En el mercado de vehículos civiles, los sistemas de propulsión híbridos y totalmente eléctricos se están volviendo cada vez más populares, pero esto no afecta al mercado de defensa, donde la demanda de energía es mucho mayor y, por lo tanto, deben resolverse muchos problemas difíciles.
En los últimos años, los vehículos militares de todas las clases se han vuelto mucho más difíciles, esto se debe principalmente a la necesidad de aumentar los niveles de protección y potencia de fuego. Como resultado, los militares ahora están pidiendo a la industria que preserve o mejore la movilidad de la plataforma y, debido al proceso de digitalización que está generalizado, proporciona un suministro de energía suficiente bajo severas restricciones de masa, volumen y costo.
Mientras que los fabricantes de motores y centrales eléctricas pueden recurrir al negocio civil de automóviles para algunas tecnologías clave e incluso soluciones parciales, las tareas militares requieren un enfoque especial para el desarrollo y mucha paciencia mientras esperan a los clientes militares que están listos para realizar demostraciones ya probadas en prototipos y programas. Soluciones tecnológicas.
Necesidades digitales
La empresa MTU, por ejemplo, cree que cumplir con los requisitos de flexibilidad funcional, rendimiento y confiabilidad dentro de los límites de masa y volumen en el futuro será aún más difícil. La compañía también señaló que el uso de los sistemas de armas modernos y especialmente los sistemas de defensa personal puede llevar a un aumento constante en la necesidad de energía eléctrica.
Para las máquinas tácticas, la confiabilidad real y la preparación operativa continua son muy importantes y la digitalización de los sistemas de propulsión, que es un paso esencial hacia la creación de sistemas de mantenimiento predictivo (preventivo) basados en datos operacionales en tiempo real, puede ayudar a lograr este objetivo.
La empresa MTU cree que para la mayoría de los vehículos, el sistema de propulsión determina la arquitectura básica y, por lo tanto, no solo es importante para su operación, sino que también tiene una gran influencia en ciertas mejoras que se pueden llevar a cabo durante todo el ciclo de vida. "Al mismo tiempo, además de la integración física de los subsistemas, la integración funcional y la integración digital de dichos subsistemas en una red se está volviendo cada vez más crítica para la tarea", dijo Jürgen Schimmels, director de motores especiales y sistemas de propulsión de MTU Friedrichshafen.
"Los conceptos modulares basados en un enfoque integrado deberían maximizar la flexibilidad de las plataformas de transporte diseñadas para aplicaciones multifuncionales con componentes técnicamente idénticos", continuó.
“En el futuro, un mayor énfasis estará en los costos de desarrollo, adquisición y operación. El uso de sistemas de propulsión modulares proporcionará ventajas significativas en el campo de los sistemas especializados de propulsión y energía en términos de desarrollo, costos de logística y costos de ciclo de vida ".
El soporte a largo plazo de estos sistemas se complica por el constante y rápido progreso tecnológico en las plantas de propulsión y energía, lo que obligará a la industria a invertir en el mantenimiento y soporte de motores y automóviles eléctricos durante décadas, mientras se supera la obsolescencia de algunos componentes importantes.
En algunos casos, los motores, las cajas de engranajes y los generadores pueden tomarse de la industria automotriz y usarse como tal o adaptados para su uso en algunas aplicaciones. Para plataformas militares masivas como, por ejemplo, vehículos de uso general y de apoyo trasero, los motores comerciales pueden adaptarse a las necesidades militares en un grado aceptable, aunque existen limitaciones para su uso en sistemas de combate especiales, por ejemplo, en vehículos de ruedas tácticas y vehículos de seguimiento de categoría media.
Los motores de la serie MTU 199, por ejemplo, son versiones adaptadas de los motores diesel de camiones comerciales Mercedes-Benz utilizados con éxito en varios vehículos militares ligeros. Este enfoque se puede ampliar para incorporar una gama de nuevas tecnologías comerciales disponibles.
