Il crescente consumo di energia dei sistemi di bordo dei veicoli offre alle nuove tecnologie la possibilità di cogliere l'opportunità di cambiare radicalmente la potenza e la mobilità dei veicoli militari in futuro
Dato che è probabile che la prossima generazione dell'esercito americano disponga di una centrale elettrica ibrida, l'industria ha bisogno di un programma su larga scala in modo da poter introdurre le sue tecnologie energetiche, che ha già sviluppato (insieme alle inevitabili modifiche), nel maggior parte dei veicoli da combattimento. L'unico neo in questo barile di miele, tuttavia, è che secondo i piani attuali, l'esercito prevede di adottare tali veicoli intorno al 2035. Le decisioni importanti sulla sua configurazione molto probabilmente non verranno prese prima del 2025, a meno che i programmi corrispondenti non vengano accelerati nella presidenza Trump.
Le enormi esigenze sono un ottimo incentivo per lo sviluppo di nuove tecnologie, che a loro volta possono fornire soluzioni per soddisfare queste esigenze. Ad esempio, la crescente domanda di energia elettrica sul campo di battaglia è combinata con la necessità di ridurre il carico logistico associato alle forniture di carburante, nonché di aumentare la capacità fuoristrada delle forze di combattimento e delle forze di supporto al combattimento. Tutto ciò è una prova convincente a favore di un'adozione diffusa di unità di potenza ausiliarie, comandi intelligenti del motore e trazione elettrica ibrida e, di conseguenza, un forte aumento della potenza generata per i consumatori esterni.
Superare l'inerzia
Con una vasta esperienza nella produzione di dimostratori di tecnologia per veicoli ibridi per varie strutture militari e nella produzione di autobus ibridi per il settore civile, BAE Systems è ben posizionata per valutare esattamente dove si trova oggi questa tecnologia e quali sono le sue prospettive. Lo stesso vale per DRS Technologies, che ha anche partecipato a molti progetti dimostrativi. Tom Weaver, direttore commerciale di DRS Network Computing and Test Solutions, ha affermato che il mercato è ancora emergente e che i vantaggi dei veicoli elettrici devono ancora superare l'inerzia dei veicoli tradizionali. Tale inerzia si ripercuote negativamente sull'andamento di macchine in grado di generare la potenza necessaria per le utenze esterne, nonostante i fabbisogni siano aumentati "almeno del 100%" nell'ultimo decennio.
“DRS sta lavorando con diversi clienti per dimostrare macchine con nuove tecnologie integrate in vari test sulle prestazioni. Dimostrazioni di successo e recensioni positive degli utenti non hanno portato allo spiegamento di tali veicoli nelle truppe, inoltre, i requisiti per loro non sono stati nemmeno sviluppati. Ma la domanda continuerà comunque a crescere, soprattutto per operazioni di spedizione e veicoli specializzati come i sistemi di armi a energia diretta.”
DRS offre ora un sistema di alimentazione di bordo per veicoli tattici medi (MTV) e apparecchiature HMMWV sotto forma di un generatore integrale di trasmissione sviluppato in collaborazione con Allison. Questo sistema, installato su un camion MTV, ad esempio, genera una potenza fino a 125 kW per impianti di bordo o esterni. L'azienda produce anche altri sistemi di gestione dell'energia per vari veicoli. L'ingegnere capo Andrew Rosenfield di BAE Systems, che si occupa anche di tali sistemi, ritiene improbabile che i veicoli puramente elettrici svolgeranno un ruolo importante nel combattimento a terra, principalmente a causa di problemi con la ricarica delle batterie.
"Mentre la tecnologia del gruppo propulsore per il funzionamento completamente elettrico è ben consolidata, il problema del rifornimento di carburante potrebbe impedire la messa in funzione di veicoli puramente elettrici", ha continuato. "Dopotutto, il diesel è disponibile in qualsiasi parte del mondo, mentre trovare una stazione di ricarica della batteria nel deserto è molto difficile, ma anche se ne trovi una, probabilmente non è fattibile aspettare otto ore prima che siano completamente cariche".
