Статьи >>

Баланс мощности: военные в поисках эффективной чистой энергии

Категория: Новые технологии

Баланс мощности: военные в поисках эффективной чистой энергии

Несмотря на ужесточение юридических норм, перспективы гибридных конструкций, технологические прорывы в мотоспорте и потребности в повышенном КПД, ближайшее будущее касательно мощности военных машин пока базируется на традиционных двигателях на ископаемых топливах. Впрочем, перемены уже близки.

Пятнадцать лет назад компания Тойота запустила свой революционный гибридный (комбинированный) двигатель Prius в ничего не подозревающий мир двигателестроения. Несмотря на топливную экономичность уровня дизельных двигателей и появление бесконечных споров в интернете ставящих под сомнение «зеленые» преимущества его аккумуляторов, автомобиль стал духом времени и помог популяризации гибридных технологий. Сегодня гибриды заняли значительную нишу рынка, при этом одни ищут невиданную эффективность, другие следуют за повышением рабочих параметров, тогда как немногие цинично используют лазейки в нормах транспортных выбросов для того, чтобы доставлять управленцев в гибридных восьмицилиндровых лимузинах в городские конторы, освобождая их от платы за въезд.

В некоторой степени, это делает большинство войсковых машин на первый взгляд архаичными. Подавляющее большинство парков военных машин в мире до сих пор работает на тяжелых топливах, они также используют «устаревшие» технологии, воздерживаясь от систем, ограничивающих выбросы и очарования частичной или полной электрификации.

Нельзя сказать, что гибридные схемы совсем уж игнорируются. За прошедшие несколько десятилетий военные по всему миру в той или иной степени изучали потенциал гибридных силовых передач, но, несмотря на преимущества тихой работы, улучшенных характеристик и сниженных эксплуатационных расходов, ни одна из них до сих пор реально не дошла до передовой.

Пожалуйста, не курить

В гражданской сфере законодательство по вредным выбросам гражданских автомобилей и грузовиков со временем становилось всё строже.

В Европе стандарты выбросов EURO поэтапно становились жестче, начиная с принятых ограничений EURO 0 в 1989 году для больших грузовых машин по угарному газу (CO) с 12,3 г/кВт до почти 1,5 г/кВт по нормам EURO V 2008 - 2012 годов и по оксидам азота (NOx) с 15,8 г/кВт до 2 г/кВт за тот же период.

Различные технологии регулировки и все более эффективные методы производства серьезно способствовали такому снижению на сегодняшний день, но реальному прогрессу несомненно содействовал ряд ключевых технологий, включая прямой впрыск топлива, рециркуляция отработавших газов (EGR) и впрыскивания жидкости в выхлопные газы дизеля (DEF).

EGR помогает снизить выброс оксидов азота, которые винят в загрязнении городов и которые начинают выделяться, когда температуры воспламенения превышают 1371 градус Цельсия и кислород вступает в реакцию с атмосферным азотом. EGR представляет собой довольно простую концепцию и работает за счет открытия клапана между впускным и выпускным коллекторами и засасывания части плотных выхлопных газов в заборное устройство, при этом понижается температура воспламенения, и в равной степени снижаются октановые требования двигателя и вероятность стука (преддетонации).

Технология EGR изначально была в особом почете у производителей двигателей грузовиков Scania и MAN, но большая часть других производителей полагаются на технологию DEF на основе мочевины и два названных производителя в настоящее время также пошли по этому пути. Многим водителям грузовиков это решение DEF известно под немецкой торговой маркой AdBlue, она стала настолько вездесущей, что стала синонимом этой технологии.

DEF применяется для снижения содержания оксида азота за счет технологии выборочного каталитического восстановления (SCR). Мочевина впрыскивается в систему выхлопа, где тепло превращает ее в пар и она разлагается на аммиак (NH3) и углекислый газ (CO2). Далее аммиак каталитическим способом разлагает оксид азота на просто азот и воду перед выбросом их в атмосферу.

Эта технология требует установки на машину отдельного бака, насоса, контрольного устройства и шлангов. Для обеспечения полноценной работы технологии DEF достаточно примерно двух процентов от массогабаритных характеристик дизельного двигателя, что может и кажется немного, но в ограниченной по массе и объему военной машине это создает довольно большую проблему. Это также может слегка повлиять на запас хода.

