basa en un xassís allargat de camions de mida mitjana. Segons el calendari previst, el Colorado ZH2, amb l'ajuda del Centre de Recerca Blindada TARDEC, haurà de sotmetre's a una sèrie de proves militars "en condicions operatives extremes" durant el 2017.
Va ser un programa accelerat. GM i TARDEC van treballar junts per crear una demostració en menys d’un any després de signar el contracte. "La velocitat a la qual es poden demostrar i avaluar idees innovadores és molt elevada, i és per això que els vincles de la indústria són tan importants per a l'exèrcit", va dir Paul Rogers, director de TARDEC. "Les cèl·lules de combustible tenen el potencial de millorar significativament les capacitats dels vehicles militars mitjançant un funcionament silenciós, la generació d'energia per a consumidors externs i un parell estable; tots aquests avantatges fan que aquesta tecnologia sigui explorada més de prop".
"ZH2 permet a l'exèrcit demostrar i avaluar la preparació de la tecnologia de les piles de combustible per a aplicacions militars, alhora que respon a la pregunta sobre la utilitat dels vehicles elèctrics de les piles de combustible en determinades condicions i en determinades missions de combat", va dir Doug Hallo, portaveu de TARDEC.
Els avantatges previstos que TARDEC ha d’avaluar inclouen un funcionament quasi silenciós que permet una vigilància silenciosa, signatures tèrmiques reduïdes, parell elevat de la roda a totes les velocitats, baix consum de combustible en tot el rang d’operació i aigua potable com a subproducte químic.. El Colorado ZH2 té una presa de força a bord per a consumidors externs.
El sistema de propulsió es basa en piles de combustible de membrana d’intercanvi de protons capaces de generar fins a 93 kW de corrent continu i una bateria que proporciona 35 kW més per al sistema de propulsió i es carrega durant la frenada regenerativa. Això és el que explica el director de projectes ZH2 de GM, Christopher Kolkit.
Els tancs del vehicle contenen al voltant de 4,2 kg d'hidrogen comprimit a 10.000 psi, la qual cosa suposa més de 689 vegades la pressió atmosfèrica. L’aire atmosfèric és una font d’oxigen necessària per al procés electroquímic, com a conseqüència del qual es genera l’electricitat necessària; només s’allibera vapor d’aigua”, va assenyalar.
Per a tots els sistemes d’accionament elèctric, l’enviament d’energia des de la font a les rodes és més fàcil que amb els vehicles tradicionals. “El ZH2 no té cap transmissió en el sentit habitual de la paraula. Un motor de tracció de corrent altern amb una caixa de canvis d’una sola etapa transfereix el parell directament a la caixa de transferència i al sistema de tracció a les quatre rodes”, va explicar Kolkit.
Infraestructura portàtil
Mitjançant aquest programa, el centre TARDEC també està explorant quina podria ser, com a mínim, una solució parcial al problema de la disponibilitat d’hidrogen (infraestructura). La seva solució aquí es veu afavorida pel fet que aquest element químic es pot produir de diverses maneres a partir de diferents fonts. Segons el representant del centre TARDEC, a la fase inicial del treball del projecte ZH2, la idea és obtenir hidrogen comprimit durant la reforma del querosè d'aviació JP8 en un reformador portàtil, que es traslladarà a cada lloc de prova juntament amb el màquina, perquè això augmentarà el nombre de solucions en aquesta etapa de tasques.
"Actualment estem buscant crear un reformador que pugui utilitzar diverses fonts disponibles a nivell local, com ara gas natural, combustible per a avions JP8, gasoil DF2 o propà, per produir hidrogen", va dir. - Les xarxes elèctriques locals, que inclouen possiblement fonts d’energia renovables, juntament amb els recursos hídrics, també es poden utilitzar per a la producció d’hidrogen. Això permetria a l'exèrcit reduir la quantitat de combustible que es porta a un teatre d'operacions específic i confiar en el que hi ha disponible en aquest teatre ".
