O crescente consumo de energia dos sistemas de veículos a bordo dá às novas tecnologias a chance de aproveitar a oportunidade para mudar radicalmente a potência e a mobilidade dos veículos militares no futuro
Dado que a próxima geração do exército americano provavelmente terá uma usina híbrida, a indústria precisa de um programa em grande escala para que possa introduzir suas tecnologias de energia, que já desenvolveu (junto com as modificações inevitáveis), no volume de veículos de combate. Uma mosca na sopa neste barril de mel, no entanto, é que, de acordo com os planos atuais, o exército planeja adotar tais veículos por volta de 2035. As principais decisões sobre sua configuração provavelmente não serão tomadas antes de 2025, a menos que os programas correspondentes sejam acelerados para a presidência de Trump.
Grandes necessidades são um excelente incentivo para o desenvolvimento de novas tecnologias, que por sua vez podem fornecer soluções para atender a essas necessidades. Por exemplo, a crescente demanda por energia elétrica no campo de batalha é combinada com a necessidade de reduzir a carga logística associada ao fornecimento de combustível, bem como de aumentar a capacidade off-road das forças de combate e das forças de apoio ao combate. Tudo isso é uma evidência convincente em favor da adoção generalizada de unidades de potência auxiliares, controles de motor inteligentes e acionamento elétrico híbrido e, como resultado, um aumento acentuado na potência gerada para consumidores externos.
Superar a inércia
Com ampla experiência na produção de demonstradores de tecnologia de veículos híbridos para várias estruturas militares e na produção de ônibus híbridos para o setor civil, a BAE Systems está bem posicionada para avaliar exatamente onde esta tecnologia está hoje e quais são as suas perspectivas. O mesmo é verdade para DRS Technologies, que também participou de muitos projetos de demonstração. Tom Weaver, Diretor Comercial da DRS Network Computing and Test Solutions, disse que o mercado ainda está emergindo e que os benefícios dos veículos elétricos ainda precisam superar a inércia dos veículos tradicionais. Essa inércia impacta negativamente o avanço de máquinas capazes de gerar a energia necessária para os consumidores externos, apesar das necessidades que aumentaram "em pelo menos 100%" na última década.
“A DRS está trabalhando com diferentes clientes para demonstrar máquinas com novas tecnologias integradas em vários testes de desempenho. Demonstrações bem-sucedidas e avaliações positivas dos usuários não levaram à implantação de tais veículos nas tropas; além disso, os requisitos para eles nem mesmo foram desenvolvidos. Mesmo assim, a demanda continuará a crescer, especialmente para operações expedicionárias e veículos especializados, como sistemas de armas de energia dirigida.”
A DRS agora oferece um sistema de energia a bordo para equipamentos de Veículo Tático Médio (MTV) e HMMWV na forma de um Gerador Integral de Transmissão desenvolvido em colaboração com a Allison. Este sistema, instalado em um caminhão MTV, por exemplo, gera potência de até 125 kW para sistemas internos ou externos. A empresa também fabrica outros sistemas de gerenciamento de energia para vários veículos. O engenheiro-chefe Andrew Rosenfield, da BAE Systems, que também lida com esses sistemas, acredita ser improvável que veículos puramente elétricos desempenhem um papel importante no combate terrestre, principalmente devido a problemas com a recarga das baterias.
“Embora a tecnologia do trem de força para operação totalmente elétrica esteja bem estabelecida, o problema de reabastecimento pode muito bem impedir que veículos puramente elétricos sejam colocados em ação”, continuou ele. "Afinal, o diesel está disponível em qualquer lugar do mundo, enquanto encontrar uma estação de recarga de bateria no deserto é muito difícil, mas mesmo se você encontrar uma, esperar oito horas para que estejam totalmente carregadas provavelmente não é viável."
Weaver concordou que os carros híbridos provavelmente prevalecerão, mencionando também as limitações da infraestrutura de carregamento de carros elétricos limpos e a onipresença do diesel e do combustível de aviação JP8. No entanto, Rosenfield destacou que os veículos puramente elétricos poderiam desempenhar um grande papel nas bases militares, uma vez que poderiam movimentar mercadorias, como é o caso das fábricas modernas ou dos aeroportos (tratores de aeródromo). “As máquinas de célula de combustível provavelmente seriam capazes de realizar essas tarefas, pois precisam de acesso gratuito às reservas de hidrogênio”, disse ele.
Weaver acredita que existe um caminho difícil à frente dos veículos com células de combustível. “Em primeiro lugar, ainda não existe infraestrutura de gás hidrogênio e haverá uma certa desconfiança na implantação do novo combustível. O caminho de tais veículos começará com operações expedicionárias bem organizadas."