Weaver ha convenuto che le auto ibride probabilmente prevarranno, menzionando anche i limiti dell'infrastruttura di ricarica pulita delle auto elettriche e l'ubiquità del diesel e del carburante JP8. Tuttavia, Rosenfield ha sottolineato che i veicoli puramente elettrici potrebbero svolgere un ruolo importante nelle basi militari, poiché potrebbero spostare le merci, come nel caso delle moderne fabbriche o negli aeroporti (trattori aeroportuali). "Le macchine a celle a combustibile sarebbero molto probabilmente in grado di svolgere tali compiti, poiché hanno bisogno del libero accesso alle riserve di idrogeno", ha affermato.
Weaver crede che ci sia un percorso difficile davanti ai veicoli a celle a combustibile. “In primo luogo, non esiste ancora un'infrastruttura per il gas idrogeno e ci sarà una certa sfiducia nello spiegamento del nuovo carburante. Il percorso di tali veicoli inizierà con operazioni di spedizione ben organizzate».
I design ibridi sono anche più sofisticati dei design puramente elettrici e hanno diverse caratteristiche che li rendono più attraenti delle macchine puramente elettriche e convenzionali. “In primo luogo, le piattaforme elettriche ibride utilizzano lo stesso carburante dei veicoli diesel tradizionali. In secondo luogo, la coppia a basso numero di giri è ideale per una macchina che viaggia su terreni accidentati o sale su un pendio molto ripido."
Ha aggiunto che la capacità di generare grandi quantità di elettricità a bordo sta diventando sempre più importante man mano che vengono implementate nuove capacità come comunicazioni e sistemi d'arma che utilizzano potenti laser. Anche la capacità di esportare questa energia è un enorme vantaggio, poiché queste macchine possono alimentare aree popolate e ospedali i cui sistemi di alimentazione sono stati danneggiati da danni da combattimento o disastri naturali.
"Infine, i ridotti costi operativi e di manutenzione associati a un notevole risparmio di carburante e a una maggiore affidabilità rendono i veicoli elettrici ibridi una scelta intelligente e a lungo termine".
Come ha notato Weaver, la domanda di energia elettrica a bordo dei veicoli da combattimento non è mai diminuita, crescerà solo di anno in anno. "I sistemi funzionali più recenti richiedono sempre più energia dalla piattaforma del vettore, nonché continui aggiornamenti ai sistemi di generazione e distribuzione di energia dei veicoli attuali".
“Una volta aggiunte funzionalità come locomozione silenziosa, radar, comunicazioni avanzate, disturbo del segnale e armature o armi elettromagnetiche, la piattaforma rimane indietro e diventa ingestibile senza passare a uno schema elettrico ibrido. Nel prossimo decennio, per tutti i veicoli da combattimento, una delle componenti più importanti sarà la capacità di generare grandi quantità di elettricità a bordo.
"I veicoli a motore elettrico devono svolgere il loro lavoro altrettanto bene, o anche meglio, delle loro controparti meccaniche tradizionali", ha continuato. “Non solo i sistemi motorizzati sono notevolmente più semplici e hanno meno parti mobili rispetto ai sistemi motorizzati, ma spesso hanno un livello di ridondanza sorprendentemente buono, che li rende più affidabili. Ad esempio, la maggior parte delle trasmissioni elettriche trasversali può funzionare normalmente con un singolo motore guasto".
Weaver ha affermato che le tecnologie chiave coltivate nel trasporto pubblico sono già in atto e pronte per entrare nel mercato. "L'uso diffuso di circuiti ibridi ed elettrici, in particolare negli autobus interurbani e nei tram, ha portato allo sviluppo di controller per motori, inverter e convertitori vicini a ciò di cui hanno bisogno i militari", ha affermato. "Tutte le esigenze del settore sono clienti disposti a pagare per il processo di qualificazione, oltre a quanto basta per contenere i costi".
