الخزان الكهربائي: احتمالات استخدام الدفع الكهربائي في معدات القتال الأرضية
هندسة مدنية
ظهرت أولى السيارات الكهربائية قبل السيارات ذات محركات الاحتراق الداخلي (ICE) عام 1828. في بداية القرن العشرين ، شكلت السيارات الكهربائية أكثر من ثلث أسطول السيارات الأمريكي بأكمله. ومع ذلك ، فقد بدأوا تدريجياً في التراجع ، واستسلموا للسيارات من حيث نطاق القيادة وسهولة التزود بالوقود وغيرها من المعايير.
على سيارة كهربائية مزودة بمحركين بقدرة 50 كيلو وات وخلايا بطارية بقوة 29 فولت ، قام سائق سيارة السباق البلجيكي كاميل جيناتسي في 1899 أبريل XNUMX لأول مرة في قصص وصلت إلى سرعة 100 كم / ساعة
يمكن تنفيذ عدة خيارات لتصميم المركبات الكهربائية. سيارة كهربائية كلاسيكية تستقبل الكهرباء من البطاريات المشحونة في محطة الشحن. تستقبل السيارة الكهربائية المزودة بمصدر خارجي للطاقة الكهربائية الكهرباء من الموصلات الخارجية عن طريق التلامس أو عن طريق المجالات الكهرومغناطيسية. لإعادة شحن بطاريات السيارة الكهربائية ، يمكن تركيب محرك احتراق داخلي مزود بمولد ، أو يمكن توليد الكهرباء من الوقود السائل أو الغازي مباشرة باستخدام خلايا الوقود التحفيزية. يمكن الجمع بين جميع المخططات المذكورة أعلاه بطرق مختلفة.
عاد الاهتمام بشكل دوري بالسيارات الكهربائية ، عادة خلال زيادة أسعار المنتجات البترولية ، لكنه سرعان ما تلاشى: ظلت السيارات ذات محركات الاحتراق الداخلي بعيدة عن المنافسة. نتيجة لذلك ، أصبحت معدات الدفع الكهربائي منتشرة على نطاق واسع في قطاع النقل مع إمداد خارجي بالطاقة الكهربائية: القطارات الكهربائية ، والترام ، وحافلات الترولي ، وفي مكانة معدات المستودعات.
يمكن تمييز المعدات الخاصة كقطعة منفصلة ، على سبيل المثال ، شاحنات تفريغ التعدين بسعة حمل تزيد عن 100 طن ، والتي تستخدم ناقل حركة كهروميكانيكي.
شاحنة قلابة للتعدين BELAZ-75710 بسعة حمل تصل إلى 450 طنًا. تشتمل محطة الطاقة على مولدين كهربائيين ، كل منهما متصل بمحرك ديزل على شكل حرف V بستة عشر أسطوانة MTU ديترويت ديزل 16V4000 بقوة 1715 كيلووات (2330 حصان) ، ويتم توفير التيار المتولد لأربع عجلات بمحرك قوة 1200 كيلو واط لكل منهما
في بداية القرن الحادي والعشرين ، عاد الاهتمام بالسيارات الكهربائية إلى مستوى جديد. لم يكن العامل الحاسم هو ارتفاع أسعار المنتجات النفطية ، ولكن مطالبة الناشطين البيئيين بالحد من الانبعاثات الضارة. أصبحت شركة Tesla الأمريكية ، التي يحبها (مكروها) من قبل الكثيرين ، Elon Musk ، الشركة المصنعة التي أثقلت "الموجة البيئية" قدر الإمكان.
ولكن بغض النظر عن الطريقة التي يتعامل بها المرء مع Elon Musk ، لا يمكن إنكار أن Tesla قامت بعمل رائع: تم إنشاء جزء منفصل من سوق السيارات ، وأصبحت السيارات الكهربائية اتجاهًا بدأ فيه عمالقة السيارات يستثمرون بنشاط. إذا تم تنفيذ التطورات بنشاط في بعض الاتجاه ، فسيتم تحقيق النتيجة عاجلاً أم آجلاً. ستكون هناك بطاريات جديدة ذات سعة أكبر ، وسرعة شحن عالية ، ونطاق درجة حرارة ممتد للتطبيق ، ومحركات كهربائية أكثر كفاءة ومضغوطة ، مع علب تروس مدمجة يمكن وضعها في عجلات بمحرك مع انخفاض الوزن غير المعلق وغيرها من التطورات.
