La consommation énergétique croissante des systèmes embarqués des véhicules donne aux nouvelles technologies une chance de saisir l'opportunité de changer radicalement la puissance et la mobilité des véhicules militaires à l'avenir
Étant donné que la prochaine génération de l'armée américaine est susceptible d'avoir une centrale électrique hybride, l'industrie a besoin d'un programme à grande échelle pour pouvoir introduire ses technologies énergétiques, qu'elle a déjà développées (avec les modifications inévitables), dans le gros des véhicules de combat. Une petite mouche dans ce tonneau de miel, cependant, est que selon les plans actuels, l'armée prévoit d'adopter de tels véhicules vers 2035. Les décisions majeures concernant sa configuration ne seront probablement pas prises avant 2025, à moins que les programmes correspondants ne soient accélérés dans la présidence Trump.
Les besoins énormes sont une excellente incitation au développement de nouvelles technologies, qui peuvent à leur tour apporter des solutions pour répondre à ces besoins. Par exemple, la demande croissante d'énergie électrique sur le champ de bataille se conjugue avec la nécessité de réduire la charge logistique associée à l'approvisionnement en carburant, ainsi que d'augmenter la capacité tout-terrain des forces de combat et des forces d'appui au combat. Tout cela est une preuve convaincante en faveur de l'adoption généralisée des unités de puissance auxiliaires, des commandes de moteur intelligentes et de la propulsion électrique hybride et, par conséquent, une forte augmentation de la puissance générée pour les consommateurs externes.
Surmonter l'inertie
Fort d'une vaste expérience dans la production de démonstrateurs de technologies de véhicules hybrides pour diverses structures militaires et dans la production de bus hybrides pour le secteur civil, BAE Systems est bien placé pour évaluer exactement où en est cette technologie aujourd'hui et quelles sont ses perspectives. Il en est de même pour DRS Technologies, qui a également participé à de nombreux projets de démonstration. Tom Weaver, directeur commercial chez DRS Network Computing and Test Solutions, a déclaré que le marché était encore émergent et que les avantages des véhicules électriques n'avaient pas encore surmonté l'inertie des véhicules traditionnels. Une telle inertie a un impact négatif sur le progrès des machines capables de générer la puissance nécessaire aux consommateurs externes, malgré les besoins qui ont augmenté « d'au moins 100 % » au cours de la dernière décennie.
« DRS travaille avec différents clients pour faire la démonstration de machines intégrant de nouvelles technologies dans divers tests de performance. Des démonstrations réussies et des critiques positives des utilisateurs n'ont pas conduit au déploiement de tels véhicules dans les troupes, de plus, les exigences pour eux n'ont même pas été développées. Mais la demande va néanmoins continuer de croître, notamment pour les opérations expéditionnaires et les véhicules spécialisés comme les systèmes d'armes à énergie dirigée. »
DRS propose désormais un système d'alimentation embarqué pour les véhicules tactiques moyens (MTV) et les équipements HMMWV sous la forme d'un générateur intégré de transmission développé en collaboration avec Allison. Ce système, installé sur un camion MTV, par exemple, génère une puissance allant jusqu'à 125 kW pour les systèmes embarqués ou externes. L'entreprise fabrique également d'autres systèmes de gestion de l'énergie pour divers véhicules. L'ingénieur en chef Andrew Rosenfield de BAE Systems, qui s'occupe également de tels systèmes, estime qu'il est peu probable que les véhicules purement électriques jouent un rôle majeur dans les combats au sol, principalement en raison de problèmes de recharge des batteries.
"Bien que la technologie du groupe motopropulseur pour le fonctionnement tout électrique soit bien établie, le problème de ravitaillement pourrait bien empêcher la mise en service de véhicules purement électriques", a-t-il poursuivi. "Après tout, le diesel est disponible partout dans le monde, alors qu'il est très difficile de trouver une station de recharge de batteries dans le désert, mais même si vous en trouvez une, attendre huit heures pour qu'elles soient complètement chargées n'est probablement pas faisable."