Os projetos híbridos também são mais sofisticados do que os projetos puramente elétricos e têm vários recursos que os tornam mais atraentes do que as máquinas puramente elétricas e convencionais. “Primeiro, as plataformas elétricas híbridas usam o mesmo combustível que os veículos a diesel tradicionais. Em segundo lugar, o torque de baixo RPM é ideal para uma máquina viajando em terrenos acidentados ou escalando uma encosta muito íngreme."
Ele acrescentou que a capacidade de gerar grandes quantidades de eletricidade a bordo está se tornando cada vez mais importante à medida que novos recursos, como comunicações e sistemas de armas que usam lasers poderosos, são implantados. A capacidade de exportar essa energia também é uma grande vantagem, pois essas máquinas podem abastecer áreas populosas e hospitais cujos próprios sistemas de energia foram danificados por danos de combate ou desastres naturais.
"Finalmente, os custos de operação e manutenção reduzidos associados à economia de combustível substancial e maior confiabilidade tornam os veículos elétricos híbridos uma escolha inteligente e de longo prazo."
Como Weaver observou, a demanda por energia elétrica a bordo de veículos de combate nunca diminuiu, eles só vão crescer de ano para ano. "Os sistemas funcionais mais novos exigem cada vez mais energia da plataforma da operadora, bem como atualizações contínuas nos sistemas de geração e distribuição de energia dos veículos atuais."
“Depois de adicionar recursos como locomoção silenciosa, radar, comunicações avançadas, interferência de sinal e armadura ou armamento eletromagnético, a plataforma fica para trás e se torna incontrolável sem mudar para um esquema elétrico híbrido. Na próxima década, para todos os veículos de combate, um dos componentes mais importantes será a capacidade de gerar grandes quantidades de eletricidade a bordo.”
“Os veículos movidos a eletricidade têm que fazer seu trabalho tão bem ou até melhor do que seus equivalentes mecânicos tradicionais”, ele continuou. “Os sistemas motorizados não apenas são significativamente mais simples e têm menos peças móveis do que os sistemas motorizados, mas também costumam ter um nível de redundância surpreendentemente bom, o que os torna mais confiáveis. Por exemplo, a maioria das transmissões elétricas transversais pode operar normalmente com um único motor que falhou."
Weaver disse que as tecnologias-chave cultivadas no transporte público já existem e estão prontas para entrar no mercado. “O uso generalizado de circuitos híbridos e elétricos, especialmente em ônibus e bondes intermunicipais, levou ao desenvolvimento de controladores de motor, inversores e conversores que estão próximos das necessidades dos militares”, disse ele. “Todas as necessidades da indústria são clientes dispostos a pagar pelo processo de qualificação, bem como o suficiente para manter o custo baixo.”
Nesse ínterim, o trabalho continua na demonstração. A General Motors (GM) na AUSA em outubro de 2016 mostrou uma versão “pronta para uso” de seu veículo de célula de combustível Chevrolet Colorado ZH2, que é baseado em um chassi de picape de tamanho médio alongado. De acordo com o cronograma, o Colorado ZH2, com o auxílio do Centro de Pesquisa Blindado TARDEC, passará por uma série de testes militares "em condições operacionais extremas" durante 2017.
Foi um programa acelerado. A GM e a TARDEC trabalharam juntas para criar uma demonstração em menos de um ano após a assinatura do contrato. “A velocidade com que as ideias inovadoras podem ser demonstradas e avaliadas é muito alta, razão pela qual os laços com a indústria são tão importantes para os militares”, disse o diretor da TARDEC, Paul Rogers. "As células de combustível têm o potencial de aumentar significativamente as capacidades dos veículos militares por meio de operação silenciosa, geração de energia para consumidores externos e torque estável - todas essas vantagens tornam essa tecnologia mais explorada."
“O ZH2 permite que o exército demonstre e avalie a prontidão da tecnologia de célula de combustível para aplicações militares, ao mesmo tempo em que responde à pergunta de quão úteis os veículos elétricos com célula de combustível podem ser em certas condições e em certas missões de combate”, disse Doug Hallo, porta-voz da TARDEC.
Os benefícios previstos que a TARDEC deve avaliar incluem operação quase silenciosa, permitindo vigilância silenciosa, assinaturas térmicas reduzidas, alto torque das rodas em todas as velocidades, baixo consumo de combustível em toda a faixa operacional e água potável como um subproduto químico. Processos que ocorrem nas células de combustível. O Colorado ZH2 tem uma tomada de força a bordo para consumidores externos.
O sistema de propulsão é baseado em células a combustível de membrana de troca de prótons, capazes de gerar até 93 kW de corrente contínua, e uma bateria que fornece mais 35 kW para o sistema de propulsão e é carregada durante a frenagem regenerativa. Isso é o que o Gerente de Projeto ZH2 da GM, Christopher Kolkit, explica.
