Электрический танк: перспективы применения электродвижения в наземной боевой технике
Гражданская техника
Первые электромобили появились раньше автомобилей с двигателями внутреннего сгорания (ДВС), в 1828 году. В начале XX века электромобили составляли свыше трети всего автопарка США. Однако затем постепенно стали сдавать свои позиции, уступая автомобилям по дальности хода, удобству заправки и другим параметрам.
На электромобиле, оборудованном двумя 50-киловаттными моторами и сотней двухвольтовых аккумуляторных ячеек, бельгийский автогонщик Камиль Женаци 29 апреля 1899 года впервые в истории достиг скорости 100 км/ч
Может быть реализовано несколько вариантов конструкции электромобилей. Классический электромобиль получает электроэнергию из аккумуляторных батарей, заряжаемых на зарядной станции. Электромобиль с внешним подводом электрической энергии получает электроэнергию от внешних проводников контактным способом или с помощью электромагнитных полей. Для подзарядки аккумуляторных батарей электромобиля может быть установлен ДВС с генератором или же электроэнергия может вырабатываться из жидкого или газообразного топлива напрямую, с помощью каталитических топливных ячеек. Все вышеперечисленные схемы могут комбинироваться в различных вариантах.
Периодически интерес к электромобилям возобновлялся, обычно во время повышения цен на нефтепродукты, но быстро угасал: автомобили с ДВС оставались вне конкуренции. В результате техника с электродвижением получила распространение в сегменте транспорта с внешним подводом электрический энергии: электропоездах, трамваях троллейбусах, в нише складской техники.
В отдельный сегмент можно выделить специальную технику, например, карьерные самосвалы грузоподъёмностью свыше 100 тонн, на которых применяется электромеханическая трансмиссия.
Карьерный самосвал БЕЛАЗ-75710 грузоподъёмностью 450 тонн. Силовая установка включает в себя два электрогенератора, каждый из которых подсоединён к V-образному шестнадцатицилиндровому дизельному двигателю MTU Detroit Diesel 16V4000 мощностью 1715 кВт (2330 л. с.), выработанный ток подаётся на четыре мотор-колеса мощностью по 1200 кВт
В начале XXI века интерес к электромобилям возобновился на новом уровне. Определяющим фактором стало не подорожание нефтепродуктов, а требование экологических активистов по уменьшению вредных выбросов. Производителем, максимально оседлавшим «экологическую волну», стала американская компания Tesla обожаемого (ненавидимого) многими Илона Маска.
Но кто и как бы ни относился к Илону Маску, нельзя отрицать того, что компанией Tesla проделана огромная работа: создан фактически отдельный сегмент авторынка, электромобили стали направлением, в которое автогиганты стали активно вкладывать средства. Если в каком-то направлении активно ведутся разработки, то результат рано или поздно будет достигнут. Появятся новые аккумуляторы с увеличенной ёмкостью, высокой скоростью зарядки и расширенным температурным диапазоном применения, более эффективные и компактные электродвигатели, с интегрированными коробками передач, которые могут быть размещены в мотор колёсах с малой неподрессоренной массой и другие разработки.
Можно не сомневаться, что в обозримой перспективе электромобили практически вытеснят автомобили с ДВС, причём не по экологическим причинам, а по причине общего технического превосходства электромобилей.
Электромобиль Tesla-X
Военная техника
В 1917 году французская компания FAMH выпустила 400 танков «Saint Chamond» с электротрансмиссией «Crochat Collendeau», в которой бензиновый двигатель «Панар» соединялся непосредственно с электрогенератором, который питал током два электромотора, каждый из которых соединялся с ведущим колесом и гусеничным движителем. Также в 1917 году в Великобритании прошел испытания танк с электрическими трансмиссиями компаний «Даймлер» и «Бритиш вестингхауз».
К более поздним примерам можно отнести немецкую тяжёлую самоходную артиллерийскую установку (САУ) «Фердинанд» («Элефант») массой 65 тонн. Силовая установка «Фердинанда» включала два V-образных 12-цилиндровых карбюраторных двигателя водяного охлаждения «Майбах» HL 120 TRM мощностью по 265 л. с., два электрогенератора Siemens-Schuckert Typ aGV напряжением 365 вольт и два тяговых электродвигателя Siemens-Schuckert D149aAC мощностью по 230 кВт, расположенных в корме корпуса, которые приводили в действие каждый своё колесо через понижающий редуктор, выполненный по планетарной схеме.
