понедельник, 16 мая 2016 г.

Гибридная силовая установка для унифицированного базового шасси нового поколения


КОНЦЕПЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАЦИОНАЛЬНОГО ВЫБОРА И ОБОСНОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ГИБРИДНОЙ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ УНИФИЦИРОВАННОГО БАЗОВОГО ШАССИ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ
М.Н. Гусев, В.А. Зайцев, Д.В. Куртц

(ОАО «ВНИИТрансмаш»)
Ходовой макет бронемашины с гибридной СУ на базе шасси БТР-90 (НИР "Крымск")

   Основным объектом бронетанкового вооружения и техники (БТВТ) Сухопутных войск
Вооруженных сил является основной боевой танк (ОБТ), в качестве носителя вооружения
и защиты которого выступает шасси в составе бронированного корпуса с моторно-трансмиссионной установкой, системой подрессоривания и гусеничным движителем. Комплекс танкового вооружения располагается в башне или на специальной поворотной платформе, которая вместе с автоматом заряжания размещается на шасси. Средства защиты обеспечивают живучесть ОБТ, включая его шасси, комплекс вооружения и аппаратные средства разведки, обнаружения, управления и противодействия противотанковым средствам (ПТС) противника. Наряду с обеспечением подвижности как основного боевого свойства ОБТ (включая быстроходность, маневренность и управляемость), шасси выполняет системообразующую функцию размещения в бронированном корпусе агрегатов и узлов основного и вспомогательного оборудования с их системами контроля и управления, боеприпасов, запаса топлива и другого энергетического обеспечения, а также экипажа и средств его жизнеобеспечения.

