Der steigende Energieverbrauch von Fahrzeugbordsystemen bietet neuen Technologien die Chance, die Kraft und Mobilität von Militärfahrzeugen in Zukunft radikal zu verändern
Da die nächste Generation der amerikanischen Armee voraussichtlich über ein Hybridkraftwerk verfügen wird, braucht die Industrie ein groß angelegtes Programm, um ihre bereits entwickelten Energietechnologien (mit den unvermeidlichen Modifikationen) in die Großteil der Kampffahrzeuge. Ein Wermutstropfen in diesem Honigfass ist jedoch, dass die Armee nach aktuellen Plänen um 2035 plant, solche Fahrzeuge zu übernehmen. Wichtige Entscheidungen über seine Ausgestaltung werden voraussichtlich nicht vor 2025 fallen, es sei denn, die entsprechenden Programme werden in die Trump-Präsidentschaft beschleunigt.
Riesige Bedürfnisse sind ein ausgezeichneter Anreiz für die Entwicklung neuer Technologien, die wiederum Lösungen für diese Bedürfnisse bieten können. So geht beispielsweise der steigende Bedarf an elektrischer Energie auf dem Gefechtsfeld einher mit der Notwendigkeit, den logistischen Aufwand bei der Treibstoffversorgung zu reduzieren sowie die Offroad-Fähigkeit von Kampf- und Gefechtsunterstützungskräften zu erhöhen. All dies spricht für eine flächendeckende Verbreitung von Hilfstriebwerken, intelligenter Motorsteuerung und Hybrid-Elektroantrieb und damit für eine deutliche Steigerung der Stromerzeugung für externe Verbraucher.
Trägheit überwinden
Mit umfangreicher Erfahrung in der Produktion von Hybridfahrzeugtechnologie-Demonstratoren für verschiedene militärische Strukturen und in der Produktion von Hybridbussen für den zivilen Bereich ist BAE Systems gut aufgestellt, um genau zu beurteilen, wo diese Technologie heute steht und welche Perspektiven sie haben. Gleiches gilt für DRS Technologies, das auch an vielen Demonstrationsprojekten teilgenommen hat. Tom Weaver, Commercial Director bei DRS Network Computing and Test Solutions, sagte, der Markt sei noch im Entstehen begriffen und die Vorteile von Elektrofahrzeugen müssten noch die Trägheit herkömmlicher Fahrzeuge überwinden. Diese Trägheit wirkt sich negativ auf den Fortschritt von Maschinen aus, die in der Lage sind, die notwendige Energie für externe Verbraucher zu erzeugen, obwohl der Bedarf in den letzten zehn Jahren "um mindestens 100 %" gestiegen ist.
„DRS arbeitet mit verschiedenen Kunden zusammen, um Maschinen mit integrierten neuen Technologien in verschiedenen Leistungstests zu demonstrieren. Erfolgreiche Demonstrationen und positive Nutzerbewertungen führten nicht zum Einsatz solcher Fahrzeuge in der Truppe, zudem wurden die Voraussetzungen dafür noch nicht einmal entwickelt. Aber die Nachfrage wird dennoch weiter wachsen, insbesondere nach Expeditionseinsätzen und Spezialfahrzeugen wie gerichteten Energiewaffensystemen.
DRS bietet jetzt ein Bordnetzsystem für mittlere taktische Fahrzeuge (MTV) und HMMWV-Geräte in Form eines in Zusammenarbeit mit Allison entwickelten Transmission Integral Generators an. Dieses beispielsweise auf einem MTV-Lkw installierte System erzeugt eine Leistung von bis zu 125 kW für bordeigene oder externe Systeme. Darüber hinaus stellt das Unternehmen weitere Energiemanagementsysteme für verschiedene Fahrzeuge her. Der Chefingenieur Andrew Rosenfield von BAE Systems, der sich auch mit solchen Systemen beschäftigt, hält es für unwahrscheinlich, dass reine Elektrofahrzeuge im Bodenkampf eine große Rolle spielen werden, vor allem aufgrund von Problemen beim Aufladen der Batterien.
