ТАНК С ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ

ТРАНСМИССИЕЙ ИМЕЕТ ЛУЧШИЕ ТЯГОВЫЕ СВОЙСТВА И ДВИЖЕТСЯ С МЕНЬШИМ ШУМОМ

 

Р.М. Огоркевич

 

 

Электрическая силовая установка новейшей конструкции для военных машин разрабатывается в течение многих лет, но технические барьеры остаются.

 

Оживление интереса к использованию электрических трансмиссий в бронированных машинах в 1980 - е годы привело к ряду разработок. С тех пор о них мало было слышно. Однако интерес сохраняется, о чем свидетельствует первая международная конференция по полностью электрическим боевым машинам, которая проводилась в мае 1995 г . в Израиле.

 

Трансмиссия фирмы “Каман”

 

Самым значительным последним успехом является трансмиссия, разработанная фирмой “Каман электромагнетикс” (ранее фирма EML Research), работающей в сотрудничестве с отделением “Аллисон трансмишн” фирмы “Дженерал моторс” и фирмой “Теледайн виикл системз”. Эта электрическая трансмиссия была разработана для 50-т гусеничной машины как часть программы по модернизации систем бронированных машин (ASM) сухопутных войск США. Машина,в которой она была установлена, представляла собой модифицированный вариант общего шасси с  передним расположением двигателя, разработанного группой, возглавляемой фирмой “Теледайн”, в качестве базы для семейства тяжелых бронированных машин. Машина фирмы “Теледийн” конкурировала с общим шасси с кормовым расположением двигателя, разработанным AVTA (“Армед виикл текнолоджиз асоушиейтид”), консорциумом фирм “Дженерал дайнэмикс ленд системз” и “ФМК дефенс системз”. Ни одна из этих конструкций не была принята, как и предполагалось, но конструкция фирмы “Теледайн” позволила создать ходовой макет (ATR) , который предназначался для оценки возможности использования новых систем в тяжелых бронированных машинах.

В соответствии с первоначальным выбором двигателя фирмой “Теледайн” на испытательной установке ATR установлен газотурбинный двигатель        LV - 100 фирмы “Дженерал электрик”, разработанный по программе перспективной объединенной системы силовой установки (AIPS) сухопутных войск США. Двигатель LV- 100 был установлен поперек и рассчитан на мощность 1235 л .с. (921 кВт). Планетарные входные редукторы снижают частоту вращения вала двигателя с 24400 об./мин., до 4450 об./мин., соответствующих частоте вращения ротора генератора трансмиссии фирмы “Каман”, который преобразует механическую энергию в электрическую.

Генератор необычный, состоящий из постоянного магнита с аксиальным полем, ротора типа тонкого диска, благодаря чему его ширина всего 200 мм . Его выходная мощность шестифазного переменного тока преобразовывается фазоуправляемым выпрямителем в мощность постоянного тока 200-700В, которая затем опять преобразовывается в переменный ток инверторами, соединенными с двумя тяговыми электродвигателями.

Подобно генератору фирмы “Каман”, электродвигатели состоят из постоянного магнита с аксиальным полем, ротора типа диска, каждый состоит из трех одинаковых модулей. Этот тип конструкции электродвигателей обеспечивает возможность создания ряда тяговых электродвигателей разной мощности путем болтового соединения меняющегося количества модулей. В этой конструкции каждый трехмодульный электродвигатель разработан мощностью до 500 кВт, необходимой для прямолинейного движения. Пиковая мощность электродвигателей, непродолжительная по времени, значительно выше даже той, которая требуется при повороте на забегающей гусенице, с учетом электрической рекуперации мощности от отстающей гусеницы на забегающую. Механическая связь между электродвигателями отсутствует.

Рис. 1. Ходовой макет с электрической трансмиссией фирмы “Каман” на испытаниях на Абердинском испытательном полигоне

Электродвигатели при торможении работают в генераторном режиме, причем генерируемая мощность рассеивается в управляемой инвертором решетке сопротивлений. Однако ее можно накапливать в аккумуляторной или конденсаторной батарее, используя таким образом преимущество электрической трансмиссии по сравнению с механической, которая может только рассеивать тормозную мощность.

Существенное преимущество электрической трансмиссии было продемонстрировано при передаче электрической энергии не только к тяговым электродвигателям, но и к другим системам для питания привода башни, системы защиты от ОМП (ядерных, химических и биологических средств) и активной защиты. Для питания потребителей постоянным током отбор мощности осуществлялся после выпрями-

 

 

теля. В будущем электрическая энергия может использоваться для питания электротермических и электромагнитных пушек, а также электродинамической защиты.

