يمنح استهلاك الطاقة المتزايد لأنظمة المركبات على متن المركبة التقنيات الجديدة فرصة لاغتنام الفرصة لتغيير قوة المركبات العسكرية وتنقلها بشكل جذري في المستقبل
بالنظر إلى أن الجيل القادم من الجيش الأمريكي من المحتمل أن يكون لديه محطة طاقة هجينة ، تحتاج الصناعة إلى برنامج واسع النطاق حتى تتمكن من إدخال تقنيات الطاقة الخاصة بها ، والتي طورتها بالفعل (إلى جانب التعديلات التي لا مفر منها) ، في الجزء الأكبر من المركبات القتالية. ومع ذلك ، فإن الذبابة في هذا البرميل من العسل هي أنه وفقًا للخطط الحالية ، يخطط الجيش لتبني مثل هذه المركبات في حوالي عام 2035. من المرجح ألا يتم اتخاذ القرارات الرئيسية بشأن تكوينه قبل عام 2025 ، ما لم يتم تسريع البرامج المقابلة في رئاسة ترامب.
تعتبر الاحتياجات الضخمة حافزًا ممتازًا لتطوير تقنيات جديدة ، والتي بدورها يمكن أن توفر حلولًا لتلبية هذه الاحتياجات. على سبيل المثال ، يتم الجمع بين الطلب المتزايد على الطاقة الكهربائية في ساحة المعركة مع الحاجة إلى تقليل العبء اللوجستي المرتبط بإمدادات الوقود ، فضلاً عن زيادة القدرة على الطرق الوعرة للقوات القتالية وقوات الدعم القتالي. كل هذا دليل مقنع لصالح اعتماد واسع النطاق لوحدات الطاقة المساعدة ، وأدوات التحكم الذكية في المحرك والمحرك الكهربائي الهجين ، ونتيجة لذلك ، زيادة حادة في الطاقة المولدة للمستهلكين الخارجيين.
التغلب على الجمود
مع خبرة واسعة في إنتاج مظاهرات تكنولوجيا المركبات الهجينة لمختلف الهياكل العسكرية وفي إنتاج الحافلات الهجينة للقطاع المدني ، فإن BAE Systems في وضع جيد لتقييم مكان هذه التكنولوجيا بالضبط اليوم وما هي آفاقها. وينطبق الشيء نفسه على DRS Technologies ، التي شاركت أيضًا في العديد من المشاريع الإيضاحية. قال توم ويفر ، المدير التجاري في DRS Network Computing and Test Solutions ، إن السوق لا يزال في طور الظهور وإن فوائد السيارات الكهربائية لم تتغلب بعد على القصور الذاتي للمركبات التقليدية. هذا القصور الذاتي له تأثير سلبي على تقدم الآلات القادرة على توليد الطاقة اللازمة للمستهلكين الخارجيين ، على الرغم من الاحتياجات التي زادت "بنسبة 100٪ على الأقل" خلال العقد الماضي.
تعمل DRS مع عملاء مختلفين لعرض آلات ذات تقنيات جديدة متكاملة في اختبارات أداء مختلفة. لم تؤد المظاهرات الناجحة ومراجعات المستخدمين الإيجابية إلى نشر مثل هذه المركبات في القوات ، علاوة على ذلك ، لم يتم تطوير متطلباتها. لكن الطلب سيستمر مع ذلك في النمو ، خاصة بالنسبة للعمليات الاستكشافية والمركبات المتخصصة مثل أنظمة أسلحة الطاقة الموجهة.
تقدم DRS الآن نظام طاقة داخليًا للمركبة التكتيكية المتوسطة (MTV) ومعدات HMMWV في شكل مولد نقل متكامل تم تطويره بالتعاون مع Allison. هذا النظام ، المثبت على شاحنة MTV ، على سبيل المثال ، يولد طاقة تصل إلى 125 كيلو واط للأنظمة الداخلية أو الخارجية.تقوم الشركة أيضًا بتصنيع أنظمة أخرى لإدارة الطاقة لمختلف المركبات. يعتقد كبير المهندسين أندرو روزنفيلد من شركة BAE Systems ، التي تتعامل أيضًا مع مثل هذه الأنظمة ، أنه من غير المرجح أن تلعب المركبات الكهربائية البحتة دورًا رئيسيًا في القتال البري ، ويرجع ذلك أساسًا إلى مشاكل إعادة شحن البطاريات.