   Эффективность решения боевых задач находящимися на вооружении образцами БТВТ,
действующими в составе тактического звена существенно ограничивается двумя факторами:
– неполным соответствием ТТХ существующих образцов, разработанным, в основном, более 30-ти лет назад, ТТТ, предъявляемых к БТВТ в современных боевых и эксплуатационных условиях применения;
– наличием тактического разрыва в боевых порядках высокозащищенных ОБТ и слабобронированных боевых машин легкой категории по массе (типа БМП).
   Первая проблема может быть успешно решена путем применения перспективных
электроэнергетических систем с высокими удельными показателями емкости и мощности,
базирующихся на новых технологиях, основанных на нетрадиционных для танкостроения
физических принципах, таких как электротермохимическая пушка, электродинамическая
защита и др.
   Вторая проблема решается путем создания высокозащищенного унифицированного
базового шасси (УБШ) и применения его в качестве платформы для ОБТ, боевой машины
пехоты с передним расположением модуля трансмиссии и ведущих колес для обеспечения
выхода личного состава сзади, а также для других боевых машин, включая боевую машину
огневой поддержки, машины командного управления тактическими подразделениями, эвакуационные и обеспечивающие машины различного функционального назначения, действующих в боевых операциях совместно с ОБТ.
   Однако, в настоящее время  шасси серийных отечественных  ОБТ имеют моторно-трансмиссионные установки (МТУ) и системы подрессоривания, базирующиеся на традиционных для нашего танкостроения технических решениях более 40 – 50-летней давности. Максимальная удельная мощность у серийных и опытных танков на входе в трансмиссию находится в пределах 14 – 15 кВт/т, мощность стартер-генератора не превышает 18 кВт, емкость аккумуляторных батарей составляет около 280 ампер-часов. Такие ограниченные энергетические характеристики значительно снижают возможности танка по быстроходности, маневренности, экономичности и управляемости, существенно сдерживают, а в большинстве случаев практически исключают применение на нем высокоэнергоемких боевых систем вооружения и защиты, в которых используются новые критические технологии. Повышение энерговооруженности танка только за счет увеличения мощности двигателя внутреннего сгорания (ДВС) практически не возможно, а по технико-экономическим причинам и нецелесообразно, так как не обеспечивает требуемого энергетического потенциала образца.
  Аналогичные работы по повышению энерго-мощностных характеристик объектов
БТВТ и широкому применению новых технологий в решении проблемных вопросов по шасси, вооружению и защите за рубежом успешно ведутся уже более 10 лет. В нашей стране
исследования и разработки в этих направлениях практически не ведутся из-за отсутствия
необходимого финансирования. Реальный научно-технический задел по техническим решениям применительно к объектам БТВТ отсутствует. Поэтому для отечественных образцов БТВТ крайне необходима разработка электроэнергетической системы (ИЭЭС) повышенной мощности и энергоемких накопителей энергии (НЭ), на базе которых может быть создана гибридная силовая установка (ГСУ) с мотор-генераторным блоком (МГБ), разработан и применен модуль электромеханической трансмиссии (ЭМТ) для УБШ, а также созданы перспективные боевые системы вооружения и защиты, основанные на новых технологических принципах.
   Основным целевым назначением ИЭЭС является обеспечение и подержание требуемого энергетического потенциала и наиболее полное и экономичное его использование в
задаваемых режимах функционирования всех составных частей объекта.
ИЭЭС повышенной мощности совместно с энергоемкими накопителями энергии различного вида (щелочные или ионно-литиевые аккумуляторные батареи, силовые конденсаторы, малогабаритные сверхмощные и энергоемкие супермаховики и др.) обеспечивает:
– объединение всех генерирующих, накапливающих и рекуперирующих энергию торможения источников энергии на общую шину постоянного тока;
– преобразование энергии разного вида в единую электрическую форму с требуемыми параметрами частоты, напряжения и тока за счет применения обратимых выпрямителей
– инверторов и преобразователей;
– сохранение и рациональное распределение с минимальными потерями энергии между всеми бортовыми потребителями (боевыми системами вооружения и защиты, агрегатами
и системами шасси и др.) с учетом приоритета в обеспечении их энергией в соответствии с
назначаемыми режимами боевой работы и эксплуатации (например, форсированный марш-
бросок, высокий темп стрельбы с ходу, активная защита и оптико-радиоэлектронное противодействие наиболее опасным ПТС и др.).
– возможность применения на объектах высокоэффективных боевых систем вооружения и защиты на основе использования перспективных электрических технологий (с применением элктротермохимических, электромагнитных, электродинамических процессов);
– возможность применения в базовых узлах и элементах управляемой активной системы подрессоривания компактных высокоэнергоемких электромеханических приводов упругих подвесок;
– широкую электрификацию регулируемых следящих и силовых приводов стабилизации систем вооружения, защиты и вспомогательного оборудования моторно-силовой установки и узлов шасси.
    Структурная схема ГСУ, в состав которой входят МГБ и ЭМТ, представлена на рис. 1.
    При этом, МГБ, являясь основной генерирующей составной частью ИЭЭС, обеспечивает
преобразование посредством ДВС (любого применяемого типа) химической энергии топлива в механическую энергию, которая используется для привода электрогенератора обратимого типа (Г/Д) с частотным регулированием мощности для преобразования механической энергии в электрическую энергию переменного тока. Повышающий редуктор (при необходимости) выполняет функцию согласования частот вращения валов ДВС и электрогенератора в соответствии с их паспортными характеристиками. Обратимость электрогенератора, свойственная большинству современных электромашин, предполагает возможность его работы в режиме электродвигателя (Д/Г).
Наиболее рациональным схемотехническим решением является конструктивная
автономность блока МГБ от модуля ЭМТ, обеспечивающая:
– использование МГБ в качестве генератора электроэнергии для зарядки штатных НЭ
на стоянке и в движении, либо для внешнего потребителя энергии с учетом возможности
применения любого вида топлива по паспорту ДВС;
– наибольшую экономичность использования топлива за счет организации работы
ДВС преимущественно в зоне его скоростных режимов с минимальными удельными расходами топлива;
– гибкость компоновочных решений за счет выбора места установки МГБ в зависимости от типа и функционального назначения объекта, использующего УБШ с задним или передним расположением ведущих колес;
– автономный запуск ДВС от штатного НЭ или от внешнего источника электроэнергии с использованием генератора в режиме электродвигателя;
– рекуперацию энергии торможения ДВС;
– многорежимность работы Г/Д совместно с НЭ и ЭМТ: номинальный режим питания ЭМТ с отдачей избыточной энергии в НЭ; дополнительное снабжение ЭМТ энергией
совместно с НЭ при движении машины в условиях повышенного сопротивления при преодолении препятствий;
– предельный режим генерации энергии на частоте максимальной мощности Г/Д
с учетом возможностей ДВС в пиковых режимах потребления энергии боевыми системами
вооружения и защиты;
– полная унификация МГБ в целом для объектов данной категории по массе, независимо от их типа и функционального назначения;
– потенциальную возможность применения унифицированного блока МГБ для объектов тяжелой и средней категорий по массе (при этом выбор базовой модификации унифицированного образца МГБ целесообразно осуществлять для объекта средней категории, а восполнение недостающей мощности для объектов тяжелой категории обеспечивать за счет увеличения энергетического потенциала соответствующих составных частей ИЭЭС, форсирования электромашин по передаваемому крутящему моменту (при необходимости) с учетом сохранения работоспособности силового и электронного электрооборудования).
   Многофункциональная автоматическая ЭМТ с тяговыми электродвигателями обратимого типа с частотным регулированием мощности получает электроэнергию от генератора и/или от НЭ, которые обеспечивают высокие тягово-динамические характеристики в режимах прямолинейного движения и поворотов, высокую быстроходность, управляемость
и маневренность, повышенную среднюю скорость и экономичность в любых эксплуатационных и боевых условиях. Компоновочная схема модуля ЭМТ включает двухрядный планетарный центральный дифференциальный узел, на входе которого по обоим бортам через редукторы (при необходимости) устанавливаются высокооборотные тяговые электродвигатели одного типоразмера, а выходные валы соединяются с бортовыми коробками диапазонов, остановочными тормозами, бортовыми редукторами и ведущими колесами машины.
   Возможен вариант установки коробок диапазонов совместно с редуктором на входе центрального дифференциального узла.
    Предлагаемое схемотехническое решение ГСУ характеризуется относительной простотой и может быть реализовано в достаточно компактной конструкции. Для объекта массой 50 т и суммарной (ДВС+НЭ) удельной мощностью 20 кВт/т предварительные расчетные
оценки показателей подвижности дают следующие результаты:
– время разгона до скорости 50 км/ч не более 18 с;
– максимальная скорость до 70 км/ч;
– обеспечение «ползучих» скоростей до 5 км/ч;
– устойчивый поворот на всех радиусах и разворот на месте;
– средняя скорость движения на типовой трассе не менее 45 км/ч.
   Прогнозные расчетные оценки показывают, что с повышением суммарной удельной
мощности свыше 25 кВт/т эти показатели существенно улучшаются: время разгона снижается до 15 с и ниже, максимальная скорость может достигать 75 км/ч и выше, средняя скорость на местности возрастает свыше 55 км/ч, запас хода увеличивается до 600 км и т.д. Кроме того, может быть снижена заметность объекта и существенно усложнено его обнаружение противником за счет обеспечения движения с неработающим ДВС и применения НЭ, снижена вероятность попадания ПТС противника за счет применения объектом интенсивных противоснарядных маневров («бросок» в сторону, маневр типа «змейка» и др.). Также обеспечивается и подводное вождение.
   Первоочередными задачами в исследованиях и разработках по созданию УБШ, оснащенных ГСУ, является:
– проведение виртуального моделирования с расчетными технико-экономическими
оценками состояний и процессов функционирования ГСУ и объекта в целом с учетом энергетической взаимосвязи и взаимозависимости работы ГСУ с боевыми системами вооружения и защиты, с широким варьированием их параметрами и характеристиками;
– разработка, изготовление и исследования лабораторно-стендовых демонстраторов
основных составных частей МГБ, ЭМТ, ИЭЭС с НЭ с использованием имеющегося стендового оборудования в ОАО «ВНИИТрансмаш» и приобретением специализированного силового электротехнического и электронного оборудования с последующей их доработкой по результатам испытаний; обоснование технических требований к бортовым электромашинам и силовой электронике управления;
– создание ходового макета – демонстратора шасси на базе, например, экспериментального образца танка Т-90 с ГСУ, включающей автономный блок МГБ и модуль ЭМТ, а также комплект ионно-литиевых батарей НЭ, с целью проведения натурных исследований
и испытаний по определению тягово-динамических характеристик шасси, возможности движения с выключенным ДВС и оценке рациональности распределения энергии между
ДВС с пониженной установочной мощностью и НЭ.
Рассмотренные выше схемотехнические исследования и разработки являются необходимыми при проведении НИОКР в обеспечение создания и развития перспективных
образцов БТВТ нового поколения.