Intanto proseguono i lavori per la manifestazione. General Motors (GM) all'AUSA nell'ottobre 2016 ha mostrato una versione "pronta all'uso" del suo veicolo a celle a combustibile Chevrolet Colorado ZH2, che si basa su un telaio allungato di un pickup di medie dimensioni. Secondo il programma, il Colorado ZH2, con l'assistenza del TARDEC Armored Research Center, sarà sottoposto a una serie di test militari "in condizioni operative estreme" nel corso del 2017.
Era un programma accelerato. GM e TARDEC hanno lavorato insieme per creare una demo in meno di un anno dalla firma del contratto. "La velocità con cui le idee innovative possono essere dimostrate e valutate è molto alta, motivo per cui i legami con l'industria sono così importanti per l'esercito", ha affermato il direttore del TARDEC Paul Rogers. "Le celle a combustibile hanno il potenziale per migliorare significativamente le capacità dei veicoli militari attraverso un funzionamento silenzioso, la generazione di energia per i consumatori esterni e una coppia stabile: tutti questi vantaggi rendono questa tecnologia più esplorata".
"ZH2 consente all'esercito di dimostrare e valutare la prontezza della tecnologia delle celle a combustibile per applicazioni militari, rispondendo allo stesso tempo alla domanda su quanto possano essere utili i veicoli elettrici a celle a combustibile in determinate condizioni e in determinate missioni di combattimento", ha affermato Doug Hallo, portavoce del TARDEC.
I vantaggi previsti che TARDEC deve valutare includono un funzionamento quasi silenzioso che consente una sorveglianza silenziosa, emissioni termiche ridotte, coppia elevata delle ruote a tutte le velocità, basso consumo di carburante nell'intero intervallo operativo e acqua potabile come sottoprodotto chimico.. Il Colorado ZH2 ha una presa di forza a bordo per i consumatori esterni.
Il sistema di propulsione è basato su celle a combustibile a membrana a scambio protonico in grado di generare fino a 93 kW di corrente continua, e una batteria che fornisce altri 35 kW per il sistema di propulsione e viene caricata durante la frenata rigenerativa. Questo è ciò che spiega Christopher Kolkit, Project Manager ZH2 di GM.
“I serbatoi del veicolo contengono circa 4,2 kg di idrogeno compresso a 10.000 psi, che è più di 689 volte la pressione atmosferica. L'aria atmosferica è una fonte di ossigeno necessaria per il processo elettrochimico, a seguito del quale viene generata l'elettricità richiesta; viene rilasciato solo vapore acqueo , ha osservato.
Per tutti i sistemi di azionamento elettrico, l'erogazione di energia dalla sorgente alle ruote è più semplice rispetto ai veicoli tradizionali. “Lo ZH2 non ha una trasmissione nel senso comune del termine. Un motore di trazione CA con un cambio a stadio singolo trasferisce la coppia direttamente alla scatola di trasferimento e al sistema di trazione integrale , ha spiegato Kolkit.
Infrastruttura portatile
Attraverso questo programma, il Centro TARDEC sta anche esplorando quella che potrebbe essere una soluzione almeno parziale al problema della disponibilità di idrogeno (infrastrutture). La sua soluzione qui è favorita dal fatto che questo elemento chimico può essere prodotto in vari modi da fonti diverse. Secondo il rappresentante del Centro TARDEC, nella fase iniziale del lavoro sul progetto ZH2, l'idea è di ottenere idrogeno compresso durante il reforming del cherosene per aviazione JP8 in un reformer portatile, che verrà spostato in ogni sito di prova insieme al macchina, perché ciò aumenterà il numero di risolti in questa fase delle attività.
"Attualmente stiamo cercando di creare un riformatore in grado di utilizzare una varietà di fonti disponibili a livello locale, come gas naturale, carburante per jet JP8, diesel DF2 o propano, per produrre idrogeno", ha affermato. - Le reti elettriche locali, comprese eventualmente le fonti di energia rinnovabile, insieme alle risorse idriche, possono essere utilizzate anche per la produzione di idrogeno. Ciò consentirebbe all'esercito di ridurre la quantità di carburante che viene portato in uno specifico teatro delle operazioni e di fare affidamento su ciò che è disponibile in quel teatro".