Weaver a convenu que les voitures hybrides devraient prévaloir, mentionnant également les limites de l'infrastructure de recharge de voitures électriques propres et l'omniprésence du diesel et du carburéacteur JP8. Cependant, Rosenfield a souligné que les véhicules purement électriques pourraient jouer un rôle important dans les bases militaires, car ils pourraient déplacer des marchandises, comme c'est le cas dans les usines modernes ou dans les aéroports (tracteurs d'aérodrome). "Les machines à pile à combustible seraient très probablement capables d'effectuer de telles tâches, car elles ont besoin d'un accès gratuit aux réserves d'hydrogène", a-t-il déclaré.
Weaver pense qu'il y a un chemin difficile devant les véhicules à pile à combustible. « Premièrement, il n'y a pas encore d'infrastructure de gaz hydrogène, et il y aura une certaine méfiance à l'égard du déploiement du nouveau carburant. Le chemin de tels véhicules commencera par des opérations expéditionnaires bien organisées. »
Les conceptions hybrides sont également plus sophistiquées que les conceptions purement électriques et présentent plusieurs caractéristiques qui les rendent plus attrayantes que les machines à moteur purement électriques et conventionnelles. « Premièrement, les plates-formes électriques hybrides utilisent le même carburant que les véhicules diesel traditionnels. Deuxièmement, le couple à bas régime est idéal pour une machine se déplaçant sur un terrain accidenté ou gravissant une pente très raide. »
Il a ajouté que la capacité de générer de grandes quantités d'électricité à bord devient de plus en plus importante à mesure que de nouvelles capacités telles que les systèmes de communication et d'armes qui utilisent des lasers puissants sont déployées. La capacité d'exporter cette énergie est également un énorme avantage, car ces machines peuvent alimenter des zones peuplées et des hôpitaux dont les propres systèmes d'alimentation ont été endommagés par des combats ou une catastrophe naturelle.
« Enfin, les coûts d'exploitation et d'entretien réduits associés à des économies de carburant substantielles et à une plus grande fiabilité font des véhicules électriques hybrides un choix intelligent et à long terme. »
Comme l'a noté Weaver, la demande d'énergie électrique à bord des véhicules de combat n'a jamais diminué, elle ne fera que croître d'année en année. "Les nouveaux systèmes fonctionnels nécessitent de plus en plus d'énergie de la plate-forme du transporteur, ainsi que des mises à niveau continues des systèmes de production et de distribution d'énergie des véhicules actuels."
« Une fois que vous avez ajouté des fonctionnalités telles que la locomotion silencieuse, le radar, les communications avancées, le brouillage des signaux et l'armure ou l'armement électromagnétique, la plate-forme prend du retard et devient ingérable sans passer à un schéma électrique hybride. Au cours de la prochaine décennie, pour tous les véhicules de combat, l'un des composants les plus importants sera la capacité de générer de grandes quantités d'électricité à bord. »
« Les véhicules électriques doivent faire leur travail aussi bien, voire mieux, que leurs homologues mécaniques traditionnels », a-t-il poursuivi. « Non seulement les systèmes motorisés sont nettement plus simples et comportent moins de pièces mobiles que les systèmes motorisés, mais ils ont souvent un niveau de redondance étonnamment bon, ce qui les rend plus fiables. Par exemple, la plupart des transmissions électriques transversales peuvent fonctionner normalement avec un seul moteur en panne."
Weaver a déclaré que les technologies clés développées dans les transports publics sont déjà en place et prêtes à entrer sur le marché. "L'utilisation généralisée de circuits hybrides et électriques, en particulier dans les bus et les tramways interurbains, a conduit au développement de contrôleurs de moteur, d'onduleurs et de convertisseurs proches de ce dont l'armée a besoin", a-t-il déclaré. « Tous les besoins de l'industrie sont des clients prêts à payer pour le processus de qualification, ainsi que suffisamment pour réduire les coûts. »
En attendant, les travaux se poursuivent sur la démonstration. General Motors (GM) à AUSA en octobre 2016 a présenté une version «prête à l'emploi» de son véhicule à pile à combustible Chevrolet Colorado ZH2, basé sur un châssis de camionnette intermédiaire allongé. Selon le calendrier, le Colorado ZH2, avec l'aide du Centre de recherche blindé TARDEC, doit subir une série d'essais militaires « dans des conditions d'exploitation extrêmes » courant 2017.