Los fabricantes de motores están recurriendo cada vez más a soluciones que permiten que los sistemas eléctricos complementen las capacidades del motor. Como ejemplo, un turbocompresor eléctrico en el estilo de Fórmula 1.
El voltaje sube
El portavoz de Jenoptik, Norman Geier, señaló que la necesidad de más electricidad generada en los vehículos tácticos obliga a la compañía a desarrollar nuevos sistemas, tanto nuevos equipos de generación como una arquitectura eléctrica integrada, mientras que el voltaje de la red a bordo de 28 volt que ha sido el estándar durante muchas décadas. Ya ha dejado de satisfacer nuevas necesidades.
"Lo que nos interesa es el alto voltaje, pero en realidad, el mercado de vehículos militares no está realmente listo para esto", señaló. - Necesitamos alejarnos de los volts 28 en este momento. Si necesita sistemas de alta potencia en su automóvil, entonces debe tener sistemas eléctricos de una clase de voltaje diferente ".
La potencia eléctrica, expresada en vatios, se calcula multiplicando la diferencia de potencial en voltios por el amperaje. Es mucho más efectivo aumentar el voltaje en lugar del amperaje, ya que las corrientes grandes generan más resistencia y, por lo tanto, se requieren cables pesados y gruesos para transmitirlos sin sobrecalentamiento, lo que no es el caso del voltaje. Esta es la razón por la que las líneas eléctricas aéreas británicas, por ejemplo, son reales para los kilovoltios 400. En los vehículos eléctricos, por ejemplo, Tesla Model S, 400 voltios se suministran a los motores, mientras que los sistemas eléctricos de los vehículos blindados que operan a 600 voltios y más se demuestran con éxito.
Es necesario dar por sentado que la creación de componentes y sistemas de alta potencia y alto voltaje que podrían funcionar durante mucho tiempo en las duras condiciones de la operación militar es muy costosa. "Todos quieren una alta densidad de potencia, porque el volumen en el automóvil es limitado, pero alguien tiene que pagar por ello", dijo Geyer. Añadió que dicho equipo podría ser más barato si se usaran componentes más grandes, pero cada cliente desea tener los dispositivos más avanzados y pagar el precio mínimo por ellos.
"En lo que respecta al uso de componentes, como sistemas auxiliares eléctricos o turbocompresores eléctricos, existe la posibilidad de mejorar el sistema de propulsión total", dijo Schimmels. "Además, los componentes interconectados mejoran el mantenimiento preventivo".
Sin embargo, el soporte técnico y material a largo plazo es casi siempre uno de los requisitos previos para la compra de equipo militar. MTU ofrece la posibilidad de comparar sistemas de propulsión militar especializados para los cuales se garantice el suministro de repuestos y el mantenimiento durante un período prolongado, y soluciones comerciales listas para usar, cuya vida útil es cada vez más corta debido al aumento de los estándares de emisión de gases de escape y al aumento de costos.
"El suministro ininterrumpido de componentes y piezas de repuesto durante toda la vida útil de la máquina, que en la mayoría de los casos supera significativamente los años 30, es una tarea más difícil", explicó Schimmels.
Geier estuvo de acuerdo, señalando que el desarrollo podría tomar más de 10 años y que sería muy difícil para los grandes proveedores responder efectivamente a las necesidades del mercado de vehículos militares. Jenoptik mantiene su base de producción relativamente pequeña, lo que le permite responder de manera más flexible a las necesidades de los sistemas compactos muy potentes y suficientemente fuertes. "Todo esto, por supuesto, agrega valor, pero, de hecho, satisface con mayor precisión las necesidades de los clientes".
Además, la aparición de electricidad. armas y otras potentes fuentes de radiofrecuencia, como los emisores de interferencias, conllevarán requisitos significativamente más altos para la compatibilidad electromagnética de los componentes eléctricos y las redes de cable, que definitivamente superarán las capacidades de los sistemas civiles.