В преддверии следующих европейских норм по выбросам, которые неизбежно должны вступить в силу, компания Cummins в апреле 2012 года объявила о том, что она планирует изготавливать свои четырех- и шестицилиндровые дизельные двигатели ISB, совместимые с EURO VI, с охлаждением EGR, с "новой системой доочистки с фильтрацией частиц", с технологией SCR, наряду с установкой турбин с изменяемой геометрией (VGT).

Турбина с изменяемой геометрией

Турбина с изменяемой геометрией: 1 — направляющие лопатки, 2 — кольцо, 3 — рычаг,

4 — тяга вакуумного привода, 5 — турбинное колесо

В турбине с изменяемой геометрией изменение сечения колеса позволяет устройству подстраиваться под текущую нагрузку и демонстрировать одинаковую производительность в разных режимах работы двигателя. На низких оборотах давления отработанных газов может быть недостаточно для того, чтобы преодолеть силу трения роторов и создать нужный импульс. В этой ситуации система увеличивает площадь лопастей по отношению к потоку и, как следствие, усиливает скорость вращения роторов до оптимальной величины. Напротив, на максимальных оборотах турбокомпрессор увеличивает угол наклона лопастей и, таким образом, защищает себя от избыточного разгона. Это повышает их эффективность по сравнению с турбинами с фиксированными лопатками.

Porsche 997 Turbo

Спортивный автомобиль Porsche 997 Turbo

VGT устанавливались в таких спортивных автомобилях, как, например Porsche 997 Turbo, для повышения мощности и чувствительности дроссельной заслонки, но в грузовиках, по всей видимости, они предназначены для регулирования давления EGR. Повышение обратного давления может слишком повлиять на топливную экономичность, но сторонники отмечают, что VGT могут применяться для охлаждения EGR во время кратковременного отпускания дроссельной заслонки с целью снижения NOx.

В августе 2012 года компания MAN показала свои двигатели EURO VI и заявила, что они будут точно не менее эффективны, чем существующие двигатели EURO V. Согласно заявлению компании, новые двигатели используют около половины объема жидкости AdBlue, необходимого ранее, но они могут нагреваться сильнее и поэтому нуждаются в усиленном охлаждении. Новые конструкции грузовиков с двигателями EURO VI также были выполнены более обтекаемой аэродинамической формы для снижения сопротивления воздуха и уменьшения объема сжигаемого топлива.

Впрочем, в контексте использования военными, фактически это всё не имеет никакого значения, поскольку технология двигателей, которая наилучшим образом подходит требованиям военных, эффективно решена уже в EURO III и в его примерном североамериканском эквиваленте EPA (Агентство по охране окружающей среды).

Главным доводом здесь является в основном топливо плохого качества, которое может быть гарантировано доставлено на передовую во время боевых действий. Не только основные технологии снижения выбросов, но и низкие уровни выбросов, обеспечиваемые современными двигателями грузовых машин, также напрямую связаны с доступностью в развитом мире высококачественного дизельного топлива со сверхнизким содержанием серы. Современный дизельный двигатель с полным сгоранием топлива на заправочной станции в Германии очень сильно отличается от дизельного двигателя, продаваемого в Малави (в мае 2012 года в рейтинге по качеству Международного центра по качеству топлива страна стоит на сотом, последнем месте).

Следовательно, военные касательно своих двигателей имеют бесспорную отговорку от юридических ограничений, заключающуюся в том, что они должны осуществлять свою деятельность в любом месте, и при этом качество топлива в обозримом будущем менее всего должно влиять на нее. Поэтому, несмотря на инвестиции в альтернативное топливо, военные, скорее всего, предпочтут еще какое-то время работать на топливе JP-8.

Для установки на тягач Maxxpro Wrecker выходная мощность двигателя Maxxforce 10 от Navistar при минимальной регулировке была увеличена на 20 процентов

Регулировка

Компания MTU является одним из крупнейших производителей военных двигателей и представитель компании сообщил, что двигатели современных грузовиков с высочайшими стандартами по выбросам имеют недостатки, касающиеся массы, установочного объема, конструктивной сложности, отсутствия многотопливных характеристик, также как потребности в специальных смазочных материалах, а это все идет вразрез с тактическими военными требованиями. «Акцент при разработке военных двигателей до сих пор делается на компактные силовые установки. Поэтому, существуют ограничения процесса перевода двигателей из коммерческой сферы в оборонную, особенно для тяжелых машин».