„Während die Antriebstechnologie für den rein elektrischen Betrieb gut etabliert ist, kann die Betankungsproblematik den Einsatz von reinen Elektrofahrzeugen durchaus verhindern“, fuhr er fort. "Schließlich ist Diesel überall auf der Welt erhältlich, während es in der Wüste sehr schwierig ist, eine Ladestation zu finden, aber selbst wenn man eine findet, ist es wahrscheinlich nicht machbar, acht Stunden zu warten, bis sie vollständig geladen sind."
Weaver stimmte zu, dass sich Hybridautos wahrscheinlich durchsetzen werden, und erwähnte auch die Grenzen der sauberen Ladeinfrastruktur für Elektroautos und die Allgegenwart von Diesel und JP8-Flugzeugtreibstoff. Rosenfield betonte jedoch, dass reine Elektrofahrzeuge auf Militärstützpunkten eine große Rolle spielen könnten, da sie Waren bewegen könnten, wie dies in modernen Fabriken oder auf Flughäfen der Fall ist (Flugplatztraktoren). „Solche Aufgaben könnten höchstwahrscheinlich Brennstoffzellenmaschinen übernehmen, da sie freien Zugang zu Wasserstoffreserven benötigen“, sagte er.
Weaver sieht vor Brennstoffzellenfahrzeugen einen schwierigen Weg. „Erstens gibt es noch keine Wasserstoff-Gas-Infrastruktur und es wird ein gewisses Misstrauen gegenüber dem Einsatz des neuen Kraftstoffs herrschen. Der Weg solcher Fahrzeuge beginnt mit gut organisierten Expeditionseinsätzen."
Hybridkonstruktionen sind auch anspruchsvoller als rein elektrische Konstruktionen und weisen mehrere Merkmale auf, die sie attraktiver machen als rein elektrische und konventionelle kraftbetriebene Maschinen. „Erstens verwenden Hybrid-Elektroplattformen den gleichen Kraftstoff wie herkömmliche Dieselfahrzeuge. Zweitens ist das Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen ideal für eine Maschine, die über unwegsames Gelände fährt oder einen sehr steilen Hang erklimmt.
Er fügte hinzu, dass die Fähigkeit, an Bord große Strommengen zu erzeugen, immer wichtiger wird, da neue Fähigkeiten wie Kommunikations- und Waffensysteme mit leistungsstarken Lasern eingesetzt werden. Die Möglichkeit, diese Energie zu exportieren, ist auch ein großer Vorteil, da diese Maschinen besiedelte Gebiete und Krankenhäuser mit Strom versorgen können, deren eigene Stromversorgungssysteme durch Kampfschäden oder Naturkatastrophen beschädigt wurden.
„Schließlich machen die reduzierten Betriebs- und Wartungskosten in Verbindung mit erheblichen Kraftstoffeinsparungen und höherer Zuverlässigkeit Hybrid-Elektrofahrzeuge zu einer intelligenten und langfristigen Wahl.“
Wie Weaver feststellte, hat die Nachfrage nach elektrischer Energie an Bord von Kampffahrzeugen nie abgenommen, sie wird nur von Jahr zu Jahr wachsen. "Neuere Funktionssysteme erfordern immer mehr Leistung von der Trägerplattform sowie kontinuierliche Upgrades der Stromerzeugungs- und -verteilungssysteme aktueller Fahrzeuge."
„Sobald Sie Funktionen wie geräuschlose Fortbewegung, Radar, fortschrittliche Kommunikation, Signalstörung und elektromagnetische Panzerung oder Waffen hinzugefügt haben, fällt die Plattform ins Hintertreffen und wird ohne Wechsel zu einem hybriden elektrischen System unhandlich. Im nächsten Jahrzehnt wird für alle Kampffahrzeuge eine der wichtigsten Komponenten die Fähigkeit sein, große Mengen an Strom an Bord zu erzeugen.