وتابع قائلاً: "في حين أن تقنية مجموعة نقل الحركة للتشغيل الكهربائي بالكامل راسخة ، إلا أن مشكلة إعادة التزود بالوقود قد تمنع وضع السيارات الكهربائية البحتة موضع التنفيذ". "بعد كل شيء ، يتوفر الديزل في أي مكان في العالم ، في حين أن العثور على محطة لإعادة شحن البطاريات في الصحراء أمر صعب للغاية ، ولكن حتى إذا وجدت واحدة ، فربما يكون الانتظار لمدة ثماني ساعات حتى يتم شحنها بالكامل أمرًا غير ممكن."
وافق ويفر على أنه من المرجح أن تسود السيارات الهجينة ، مشيرًا أيضًا إلى قيود البنية التحتية لشحن السيارات الكهربائية النظيفة وانتشار وقود الديزل ووقود الطائرات JP8 في كل مكان. ومع ذلك ، أكد روزنفيلد أن المركبات الكهربائية البحتة يمكن أن تلعب دورًا كبيرًا في القواعد العسكرية ، حيث يمكنها نقل البضائع ، كما هو الحال في المصانع الحديثة أو في المطارات (جرارات المطارات). وقال: "من المرجح أن تكون آلات خلايا الوقود قادرة على أداء مثل هذه المهام ، لأنها تحتاج إلى حرية الوصول إلى احتياطيات الهيدروجين".
يعتقد ويفر أن هناك طريقًا صعبًا أمام مركبات خلايا الوقود. أولاً ، لا توجد بنية تحتية لغاز الهيدروجين حتى الآن ، وسيكون هناك قدر معين من عدم الثقة في نشر الوقود الجديد. وسيبدأ مسار هذه المركبات بعمليات استكشافية جيدة التنظيم.
تعتبر التصميمات الهجينة أيضًا أكثر تعقيدًا من التصميمات الكهربائية البحتة ولديها العديد من الميزات التي تجعلها أكثر جاذبية من الآلات الكهربائية البحتة والتقليدية التي تعمل بالطاقة. "أولاً ، تستخدم المنصات الكهربائية الهجينة نفس الوقود الذي تستخدمه مركبات الديزل التقليدية. ثانيًا ، يعتبر عزم الدوران المنخفض عدد الدورات في الدقيقة مثاليًا لآلة تسير على أرض وعرة أو تتسلق منحدر شديد الانحدار."
وأضاف أن القدرة على توليد كميات كبيرة من الكهرباء على متن الطائرة أصبحت ذات أهمية متزايدة مع نشر قدرات جديدة مثل أنظمة الاتصالات والأسلحة التي تستخدم أشعة الليزر القوية. تعد القدرة على تصدير هذه الطاقة أيضًا ميزة كبيرة ، حيث يمكن لهذه الآلات أن توفر الطاقة للمناطق المأهولة بالسكان والمستشفيات التي تضررت أنظمة الطاقة الخاصة بها بسبب أضرار القتال أو الكوارث الطبيعية.
"أخيرًا ، فإن انخفاض تكاليف التشغيل والصيانة المرتبطة بتوفير كبير للوقود وموثوقية أكبر يجعل السيارات الكهربائية الهجينة خيارًا ذكيًا وطويل الأمد."
كما لاحظ ويفر ، فإن الطلب على الطاقة الكهربائية على متن المركبات القتالية لم ينخفض أبدًا ، وسوف ينمو فقط من عام إلى آخر. "تتطلب الأنظمة الوظيفية الأحدث المزيد والمزيد من الطاقة من منصة الناقل ، بالإضافة إلى ترقيات مستمرة لتوليد الطاقة وأنظمة التوزيع للمركبات الحالية."