Che si tratti di batterie, celle a combustibile o centrali elettriche miste diesel-elettriche come motore principale, convertire la corrente elettrica in propulsione in avanti richiede azionamenti elettrici affidabili ed efficienti. L'azienda britannica Magtec produce sistemi di azionamento elettrico per i mercati aerospaziale, marittimo e automobilistico, offrendo, ad esempio, diverse opzioni per convertire i camion commerciali con nuovi sistemi di propulsione.
Tuttavia, l'azienda ha anche sviluppato propulsori completi per piattaforme cingolate e gommate per dimostrare le tecnologie ibride prodotte da BAE Systems Hagglunds per le agenzie di difesa britanniche e svedesi nei primi anni 2000.
Per le piattaforme SEP (Splitterskyddad EnhetsPlattform), sia gommate 6x6 che cingolate, l'azienda ha sviluppato motori nel mozzo della ruota (motore-ruote), tra cui un riduttore a due stadi e un sistema di frenatura in ciascuna, due generatori, apparecchiature di controllo e distribuzione dell'energia. Per SEP, ha anche sviluppato, installato e testato software per controllare funzioni chiave come la distribuzione dell'energia, il controllo della trazione, i bloccaggi differenziali elettronici e lo sterzo che consente alla macchina di girare sul posto. Inoltre, questo sistema soddisfa tutte le normative EMC e ambientali militari.
L'amministratore delegato di Magtec ha affermato di vedere un buon potenziale di crescita per i veicoli elettrici con un'autonomia estesa per le missioni di supporto al combattimento. Allo stesso tempo, le nuove tecnologie contribuiscono a un significativo miglioramento della mobilità, una diminuzione del consumo di carburante, una maggiore ridondanza e inoltre consentono di prendere decisioni di layout originali. Ha anche osservato che la propulsione elettrica semplifica l'attuazione del funzionamento a distanza e dell'autonomia.
Per quanto riguarda l'ulteriore sviluppo delle tecnologie necessarie, ha osservato che i sistemi di azionamento sono pronti per entrare nel mercato con un'elettronica di potenza migliorata (per il controllo degli azionamenti di potenza) basata su circuiti a semiconduttore in carburo di silicio. Sono necessari per controllare l'alta tensione su cui operano gli impianti elettrici di nuova generazione. Il direttore di Magtec ha osservato che i 24 volt a cui operano i più moderni sistemi sono ormai troppo bassi per i principali consumatori di energia elettrica (l'aumento di tensione consente di trasmettere più potenza attraverso i cavi senza aumentare eccessivamente l'amperaggio).
Una società del settore, GE Aviation, ha vinto un contratto da 2,1 milioni di dollari per sviluppare e dimostrare l'elettronica di potenza al carburo di silicio. Dopo un programma di sviluppo di 18 mesi, l'azienda dovrebbe dimostrare i vantaggi della sua tecnologia FET all'ossido di metallo al carburo di silicio combinata con dispositivi al nitruro di gallio in un convertitore DC/DC bidirezionale da 15 kW, 28/600 volt.
Secondo l'azienda, questa apparecchiatura potrà gestire il doppio della potenza, occupando la metà del volume rispetto all'attuale elettronica di potenza al silicio, mentre i convertitori potranno lavorare in parallelo ed essere programmati secondo lo standard CAN.
La società sta sviluppando un'architettura di alimentazione per veicoli di nuova generazione di TARDEC, definendola una tecnologia dirompente, e spera che una dimostrazione tecnologica sarà pronta entro la metà del 2017.
Doppia velocità
Un'altra tecnologia rivoluzionaria è il progetto Ground X-Vehicle Technology (GXV-T) della DARPA Defense Advanced Research Projects Agency, in cui i sistemi elettrici svolgeranno un ruolo significativo. L'obiettivo del progetto è dimezzare le dimensioni, il peso e il numero dell'equipaggio di promettenti veicoli corazzati, raddoppiarne la velocità, la capacità di superare il 95% del terreno e ridurre i segni di visibilità.