Хотя это вполне справедливо для сверхтяжелых машин, например основных боевых танков (ОБТ), на которых установлены специализированные или глубоко доработанные двигатели, рост по всему миру числа машин на базе грузовиков и поступление в войска машин с усиленной противоминной защитой типа MRAP в какой-то степени размывает границу между гражданскими и военными двигателями.

Реджис Лутор является вице-президентом отделения Military Products and Initiatives в компании Navistar Defense, которая разработала собственную линейку двигателей Maxxforce в качестве сопутствующего продукта для своего большого семейства коммерческих грузовиков.

В одном из интервью он сообщил: «Обычно, военным приложениям присуще то, что заказчики либо совсем не будут определять требования к выхлопам, либо они запросят тест НАТО на 400 часов, нормы EPA 98 или их эквивалент. Это позволяет нам убрать или адаптировать часть оборудования, которое обычно соответствует стандартам по выхлопам, а это в свою очередь позволяет нам выжать из двигателя еще немного мощности, что обычно военные и желают иметь».

Он добавил, что системы снижения выхлопов требуют повышенной мощности охлаждения, которая сохранена, несмотря на удаление средств контроля. То есть, военному заказчику предоставлены возможности «экстраохлаждения» для сложных условий эксплуатации. По его словам, «нерекламируемый диапазон дополнительного охлаждения может составить 12 – 20 процентов».

Впрочем, «как только мы запускаем натовский 400-часовой тест, мы спрашиваем их, какого качества топливо они хотят. Обычно происходит то, что они не хотят переходить на более качественное топливо, необходимое для Euro IV или V, и они возвращаются назад к JP-8, поскольку не уверены в своей способности достичь европейского или североамериканского качества топлива». Если коротко, единственный способ соответствовать требованиям по выхлопам Euro IV или V - это гарантировать качество топлива, что непрактично и граничит с невозможностью … фактически повсеместно.

Однако, освобождение инженеров от юридических ограничений позволяет им больше сосредоточиться на военных требованиях. Представитель компании MTU полагает, что основной потенциал роста для военных двигателей заключен в технологиях «впрыскивания, турбонагнетания, силовой электроники и электрических машин, базирующихся на коммерческих разработках. Однако, эти технологии должны и далее совершенствоваться для выполнения поставленных военными целей. Их реализация заключается в компромиссе между ценой и качеством, надежностью и готовностью к длительной эксплуатации».

Точно как в мире тюнингованных гражданских автомобилей, методики калибровки и многомерных характеристик двигателя могут дать дополнительную мощность и помогут подстроить двигатели под потребности пользователей.

Калибровка линейного шестицилиндрового двигателя Maxxforce 10 объемом 9,3 л и мощностью 310 - 330 л.с., уже имеющего более прочные поршни, усиленный блок цилиндров и титановую турбину и обеспечивающего большую мощность по сравнению с двигателем DT9 того же объема, увеличивает на 20 процентов мощность и крутящий момент для тягача Maxxpro Wrecker.

Лютор добавил, что компания еще должна понять для себя необходимость перехода от коммерческих турбокомпрессоров к военным приложениям. Однако, некоторые экстремальные приложения требуют немного больших усилий. Например, компания MTU должна была разработать комплект Например, стандартная многомерная характеристика «военного» двигателя от Navistar базируется на многомерной характеристике EPA 98, также существует ряд других характеристик доступных для различных условий эксплуатации: для высокогорья, для силовой установки Type MB 873 Ka-501, устанавливаемой на ОБТ Leopard 2, недавно приобретенной Чили. Принципиально он отличается новыми лопатками для каждой из сдвоенных турбин для повышения характеристик в разряженном воздухе и снижения температуры выхлопа. Эта температура измеряется новым датчиком, связанным с системой управления расходом топлива; это снижает мощность (как заявляют в MTU, почти незаметно), но позволяет защитить двигатель и увеличить срок службы.