"بمجرد إضافة ميزات مثل الحركة الصامتة ، والرادار ، والاتصالات المتقدمة ، وتشويش الإشارات ، والدروع أو الأسلحة الكهرومغناطيسية ، تتراجع المنصة وتصبح غير قابلة للإدارة دون التبديل إلى مخطط كهربائي هجين. في العقد المقبل ، بالنسبة لجميع المركبات القتالية ، سيكون أحد أهم المكونات هو القدرة على توليد كميات كبيرة من الكهرباء على متنها ".
وتابع: "يتعين على المركبات التي تعمل بالكهرباء القيام بعملها بنفس الطريقة التي تؤدي بها نظيراتها الميكانيكية التقليدية ، أو حتى أفضل منها". "الأنظمة الآلية ليست فقط أبسط بشكل كبير وتحتوي على أجزاء متحركة أقل من الأنظمة الآلية ، ولكن غالبًا ما تتمتع بمستوى جيد بشكل مدهش من التكرار ، مما يجعلها أكثر موثوقية. على سبيل المثال ، يمكن أن تعمل معظم الإرسالات الكهربائية المستعرضة بشكل طبيعي باستخدام محرك واحد فشل."
وقال ويفر إن التقنيات الرئيسية التي تمت رعايتها في مجال النقل العام موجودة بالفعل وجاهزة لدخول السوق. وقال: "أدى الاستخدام الواسع النطاق للدوائر الهجينة والكهربائية ، وخاصة في الحافلات والترام بين المدن ، إلى تطوير أجهزة التحكم في المحركات والمحولات والمحولات القريبة مما يحتاجه الجيش". "جميع احتياجات الصناعة هي عملاء على استعداد لدفع تكاليف عملية التأهيل ، بالإضافة إلى ما يكفي للحفاظ على انخفاض التكلفة."
في غضون ذلك ، يستمر العمل في المظاهرة. عرضت شركة جنرال موتورز (GM) في AUSA في أكتوبر 2016 نسخة "جاهزة للاستخدام" من سيارة شيفروليه كولورادو ZH2 التي تعمل بخلايا الوقود ، والتي تعتمد على هيكل شاحنة بيك آب ممدود متوسط الحجم. وفقًا للجدول الزمني ، ستخضع كولورادو ZH2 ، بمساعدة مركز الأبحاث المدرعة TARDEC ، لسلسلة من الاختبارات العسكرية "في ظروف التشغيل القاسية" خلال عام 2017.
لقد كان برنامجًا سريعًا. عملت جنرال موتورز و TARDEC معًا لإنشاء عرض توضيحي في أقل من عام بعد توقيع العقد. قال بول روجرز ، مدير TARDEC: "إن السرعة التي يمكن بها عرض الأفكار المبتكرة وتقييمها عالية جدًا ، ولهذا السبب تعتبر العلاقات الصناعية مهمة جدًا للجيش". "خلايا الوقود لديها القدرة على تعزيز قدرات المركبات العسكرية بشكل كبير من خلال التشغيل الهادئ ، وتوليد الطاقة للمستهلكين الخارجيين وعزم الدوران المستقر - كل هذه المزايا تجعل هذه التكنولوجيا يتم استكشافها عن كثب."
قال دوغ هالو: "يُمكّن ZH2 الجيش من إظهار وتقييم جاهزية تقنية خلايا الوقود للتطبيقات العسكرية ، بينما يجيب في نفس الوقت على السؤال حول مدى فائدة المركبات الكهربائية التي تعمل بخلايا الوقود في ظروف معينة وفي مهام قتالية معينة". المتحدث باسم TARDEC.
تشمل الفوائد المتوقعة التي يجب على TARDEC تقييمها التشغيل شبه الصامت مما يسمح بالمراقبة الصامتة ، والتوقيعات الحرارية المنخفضة ، وعزم الدوران العالي للعجلات في جميع السرعات ، وانخفاض استهلاك الوقود عبر نطاق التشغيل بأكمله ، ومياه الشرب كمنتج ثانوي كيميائي.العمليات التي تحدث في خلايا الوقود. يحتوي كولورادو ZH2 على مأخذ طاقة داخلي للمستهلكين الخارجيين.
يعتمد نظام الدفع على خلايا وقود غشاء تبادل البروتونات قادرة على توليد ما يصل إلى 93 كيلو واط من التيار المباشر ، وبطارية توفر 35 كيلوواط أخرى لنظام الدفع ويتم شحنها أثناء الكبح المتجدد. هذا ما يشرحه كريستوفر كولكيت ، مدير مشروع ZH2 من جنرال موتورز.