Трансмиссия фирмы “Каман” требует дальнейшего совершенствования. Хотя ее генератор и электродвигатели компактны, элементы системы управления электрической трансмиссией все еще громоздкие, несмотря на то, что они созданы на основе последних достижений в области электронной техники (полупроводники, включая IGBTs - биполярнополевые транзисторы с изолированными затворами в инверторах).

Кроме того, потери энергии в трансмиссии все еще относительно велики, что требует охлаждения выпрямителя и инверторов, чтобы температура критических элементов (таких как IGBTs ) не превышала их рабочего предела. Фактически их система жидкостного охлаждения была разработана для работы при температуре 65⁰ С , а система жидкостного охлаждения генератора и электродвигателей поддерживала температуру ниже допустимой, при которой могли размагничиваться постоянные магниты.

Системы охлаждения и, особенно, большие и тяжелые теплообменники значительно снижают преимущества электрической трансмиссии. Однако дальнейшие разработки ( в частности, полупроводников из карбида кремния), как ожидают, позволят снять температурные ограничения существующих кремниевых приборов, обеспечив работу системы управления при 100⁰ С вместо 65⁰ С. Это приведет к тому, что электроприводы будут конкурентоспособными с гидромеханическими трансмиссиями с точки зрения полного объема. Одними из основных преимуществ электрического привода являются возможность эффективного управления мощностью и гибкость компоновки, то есть отсутствие жесткой связи между силовой установкой и бортовыми редукторами.

Управление мощностью демонстрировалось трансмиссией фирмы “Каман” с помощью блока управления электрической силовой установкой (EPCU), который является ее неотъемлемой частью. Блок EPCU обеспечивает регулирование крутящего момента в соответствии с командами водителя и выполняет диагностические задачи по определению неисправностей, а также обеспечивает управление в соответствии с условиями движения. В экстремальной ситуации замыкания электрических цепей на массу или потери связи с блоком EPCU, когда может возникнуть угроза безопасности личного состава, этот блок отключает всю систему.

 

Рис. 2. Комплект трансмиссии фирмы “Каман” и газотурбинного двигателя LV-100, показаны (слева) дискообразный генератор с приводом к газотурбинному двигателю, (справа) выпрямитель и инверторы - по одному на каждый из шести модулей двух тяговых электродвигателей, над которыми они установлены.

На правом рисунке: поперечный разрез трехмодульного электродвигателя фирмы “Каман” с постоянным магнитом и аксиальным полем (размеры даны в мм)

 

Установка для ходовых испытаний

 

Установка для проведения ходовых испытаний (ATR) и ее трансмиссия фирмы “Каман” управлялись, в целом, с помощью органов управления членов экипажа и дисплеев, путем передачи команд по проводам, образующих гибкую модульную подсистему с цифровой связью шины данных с элементами силовой установки. Установка ATR является первой тяжелой гусеничной машиной с системой управления по проводам, которая, кроме прочего, обеспечивает возможность переключения управления от водителя на рабочие места других членов экипажа. Практичность этого была продемонстрирована во время испытаний, когда в неподвижной башне имелись два альтернативных места управления движением установки в дополнение к обычному месту водителя в корпусе.

Кроме газотурбинного двигателя, электрической трансмиссии и цифровой системы управления, установка ATR объединяла другие новейшие элементы ходовой части, включая гидропневматическую подвеску в балансире Model 3870 фирмы “Теледайн”, которая сэкономила,по крайней мере,

0,5 м³ объема корпуса и 54 кг массы подвески по сравнению с торсионной подвеской танка М-1 США.

Создание установки ATR, на которое потребовалось 14 месяцев, было завершено в январе 1994г.; с июня 1994 г . она подвергалась в течение пяти месяцев эксплуатационным испытаниям на Абердинском испытательном полигоне сухопутных войск США. Эти испытания,как говорят, должны были показать, что 50 - т машина с электрической трансмиссией может достичь тактико-технических характеристик, приближающихся к современным требованиям, предъявляемым к боевому танку. Однако разработчики установки

ATR признают, что она также продемонстрировала необходимость снижения стоимости, массы и совершенствования системы охлаждения электрической трансмиссии, прежде чем она сможет конкурировать с бронированными машинами с гидромеханическими трансмиссиями. Они также признают необходимость повышения эффективности, хотя это должно быть получено из того, что обычно рассматривается как синергистическое сочетание электрической трансмиссии с газотурбинным двигателем.

После первоначальных эксплуатационных испытаний установки ATR с электрической трансмиссией работы были приостановлены. Но другая работа по электрическим трансмиссиям в Соединенных Штатах Америки продолжается, в частности, фирмой “Юнайтед

дефенс л.п.”. Эта фирма начала работы в направлении электрических трансмиссий для бронированных машин 30 лет назад, тогда она была известна как фирма FMC, и занималась ими дольше других организаций, в настоящее время работает над несколькими эксприментальными установками.