„Elektrisch angetriebene Fahrzeuge müssen ihre Aufgabe genauso gut oder sogar besser erfüllen als ihre traditionellen mechanischen Pendants“, fuhr er fort. „Motorisierte Systeme sind nicht nur wesentlich einfacher und haben weniger bewegliche Teile als motorisierte Systeme, sondern sie weisen oft auch eine überraschend gute Redundanz auf, was sie zuverlässiger macht. Zum Beispiel können die meisten elektrischen Quergetriebe mit einem einzigen ausgefallenen Motor normal funktionieren.
Weaver sagte, dass die im öffentlichen Verkehr geförderten Schlüsseltechnologien bereits vorhanden und bereit sind, auf den Markt zu kommen. „Der weit verbreitete Einsatz von Hybrid- und Stromkreisen, insbesondere in Überlandbussen und Straßenbahnen, hat zur Entwicklung von Motorsteuerungen, Wechselrichtern und Wandlern geführt, die den Anforderungen des Militärs nahe kommen“, sagte er. „Alle Anforderungen der Branche sind Kunden, die bereit sind, für den Qualifizierungsprozess zu zahlen, sowie genug, um die Kosten niedrig zu halten.“
In der Zwischenzeit wird an der Demonstration weitergearbeitet. General Motors (GM) zeigte auf der AUSA im Oktober 2016 eine „ready-to-go“-Version seines Brennstoffzellenfahrzeugs Chevrolet Colorado ZH2, das auf einem langgestreckten Midsize-Pickup-Chassis basiert. Laut Zeitplan soll der Colorado ZH2 mit Unterstützung des TARDEC Armored Research Center im Laufe des Jahres 2017 einer Reihe von militärischen Tests "unter extremen Einsatzbedingungen" unterzogen werden.
Es war ein beschleunigtes Programm. GM und TARDEC arbeiteten zusammen, um in weniger als einem Jahr nach Vertragsunterzeichnung eine Demo zu erstellen. „Die Geschwindigkeit, mit der innovative Ideen demonstriert und bewertet werden können, ist sehr hoch, weshalb die Branchenbeziehungen zum Militär so wichtig sind“, sagte TARDEC-Direktor Paul Rogers. „Brennstoffzellen haben das Potenzial, die Fähigkeiten von Militärfahrzeugen durch leisen Betrieb, Stromerzeugung für externe Verbraucher und stabiles Drehmoment deutlich zu verbessern – all diese Vorteile machen diese Technologie genauer erforscht.“
„ZH2 ermöglicht es der Armee, die Einsatzbereitschaft der Brennstoffzellentechnologie für militärische Anwendungen zu demonstrieren und zu bewerten und gleichzeitig die Frage zu beantworten, wie nützlich Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge unter bestimmten Bedingungen und in bestimmten Kampfeinsätzen sein können“, sagte Doug Hallo. Sprecher von TARDEC.
Zu den erwarteten Vorteilen, die TARDEC bewerten muss, gehören ein nahezu geräuschloser Betrieb, der eine geräuschlose Überwachung ermöglicht, reduzierte thermische Signaturen, ein hohes Raddrehmoment bei allen Geschwindigkeiten, ein geringer Kraftstoffverbrauch über den gesamten Betriebsbereich und Trinkwasser als chemisches Nebenprodukt. Der Colorado ZH2 verfügt über einen Bord-Nebenantrieb für externe Verbraucher.
Das Antriebssystem basiert auf Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen, die bis zu 93 kW Gleichstrom erzeugen können, und einer Batterie, die weitere 35 kW für das Antriebssystem bereitstellt und beim regenerativen Bremsen geladen wird. Das erklärt Christopher Kolkit, Projektleiter ZH2 von GM.