Porsche GT3R Hybrid

Гоночный автомобиль Porsche GT3R Hybrid участвовал в 24 часовой гонке Nurburgring. Военные изучают потенциал использования маховика с целью добавления импульсной мощности для уже существующих машин

Kinergy от Ricardo

Покомпонентное изображение прототипа надежной и легкой системы накопления энергии Kinergy от Ricardo, состоящей из высокоскоростного маховика и электромагнитного механизма сцепления

Гибридная война

Другие разработчики изучают более экзотические способы выработки мгновенной мощности. Дэйвид Гринвуд, глава отдела гибридных и электрических систем в компании Ricardo, сообщил, что его организация «рассматривает такие устройства как суперконденсаторы и высокоскоростные маховики, поскольку некоторые военные хотят иметь очень высокую мощность, но не очень высокую энергию. Эти устройства должны работать очень напряженно, но очень короткий период времени».

Вариант с маховиком является очень интересным, поскольку в нем используются технологии, схожие с системами накопления кинетической энергии (kinetic energy recovery systems - KERS) применяемыми в гонках Формулы 1. Возможно, это более всего похоже на маховик, который устанавливался вместо пассажирского сиденья в гоночном автомобиле Porsche GT3R Hybrid. Этот автомобиль оказался весьма успешным в гонках на выносливость, при помощи рычага «потяни и обгонишь» освобождался накопленный в маховике эквивалент 200 лошадиных сил в импульс длительностью до шести секунд. Вся эта мощность подавалась на два электродвигателя в передних колесах. Маховик раскручивается примерно до 40000 об/мин за счет рекуперативного торможения, он заключен в контейнер, весящий значительно меньше, чем эквивалентная батарея или комплект ультраконденсаторов, сообщают в компании Porsche.

Эта система привлекла к себе пристальное внимание на гонках Nurburgring, при этом господин Гринвуд заявил, что гибриды с маховиком могли предложить потенциал для военных приложений, когда огромный импульс энергии мог бы вытащить машину из неприятной ситуации. Он добавил: «В то время, как цена и размеры электрической системы почти соотносятся с количеством и стоимостью киловатт, которые она должна выдать, это не подходит для маховика. Мощность определяется крутящим моментом трансмиссии. Это означает, что у вас есть достаточно мощное устройство за относительно приемлемую цену. Тот факт, что военные машины имеют тенденцию быть тяжелыми, означает, что в целом большая мощность достаточно привлекательна».

Компания ABSL Power Solutions в 2010 году также начала изучать вариант KERS, нацелившись на аккумуляторную систему для британской гусеничной боевой разведывательной машины Scimitar. Компания разработала тонкие гибкие литий-ионные аккумуляторные «патронташи», которые могли бы обертываться вокруг внутреннего интерьера небольшого транспортного средства. По прогнозам ABSL того времени ожидалось, что они смогут выработать достаточно энергии, чтобы разогнать машину до 20 миль/ч без двигателя или значительно повысить мощность дизельного двигателя на короткий период. Впрочем, пока из этого проекта не появилось ничего серьезного.

Достоинство гибридных силовых цепей в том, что они имеют огромный потенциал по регулировке в специфичных приложениях.

Существует также множество типов гибридных приводов: параллельные гибриды, соединяющие двигатель внутреннего сгорания и электродвигатель, последовательные гибриды или удлинители пробега, которые используют двигатель на ископаемом топливе в качестве генератора для перезарядки батарей, параллельно-последовательные гибриды с механической и электрической ветвями и полностью электрические машины. В зависимости от типа они могут использовать электричество для различных целей: для дополнения механической мощности, повышения КПД или бесшумной работы на одной электрической энергии.

Интерес к военным гибридам, кажется, снова растет, и американская армия, в частности, имеет на примете несколько проектов, своих и предложенных промышленностью.

В апреле Научно-исследовательский бронетанковый центр (TARDEC) показал свой демонстрационный образец Bravo с различными элементами для экономии топлива, подсоединенными к его 4,4 литровому дизелю V8 с двойной турбиной. Эти элементы включали в себя интеллектуальную систему запуска/останова, интегрированный стартер-генератор, комбинированную систему рулевого управления и гидравлических тормозов и параллельный гибридный привод 4 x 4 (электродвигатели впереди, механический привод сзади).