САУ «Фердинанд»
При относительной новизне «Фердинанда» существует не так уж много нареканий на её работу. В качестве таковых можно отметить большую сложность и стоимость по сравнению с силовыми установками классической конструкции, а также необходимость использования значительного количества дефицитной у Германии меди.
Помимо САУ «Фердинанд», применение электродвижения рассматривалось и в немецком сверхтяжёлом танке 188-тонном танке «Maus» («Мышонок»).
Примерно в тот же период в СССР на базе танка КВ-1 был разработан экспериментальный тяжелый танк ЭКВ с электромеханической силовой установкой. Технический проект танка ЭКВ был разработан в сентябре 1941 года, а в 1944 году опытный образец танка ЭКВ вышел на испытания. Предполагалось, что применение электромеханической трансмиссии на танке позволит уменьшить расход топлива, улучшить маневренность и динамические характеристики танка.
В состав электромеханической трансмиссии танка ЭКВ входил стартер-генератор ДК-502Б, соединенный с дизелем В-2К, и два тяговых электродвигателя ДК-301В, с двумя бортовыми редукторами и аппаратурой управления.
Изображение танка ЭКВ
По результатам испытаний конструкцию танка ЭКВ признали неудовлетворительной, работы по проекту были свёрнуты.
Проекты «электрических» танков велись в Британии, США, СССР, Германии и Франции, а также в других странах на всём протяжении XX века. Тем не менее на текущий момент максимальное развитие получили танки и бронемашины традиционной компоновки.
Преимущества и перспективы
Почему же постоянно происходит возврат к вопросу обеспечения электродвижения наземных боевых машин, несмотря на большое число закрытых экспериментальных проектов?
С одной стороны, идёт развитие технологий, применение которых в системах электродвижения позволяет рассчитывать на получение положительных результатов, недостижимых ранее. Разрабатываются электродвигатели на постоянных магнитах и асинхронные электродвигатели, генераторы электрического тока с высоким КПД, системы распределения энергии, аккумуляторы, обеспечивающие возможность быстрой зарядки и многое другое.
Высокопроизводительный электродвигатель американской компании HELV Motors (Buddha Energy Inc.)
В последнее время речь идёт уже не только о наземной технике с электродвижением, но и о создании полностью электрических самолётов вплоть до достаточно крупных пассажирских моделей.
Электродвигатель Siemens массой немногим более 50 кг, мощностью 260 кВт, предназначенный для лёгкой авиации
С другой стороны, всё более востребованными являются преимущества, которые может предоставить электродвижение наземной боевой технике:
— возможность гибкой компоновки боевой машины из-за отсутствия в электротрансмиссии агрегатов с жёсткой механической связью, обеспечиваемой валами;
— повышенная живучесть боевой техники из-за возможности резервирования компонент электротрансмиссии;
— возможность отказа от пожароопасных гидравлических приводов в пользу электрических;
— возможность движения боевой техники на ограниченных отрезках пути в режиме максимальной маскировки, с минимальной демаскировкой по звуковым и тепловым признакам;
— возможность рекуперации электроэнергии при торможении;
— лучшие динамические характеристики и параметры проходимости бронетехники, оснащённой электротрансмиссией;
— большую простоту управления бронетехникой с электродвижением;
— возможность обеспечения достаточным количеством электроэнергии всё возрастающего количества оборудования, сенсоров, перспективных образцов вооружений.
Рассмотрим эти преимущества поподробнее. Основной источник энергии — дизель или газовая турбина, в машинах с электротрансмиссией будут иметь больший ресурс и экономичность за счёт того, что изначально могут быть выбраны оптимальные обороты двигателя, при которых он будет иметь минимальный износ и максимальную топливную эффективность. Повышенные нагрузки при разгоне и энергичном маневрировании будут компенсироваться буферными аккумуляторными батареями.
К примеру, в комплексе с генератором может быть установлена высокооборотная газовая турбина, которая будет работать в режиме «включена/выключена» для подзарядки буферных аккумуляторных батарей, без изменения частоты вращения.