„Die Tanks des Fahrzeugs fassen etwa 4,2 kg komprimierten Wasserstoff bei 10.000 psi, was mehr als dem 689-fachen des Atmosphärendrucks entspricht. Atmosphärische Luft ist eine Sauerstoffquelle, die für den elektrochemischen Prozess benötigt wird, wodurch der erforderliche Strom erzeugt wird; Es wird nur Wasserdampf freigesetzt “, bemerkte er.
Bei allen elektrischen Antriebssystemen ist die Energieabgabe von der Quelle bis zu den Rädern einfacher als bei herkömmlichen Fahrzeugen. „Die ZH2 hat kein Getriebe im üblichen Sinne des Wortes. Ein Wechselstrom-Fahrmotor mit einstufigem Getriebe überträgt das Drehmoment direkt auf das Verteilergetriebe und den Allradantrieb “, erklärte Kolkit.
Tragbare Infrastruktur
Im Rahmen dieses Programms untersucht das TARDEC-Zentrum auch, was zumindest eine teilweise Lösung für das Problem der Wasserstoffverfügbarkeit (Infrastruktur) sein könnte. Seine Lösung wird hier dadurch begünstigt, dass dieses chemische Element auf verschiedene Weise aus unterschiedlichen Quellen hergestellt werden kann. Nach Angaben des Vertreters des TARDEC-Zentrums ist in der Anfangsphase der Arbeiten am Projekt ZH2 die Idee, komprimierten Wasserstoff bei der Reformierung von Flugkerosin JP8 in einem tragbaren Reformer zu gewinnen, der zusammen mit dem Maschine, da dies die Anzahl der in dieser Phase gelösten Aufgaben erhöht.
„Wir suchen derzeit nach einem Reformer, der eine Vielzahl von lokal verfügbaren Quellen wie Erdgas, JP8-Flugzeugtreibstoff, DF2-Diesel oder Propan nutzen kann, um Wasserstoff zu produzieren“, sagte er. - Für die Wasserstofferzeugung können neben Wasserressourcen auch lokale Stromnetze, ggf. erneuerbare Energiequellen, genutzt werden. Dies würde es der Armee ermöglichen, die Treibstoffmenge zu reduzieren, die zu einem bestimmten Einsatzgebiet gebracht wird, und sich auf das zu verlassen, was in diesem Einsatzgebiet verfügbar ist.
Ob Batterien, Brennstoffzellen oder gemischte Diesel-Elektro-Kraftwerke als Antriebsmotor – die Umwandlung von elektrischem Strom in Vortrieb erfordert zuverlässige und effiziente Elektroantriebe. Das britische Unternehmen Magtec stellt elektrische Antriebssysteme für die Märkte Aerospace, Marine und Automotive her und bietet beispielsweise mehrere Möglichkeiten, Nutzfahrzeuge auf neue Antriebssysteme umzurüsten.
Das Unternehmen entwickelte jedoch auch komplette Antriebsstränge für Raupen- und Radplattformen, um Hybridtechnologien zu demonstrieren, die Anfang der 2000er Jahre von BAE Systems Hagglunds für die britischen und schwedischen Verteidigungsbehörden hergestellt wurden.
Für SEP (Splitterskyddad EnhetsPlattform)-Plattformen, sowohl auf Rädern als auch auf Raupen, hat das Unternehmen Radnabenmotoren (Motorräder) entwickelt, die jeweils ein zweistufiges Untersetzungsgetriebe und Bremssystem, Zwillingsgeneratoren, Steuergeräte und Stromverteilung enthalten. Für SEP entwickelte, installierte und testete sie außerdem Software zur Steuerung wichtiger Funktionen wie Kraftverteilung, Traktionskontrolle, elektronische Differenzialsperren und Lenkung, die es der Maschine ermöglicht, auf der Stelle zu wenden. Darüber hinaus erfüllt dieses System alle militärischen EMV- und Umweltvorschriften.