Tant si es tracta de piles, piles de combustible o centrals mixtes dièsel-elèctriques com a motor principal, convertir el corrent elèctric en propulsió cap endavant requereix accionaments elèctrics fiables i eficients. L’empresa britànica Magtec fabrica sistemes d’accionament elèctric per als mercats aeroespacial, marítim i automobilístic, oferint, per exemple, diverses opcions per convertir camions comercials amb nous sistemes de propulsió.
No obstant això, la companyia també va desenvolupar sistemes de propulsió complets per a plataformes de rodes i rodes per demostrar tecnologies híbrides fabricades per BAE Systems Hagglunds per a les agències de defensa britàniques i sueces a principis dels anys 2000.
Per a les plataformes SEP (Splitterskyddad EnhetsPlattform), amb rodes de 6x6 i rastrejades, l’empresa ha desenvolupat motors de hub de rodes (rodes motores), que inclouen un reductor de dues etapes i un sistema de frenat en cadascun, generadors bessons, equips de control i distribució de potència. Per a SEP, també va desenvolupar, instal·lar i provar programari per controlar funcions clau com la distribució d’energia, el control de tracció, els bloquejos diferencials electrònics i la direcció que permeten que la màquina giri al moment. A més, aquest sistema compleix totes les regulacions militars de CEM i mediambientals.
El cap executiu de Magtec va dir que veu un bon potencial de creixement per als vehicles elèctrics amb un abast ampli per a missions de suport al combat. Al mateix temps, les noves tecnologies contribueixen a una millora significativa de la mobilitat, una disminució del consum de combustible, una major redundància, a més de permetre prendre decisions de disseny originals. També va assenyalar que la propulsió elèctrica simplifica la implementació del funcionament i autonomia remots.
Pel que fa al desenvolupament posterior de les tecnologies necessàries, va assenyalar que els sistemes de transmissió estan preparats per entrar al mercat amb sistemes electrònics de potència millorats (per controlar els discs de potència) basats en circuits de semiconductors de carbur de silici. Són necessaris per controlar l’alta tensió en què funcionen els sistemes elèctrics de nova generació. El director de Magtec va assenyalar que els 24 volts en què funcionen la majoria dels sistemes moderns són ara massa baixos per als principals consumidors d’electricitat (l’augment de la tensió permet transmetre més energia a través dels cables sense augmentar excessivament l’amperatge).
Una empresa del sector, GE Aviation, ha guanyat un contracte de 2,1 milions de dòlars per desenvolupar i demostrar electrònica de potència de carbur de silici. Després d’un programa de desenvolupament de 18 mesos, s’espera que la companyia demostri els avantatges de la seva tecnologia FET d’òxid de metall de carbur de silici combinada amb dispositius de nitrur de gal, en un convertidor bidireccional de CC / CC de 15 kW i 28/600 volts.
Segons l’empresa, aquest equip pot suportar el doble de potència, mentre que ocupa la meitat del volum en comparació amb l’electrònica de potència de silici actual, mentre que els convertidors podran treballar en paral·lel i ser programats d’acord amb l’estàndard CAN.
La companyia està desenvolupant una arquitectura de potència de vehicles de nova generació de TARDEC, que la denomina tecnologia pertorbadora, i espera que una demostració de tecnologia estigui llesta a mitjan 2017.
Doble velocitat
Una altra tecnologia avançada és el projecte de tecnologia X-Vehicle de terra (GXV-T) de la DARPA Defense Advanced Research Projects Agency, en el qual els sistemes elèctrics tindran un paper important. L’objectiu del projecte és reduir a la meitat la mida, el pes i el nombre de tripulants de vehicles blindats prometedors, duplicar la seva velocitat, la capacitat de superar el 95% del terreny, així com reduir els signes de visibilitat.