Вдобавок, американская армия изучает заявку на гибрид от компаний BAE Systems и Northrop Grumman по своей программе наземной боевой машины. В Великобритании Ricardo работает над гибридами для британского минобороны (нет информации по этой работе).

Питер Мур, директор по оборонным системам в компании Ricardo, объясняет часть нынешнего возрождения интереса к гибридам тем фактом, что у военных появилось достаточно времени на размышления после частичного вывода войск из Афганистана.

Гринвуд добавил: «Всё совпало по времени, эта технология становится все более привлекательной с коммерческой точки зрения на гражданском рынке, технологии зреют, а стоимость начинает снижаться. Когда вы посмотрите на технологию военных гибридов десятилетней давности, ничего не было абсолютно готового. Все было специальным, многие системы не были высокого уровня технологической готовности в то время, когда их демонстрировали, но было четкое направление на снижение CO2 и уменьшение потребления топлива на гражданском рынке, вы наблюдаете ныне более коммерческое развитие таких компонентов как, например, тяговые двигатели, силовая электроника и аккумуляторные системы. Размеры препятствия, которое должны преодолеть военные, уменьшились».

Гибридизация имеет потенциал в сфере гусеничных машин, но в основном нынешний интерес в этой области сосредоточен на колесных вариантах. «Тип гибрида, который вы используете и относительные размеры компонентов, очень точно соответствуют рабочему циклу машины. Поэтому не имеет смысла применять подход «один размер подходит всем» для всех транспортных средств», рассуждает Гринвуд.

Компоновочная схема Porsche GT3R

Компоновочная схема гибридного гоночного автомобиля с маховиком Porsche GT3R. Маховик установлен на месте пассажирского сиденья справа от водителя и может отдавать мощность до 200 л.с. на передние колеса (слева) в течение шести секунд

Ocelot от Force Protection

Компоновка этого двигателя и силового привода кажется вполне компактной, автомобиль Ocelot от Force Protection с самого начала создавался с перспективой на будущую гибридизацию

Концепт-кар Jaguar C-X75

Концепт-кар Jaguar C-X75 отличается парой микротурбин (видны через заднее стекло) для зарядки батарей и выработки при необходимости повышенной мощности, которая идет напрямую на колеса. Большие газовые турбины с большим расходом топлива не получили широкого распространения среди военных машин, но использование небольших турбин для заряда батарей может стать более привлекательным решением в будущем

С точки зрения перспективы для военных машин компания Ricardo разделила рынок военных транспортных средств на три направления, наблюдая воздействие гибридизации на боевые машины, машины боевого обеспечения и машины тылового обеспечения боевых частей. «Для боевых машин преимущества, которые вы ищите у гибридов, в основном касаются ходовых качеств. Это касается увеличения запаса хода этих машин и повышения их функциональности за счет дополнительной электрической энергии. Также электрические системы обычно могут очень точно контролировать свой крутящий момент так, что вы можете получить преимущества в силе тяги и внедорожной проходимости».

«Расход топлива здесь второстепенен, он, конечно, позволяет получить преимущества в логистической цепочке обеспечения этих машин, но, по всей видимости, эти системы не смогут оправдать себя на основе только одного расхода топлива. Боевые машины должны действительно получить реальные преимущества от этой технологии».

«Для машин боевого обеспечения – пусковых ракетных установок, мостоукладчиков, эвакуаторов и подобных им – вы могли бы получить некоторые преимущества от гибридизации, но проблема состоит в том, что таких машин не очень много и они обычно не имеют большого количества наработанных часов или километров и поэтому инвестиционные затраты по их переделке в гибриды очень тяжело будет возместить за время эксплуатации машины».

Эта ситуация переворачивается с ног на голову для машин тылового обеспечения, логистического типа. «Основное преимущество состоит в том, что у вас есть масса машин с большим пробегом и с большим количеством моточасов, многие из них находятся вдали от боевых районов. Поэтому если речь идет о снижении эксплуатационных расходов, то существует реальная возможность для этих систем снизить расход топлива и оправдывать себя с экономической точки зрения за приемлемый период времени».