Sin embargo, sin las tecnologías comerciales preparadas no se puede hacer, y por lo tanto, jugarán un papel importante en el futuro. "Vemos un potencial significativo en la adaptación a los requisitos militares de la sinergia intelectual de los componentes mecánicos tradicionales con la máxima densidad de potencia y confiabilidad, y los nuevos componentes electrónicos que incorporan tecnologías digitales", agregó Schimmels.
En el Puma BMP del ejército alemán, se instala un generador de arranque, que funciona como un generador que alimenta a los consumidores a bordo y como un dispositivo de arranque para el motor.
Desarrollo de casos
A pesar de que muchos programas demuestran tecnología, la rápida propagación de las centrales eléctricas híbridas para vehículos civiles todavía no es una tendencia en el campo de los vehículos militares. Sin embargo, el MTU informó que definitivamente revelaría el potencial de estos sistemas, lo cual sería difícil o imposible de lograr con las instalaciones tradicionales de diesel y mecánica.
En su investigación y en el proceso de creación de equipos reales, que formarán la base de sus futuros desarrollos en motores y sistemas de energía, la compañía tuvo como objetivo demostrar la viabilidad de los sistemas híbridos. Sin embargo, Schimmels observó que los requisitos militares específicos aún plantean problemas técnicos y comerciales importantes.
"Los requisitos extremos para factores externos, como el volumen de instalación, las firmas eléctricas y las cargas de choque, en combinación con la máxima confiabilidad, requieren soluciones integrales especiales que no se pueden realizar simplemente modificando los componentes disponibles en el mercado civil".
"Los estudios también han demostrado que las plantas de energía híbridas, a pesar del potencial que tienen para capacidades adicionales, como el volumen de instalación, la masa y las características, se comparan con los sistemas diesel-mecánicos de combustibles fósiles que aún no tienen el potencial" Necesario para consolidar el mercado ”, dijo.
Geyer comentó que los usuarios deben decidir si van a asociarse con estas tecnologías. En los últimos años de 10, Jenoptik ha instalado sus sistemas experimentales, desarrollados en conjunto con fabricantes de otros países, en vehículos de casi todas las clases, desde MBT y BMP hasta varios vehículos con ruedas. "Estos prototipos en realidad incluyen casi todas las capacidades híbridas que tienen sentido desde un punto de vista táctico, incluyendo la observación silenciosa y el movimiento, así como la unidad eléctrica pura".
Una de las plataformas que pasó la etapa de prototipo / demostración fue el vehículo blindado Puma alemán. Tiene un generador de arranque Jenoptik ISG (Integrated Starter Generator), que hace más de lo que dice su nombre habitual. Además de funcionar como generador para generar electricidad, también puede funcionar como dispositivo de arranque para arrancar el motor principal. En el modo generador, debido a su resistencia electromagnética, proporciona un frenado regenerativo de la máquina y al mismo tiempo carga la batería. Trabajando como un motor eléctrico, puede ayudar al automóvil a moverse en modo silencioso.
Jenoptik suministra generadores de refrigeración por aire para 400-600 Amp y 11-16 kW. Estos sistemas son modulares y, por lo tanto, pueden adaptarse fácilmente a los requisitos individuales.
Liderar
Según Geyer, una adopción tan temprana de una unidad híbrida por parte de Alemania, incluso en una forma tan limitada, hace de Puma un tipo de modelo a seguir en este sector tecnológico.
El ISG genera una corriente continua estable de 20 a 500 kW mediante una electrónica externa, que regula el voltaje y rectifica el voltaje de salida de CA a CC. El generador de volante con excitación de imanes permanentes funciona con una eficiencia declarada de más del 95%. El sistema se instala sin cojinetes adicionales en el cigüeñal entre el motor y la transmisión y no requiere mantenimiento.