El juliol de 2016, DARPA va atorgar a Qinetiq una inversió de 2,7 milions de dòlars per perfeccionar la tecnologia dels sistemes d’acció elèctrica per al projecte GXV-T. La companyia descriu aquesta tecnologia com a motors elèctrics compactes i extremadament potents dins de les rodes que substitueixen diverses caixes de canvis, diferencials i eixos de transmissió. Aquest enfocament, va dir la companyia, redueix dràsticament el pes global de la plataforma i obre noves opcions de disseny que milloraran la seguretat i el rendiment.
Qinetiq destaca que, a més del seu ús en nous conceptes, com el GXV-T, aquesta tecnologia també pot millorar les capacitats dels vehicles existents durant les reformes. Per exemple, un vehicle d'infanteria de diverses rodes actualitzat amb accionaments del hub o rodes motores "es podria beneficiar de l'augment de potència i mobilitat que proporciona l'estalvi de pes, o viceversa, utilitzar aquests estalvis per millorar la protecció, instal·lar equips o augmentar la capacitat de passatgers."
La inversió va ser seguida per un contracte, anunciat el setembre de 2015, segons el qual el concepte es traduirà en un disseny real i es provarà, després del qual es produiran dos prototips de treball complet.
"Els actuadors convencionals són bastant pesats, tenen una capacitat limitada i estan formats per components que es poden convertir en projectils letals si exploten una mina", va dir el cap de recerca de Qinetiq, comentant el contracte. "El fet de moure els discos a les rodes elimina aquesta amenaça i trenca la tendència dels vehicles a fer-se més pesats i menys mòbils a causa de l'augment del nivell de protecció i la potència de les armes".
Les màquines existents també es poden beneficiar de l’electrificació de subsistemes sense propulsió. Per exemple, l’empresa alemanya Jenoptik subministrarà 126 sistemes elèctrics d’estabilització de torretes i armes per al programa de modernització de tancs polonesos Leopard 2PL. Segons la companyia, els sistemes elèctrics substituiran els sistemes hidràulics del tanc, reduint així el manteniment i la generació de calor.
Els lliuraments s’han de lliurar el 2017-2020 en virtut d’un contracte de 23 milions de dòlars signat amb el polonès Bumar Labédy a l’octubre del 2016. La mateixa empresa Bumar Labedy va signar un acord de cooperació per a la modernització de tancs amb l’empresa alemanya Rheinmetall el febrer de 2017.
Una de les activitats de Jenoptik és el desenvolupament i producció de plataformes compactes estabilitzades d'arma / plataformes de sensors, sistemes de transmissió per a torres i armes i miralls per estabilitzar la línia de visió dels vehicles blindats.
Per exemple, un sistema d'accionament de canons i torretes per a sistemes d'armes grans consisteix en motors elèctrics de guiatge horitzontal i vertical, que dirigeixen l'arma en azimut i alçada, respectivament, en funció dels senyals de les unitats de control principals i de seguretat. Ambdues accionaments inclouen motors síncrons sense escombretes de posicionament absolut amb un joc zero entre l'engranatge de sortida de cada motor i el sector dentat del conjunt de l'arma.
El sistema, capaç de funcionar amb una tensió d’alimentació de 28 i 610 volts de CC, pot llançar l’arma a cada pla a una velocitat de fins a 60 ° / s o inferior a 0,2 mrad / s.
La unitat de control de la unitat, d’acord amb els senyals d’entrada de sensors, controls i una mira activa, transforma la font d’alimentació en un parell de sistemes trifàsics, un per a cada servomotor de guiatge, estabilització i accionament de la torreta i l’arma.
Segons un informe de la firma d’investigació IDTechEx l’any passat, el mercat mundial d’electrificació de vehicles valdrà 300.000 milions de dòlars el 2026. Aquest creixement, impulsat per un augment del nombre de controladors de motors elèctrics per vehicle (ja que la direcció, la suspensió i altres peces prèviament mecàniques, pneumàtiques i hidràuliques substituiran els sistemes elèctrics), proporcionarà una base tecnològica per al mercat massiu, reduint així el seu cost per a vehicles militars.