C'était un programme accéléré. GM et TARDEC ont travaillé ensemble pour créer une démo en moins d'un an après la signature du contrat. « La vitesse à laquelle les idées innovantes peuvent être démontrées et évaluées est très élevée, c'est pourquoi les liens avec l'industrie sont si importants pour l'armée », a déclaré Paul Rogers, directeur de TARDEC. "Les piles à combustible ont le potentiel d'améliorer considérablement les capacités des véhicules militaires grâce à un fonctionnement silencieux, à la production d'énergie pour les consommateurs externes et à un couple stable - tous ces avantages rendent cette technologie plus explorée."
« Le ZH2 permet à l'armée de démontrer et d'évaluer l'état de préparation de la technologie des piles à combustible pour des applications militaires, tout en répondant à la question de l'utilité des véhicules électriques à pile à combustible dans certaines conditions et dans certaines missions de combat », a déclaré Doug Hallo, porte-parole du TARDEC.
Les avantages attendus que TARDEC doit évaluer comprennent un fonctionnement quasi silencieux permettant une surveillance silencieuse, des signatures thermiques réduites, un couple de roue élevé à toutes les vitesses, une faible consommation de carburant sur toute la plage de fonctionnement et de l'eau potable en tant que sous-produit chimique des processus se produisant dans les piles à combustible.. Le Colorado ZH2 dispose d'une prise de force intégrée pour les consommateurs externes.
Le système de propulsion est basé sur des piles à combustible à membrane échangeuse de protons capables de générer jusqu'à 93 kW de courant continu, et une batterie qui fournit 35 kW supplémentaires pour le système de propulsion et est chargée pendant le freinage par récupération. C'est ce qu'explique le directeur du projet ZH2 de GM, Christopher Kolkit.
« Les réservoirs du véhicule contiennent environ 4,2 kg d'hydrogène comprimé à 10 000 psi, soit plus de 689 fois la pression atmosphérique. L'air atmosphérique est une source d'oxygène nécessaire au processus électrochimique, à la suite de laquelle l'électricité requise est générée; seule la vapeur d'eau est libérée », a-t-il noté.
Pour tous les systèmes d'entraînement électriques, la livraison de l'énergie de la source aux roues est plus facile qu'avec les véhicules traditionnels. « Le ZH2 n'a pas de transmission au sens habituel du terme. Un moteur de traction à courant alternatif avec une boîte de vitesses à un étage transfère le couple directement à la boîte de transfert et au système à quatre roues motrices », a expliqué Kolkit.
Infrastructures portables
A travers ce programme, le Centre TARDEC explore également ce qui pourrait être une solution au moins partielle au problème de disponibilité (infrastructure) de l'hydrogène. Sa solution ici est favorisée par le fait que cet élément chimique peut être produit de diverses manières à partir de différentes sources. Selon le représentant du Centre TARDEC, au stade initial des travaux sur le projet ZH2, l'idée est d'obtenir de l'hydrogène comprimé lors du reformage du kérosène aviation JP8 dans un reformeur portable, qui sera déplacé sur chaque site d'essai avec le machine, car cela augmentera le nombre de tâches résolues à ce stade des tâches.
"Nous cherchons actuellement à créer un reformeur qui puisse utiliser une variété de sources disponibles localement, telles que le gaz naturel, le carburéacteur JP8, le diesel DF2 ou le propane, pour produire de l'hydrogène", a-t-il déclaré. - Les réseaux électriques locaux, incluant éventuellement des sources d'énergie renouvelables, ainsi que les ressources en eau, peuvent également être utilisés pour la production d'hydrogène. Cela permettrait à l'armée de réduire la quantité de carburant qui est amenée sur un théâtre d'opérations spécifique et de s'appuyer sur ce qui est disponible sur ce théâtre. »
Qu'il s'agisse de batteries, de piles à combustible ou de centrales mixtes diesel-électrique comme moteur principal, la conversion du courant électrique en propulsion avant nécessite des entraînements électriques fiables et efficaces. La société britannique Magtec fabrique des systèmes d'entraînement électriques pour les marchés de l'aérospatiale, de la marine et de l'automobile, offrant, par exemple, plusieurs options pour convertir les camions commerciaux avec de nouveaux systèmes de propulsion.