В заключении он добавил, коснувшись перспективы расходов за весь срок эксплуатации (включая топливо, стоимость обслуживания, приобретения, владения и т.д.), что «для боевых машин около десяти лет эксплуатации является вполне достаточным. Для машин тылового обеспечения мы смотрим на окупаемость в течение двух или трех лет в случае интенсивной их эксплуатации. Проблема для машин боевого обеспечения состоит в том, что один лишь расход топлива просто не окупит затраченные средства и за десятилетний срок эксплуатации».

Упаковывание мощности

Принимая во внимание срок службы существующих машин, многие разработчики изначально смотрят на то, как модернизировать уже эксплуатирующиеся модели и зачастую добавляют компоненты для увеличения запаса хода, поскольку не имеют возможности создавать машину с чистого листа. На сегодняшний день машина с электрическим приводом, созданная с чистого листа, например SEP от BAE Systems, не удовлетворила ни одного потенциального покупателя касательно своей технологической зрелости, поэтому возможно будет более приемлемым внедрение пошаговых «умеренных» гибридных схем, которые помогут сдвинуть проект с мертвой точки.

Хотя в некоторых современных военных машинах, например в проекте Ocelot от компаний Force Protection и Ricardo оставлено место для будущей гибридизации, одной из проблем оборудования гибридными элементами существующих машин, очевидно, является компоновка. Впрочем, разработчики настаивают на том, что это вполне осуществимо, в частности для машин, которые проходят средний (промежуточный) ремонт или капитальный ремонт силового привода/электрической системы.

Один из ключевых моментов – вынесение решения о том, какой тип двигателя использовать. «В настоящее время существует огромный интерес к различным схемам двигателей с целью увеличения пробега, например, самая востребованная схема – последовательная. Рабочий цикл двигателя в последовательном приводе довольно сильно отличается от рабочего цикла традиционного двигателя», сказал Гринвуд. «Здесь нет необходимости быть способным быстро и кратковременно наращивать мощность или справляться с выхлопами в течение данных циклов, поскольку вы имеете независимый контроль рабочего режима двигателя».

«Для сниженных нагрузок на пассажирский транспорт в диапазоне 40 - 50 кВт необходим баланс между массой, размерами и КПД системы. Существует повышенный интерес к различным компоновкам и архитектурам этого типа двигателей, например микрогазовым турбинам и роторно-поршневым двигателям, но я не уверен, что их можно полностью спроецировать на размеры военных машин, где средние потребности в мощности обычно гораздо выше, примерно 100 кВт минимум».

«Когда вы двигаетесь в этом направлении, то вы неизбежно возвращаетесь к рассмотрению поршневого двигателя. В результате это приводит к двигателям, выглядящим более традиционно, хотя и с разными системами наддува, разными клапанными механизмами и антифрикционными элементами. Это касается и военной машины, и я полагаю, что вы вероятнее всего не уйдете от относительно традиционного возвратно-поступательного двигателя».

Тем не менее, в гражданской сфере начинают появляться некоторые весьма экзотические схемы приводов, включая систему установленную на концепт-кар Jaguar C-X75, показанный в 2010 году.

Он отличается парой микрогазовых турбин Bladon Jet, каждая массой всего 3,5 кг, но способная выдать 70 кВт для заряда аккумуляторов или ускорения электродвигателей. По заявлению компании Jaguar, они могут работать практически на любом топливе, начиная от дизельного и биотоплива и кончая сжатым природным газом и жидким нефтяным газом. Турбины зарекомендовали себя достаточно эффективными, поскольку могли работать только короткие периоды времени, разгоняясь до рабочих скоростей и температур в течение нескольких секунд. Как и остальные газовые турбины, они имеют мало движущихся частей и нуждаются в минимальном охлаждении и смазке.

Впрочем, кроме видимого отсутствия топливной экономичности, они имеют те же недостатки касательно тепловыделения и шумовой сигнатуры, что и газовая турбина, установленная на танк M1 Abrams. Гринвуд отметил что «турбина представляет собой не очень эффективный силовой блок, то есть пока вы не заберете всё тепло от него, очень трудно будет достичь высокого термодинамического КПД. В пассажирском автомобиле вы не ощущаете этого, поскольку у вас есть значительные преимущества по массе (она относительно небольшая). В связи с тем, что силовой блок составляет меньшую часть всей массы военной машины, то преимущества массогабаритных характеристик здесь пропорционально меньше и, следовательно, я не уверен, что подобный аргумент в данном случае сработает. Я считаю, что неэффективность газовой турбины пока останется недостатком для большей части мощных транспортных средств».