Der Vorstandsvorsitzende von Magtec sieht gutes Wachstumspotenzial für Elektrofahrzeuge mit erweiterter Reichweite für Kampfunterstützungsmissionen. Gleichzeitig tragen neue Technologien zu einer deutlichen Verbesserung der Mobilität, einer Senkung des Kraftstoffverbrauchs, einer höheren Redundanz bei und ermöglichen originelle Layoutentscheidungen. Er stellte auch fest, dass der elektrische Antrieb die Implementierung von Fernsteuerung und Autonomie vereinfacht.
Zur Weiterentwicklung der notwendigen Technologien stellte er fest, dass die Antriebssysteme mit verbesserter Leistungselektronik (zur Ansteuerung von Leistungsantrieben) auf Basis von Siliziumkarbid-Halbleiterschaltungen marktreif seien. Sie sind notwendig, um die Hochspannung zu steuern, mit der elektrische Systeme der neuen Generation betrieben werden. Der Direktor von Magtec stellte fest, dass die 24 Volt, mit denen die meisten modernen Systeme arbeiten, jetzt für die Hauptstromverbraucher zu niedrig sind (die Erhöhung der Spannung ermöglicht es, mehr Leistung durch die Kabel zu übertragen, ohne die Stromstärke übermäßig zu erhöhen).
Ein Unternehmen in diesem Bereich, GE Aviation, hat einen Auftrag über 2,1 Millionen US-Dollar zur Entwicklung und Demonstration von Siliziumkarbid-Leistungselektronik erhalten. Nach einem 18-monatigen Entwicklungsprogramm wird das Unternehmen voraussichtlich die Vorteile seiner Siliziumkarbid-Metalloxid-FET-Technologie in Kombination mit Galliumnitrid-Bauelementen in einem bidirektionalen DC/DC-Wandler mit einer Leistung von 15 kW und 28/600 Volt demonstrieren.
Diese Geräte sollen nach Unternehmensangaben die doppelte Leistung bewältigen und dabei die Hälfte des Volumens im Vergleich zu aktuellen Silizium-Leistungselektroniken beanspruchen, während die Wandler parallel arbeiten und nach dem CAN-Standard programmiert werden können.
Das Unternehmen entwickelt eine Fahrzeugantriebsarchitektur der nächsten Generation von TARDEC, nennt sie eine disruptive Technologie und hofft, dass eine Technologiedemonstration bis Mitte 2017 fertig sein wird.
Doppelte Geschwindigkeit
Eine weitere bahnbrechende Technologie ist das Projekt Ground X-Vehicle Technology (GXV-T) der DARPA Defense Advanced Research Projects Agency, bei dem elektrische Systeme eine bedeutende Rolle spielen werden. Ziel des Projekts ist es, Größe, Gewicht und Anzahl der Besatzung vielversprechender Panzerfahrzeuge zu halbieren, ihre Geschwindigkeit zu verdoppeln, 95 % des Geländes zu überwinden sowie die Sichtbarkeit zu reduzieren.
Im Juli 2016 gewährte DARPA Qinetiq eine Investition in Höhe von 2,7 Millionen US-Dollar, um die Technologie der elektrischen Antriebssysteme für das GXV-T-Projekt zu verfeinern. Das Unternehmen beschreibt diese Technologie als kompakte und extrem leistungsstarke Elektromotoren im Inneren der Räder, die verschiedene Getriebe, Differenziale und Antriebswellen ersetzen. Dieser Ansatz, so das Unternehmen, reduziert das Gesamtgewicht der Plattform drastisch und eröffnet neue Designoptionen, die die Sicherheit und Leistung verbessern.
Qinetiq betont, dass diese Technologie neben dem Einsatz in neuen Konzepten wie dem GXV-T auch die Fähigkeiten bestehender Fahrzeuge bei Nachrüstungen verbessern kann. Zum Beispiel könnte ein mehrrädriges Infanteriefahrzeug, das mit Nabenantrieben oder Motorrädern aufgerüstet ist, von der erhöhten Leistung und Mobilität profitieren, die durch Gewichtseinsparungen bereitgestellt wird, oder umgekehrt diese Einsparungen nutzen, um den Schutz zu verbessern, Ausrüstung zu installieren oder die Passagierkapazität zu erhöhen."