“Os tanques do veículo suportam cerca de 4,2 kg de hidrogênio comprimido a 10.000 psi, o que é mais de 689 vezes a pressão atmosférica. O ar atmosférico é uma fonte de oxigênio necessária para o processo eletroquímico, como resultado do qual a eletricidade necessária é gerada; só o vapor de água é liberado”, observou.
Para todos os sistemas de acionamento elétrico, o fornecimento de energia da fonte para as rodas é mais fácil do que com os veículos tradicionais. “O ZH2 não tem transmissão no sentido usual da palavra. Um motor de tração AC com uma caixa de câmbio de estágio único transfere o torque diretamente para a caixa de transferência e o sistema de tração nas quatro rodas”, explicou Kolkit.
Infraestrutura portátil
Através deste programa, o Centro TARDEC também está explorando o que poderia ser pelo menos uma solução parcial para o problema de disponibilidade de hidrogênio (infraestrutura). Sua solução aqui é favorecida pelo fato de que este elemento químico pode ser produzido de várias maneiras a partir de fontes diferentes. Segundo o representante do Centro TARDEC, na fase inicial dos trabalhos do projeto ZH2, a ideia é obter hidrogênio comprimido durante a reforma do querosene de aviação JP8 em um reformador portátil, que será transferido para cada local de teste junto com o máquina, pois isso aumentará o número de tarefas resolvidas nesta fase.
“Atualmente, estamos procurando criar um reformador que possa usar uma variedade de fontes disponíveis localmente, como gás natural, combustível de jato JP8, diesel DF2 ou propano, para produzir hidrogênio”, disse ele. - Redes elétricas locais, incluindo fontes de energia possivelmente renováveis, juntamente com recursos hídricos, também podem ser usadas para a produção de hidrogênio. Isso permitiria ao exército reduzir a quantidade de combustível que é levado para um teatro de operações específico e contar com o que está disponível nesse teatro."
Quer sejam baterias, células de combustível ou usinas mistas de energia elétrica a diesel como motor principal, a conversão de corrente elétrica em propulsão para a frente requer acionamentos elétricos confiáveis e eficientes. A britânica Magtec fabrica sistemas de acionamento elétrico para os mercados aeroespacial, naval e automotivo, oferecendo, por exemplo, várias opções de conversão de caminhões comerciais com novos sistemas de propulsão.
No entanto, a empresa também desenvolveu motorizações completas para plataformas sobre esteiras e rodas para demonstrar tecnologias híbridas fabricadas pela BAE Systems Hagglunds para as agências de defesa britânicas e suecas no início dos anos 2000.
Para plataformas SEP (Splitterskyddad EnhetsPlattform), com rodas 6x6 e com esteiras, a empresa desenvolveu motores de cubo de roda (rodas motorizadas), incluindo uma engrenagem de redução de dois estágios e sistema de freio em cada um, geradores gêmeos, equipamentos de controle e distribuição de energia. Para a SEP, ela também desenvolveu, instalou e testou software para controlar funções-chave como distribuição de força, controle de tração, travas eletrônicas de diferencial e direção que permite que a máquina gire no local. Além disso, esse sistema atende a todas as regulamentações militares e ambientais de EMC.
O presidente-executivo da Magtec disse que vê um bom potencial de crescimento para veículos elétricos com alcance estendido para missões de apoio de combate. Ao mesmo tempo, as novas tecnologias contribuem para uma melhoria significativa da mobilidade, diminuição do consumo de combustível, maior redundância, além de permitirem tomar decisões de layout originais. Ele também observou que a propulsão elétrica simplifica a implementação de operação remota e autonomia.
Em relação ao desenvolvimento das tecnologias necessárias, ele observou que os sistemas de acionamento estão prontos para entrar no mercado com eletrônica de potência aprimorada (para controle de acionamentos de potência) com base em circuitos semicondutores de carboneto de silício. Eles são necessários para controlar a alta tensão em que operam os sistemas elétricos de nova geração. O diretor da Magtec observou que os 24 volts em que a maioria dos sistemas modernos operam agora são muito baixos para os principais consumidores de eletricidade (o aumento da tensão permite que mais potência seja transmitida pelos cabos sem aumentar excessivamente a amperagem).
Uma empresa no campo, a GE Aviation, ganhou um contrato de US $ 2,1 milhões para desenvolver e demonstrar eletrônica de potência de carboneto de silício. Após um programa de desenvolvimento de 18 meses, espera-se que a empresa demonstre os benefícios de sua tecnologia FET de óxido metálico de carboneto de silício combinada com dispositivos de nitreto de gálio em um conversor CC / CC bidirecional de 15 kW, 28/600 volts.