Nel luglio 2016, DARPA ha concesso a Qinetiq un investimento di $ 2,7 milioni per perfezionare la tecnologia dei sistemi di azionamento elettrico per il progetto GXV-T. L'azienda descrive questa tecnologia come motori elettrici compatti ed estremamente potenti all'interno delle ruote che sostituiscono vari cambi, differenziali e semiassi. Questo approccio, ha affermato la società, riduce drasticamente il peso complessivo della piattaforma e apre nuove opzioni di progettazione che miglioreranno la sicurezza e le prestazioni.
Qinetiq sottolinea che oltre al suo utilizzo in nuovi concetti, come il GXV-T, questa tecnologia può anche migliorare le capacità dei veicoli esistenti durante i retrofit. Ad esempio, un veicolo di fanteria a più ruote aggiornato con mozzi o ruote motrici "potrebbe beneficiare della maggiore potenza e mobilità che il risparmio di peso fornisce, o viceversa, utilizzare questi risparmi per migliorare la protezione, installare attrezzature o aumentare la capacità dei passeggeri."
L'investimento è stato seguito da un contratto, annunciato a settembre 2015, in base al quale il concept sarà tradotto in un vero e proprio progetto e testato, dopodiché verranno prodotti due prototipi completamente funzionanti.
"Gli attuatori convenzionali sono piuttosto pesanti, hanno una capacità limitata e sono costituiti da componenti che possono trasformarsi in proiettili letali se esplosi da una mina", ha affermato il capo della ricerca di Qinetiq, commentando il contratto. "Spostando le unità sulle ruote si rimuove questa minaccia e si interrompe la tendenza dei veicoli a diventare più pesanti e meno mobili a causa dell'aumento del livello di protezione e della potenza delle armi".
Anche le macchine esistenti possono trarre vantaggio dall'elettrificazione dei sottosistemi non di propulsione. Ad esempio, la società tedesca Jenoptik fornirà 126 torrette elettriche e sistemi di stabilizzazione delle armi per il programma di modernizzazione del carro armato Leopard 2PL polacco. Secondo l'azienda, gli impianti elettrici sostituiranno gli impianti idraulici sul serbatoio, riducendo così la manutenzione e la generazione di calore.
Le consegne sono previste nel 2017-2020 in base a un contratto da 23 milioni di dollari firmato con la polacca Bumar Labédy nell'ottobre 2016. La stessa società Bumar Labedy ha firmato un accordo di cooperazione sulla modernizzazione dei serbatoi con la società tedesca Rheinmetall nel febbraio 2017.
Una delle attività di Jenoptik è lo sviluppo e la produzione di piattaforme armi/sensori stabilizzate compatte, sistemi di azionamento per torri e armi e specchi per stabilizzare la linea di vista dei veicoli corazzati.
Ad esempio, un sistema di azionamento della pistola e della torretta per grandi sistemi d'arma è costituito da motori elettrici a guida orizzontale e verticale, che dirigono la pistola in azimut ed elevazione, rispettivamente, a seconda dei segnali delle unità di controllo principale e di riserva. Entrambi gli azionamenti prevedono motori sincroni brushless a posizionamento assoluto con gioco nullo tra l'ingranaggio di uscita di ciascun motore e il settore dentato del gruppo arma.
Il sistema, in grado di funzionare con una tensione di alimentazione di 28 e 610 volt DC, può lanciare la pistola in ciascun piano a una velocità fino a 60°/so inferiore a 0,2 mrad/s.
L'unità di controllo dell'azionamento, in accordo con i segnali in ingresso da sensori, controlli e un mirino attivo, trasforma l'alimentazione in una coppia di sistemi trifase, uno per ciascuno dei servomotori di guida, stabilizzazione e azionamento della torretta e dell'arma.
Il mercato globale dell'elettrificazione dei veicoli varrà $ 300 miliardi entro il 2026, secondo un rapporto della società di ricerca IDTechEx lo scorso anno. Questa crescita, guidata da un aumento del numero di controller di motori elettrici per veicolo (in quanto sterzo, sospensioni e altre parti precedentemente meccaniche, pneumatiche e idrauliche sostituiranno i sistemi elettrici), fornirà una base tecnologica per il mercato di massa, riducendo così il loro costo per veicoli militari.