Cependant, la société a également développé des groupes motopropulseurs complets pour plates-formes à chenilles et à roues afin de démontrer les technologies hybrides fabriquées par BAE Systems Hagglunds pour les agences de défense britannique et suédoise au début des années 2000.
Pour les plates-formes SEP (Splitterskyddad EnhetsPlattform), à la fois à roues 6x6 et à chenilles, la société a développé des moteurs de moyeu de roue (moteur-roues), comprenant un réducteur à deux étages et un système de freinage dans chacun, deux générateurs, un équipement de contrôle et une distribution d'énergie. Pour SEP, elle a également développé, installé et testé des logiciels pour contrôler des fonctions clés telles que la distribution de puissance, le contrôle de traction, les blocages de différentiel électroniques et la direction qui permet à la machine de tourner sur place. De plus, ce système est conforme à toutes les réglementations militaires CEM et environnementales.
Le directeur général de Magtec a déclaré qu'il voyait un bon potentiel de croissance pour les véhicules électriques avec une autonomie étendue pour les missions d'appui au combat. Dans le même temps, les nouvelles technologies contribuent à une amélioration significative de la mobilité, une diminution de la consommation de carburant, une plus grande redondance, et elles permettent de prendre des décisions d'aménagement originales. Il a également noté que la propulsion électrique simplifie la mise en œuvre du fonctionnement à distance et de l'autonomie.
Concernant le développement ultérieur des technologies nécessaires, il a noté que les systèmes d'entraînement sont prêts à entrer sur le marché avec une électronique de puissance améliorée (pour contrôler les entraînements de puissance) basée sur des circuits semi-conducteurs en carbure de silicium. Ils sont nécessaires pour contrôler la haute tension sur laquelle fonctionnent les systèmes électriques de nouvelle génération. Le directeur de Magtec a noté que les 24 volts auxquels fonctionnent la plupart des systèmes modernes sont désormais trop faibles pour les principaux consommateurs d'électricité (l'augmentation de la tension permet de transmettre plus de puissance à travers les câbles sans augmenter excessivement l'ampérage).
Une entreprise dans le domaine, GE Aviation, a remporté un contrat de 2,1 millions de dollars pour développer et démontrer l'électronique de puissance au carbure de silicium. Après un programme de développement de 18 mois, la société devrait démontrer les avantages de sa technologie FET à base de carbure de silicium et d'oxyde métallique combinée à des dispositifs au nitrure de gallium dans un convertisseur CC/CC bidirectionnel de 15 kW, 28/600 volts.
Selon l'entreprise, cet équipement pourra gérer deux fois plus de puissance, tout en occupant la moitié du volume par rapport à l'électronique de puissance au silicium actuelle, tandis que les convertisseurs pourront fonctionner en parallèle et être programmés conformément à la norme CAN.
La société développe une architecture de puissance de véhicule de nouvelle génération à partir de TARDEC, la qualifiant de technologie de rupture, et espère qu'une démonstration technologique sera prête d'ici la mi-2017.
Vitesse double
Une autre technologie révolutionnaire est le projet Ground X-Vehicle Technology (GXV-T) de la DARPA Defense Advanced Research Projects Agency (GXV-T), dans lequel les systèmes électriques joueront un rôle important. L'objectif du projet est de diviser par deux la taille, le poids et le nombre d'équipages de véhicules blindés prometteurs, de doubler leur vitesse, la capacité de franchir 95% du terrain, ainsi que de réduire les signes de visibilité.