تحتفظ خزانات السيارة بحوالي 4.2 كجم من الهيدروجين المضغوط عند 10000 رطل / بوصة مربعة ، وهو ما يزيد عن 689 ضعف الضغط الجوي. الهواء الجوي هو مصدر للأكسجين المطلوب للعملية الكهروكيميائية ، ونتيجة لذلك يتم توليد الكهرباء المطلوبة ؛ فقط بخار الماء ينطلق.
بالنسبة لجميع أنظمة القيادة الكهربائية ، يكون توصيل الطاقة من المصدر إلى العجلات أسهل من المركبات التقليدية. لا يحتوي ZH2 على إرسال بالمعنى المعتاد للكلمة.وأوضح كولكيت أن محرك الجر AC المزود بصندوق تروس أحادي المرحلة ينقل عزم الدوران مباشرة إلى علبة النقل ونظام الدفع الرباعي.
البنية التحتية المحمولة
من خلال هذا البرنامج ، يستكشف مركز TARDEC أيضًا ما يمكن أن يكون على الأقل حلاً جزئيًا لمشكلة توافر الهيدروجين (البنية التحتية). يفضل حلها هنا حقيقة أن هذا العنصر الكيميائي يمكن إنتاجه بطرق مختلفة من مصادر مختلفة. وفقًا لممثل مركز TARDEC ، في المرحلة الأولى من العمل في مشروع ZH2 ، تكمن الفكرة في الحصول على الهيدروجين المضغوط أثناء إعادة تشكيل كيروسين الطيران JP8 في جهاز إصلاح محمول ، والذي سيتم نقله إلى كل موقع اختبار جنبًا إلى جنب مع الجهاز ، لأن هذا سيزيد من عدد الحلول في هذه المرحلة من المهام.
وقال: "نتطلع حاليًا إلى إنشاء مُصلِح يمكنه استخدام مجموعة متنوعة من المصادر المتاحة محليًا ، مثل الغاز الطبيعي ، ووقود الطائرات JP8 ، والديزل DF2 أو البروبان ، لإنتاج الهيدروجين". - يمكن أيضًا استخدام الشبكات الكهربائية المحلية ، بما في ذلك مصادر الطاقة المتجددة المحتملة ، إلى جانب موارد المياه ، لإنتاج الهيدروجين. وهذا من شأنه أن يسمح للجيش بتقليل كمية الوقود التي يتم إحضارها إلى مسرح عمليات معين والاعتماد على ما هو متوفر في ذلك المسرح ".
سواء كانت بطاريات أو خلايا وقود أو محطات طاقة ديزل وكهرباء مختلطة كمحرك رئيسي ، فإن تحويل التيار الكهربائي إلى دفع أمامي يتطلب محركات كهربائية موثوقة وفعالة. تقوم شركة Magtec البريطانية بتصنيع أنظمة القيادة الكهربائية لأسواق الطيران والبحرية والسيارات ، وتقدم ، على سبيل المثال ، العديد من الخيارات لتحويل الشاحنات التجارية بأنظمة دفع جديدة.
ومع ذلك ، طورت الشركة أيضًا مجموعات نقل حركة كاملة لمنصات مجنزرة وذات عجلات لإظهار التقنيات الهجينة التي صنعتها BAE Systems Hagglunds لوكالات الدفاع البريطانية والسويدية في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين.
بالنسبة لمنصات SEP (Splitterskyddad EnhetsPlattform) ، ذات العجلات 6 × 6 والمتعقبة ، طورت الشركة محركات محور العجلة (عجلات بمحرك) ، بما في ذلك نظام تخفيض السرعة ونظام الكبح على مرحلتين في كل منهما ، ومولدات مزدوجة ، ومعدات تحكم وتوزيع الطاقة. بالنسبة لـ SEP ، قامت أيضًا بتطوير وتثبيت واختبار برنامج للتحكم في الوظائف الرئيسية مثل توزيع الطاقة والتحكم في الجر والأقفال التفاضلية الإلكترونية والتوجيه الذي يسمح للآلة بالتشغيل الفوري. بالإضافة إلى ذلك ، يلبي هذا النظام جميع اللوائح العسكرية البيئية والتوافق الكهرومغناطيسي.