ليس هناك شك في أنه في المستقبل المنظور ، ستحل السيارات الكهربائية تقريبًا محل سيارات ICE ، وليس لأسباب بيئية ، ولكن بسبب التفوق التقني العام للسيارات الكهربائية.
المعدات العسكرية
في عام 1917 ، أنتجت الشركة الفرنسية FAMH 400 الدبابات "Saint Chamond" مع ناقل الحركة الكهربائي "Crochat Collendeau" ، حيث تم توصيل محرك البنزين Panhard مباشرة بمولد كهربائي ، والذي يوفر التيار إلى محركين كهربائيين ، كل منهما متصل بعجلة دفع ومحرك كاتربيلر. أيضًا في عام 1917 ، تم اختبار خزان به ناقل حركة كهربائي من شركتي Daimler و Westinghouse البريطانية في المملكة المتحدة.
تشمل الأمثلة اللاحقة المدفعية الألمانية الثقيلة ذاتية الدفع (ACS) "فرديناند" ("الفيل") التي تزن 65 طنًا. تضمنت محطة توليد الكهرباء في فرديناند محركين من نوع Maybach HL 12 TRM مبرد بالمياه على شكل حرف V وبسعة 120 حصان لكل منهما. s. ، مولدين كهربائيين من نوع Siemens-Schuckert من النوع aGV بجهد 265 فولت ومحركين من نوع Siemens-Schuckert D365aAC بقوة 149 كيلو وات لكل منهما ، ويقعان في الجزء الخلفي من الهيكل ، والتي تعمل على تشغيل كل من عجلاتها من خلال التخفيض العتاد مصنوع وفقًا لمخطط كوكبي.
مع الحداثة النسبية لفرديناند ، لا توجد شكاوى كثيرة حول عملها. على هذا النحو ، يمكن للمرء أن يلاحظ التعقيد والتكلفة الأكبر مقارنة بمحطات الطاقة للتصميم الكلاسيكي ، وكذلك الحاجة إلى استخدام كمية كبيرة من النحاس ، وهو أمر نادر في ألمانيا.
بالإضافة إلى المدافع ذاتية الدفع "فرديناند" ، تم النظر أيضًا في استخدام الدفع الكهربائي في الدبابة الألمانية فائقة الثقل التي يبلغ وزنها 188 طنًا "ماوس" ("الفأر").
في نفس الفترة تقريبًا ، تم تطوير خزان تجريبي ثقيل EKV مع محطة طاقة كهروميكانيكية في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية على أساس خزان KV-1. تم تطوير التصميم الفني لخزان EKV في سبتمبر 1941 ، وفي عام 1944 تم اختبار نموذج أولي لخزان EKV. كان من المفترض أن استخدام ناقل الحركة الكهروميكانيكي على الخزان من شأنه أن يقلل من استهلاك الوقود ، ويحسن القدرة على المناورة والخصائص الديناميكية للخزان.
تضمن تكوين ناقل الحركة الكهروميكانيكي لخزان EKV مولد بدء تشغيل DK-502B متصل بمحرك ديزل V-2K ، ومحركين للجر DK-301V ، مع مجموعتين نهائيتين ومعدات تحكم.
صورة لخزان EKV
وفقًا لنتائج الاختبار ، تم التعرف على تصميم خزان EKV على أنه غير مرض ، وتم تقليص العمل في المشروع.
تم تنفيذ مشاريع الدبابات "الكهربائية" في بريطانيا والولايات المتحدة الأمريكية والاتحاد السوفيتي وألمانيا وفرنسا ، وكذلك في دول أخرى طوال القرن العشرين. ومع ذلك ، في الوقت الحالي ، تلقت الدبابات والعربات المدرعة ذات التصميم التقليدي أقصى قدر من التطوير.
الفوائد والآفاق
لماذا هناك عودة مستمرة لمسألة توفير الدفع الكهربائي للمركبات القتالية البرية رغم كثرة المشاريع التجريبية المغلقة؟
من ناحية ، هناك تطور في التقنيات ، يتيح لنا استخدامها في أنظمة الدفع الكهربائية الاعتماد على الحصول على نتائج إيجابية لم يكن من الممكن تحقيقها في السابق. المغناطيس الدائم والمحركات الحثية والمولدات الكهربائية عالية الكفاءة وأنظمة توزيع الطاقة والبطاريات سريعة الشحن والمزيد قيد التطوير.