En juillet 2016, la DARPA a accordé à Qinetiq un investissement de 2,7 millions de dollars pour affiner la technologie des systèmes d'entraînement électrique pour le projet GXV-T. La société décrit cette technologie comme des moteurs électriques compacts et extrêmement puissants à l'intérieur des roues qui remplacent diverses boîtes de vitesses, différentiels et arbres de transmission. Cette approche, a déclaré la société, réduit considérablement le poids global de la plate-forme et ouvre de nouvelles options de conception qui amélioreront la sécurité et les performances.
Qinetiq souligne qu'en plus de son utilisation dans de nouveaux concepts, tels que le GXV-T, cette technologie peut également améliorer les capacités des véhicules existants lors des rénovations. Par exemple, un véhicule d'infanterie à plusieurs roues équipé d'un moyeu ou de roues motrices "pourrait bénéficier de la puissance et de la mobilité accrues que procurent les économies de poids, ou vice versa, utiliser ces économies pour améliorer la protection, installer des équipements ou augmenter la capacité en passagers."
L'investissement a été suivi d'un contrat, annoncé en septembre 2015, en vertu duquel le concept sera traduit en un véritable design et testé, après quoi deux prototypes fonctionnels complets seront produits.
"Les actionneurs conventionnels sont assez lourds, ont une capacité limitée et sont constitués de composants qui peuvent se transformer en projectiles mortels s'ils sont explosés par une mine", a déclaré le responsable de la recherche chez Qinetiq, commentant le contrat. "Le déplacement des entraînements vers les roues supprime cette menace et brise la tendance des véhicules à devenir plus lourds et moins mobiles en raison du niveau de protection accru et de la puissance des armes."
Les machines existantes peuvent également bénéficier de l'électrification des sous-systèmes non propulsifs. Par exemple, la société allemande Jenoptik fournira 126 systèmes électriques de stabilisation de tourelles et d'armes pour le programme polonais de modernisation du char Leopard 2PL. Selon l'entreprise, les systèmes électriques remplaceront les systèmes hydrauliques sur le réservoir, réduisant ainsi la maintenance et la production de chaleur.
Les livraisons sont prévues en 2017-2020 dans le cadre d'un contrat de 23 millions de dollars signé avec le Polonais Bumar Labédy en octobre 2016. La même société Bumar Labedy a signé en février 2017 un accord de coopération sur la modernisation des chars avec la société allemande Rheinmetall.
L'une des activités de Jenoptik est le développement et la production de plates-formes d'armes / capteurs stabilisées compactes, de systèmes d'entraînement pour tours et armes, et de miroirs pour stabiliser la ligne de mire des véhicules blindés.
Par exemple, un système d'entraînement de canon et de tourelle pour les grands systèmes d'armes se compose de moteurs électriques à guidage horizontal et vertical, qui dirigent le canon en azimut et en élévation, respectivement, en fonction des signaux des unités de contrôle principale et de secours. Les deux entraînements comprennent des moteurs synchrones sans balais à positionnement absolu avec un jeu nul entre l'engrenage de sortie de chaque moteur et le secteur denté de l'ensemble d'armes.
Le système, capable de fonctionner avec une tension d'alimentation de 28 et 610 volts CC, peut projeter le canon dans chaque plan à une vitesse allant jusqu'à 60 °/s ou inférieure à 0,2 mrad/s.
L'unité de commande d'entraînement, en fonction des signaux d'entrée des capteurs, des commandes et d'un viseur actif, transforme l'alimentation en une paire de systèmes triphasés, un pour chacun des servomoteurs de guidage, de stabilisation et d'actionnement de la tourelle et de l'arme.
Le marché mondial de l'électrification des véhicules atteindra 300 milliards de dollars d'ici 2026, selon un rapport du cabinet d'études IDTechEx l'année dernière. Cette croissance, tirée par une augmentation du nombre de contrôleurs de moteurs électriques par véhicule (comme la direction, la suspension et d'autres pièces auparavant mécaniques, pneumatiques et hydrauliques remplaceront les systèmes électriques), fournira une base technologique pour le marché de masse, réduisant ainsi leur coût pour les véhicules militaires.