قال الرئيس التنفيذي لشركة Magtec إنه يرى إمكانات نمو جيدة للسيارات الكهربائية ذات المدى الموسع لمهام الدعم القتالي. في الوقت نفسه ، تساهم التقنيات الجديدة في تحسين كبير في التنقل ، وتقليل استهلاك الوقود ، وزيادة التكرار ، بالإضافة إلى أنها تسمح باتخاذ قرارات التصميم الأصلية. وأشار أيضًا إلى أن الدفع الكهربائي يبسط تنفيذ التشغيل عن بُعد والاستقلالية.
فيما يتعلق بالتطوير الإضافي للتقنيات الضرورية ، أشار إلى أن أنظمة القيادة جاهزة لدخول السوق من خلال إلكترونيات الطاقة المحسّنة (للتحكم في محركات الطاقة) استنادًا إلى دوائر أشباه الموصلات المصنوعة من كربيد السيليكون. إنها ضرورية للتحكم في الجهد العالي الذي يعمل عليه الجيل الجديد من الأنظمة الكهربائية. لاحظ مدير Magtec أن 24 فولت التي تعمل بها معظم الأنظمة الحديثة منخفضة للغاية بالنسبة للمستهلكين الرئيسيين للكهرباء (تسمح الزيادة في الجهد بنقل المزيد من الطاقة عبر الكابلات دون زيادة مفرطة في التيار).
فازت شركة واحدة في هذا المجال ، GE Aviation ، بعقد قيمته 2.1 مليون دولار لتطوير وإظهار إلكترونيات طاقة كربيد السيليكون.بعد برنامج تطوير مدته 18 شهرًا ، من المتوقع أن تعرض الشركة فوائد تقنية FET لأكسيد معدن كربيد السيليكون جنبًا إلى جنب مع أجهزة نيتريد الغاليوم في محول DC / DC ثنائي الاتجاه بقدرة 15 كيلو وات و 28/600 فولت.
وفقًا للشركة ، يمكن لهذا الجهاز التعامل مع ضعف الطاقة ، بينما يشغل نصف الحجم مقارنة بإلكترونيات طاقة السيليكون الحالية ، في حين أن المحولات ستكون قادرة على العمل بالتوازي ويمكن برمجتها وفقًا لمعيار CAN.
تعمل الشركة على تطوير بنية طاقة السيارة من الجيل التالي من TARDEC ، واصفة إياها بأنها تقنية تخريبية ، وتأمل أن يكون عرض التكنولوجيا جاهزًا بحلول منتصف عام 2017.
سرعة مضاعفة
وهناك تقنية أخرى متطورة وهي مشروع تكنولوجيا المركبات الأرضية (GXV-T) التابع لوكالة مشاريع البحوث الدفاعية الدفاعية (DARPA) ، والذي ستلعب فيه الأنظمة الكهربائية دورًا مهمًا. الهدف من المشروع هو خفض حجم ووزن وعدد طاقم المركبات المدرعة الواعدة إلى النصف ، ومضاعفة سرعتها ، والقدرة على التغلب على 95٪ من التضاريس ، وكذلك تقليل علامات الرؤية.
في يوليو 2016 ، منحت DARPA شركة Qinetiq استثمارًا بقيمة 2.7 مليون دولار لتحسين تقنية أنظمة القيادة الكهربائية لمشروع GXV-T. تصف الشركة هذه التقنية بأنها محركات كهربائية مدمجة وقوية للغاية داخل العجلات التي تحل محل علب التروس المختلفة والتفاضلات وأعمدة الإدارة. وقالت الشركة إن هذا النهج يقلل بشكل كبير من الوزن الإجمالي للمنصة ويفتح خيارات تصميم جديدة من شأنها تحسين السلامة والأداء.