Установка ATR была создана после исследований на БТР М-113, реконструированном в конце 1980-х годов в испытательную установку с электроприводом. С тех пор фирма “Юнайтед дефенс” по контракту с морской пехотой США изготовила демонстрационный макет системы перспективной силовой установки (APS). Этот демонстрационный макет создан на базе плавающей гусеничной машины LVTP-7 массой около 30 т. Стандартный дизельный двигатель был заменен роторно-поршневым двигателем мощностью 750 л .с. (560 кВт), соединенным с генератором переменного тока фирмы         “ Бендикс” с воздушным охлаждением, а механические и гидромеханические элементы трансмиссии были заменены электродвигателями.

 

 

Рис. 3. Основные элементы установки ATR:

1 - органы управления и дисплеи водителя; 2 - система управления “ветроника”; 3 - увеличенный дистанционный охладитель и тормозная решетка для электропривода; 4 - устройство уменьшения ИК излучения; 5 - демпфирующее устройство корпуса; 6 - увеличенный дистанционный маслоохладитель ;  7- активный механизм натяжения гусеницы; 8 - контуры охладителя; 9 - гидропневматическая подвеска в балансире;

10 - стандартная гусеница и 28 - дюймовые опорные катки;

11 -  два блока управления мощностью 28/270 В; 12 - самоочищающийся воздухоочиститель; 13 - осевая линия газотурбинного двигателя LV - 100 ; 14 - редуктор с большим межосевым расстоянием; 15 - планетарные бортовые передачи;  16 - электроника блока питания; 17 - электропривод (легко приспосабливаемый к гидродинамическому); 18 - гидравлические насосы; 19 - рекуператор газотурбинного двигателя;

20 -система питания топливом (3 отсека и распределитель)

   

Эти электродвигатели включают тяговый электродвигатель фирмы “Эйбл корпорейшн”, соединенный посредством бортовых редукторов с гусеницами, два электродвигателя фирмы “Юнайтед дефенс” для приведения в действие водометных движителей, когда машина на плаву, и два электродвигателя “Эйбл” мощностью 70 л .с. (52 кВт), приводящих в действие вентиляторы. Количество электродвигателей, включенных в установку APS, показывает преимущество электропривода, способного подавать мощность к ряду различных потребителей или для различных функций от одного источника питания, соединенного лишь гибкими кабелями.

В противоположность электродвигателям с постоянным магнитом трансмиссии фирмы “Каман”, фирма “Юнайтед дефенс” отдала предпочтение тяговым электродвигателям асинхронного типа. Рассматривались альтернативы, но фирма “Юнайтед дефенс” пришла к выводу, что асинхронные электродвигатели обладают лучшими характеристиками для трансмиссий бронированных машин. Они, возможно, имеют не лучшие объемно-массовые характеристики, имеют определенные недостатки, связанные с их охлаждением, но их простота и управляемость, а также их способность развивать высокие крутящие моменты позволяют считать их наиболее пригодными для создания электрических трансмиссий гусеничных машин.

Кроме установки APS, фирма “Юнайтед дефенс” проводит работы с гибридным приводом в модифицированном БТР М - 113 по контракту с управлением перспективного планирования. Основной особенностью этого привода является включение портативного батарейного источника питания, который создает альтернативу двигателю в качестве источника энергии. Способность аккумуляторной батареи приводить машину в движение ограничивается емкостью имеющихся батарей, однако гибридный привод обеспечивает возможность почти бесшумного, скрытного движения с выключенным двигателем - во всяком случае, на короткие расстояния.

Фирма “Юнайтед дефенс” сотрудничает также с центром по разработкам бронетанковой техники (TARDEC) сухопутных войск США. Этой фирмой разрабатывается 30 - т демонстрационный макет технологии электроприводов и недавно получен контракт от сухопутных войск США на разработку электрической трансмиссии для БМП М-2 “Брэдли”.

Новые исследования в области электроприводов осуществлялись также во Франции для французского министерства обороны. Они проводились фирмой СS-Defense совместно с фирмой “Панар” и концентрировались на электроприводе для 15 - т бронированной машины с колесной формулой 6х6.

Разработки электрических трансмиссий для бронированных машин осуществлялись также в Японии фирмами “Мицубиси”, “Комацу” и “Хитати”, японским управлением обороны, но до сих пор никакого решения о продолжении работ не принято.

 

R.M. Ogorkiewicz

Electric Tank Treads With More Torque, Less Noise.

Jane’s International Defense  Review, 1996, N 2, р. 49 51.