محرك كهربائي عالي الأداء من شركة HELV Motors الأمريكية (Buddha Energy Inc.)
في الآونة الأخيرة ، نتحدث ليس فقط عن المركبات الأرضية ذات الدفع الكهربائي ، ولكن أيضًا عن إنشاء طائرات كهربائية بالكامل تصل إلى طرازات الركاب الكبيرة إلى حد ما.
محرك كهربائي سيمنز يزن ما يزيد قليلاً عن 50 كجم ، بقوة 260 كيلوواط ، مصمم للضوء طيران
من ناحية أخرى ، يزداد الطلب على المزايا التي يمكن أن يوفرها الدفع الكهربائي لمعدات القتال الأرضي:
- إمكانية تصميم مرن للمركبة القتالية بسبب عدم وجود وحدات في ناقل الحركة الكهربائي ذات اتصال ميكانيكي صلب توفره الأعمدة ؛
- زيادة قابلية بقاء المعدات العسكرية بسبب احتمال وجود مكونات زائدة عن الحاجة لنقل الكهرباء ؛
- إمكانية التخلي عن المحركات الهيدروليكية الخطرة لصالح المحركات الكهربائية ؛
- إمكانية تحريك المعدات العسكرية على أجزاء محدودة من المسار في وضع التمويه الأقصى ، مع الحد الأدنى من الكشف عن الإشارات الصوتية والحرارية ؛
- إمكانية استعادة الطاقة أثناء الكبح ؛
- أفضل الخصائص الديناميكية ومعلمات المباح للمركبات المدرعة المزودة بنقل كهربائي ؛
- سهولة أكبر في التحكم في المركبات المدرعة ذات الدفع الكهربائي ؛
- القدرة على توفير كمية كافية من الكهرباء لكمية متزايدة من المعدات وأجهزة الاستشعار والأسلحة المتطورة.
دعنا نلقي نظرة فاحصة على هذه الفوائد. سيكون المصدر الرئيسي للطاقة - الديزل أو التوربينات الغازية ، في السيارات ذات ناقل الحركة الكهربائي ، مصدرًا وكفاءة أطول نظرًا لحقيقة أنه يمكن تحديد سرعة المحرك المثلى في البداية ، حيث سيكون لها حد أدنى من التآكل وأقصى كفاءة في استهلاك الوقود. سيتم تعويض الأحمال المتزايدة أثناء التسارع والمناورة القوية بواسطة بطاريات عازلة.
على سبيل المثال ، يمكن تركيب توربين غازي عالي السرعة مع مولد يعمل في وضع "التشغيل / الإيقاف" لإعادة شحن البطاريات العازلة ، دون تغيير السرعة.
في النقل الكهربائي ، ليست هناك حاجة لتركيب أعمدة كبيرة وصناديق التروس. يتوفر التوصيل الميكانيكي في ناقل الحركة الكهربائي فقط في أزواج من مولد كهربائي ومحرك كهربائي ، ولكن يمكن تصنيع هذه الكتل كوحدة واحدة. يتم توصيل الوحدات الأخرى بواسطة كبلات مرنة.
على عكس التوصيلات الميكانيكية ، يمكن أن تكون التوصيلات الكهربائية زائدة عن الحاجة عدة مرات. على سبيل المثال ، في مرحلة تخطيط الهيكل ، يمكن وضع قنوات كبلية محمية ، والتي ستضم ناقلًا عالميًا للطاقة والبيانات ، بما في ذلك كبلات الطاقة والبيانات.
يمكن وضع قنوات الكابلات في أغلفة مدرعة على طول محيط الجزء الداخلي من العلبة ، مما يوفر تكرارًا متعددًا لإمدادات الطاقة ونقل البيانات
سيسمح الفصل المكاني لمصادر الطاقة والإمداد وقنوات الاتصال ، وكذلك المحركات والمراوح ذات الاحتمالية المتزايدة للمركبة القتالية بالحفاظ على القدرة على الحركة والوعي بالظروف عند تلفها ، مما يضمن إمكانية سحب المركبة القتالية من منطقة الحريق والإخلاء من ساحة المعركة.