Der Investition folgte ein im September 2015 bekannt gegebener Vertrag, bei dem das Konzept in ein reales Design umgesetzt und getestet wird, wonach zwei voll funktionsfähige Prototypen hergestellt werden.
„Herkömmliche Aktuatoren sind ziemlich schwer, haben eine begrenzte Kapazität und bestehen aus Komponenten, die bei einer Explosion durch eine Mine zu tödlichen Projektilen werden können“, kommentiert der Forschungsleiter von Qinetiq den Vertrag. "Die Verlagerung der Antriebe auf die Räder beseitigt diese Bedrohung und unterbricht die Tendenz, dass Fahrzeuge aufgrund des erhöhten Schutzniveaus und der Kraft der Waffen schwerer und weniger mobil werden."
Auch bestehende Maschinen können von der Elektrifizierung von Teilsystemen ohne Antrieb profitieren. So liefert das deutsche Unternehmen Jenoptik beispielsweise 126 elektrische Turm- und Waffenstabilisierungssysteme für das polnische Panzermodernisierungsprogramm Leopard 2PL. Die Elektrik soll nach Angaben des Unternehmens die Hydraulik am Tank ersetzen und damit den Wartungsaufwand und die Wärmeentwicklung reduzieren.
Die Lieferungen sind in den Jahren 2017-2020 im Rahmen eines im Oktober 2016 mit dem polnischen Unternehmen Bumar Labédy unterzeichneten Vertrags über 23 Millionen US-Dollar fällig. Dieselbe Firma Bumar Labedy hat im Februar 2017 mit dem deutschen Unternehmen Rheinmetall einen Kooperationsvertrag zur Modernisierung von Panzern unterzeichnet.
Eine der Aktivitäten von Jenoptik ist die Entwicklung und Produktion von kompakten stabilisierten Waffen-/Sensorplattformen, Antriebssystemen für Türme und Waffen sowie Spiegel zur Stabilisierung der Sichtlinie gepanzerter Fahrzeuge.
Beispielsweise besteht ein Geschütz- und Turmantriebssystem für große Waffensysteme aus horizontalen und vertikalen Führungselektromotoren, die das Geschütz in Azimut bzw. Elevation in Abhängigkeit von den Signalen der Haupt- und Backup-Steuereinheiten lenken. Beide Antriebe beinhalten absolut positionierende bürstenlose Synchronmotoren mit Nullspiel zwischen dem Abtriebszahnrad jedes Motors und dem verzahnten Sektor der Waffenbaugruppe.
Das System, das mit einer Versorgungsspannung von 28 und 610 Volt DC betrieben werden kann, kann die Waffe in jedem Flugzeug mit einer Geschwindigkeit von bis zu 60 ° / s oder langsamer als 0,2 mrad / s werfen.
Die Antriebssteuereinheit wandelt in Abhängigkeit von den Eingangssignalen von Sensoren, Steuerungen und einem aktiven Visier die Stromversorgung in ein Paar von Drehstromsystemen um, jeweils eines für den Turm und die Waffenführungs-, Stabilisierungs- und Stellantriebsmotoren.
Laut einem Bericht des Forschungsunternehmens IDTechEx aus dem letzten Jahr wird der weltweite Markt für die Elektrifizierung von Fahrzeugen bis 2026 einen Wert von 300 Milliarden US-Dollar haben. Dieses Wachstum, getrieben durch eine Zunahme der Anzahl von Elektromotorsteuerungen pro Fahrzeug (da Lenkung, Aufhängung und andere bisher mechanische, pneumatische und hydraulische Teile die elektrischen Systeme ersetzen werden), wird eine technologische Grundlage für den Massenmarkt schaffen und so deren Kosten senken für Militärfahrzeuge.