Как отметил Гринвуд, потенциал сбора энергии и рекуперации отработанного тепла в энергию довольно привлекателен и «рекуперация выхлопных газов и нагретой охлаждающей жидкости является, возможно, следующим самым быстро растущим направлением бизнеса для нас на сегодняшний день. А всё просто потому, что двигатель внутреннего сгорания работает с тепловой точки зрения в лучшем случае с эффективностью примерно 40 - 45 процентов, что означает то, что остальные 55 - 60 процентов идут на выхлоп и на радиаторы. Чтобы получить значительную разницу для машины касательно мощности, вам нет необходимости регенерировать обратно очень много тепла. Мы много работаем над такими проблемами, как цикл Рэнкина, электрические турбины и термоэлектрические системы с целью рекуперации энергии из системы выхлопа. На сегодня эти решения с относительно низким уровнем технологической готовности, но у них есть огромный потенциал».

Джерри Яники, руководитель развития тепловых систем в компании Meggitt, не так оптимистичен. Он сказал: "Мы пробовали пьезоэлектрические материалы с целью повышения КПД, как один из способов перевода тепловой энергии в электрическую, но на данный момент это направление чуть более эффективнее солнечных панелей, которые, как вы знаете, очень и очень неэффективны. Мы обкладывали двигательные отсеки различными материалами, изолировали их от высокотемпературных конструкций, подобных выхлопным коллекторам и глушителям, но результаты экспериментов ни разу не подтвердили обоснованность столь серьезного повышения массы».

Впрочем, Яники является большим фанатом еще одной необычной двигательной системы: роторного двигателя Венкеля, который Meggitt использует в качестве источника энергии для своего компактного комбинированного комплекта, состоящего из вспомогательной силовой установки и охладителя. Роторные двигатели традиционно страдали от излишнего износа ротора и высоких выбросов в гражданских приложениях, но они, бесспорно, имеют небольшие размеры, и Яники отметил, что в этом случае надежность не является проблемой при работе с постоянной нагрузкой на тяжелых типах топлива.

«Мы рассматривали топливные элементы, работающие на топливе JP-8, однопоршневые двигатели и подобные им системы, но, как мы выяснили, самым компактным двигателем, который способен работать на тяжелом топливе, является роторный двигатель Венкеля. Он имеет ограниченное количество движущихся частей, это действительно простой двигатель. Обычно роторный двигатель не любит тяжелое топливо, поскольку он является двигателем низкой компрессии, но один из наших партнеров запатентовал систему впрыска топлива, которая совмещена с турбиной, что позволяет нам получить высокопроизводительную вспомогательную силовую установку (ВСУ) в очень малом объеме».

Это, однако, не панацея, поскольку «точно так же, как для любого другого источника энергии, вам нужен воздушный поток вокруг двигателя для его охлаждения, если только вы не используете полностью жидкостное охлаждение, что добавляет еще один охлаждающий контур в схему. ...Итак, одним из ключевых решений, которое мы реализуем, является способ комплектования радиаторов и теплообменников. Вы будете искать радиатор, масляный охладитель, промежуточный охладитель, систему теплового управления и испаритель, и может быть, найдете всё в одном месте».

Компания Meggitt разработала серию радиаторов с микропластинками, каждый из которых имеет «крошечные жалюзи» для увеличения потока воздуха. Тепловая эффективность регулируется за счет охлаждающих комплектов трубок и расположения каждого из элементов (поскольку, по всей видимости, каждый элемент омывается потоками с большим колебанием температур в зависимости от системы, к которой они прикреплены), то есть, благодаря этому не происходит слишком большого перепада давления.