Jenoptik también está en el proceso de refinar su línea de alternadores y expandir su línea de generadores enfriados por líquido para integrar los vehículos existentes en la configuración estándar para satisfacer sus necesidades energéticas.
Los ingenieros de Jenoptik han completado el desarrollo de un nuevo generador modular refrigerado por aire en el amplificador 600, que llenará el vacío entre los sistemas de enfriamiento de agua y aceite, el mayor de los cuales puede generar más corriente que el amplificador 2000. Generar una cantidad adicional de electricidad también le permite satisfacer la creciente demanda de exportaciones de energía, ya que las máquinas pueden actuar como centrales eléctricas móviles para unidades desplegadas en operaciones expedicionarias que operan en situaciones de combate difíciles.
Los autos completamente eléctricos también están ganando un lugar en el mercado civil de automóviles. Los recién llegados, como Tesla, se hacen famosos con sus autos, que reciben toda la energía necesaria de las baterías de iones de litio, y los principales fabricantes agregan modelos totalmente eléctricos, en su mayoría autos de ciudad pequeños, a sus carteras. Tales sistemas pueden afectar seriamente el mercado de vehículos militares ligeros.
Sin embargo, en los MBT y otros vehículos sobre orugas, los accionamientos eléctricos son mucho más utilizados en los sistemas de propulsión híbridos, por ejemplo, como dispositivos para aumentar la fuerza de empuje.
Schimmels estuvo de acuerdo, enfatizando que es improbable que los accionamientos eléctricos puros ingresen al mercado para vehículos tácticos que pesen más de 25 toneladas. Nombrando el volumen de instalación, la masa, la densidad de potencia y la disponibilidad operativa como elementos clave de los sistemas de propulsión militar, Schimmels observó que el motor diesel mantendrá el papel de la unidad de propulsión principal durante algún tiempo, ya que la energía específica del combustible fósil, incluso si se duplica la capacidad actual de la batería, Baterías de energía específica más alta.
Incluso para funciones como la observación silenciosa y el movimiento, según Geyer, la energía y el tiempo de carga y energía específicos para las mejores baterías de litio disponibles para sistemas eléctricos limpios no se pueden comparar con cifras equivalentes para motores diesel y unidades de energía auxiliar. "Creo que pasará mucho tiempo antes de que se obtengan características más o menos comparables, teniendo en cuenta las limitaciones de la masa de vehículos militares".
Junto con las actualizaciones del motor, la industria también está explorando soluciones que pueden complementar o reemplazar las unidades de energía auxiliar tradicionales que alimentan los sistemas a bordo con el motor principal apagado. En primer lugar, se trata de baterías y pilas de combustible.
Rush of Energy
Dewey Electronics Corporation diseña y fabrica potentes generadores terrestres, plataformas híbridas portátiles y APU para el Ejército y la Infantería de Marina de los EE. UU. El director John Dewey señaló que las baterías capaces de cargarse muy rápidamente desde el motor principal de un automóvil pueden ser una mejor opción que las celdas de combustible o las APU tradicionales.
"Creo que una solución basada en tecnología de carga ultrarrápida combinada con una larga vida útil y alta seguridad finalmente ganará". Cuando la máquina pueda dirigir la mayor parte de la potencia del motor a la carga ultrarrápida del paquete de baterías, obtendremos la solución más viable y buscada ".
Sugirió que a pocos operadores les importaría encender el motor principal durante 10 minutos en el intervalo de una hora a tres, con la posible excepción de las misiones de reconocimiento, para las cuales el silencio es absolutamente crítico. "Teóricamente un motor de turbina de gas tanque M1 produce fácilmente suficiente energía en seis minutos para abastecer a los mayores consumidores a bordo (aproximadamente 10 kW) durante 10 horas. Por supuesto, las baterías de 100 kW ocuparán mucho ".