В электротрансмиссии отсутствует необходимость установки громоздких валов и редукторов. Механическая связь в электротрансмиссии имеется только в парах двигатель-электрогенератор и электродвигатель-колесо, но эти блоки могут быть выполнены в виде единого агрегата. Соединение остальных агрегатов осуществляется гибкими кабелями.
Варианты компоновки электротрансмиссии
В отличие от механических связей, электрические соединения могут быть многократно резервированы. К примеру, на этапе компоновки корпуса могут быть заложены защищённые кабель-каналы, в которых будет размещаться универсальная шина питания и передачи данных, включающая силовые и информационные кабели.
Кабель-каналы могут быть размещены в бронированных кожухах по периметру внутренней части корпуса, что обеспечит многократное резервирование электропитания и передачи данных
Пространственное разнесение источников энергии, каналов снабжения и коммуникации, а также двигателей и движителей с повышенной вероятностью позволит боевой машине сохранить подвижность и ситуационную осведомлённость при получении повреждений, что обеспечит возможность вывода боевой машины из зоны обстрела и эвакуации с поля боя.
Наземная бронетехника с электротрансмиссией будет обладать высокой живучестью при поражении с одного или нескольких ракурсов
Отказ от гидравлических приводов в пользу электрических также будет способствовать повышению живучести наземных боевых машин как из-за меньшей пожароопасности последних, так и из-за их большей надёжности. Военно-воздушные силы России планируют отказаться от гидравлических приводов на истребителе пятого поколения Су-57 к 2022 году.
Наличие буферных аккумуляторных батарей позволит сохранять подвижность без включения основного двигателя, пусть и на достаточно ограниченном отрезке. Это позволит перспективным боевым машинам реализовать новые тактические сценарии ведения боевых действий из засады, когда в режиме ожидания бронемашина находится в полной боеготовности, при этом её тепловая сигнатура будет сравнима с температурой окружающей среды.
Нагрев силовой установки сильно демаскирует бронетехнику в тепловом диапазоне
Аккумуляторные батареи также обеспечат возможность движения при отказе основной силовой установки, что позволит бронемашинам самостоятельно покидать поле боя. В ряде случаев для эвакуации боевой машины с электротрансмиссией достаточно будет просто подключить её к внешнему источнику энергии. К примеру, бронированная ремонтно-эвакуационная машина таким способом может одновременно эвакуировать две других бронемашины с частично повреждённой электротрансмиссией, просто перебросив им кабели питания.
Как и в гражданских электромобилях, в бронемашинах с электротрансмиссией может осуществляться рекуперация энергии при торможении.
Наземные боевые машины с электротрансмиссией будут обладать лучшими характеристиками подвижности и управляемости за счёт бесступенчатой передачи мощности на движители, а также гибкого распределения мощности между электродвигателями левого и правого борта. К примеру, во время разворота снижение мощности на электродвигателе отстающего борта будет компенсироваться увеличением мощности электродвигателя забегающего борта.
Одним из важнейших преимуществ электротрансмиссии будет возможность обеспечения электропитанием оборудования и сенсоров, например, радиолокационных станций (РЛС) разведки, наведения и круговой обороны комплекса активной защиты.
РЛС с активной фазированной антенной решёткой (АФАР) на башне танка Т-14 платформы «Армата»
В ближайшей перспективе неотъемлемой частью наземных боевых машин станет лазерное оружие, которое сможет во многом нивелировать угрозу со стороны малых беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), противотанковых управляемых ракет и кассетных поражающих элементов с тепловыми и оптическими головками самонаведения.
Боевой лазерный комплекс Stryker MEHEL, предназначенный для уничтожения малых БПЛА
Электроэнергия может потребоваться и для систем активной маскировки бронетехники в тепловом и оптическом диапазонах длин волн.
Перспективная бронетехника может быть оснащена средствами активной маскировки в тепловом и оптическом диапазонах длин волн
Выводы
Создание наземных боевых машин с электродвижением, скорее всего, станет неизбежным по мере совершенствования технологий и повышения требований к энергоснабжению бортового оборудования и вооружений. Существенное влияние на темпы внедрения наземных боевых машин с электродвижением может оказать гражданский рынок электромобилей.
Перспективные наземные боевые машины с электротрансмиссией будут превосходить «классические» образцы по динамичности, проходимости, удобству управления, живучести и защищённости, а также по возможности размещения на них перспективных вооружений и сенсоров с высоким энергопотреблением.
Информация