De acordo com a empresa, esse equipamento pode lidar com o dobro da potência, ocupando metade do volume em relação à atual eletrônica de potência de silício, enquanto os conversores poderão funcionar em paralelo e ser programados de acordo com o padrão CAN.
A empresa está desenvolvendo uma arquitetura de energia para veículos de próxima geração da TARDEC, chamando-a de tecnologia disruptiva, e espera que uma demonstração de tecnologia esteja pronta em meados de 2017.
Velocidade dupla
Outra tecnologia inovadora é o projeto Ground X-Vehicle Technology (GXV-T) da DARPA Defense Advanced Research Projects Agency, no qual os sistemas elétricos desempenharão um papel significativo. O objetivo do projeto é reduzir pela metade o tamanho, o peso e o número da tripulação de promissores veículos blindados, para dobrar sua velocidade, a capacidade de superar 95% do terreno, além de reduzir os sinais de visibilidade.
Em julho de 2016, a DARPA deu à Qinetiq um investimento de $ 2,7 milhões para refinar a tecnologia de sistemas de acionamento elétrico para o projeto GXV-T. A empresa descreve essa tecnologia como motores elétricos compactos e extremamente potentes dentro das rodas que substituem várias caixas de câmbio, diferenciais e eixos de transmissão. Esta abordagem, disse a empresa, reduz drasticamente o peso geral da plataforma e abre novas opções de design que irão melhorar a segurança e o desempenho.
Qinetiq enfatiza que, além de seu uso em novos conceitos, como o GXV-T, essa tecnologia também pode aprimorar as capacidades dos veículos existentes durante retrofits. Por exemplo, um veículo de infantaria com várias rodas atualizado com hubs ou rodas motorizadas "poderia se beneficiar do aumento de potência e mobilidade que a economia de peso proporciona, ou vice-versa, usar essas economias para melhorar a proteção, instalar equipamentos ou aumentar a capacidade de passageiros."
O investimento foi seguido por um contrato, anunciado em setembro de 2015, no qual o conceito será traduzido em um design real e testado, após o qual dois protótipos completos de trabalho serão produzidos.
“Os atuadores convencionais são bastante pesados, têm capacidade limitada e são compostos por componentes que podem se transformar em projéteis letais se explodidos por uma mina”, disse o chefe de pesquisa da Qinetiq, ao comentar o contrato. "Mover os drives para as rodas remove essa ameaça e quebra a tendência de os veículos se tornarem mais pesados e menos móveis devido ao maior nível de proteção e ao poder das armas."
As máquinas existentes também podem se beneficiar da eletrificação de subsistemas não propulsores. Por exemplo, a empresa alemã Jenoptik fornecerá 126 torres elétricas e sistemas de estabilização de armas para o programa de modernização do tanque Leopard 2PL da Polônia. Segundo a empresa, os sistemas elétricos substituirão os sistemas hidráulicos do tanque, reduzindo assim a manutenção e a geração de calor.
As entregas devem ocorrer em 2017-2020, de acordo com um contrato de US $ 23 milhões assinado com a polonesa Bumar Labédy em outubro de 2016. A mesma empresa Bumar Labedy assinou um acordo de cooperação para a modernização de tanques com a empresa alemã Rheinmetall em fevereiro de 2017.
Uma das atividades da Jenoptik é o desenvolvimento e produção de plataformas compactas de armas / sensores estabilizados, sistemas de acionamento para torres e armas e espelhos para estabilizar a linha de visão de veículos blindados.
Por exemplo, um sistema de acionamento de canhão e torre para grandes sistemas de armas consiste em motores elétricos de orientação horizontal e vertical, que direcionam o canhão em azimute e elevação, respectivamente, dependendo dos sinais das unidades de controle principal e reserva. Ambos os acionamentos incluem motores síncronos sem escova de posicionamento absoluto com folga zero entre a engrenagem de saída de cada motor e o setor dentado do conjunto da arma.
O sistema, capaz de operar com uma tensão de alimentação de 28 e 610 volts DC, pode lançar o canhão em cada avião a uma velocidade de até 60 ° / s ou inferior a 0,2 mrad / s.
A unidade de controle do drive, de acordo com os sinais de entrada dos sensores, controles e uma mira ativa, transforma a fonte de alimentação em um par de sistemas trifásicos, um para cada um dos servomotores de orientação, estabilização e acionamento da torre e da arma.
O mercado global de eletrificação de veículos valerá US $ 300 bilhões em 2026, de acordo com um relatório da empresa de pesquisas IDTechEx no ano passado. Esse crescimento, impulsionado pelo aumento do número de controladores de motores elétricos por veículo (já que direção, suspensão e outras peças antes mecânicas, pneumáticas e hidráulicas substituirão os sistemas elétricos), proporcionará uma base tecnológica para o mercado massivo, reduzindo assim seus custos. para veículos militares.