Además, señaló que si fuera posible cargar la batería con toda la potencia del motor, sería más seguro y más fácil que ejecutar una APU normal o una celda de combustible con el motor principal parado y también reduciría el costo de mantenimiento y capacitación. “Diez minutos del motor principal pueden ser más baratos que los minutos 60 de la APU. Estoy seguro de que seis minutos del motor M1 son más baratos que las horas de funcionamiento 10 del VCA ".
Schimmels, de MTU, también cree que la energía específica es solo uno de los factores que deben mejorarse en las baterías, ya que deben resistir las duras condiciones del campo de batalla y también competir con el dominio universal de los productos derivados del petróleo. “Con respecto a los vehículos terrestres, existen ventajas logísticas adicionales decisivas para los sistemas de combustibles fósiles, ya que la demanda de combustibles fósiles se mantendrá sin cambios para los militares. aviación, helicópteros y barcos ".
Donde la energía específica tiene más demanda que la densidad de potencia, las celdas de combustible pueden ser más útiles porque pueden convertir la energía del combustible líquido en corriente eléctrica a través de un proceso electroquímico, cuyos subproductos son calor y vapor de agua. Son buenos porque generan CD de manera muy eficiente, pero no son tan buenos para responder a los cambios repentinos en el consumo de energía. Por lo tanto, en los vehículos militares, podrían mostrarse mejor en el papel de los dispositivos de carga de la APU y de la batería.
Para las APU a bordo con una demanda de potencia típica de menos de 50 kW, las pilas de combustible pueden ser una alternativa posible a los pequeños motores de combustión interna. Al mismo tiempo, el establecimiento de procesos de producción en masa y los aspectos comerciales de la tecnología, en particular el costo del desarrollo, se convertirán en factores que en los próximos años afectarán el reconocimiento del mercado de celdas de combustible.
Todavía hay ciertas dificultades en el diseño de celdas de combustible para vehículos militares. Junto con el aumento de su confiabilidad operativa y resistencia a choques y vibraciones, generalmente es necesario un suministro confiable de hidrógeno de alta pureza, y su eliminación de fuentes de energía fácilmente disponibles, como el combustible diesel, requiere el uso de tecnología de reformado, que aumenta el peso y el volumen y aumenta el costo. Complejidad y pérdida de calor.
Geyer señaló que, en un futuro próximo, las celdas de combustible ni siquiera se acercarán a los motores diesel con respecto a la eficiencia general del sistema, ya sea que se utilicen como APU, sistemas de carga o dispositivos propulsores principales. “En comparación con las funciones eléctricas u otras funciones híbridas, un sistema diesel-eléctrico será mucho más eficiente. Todo esto está relacionado con el régimen de explotación de tropas, que debe tenerse en cuenta, ya que es bastante diferente del uso civil ".
Hay dudas
Dewey también duda que en un futuro cercano, las celdas de combustible tendrán éxito en la APU para vehículos. “Hemos trabajado mucho en esta dirección con el Centro de investigación blindado TARDEC. "Hace varios años, trabajamos en los controles y la conversión de energía para la celda de combustible 10 kW y la unidad de reforma, que todos tenían que encajar en el nicho de aletas del tanque M1 Abrams".
Según Dewey, la celda de combustible APU funciona con "combustible diesel sucio". Esto significa una alta proporción de impurezas, como el azufre, y el volumen en el que se debe ingresar al sistema era insuficiente, incluso si se basa en un motor tradicional. “Creo que el programa ha confirmado la posibilidad de crear dicho sistema. Pero la tecnología todavía está mucho más cerca del laboratorio que del campo de batalla ". Vale la pena señalar que los motores tradicionales se han mejorado durante más de una década, la vasta experiencia operativa, el manejo inadecuado, las mejoras y el aumento gradual en el nivel de automatización de la producción los llevó al más alto nivel de desarrollo técnico y, por lo tanto, es difícil competir con ellos.