Источник: Сборник «Актуальные проблемы защиты и безопасности» Труды Тринадцатой Всероссийской научно-практической конференции. Том 3. «Бронетанковая техника и вооружение». РАРАН.,СПб.,2010, С.28-32

Gur Khan: давно не публиковал на страницах своего блога ничего серьезного. Исправляюсь. В ближайшее время планирую опубликовать целый ряд актуальных материалов как прикладного, так и дискуссионного характера, озвученных в виде докладов на различных конференциях.

6 комментариев:

  1. Ну и зачем нужна такая схема построения движителя, куча редукторов и других механизмов, очень усложнено все. Надо двигатель-генератор-мотор/колесо

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. И почему все думают, что мотор-колесом дешевле, чем схема с редуктором? Особенно когда нужен привод 8х8.

      Удалить
    2. Про стоимость и не думал, мне кажется преимущества в надежности и простоте. Я к тому что на тех же автомобилях tesla реализовали, схему эл. мотор-редуктор-колеса. Понятно что разные виды техники, но можно же реализовать, хотя инженерам виднее...

      Удалить
    3. Рекуперация эл.энергии возможно только в эл.мотор-редуктор-колеса.

      Удалить
  2. 1.схема использует преимущества центральной и бортовой схем трансмиссии гусеничной машины.
    2. обеспечивает поворот на самых тяжелых грунтах. несколько алгоритмов управления поворотом, рекуперацию и пр.
    3. полный диапазон по тяге при сохранении приемлемого КПД электромоторов и генератора.
    4. движение на одном моторе и пр..пр..

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Интересно про центральную и бортовую схемы трансмиссии для ГМ
      если не затруднит можно с примерами применения

      Удалить