«Мы остановились на роторном двигателе, поскольку он хорошо зарекомендовал себя», сказал Яники. «Мы проехали 1500 миль с роторным двигателем в корме танка Abrams на полигоне в Юме, привезли его обратно, оттерли от грязи; он показал себя превосходно в качестве надежного решения». Он добавил, что износ ротора более не является проблемой из-за применяемых защитных покрытий. Он сказал, что реальные проблемы исходят от внешней среды, «всасывание пыли и верблюжьих лепешек в пустыне оказывают влияние на системы, но мы выдерживаем требования MTBF [среднее время наработки на отказ]. Для комплектной системы это минимум 3000 часов».

«У нас есть базовая система охлаждения на 7 кВт, которая установлена в турнюре танка Abrams. Она состоит из компрессора, конденсатора, вентиляторов и масляного охладителя. Система установлена вне машины, и, тем не менее, за последние 10 лет мы не имеем значительных поломок среди 1800 систем, находящихся в эксплуатации».

В краткосрочной перспективе, возможно, самый большой прирост мощности военных машин дадут ВСУ, поскольку пользователи находятся в поисках еще большей электрической мощности, необходимой для растущего аппетита средств связи и сенсоров.

Яники сообщил, что проблема многих машин сложна, поскольку «нет 'архитектуры', все навешивается и устанавливается так, что дополнительная система идет со своими собственными процессорами и охлаждением. БМП Bradley имеет дефицит почти 11 кВт, которых не хватает просто для того, чтобы только запустить уже имеющиеся системы, не говоря уже о перспективных средствах связи и оборонительных системах. ОБТ Abrams не хватает около 9 кВт, а гаубице Paladin - около 15 кВт. Были начаты работы по исправлению ситуации, но всё равно сохраняется дефицит у Bradley примерно 5 кВт, 3 кВт для Abrams и 4 кВт для Paladin».

Решения по танку Abrams основываются на давно ожидаемом предложении по внесению конструктивных изменений, выпущенном в 2012 году – в конечном счете, установить ВСУ на машину, заменив порядка 600 фунтов (272 кг) аккумуляторов.

И даже тогда система ориентирована исключительно на мощность, а не на охлаждение. Первая интегрированная система выработки электроэнергии и охлаждения американской армии должна поступить в войска в составе бронированной многоцелевой машины AMPV (Armoured Multi-Purpose Vehicle). Великобритания также занимается интегрированным комплектом выработки электроэнергии и охлаждения для БМП Warrior; основной двигатель вырабатывает потребляемую мощность в штатном режиме, а в режиме наблюдения машина движется на электрической тяге.

Основная головоломка заключается в том, что для установки системы выработки электроэнергии и охлаждения требуется дополнительный объем внутри машины, она увеличивает массу и вырабатывает тепло, с которым в свою очередь нужно что-то делать. «Мощность требует охлаждения, охлаждение требует охлаждения, и вы можете исчезнуть в этой черной дыре», добавил Яники. «Самое большое изменение, которое я вижу в выдвигаемых армией требованиях, это установка интегрированных систем выработки мощности и охлаждения».

Определенную пользу принесут такие инициативы, как, например британская программа по Общей Архитектуре Транспортного Средства (Generic Vehicle Architecture), в рамках которой разрабатывается распределяемая, автоматически конфигурируемая инфраструктура выработки энергии. Но это только частичное решение проблемы, поскольку солидная часть энергии все же будет вырабатываться двигателями на ископаемом топливе, а многим новым подключаемым устройствам неизбежно понадобятся свои собственные процессоры.

Блок охлаждения для ОБТ Abrams

Рисунок, иллюстрирующий решения компании Meggitt по блоку охлаждения для ОБТ Abrams, на счету которого 1500 миль ходовых испытаний на полигоне в Юме

Вячеслав М.
06.04.2013

Поделиться...
Версия для печати Отправить по email rss favorite Facebook Vkontakte Twitter Google+

CMI снова становится John Cockerill
22.08.2019

LiquidPiston представляет на GVSETS небольшой роторный двигатель для военных гибридных установок
10.08.2018

Eurosatory 2018: Valhalla представляет Midgard
22.06.2018

Scarabee - инновационный опытный образец от Arquus
13.06.2018

Обсуждение


В настоящий момент Вы не можете оставлять сообщения. Для этого необходимо войти под своим именем. Если Вы еще не зарегистрированы, сделайте это сейчас. Вся процедура займет не более пяти минут.
Регистрация