“Las pilas de combustible no son adecuadas para el campo de batalla, pero si las toma como un sistema separado, verá que esto es un milagro de diseño, experiencia y optimización. Creo que los elementos combustibles no alcanzarán realmente la línea de meta y no entrarán en el campo de batalla hasta que no se identifiquen todos los defectos en la esfera civil y se pague todo el proceso de diseño para garantizar su buen funcionamiento y una alta rentabilidad de la producción. Dewey. "La producción en masa de nuevos sistemas y la correspondiente reducción en el costo total del ciclo de vida, la reducción en el precio de compra contribuirán a ganar el mercado".
Aunque los motores son sistemas complejos, las celdas de combustible que pueden hacer frente al combustible diesel sucio no son menos complejas. “Esto se puede lograr, pero llevará mucho tiempo y dinero, tomará una gran cantidad de pruebas en condiciones reales, para alcanzar el resultado práctico, puede llevar décadas. ¿Vale la pena? Sin lugar a dudas, pero es una tarea seria para el mercado de defensa ".
Con la vista larga
MTU presta gran atención a los desarrollos en el campo de la integración de un mayor número de sistemas eléctricos en los motores para mejorar su rendimiento general. Por ejemplo, la compañía está trabajando en turbocompresores eléctricos (en principio, se usan turbocompresores similares en los vehículos de Fórmula 1) para mejorar el rendimiento dinámico del motor en general y reducir el tiempo de respuesta a las repentinas necesidades de potencia adicional en particular. Se pueden lograr objetivos similares mediante la integración de generadores de arranque, que suministran energía mecánica directamente al circuito de potencia. Un ejemplo de esto es el Puma BMP, donde el generador Jenoptik ISG funciona junto con el motor diesel MTU 800 de la serie 892 de kW.
"Este enfoque integral de desarrollo nos permite desarrollar soluciones que brindan el máximo rendimiento y flexibilidad con un volumen mínimo de instalación y requisitos de masa", dijo Schimmels. "En general, vemos un gran potencial adaptado a los requisitos militares de la sinergia recíproca intelectual de los componentes mecánicos tradicionales con la máxima densidad de potencia y fiabilidad, y los componentes electrónicos con tecnologías digitales".
"Desde la perspectiva de Jenoptik, el futuro es más que la generación de energía", dijo Geyer. "En el automóvil, es necesario proporcionar suministro de energía de una manera más inteligente, para proporcionar una especie de conexión final entre nuestros sistemas".
Los combustibles fósiles son difíciles de superar cuando se trata de energía específica e infraestructura familiar, pero MTU confía en que los combustibles renovables o sintéticos, como los biocombustibles, serán un factor clave para garantizar un suministro constante de energía y reducir las emisiones de dióxido de carbono. "Estas necesidades como una alternativa a los combustibles fósiles definitivamente se tendrán en cuenta al desarrollar motores militares", dijo Schimmels. "Pero los biocombustibles son adecuados para vehículos militares solo en una medida limitada debido a las limitaciones en la vida útil y los cambios en las propiedades orgánicas".
Dewey estuvo de acuerdo, y señaló que la Marina de los Estados Unidos ya había determinado la utilidad de los biocombustibles en los combatientes y realizó una serie de pruebas para confirmar este concepto. Vale la pena señalar, por ejemplo, que durante la Segunda Guerra Mundial, Alemania produjo con éxito combustibles líquidos sintéticos a partir de varias fuentes, incluido el carbón, ya que podría quedar fuera del suministro de petróleo. Si no tiene en cuenta el costo, es probable que la distribución más generalizada de estas tecnologías se vea obstaculizada por obstáculos políticos y logísticos, pero "si el petróleo regresa a 100 o 150 dólares por barril, todos ellos desaparecerán instantáneamente".
La transformación de los sistemas de propulsión y energía de los vehículos de combate en tierra puede ir mucho más rápido, pero este proceso se inhibe debido a una serie de razones objetivas que es poco probable que desaparezcan en un futuro próximo.
Basado en los materiales del sitio: Nikolay Antonov
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