تتمتع المركبات المدرعة الأرضية المزودة بناقل حركة كهربائي بقدرة عالية على البقاء عند الاصطدام من زاوية واحدة أو أكثر
سيؤدي رفض المحركات الهيدروليكية لصالح المحركات الكهربائية أيضًا إلى زيادة قابلية بقاء المركبات القتالية الأرضية ، وذلك بسبب انخفاض مخاطر الحريق في الأخيرة وبسبب موثوقيتها الأكبر. تخطط القوات الجوية الروسية للتخلي عن محركات الأقراص الهيدروليكية في الجيل الخامس من مقاتلة Su-57 بحلول عام 2022.
سيسمح لك وجود البطاريات العازلة بالحفاظ على التنقل دون تشغيل المحرك الرئيسي ، وإن كان ذلك لفترة محدودة إلى حد ما. سيسمح ذلك للمركبات القتالية الواعدة بتنفيذ سيناريوهات تكتيكية جديدة لإجراء عمليات قتالية من كمين ، عندما تكون المركبة المدرعة في حالة استعداد قتالي كامل في وضع الاستعداد ، في حين أن توقيعها الحراري سيكون مشابهًا لدرجة الحرارة المحيطة.
يؤدي تسخين محطة الطاقة إلى الكشف عن المركبات المدرعة في النطاق الحراري بشكل كبير
ستوفر البطاريات أيضًا القدرة على التحرك في حالة تعطل محطة الطاقة الرئيسية ، والتي ستسمح للمركبات المدرعة بمغادرة ساحة المعركة بمفردها. في بعض الحالات ، لإخلاء مركبة قتالية مزودة بناقل كهربائي ، يكفي فقط توصيلها بمصدر طاقة خارجي. على سبيل المثال ، يمكن لمركبة إنقاذ مصفحة بهذه الطريقة إخلاء مركبتين مصفحتين أخريين مع تلف جزئي في ناقل الحركة الكهربائي ، وذلك ببساطة عن طريق نقل كابلات الطاقة إليهما.
كما هو الحال في السيارات الكهربائية المدنية ، يمكن للمركبات المدرعة المزودة بنقل كهربائي استعادة الطاقة أثناء الكبح.
ستتمتع المركبات القتالية الأرضية المزودة بنقل كهربائي بخصائص تنقل وتحكم أفضل بسبب نقل الطاقة بدون خطوات إلى وحدات الدفع ، فضلاً عن التوزيع المرن للطاقة بين المنفذ والمحركات الكهربائية اليمنى. على سبيل المثال ، أثناء الدوران ، سيتم تعويض انخفاض الطاقة على المحرك الكهربائي للجانب المتأخر عن طريق زيادة قوة المحرك الكهربائي للجانب الوارد.
ستكون إحدى أهم مزايا النقل الكهربائي هي القدرة على توفير الطاقة المعدات وأجهزة الاستشعار، على سبيل المثال ، محطات الرادار (RLS) للاستطلاع والتوجيه والدفاع الشامل لمجمع دفاعي نشط.
على المدى القصير ، ستصبح جزءًا لا يتجزأ من المركبات القتالية الأرضية سلاح الليزر، والتي يمكن أن تحيد إلى حد كبير التهديد من المركبات الجوية الصغيرة غير المأهولة (UAVs) ، والصواريخ الموجهة المضادة للدبابات والذخائر الصغيرة العنقودية برؤوس صاروخية حرارية وبصرية.
قد تكون الكهرباء مطلوبة أيضًا لأنظمة التمويه النشطة للمركبات المدرعة في نطاقات الطول الموجي الحراري والبصري.
النتائج
من المحتمل أن يصبح إنشاء مركبات قتالية أرضية ذات دفع كهربائي أمرًا لا مفر منه مع تحسن التكنولوجيا وزيادة متطلبات إمدادات الطاقة للمعدات والأسلحة الموجودة على متن الطائرة. يمكن أن يكون للسوق المدني للسيارات الكهربائية تأثير كبير على وتيرة إدخال المركبات القتالية الأرضية ذات الدفع الكهربائي.
ستتجاوز المركبات القتالية البرية الواعدة المزودة بناقل حركة كهربائي النماذج "الكلاسيكية" من حيث الديناميكية والقدرة على المناورة وسهولة التحكم والقدرة على البقاء والأمن ، فضلاً عن إمكانية وضع أسلحة وأجهزة استشعار متطورة ذات استهلاك طاقة مرتفع عليها.
معلومات