تؤكد Qinetiq أنه بالإضافة إلى استخدامها في مفاهيم جديدة ، مثل GXV-T ، يمكن لهذه التقنية أيضًا تعزيز قدرات المركبات الحالية أثناء عمليات التعديل التحديثي. على سبيل المثال ، يمكن أن تستفيد مركبة المشاة متعددة العجلات التي تمت ترقيتها بمحركات محور أو عجلات بمحركات "من زيادة القوة والتنقل التي توفرها وفورات الوزن ، أو العكس ، تستخدم هذه المدخرات لتحسين الحماية أو تثبيت المعدات أو زيادة سعة الركاب."
تبع الاستثمار عقد ، تم الإعلان عنه في سبتمبر 2015 ، سيتم بموجبه ترجمة المفهوم إلى تصميم حقيقي واختباره ، وبعد ذلك سيتم إنتاج نموذجين أوليين كاملين.
قال رئيس الأبحاث في Qinetiq في تعليقه على العقد: "المشغلات التقليدية ثقيلة للغاية وذات قدرة محدودة وتتكون من مكونات يمكن أن تتحول إلى مقذوفات قاتلة إذا انفجرت بواسطة لغم". "نقل المحركات إلى العجلات يزيل هذا التهديد ويكسر الميل إلى أن تصبح المركبات أثقل وأقل حركة بسبب زيادة مستوى الحماية وقوة الأسلحة."
يمكن للآلات الحالية أيضًا الاستفادة من كهربة الأنظمة الفرعية غير الدافعة. على سبيل المثال ، ستقوم شركة Jenoptik الألمانية بتزويد 126 برجًا كهربائيًا وأنظمة تثبيت للأسلحة لبرنامج تحديث دبابات Leopard 2PL البولندي. وفقًا للشركة ، ستحل الأنظمة الكهربائية محل الأنظمة الهيدروليكية في الخزان ، وبالتالي تقليل الصيانة وتوليد الحرارة.
من المقرر التسليم في 2017-2020 بموجب عقد قيمته 23 مليون دولار تم توقيعه مع البولندية بومار لابيدي في أكتوبر 2016. وقعت نفس الشركة Bumar Labedy اتفاقية تعاون بشأن تحديث الدبابات مع شركة Rheinmetall الألمانية في فبراير 2017.
تتمثل إحدى أنشطة Jenoptik في تطوير وإنتاج منصات أسلحة / أجهزة استشعار مدمجة ومستقرة وأنظمة قيادة للأبراج والأسلحة والمرايا لتثبيت خط رؤية المركبات المدرعة.
على سبيل المثال ، يتكون نظام الدفع بالبندقية والبرج لأنظمة الأسلحة الكبيرة من محركات كهربائية توجيه أفقية ورأسية ، والتي توجه البندقية في السمت والارتفاع ، على التوالي ، اعتمادًا على إشارات وحدات التحكم الرئيسية والاحتياطية.يشتمل كلا المحركين على تحديد موقع مطلق لمحركات متزامنة بدون فرش مع خلوص صفري بين ترس الخرج لكل محرك والقطاع المسنن لتجميع السلاح.
يمكن للنظام ، القادر على العمل بجهد إمداد يبلغ 28 و 610 فولت تيار مستمر ، إلقاء البندقية في كل طائرة بسرعة تصل إلى 60 درجة / ثانية أو أبطأ من 0.2 مراد / ثانية.
تعمل وحدة التحكم في القيادة ، وفقًا لإشارات الإدخال من المستشعرات وأدوات التحكم والمشهد النشط ، على تحويل مصدر الطاقة إلى زوج من الأنظمة ثلاثية الطور ، واحد لكل من الأبراج وتوجيه السلاح وتثبيت وتشغيل المؤازرات.
ستبلغ قيمة سوق كهربة السيارات العالمية 300 مليار دولار بحلول عام 2026 ، وفقًا لتقرير صادر عن شركة الأبحاث IDTechEx العام الماضي. سيوفر هذا النمو ، المدفوع بزيادة في عدد أجهزة التحكم في المحرك الكهربائي لكل مركبة (حيث سيحل نظام التوجيه والتعليق والأجزاء الميكانيكية والهوائية والهيدروليكية الأخرى سابقًا محل الأنظمة الكهربائية) ، أساسًا تكنولوجيًا للسوق الشامل ، وبالتالي تقليل تكلفتها للمركبات العسكرية.
