1.推进系统组成
坦克装甲车辆的推进系统由动力、传动、操纵和行动四种装置组成。它们安装在装甲车体上,形成一个整体,通称底盘。动力装置产生功率,经过传动装置扩展转矩转速特性,使其满足车辆行驶要求,然后传到轮式车辆驱动轮或履带车辆履带或水陆车辆水上推进装置上,驱动车辆行驶。
车辆底盘具有独立行驶功能,是坦克装甲车辆的基础,是机动武器平台。为节省研制成本,缩短研制周期,通常在一种车辆基型底盘的基础上,发展各种型号的战斗车辆和辅助车辆,形成车族系列,使维修保养工作简化,降低寿命周期费用。
中国坦克装甲车辆工业在发展中采用基型底盘,形成了多个车族,生产了系列变型车辆和辅助车辆。
2.推进系统技术进展
1)动力技术
动力装置是坦克装甲车辆的动力源,它由发动机和辅助系统组成。在坦克发展初期,选用民用发动机。20世纪30年代,日、意、德、前苏联等国坦克开始采用柴油机。第二次世界大战中动力技术进步,发动机功率不断增大,结构日趋完善。现代坦克采用的往复活塞式柴油机,通过提高增压度和采用中冷技术,结构更加紧凑,油耗进一步降低。主战坦克发动机的功率达574~1 103 kW,20世纪70年代末美国发展了燃气轮机动力,研制成AGT-1500型坦克燃气轮机,装在M1主战坦克上,功率为1 103 kW。燃气轮机本身比柴油机更轻、更紧凑,具有良好的转矩特性和低温启动性能,但燃料消耗率大,耗气量大。
由于坦克装甲车辆在恶劣环境下使用,对动力装置辅助系统的功能、性能提出了特殊的要求。为保证发动机迅速可靠启动,通常备有电启动和空气启动两套装置。为保证冬季条件下启动,在冷却系、润滑系中有加温装置。为保证在沙漠和尘土条件下使用,对散热器和空气滤清器提出了很高的要求。同时,要求专门设计通风道和冷却风扇。
面向未来战斗系统,世界多国也开展了新型动力装置的研究。如BAE系统公司与通用动力公司地面系统分部、美国陆军、未来战斗系统主系统集成商——美国波音公司和科学应用国际公司联合研发用于未来战斗系统有人地面车辆(FCSMGV)的混合电传动系统。BAE系统公司的8种FCSMGV是美国陆军首批计划采用混合电传动技术的地面战车,其中非瞄准线火炮(NLOSC)是采用混合电传动技术的第一种车型。通过对用于FCSMGV的首套混合电传动系统的测试表明,该系统由发动机、发电机、发电机驱动控制器、牵引驱动系统、能量存储系统和冷却子系统组成,是满足网络环境下未来地面战车需求的一体化动力管理系统,允许根据任务不同改变牵引动力和冷却特性。该系统结构独特,传统发动机不再与动力转动结构相连,仅为能量存储系统充电和为车载系统供电。与现役常规战车动力转动系统相比,该系统具有如下优点。
(2)输出电功率减轻了牵引电机的后勤负担。
(3)增强了低速机动性。
(4)较小的车辆轮廓,便于隐身。
(5)低噪声信号和静默行驶能力。
(6)嵌入式诊断/预测能力,便于维修人员直接确定故障源和提前计划不定期维修。
(7)输出电力等于300个典型美国家庭的用电需求,是现役车辆输出电力的10倍。输出功率可满足未来高功率技术的应用。
该混合电传动技术测试在陆军动力与能量系统综合实验室(P&E SIL)进行,这标志着混合电传动系统的技术成熟程度达到新的里程碑。
另外,BAE系统公司还推出了可用于重型卡车的混合电推进(HybriDrive)系统,该系统包括串联式和并联式两种,均采用了简化和成熟的部件与控件。串联式系统没有变速箱,并联式系统基于发动机和变速箱之间集成的电力装置。并联式系统安装后几乎不影响车辆,通过优化内燃机和电动机的功率增强车辆的推进力。该系统的能量管理和控制能力确保了所有能量流(如推进力和回收能量)的高效工作方式,从而降低了油耗和排放。HybriDrive系统的额定功率和扭矩范围分别为70~107 kW和405~540 N·m,支持动力组件功率范围是257~441 kW,扭矩范围为1 013~2 902 N·m。
美国昆腾燃料系统技术公司(以下简称“昆腾公司”)和陆军坦克-机动车辆研发与工程中心联合开发了静默行驶增程车辆(clandestine extended range vehicle,CERV),该车采用先进的混合电传动技术,柴-电混合电传动系统由发动机、发电机和电池组组成,发动机为1.4 L四缸柴油机,发电机为UMQ技术公司的50 kW发电机,驱动电机功率为100 kW,电气系统工作电压为380 V。该车采用2块锂离子电池,每块重38 kg,电池容量为7 kWh,电池由发电机充电。发动机与发电机连接,发动机与车轮之间没有机械连接,发动机关闭之后,车辆可以静默行驶8~19 km。该车集成了昆腾公司的Q-Force全轮驱动柴电混合电传动技术和轻质底盘,扭矩超过6 775 N·m,最高时速为128.7 km/h,爬坡度60%,与相近级别的常规车辆相比,油耗可降低约25%。
而为向未来战斗系统混合电传动车辆提供锂离子电池组,法国SAFT公司开展了高电压锂离子电池组研究,用于作为未来战斗系统有人地面车辆的能量存储系统的一部分。电池组将驱动混电推进系统和车辆启动,该电池组有一个独特的副电池模块,使电池组在两个主电池模块失效情况下仍能继续工作。SAFT公司高功率锂离子电池组卓越的性能和耐极端温度的能力,使其能够满足未来战斗系统混合电传动车辆电池组高电压要求。SAFT公司电池组将支持BAE系统公司未来战斗系统项目的通用牵引驱动子系统(TDS),牵引驱动子系统是串联式混合驱动系统,为车辆推进、转向与制动提供动力,在车辆制动和下坡时产生再生电能,并用于车辆电子系统。TDS团队将加入有人地面车辆推进综合产品组,与BAE系统公司和通用动力公司为通用底盘联合开发与完整集成推进系统。
美国米伦沃克斯公司在2012年汽车工程师协会混合电传动车辆技术会议上推出了新型可快速配置的电池管理系统(BMS),该系统适于多种锂离子电池,可以满足用户在样机阶段对高压能量存储系统的需求。该系统采用先进算法处理电池电压、温度和电流等数据,可监控电池单元的关键性能参数,以不同的作战保障装备的负载匹配,极大地节省燃料,提高燃油转化效率,减少燃料储备;消除了积碳现象(燃料燃烧不充分,积聚在排气系统中导致发电机产生严重故障),使发电机的油耗降低20%;独特的机电部件设计,可延长发电机的工作时间,减小排放。由此可降低作战成本,以及燃料运输过程中的士兵伤亡;具备“即插即用”能力,显著缩短操作人员的训练时间。
美国洛克希德·马丁公司将设计和研发固体氧化物燃料电池发电机组,以替换传统的战场发电设备。洛克希德·马丁公司拟将燃料电池技术与太阳能板集成,为军方提供执行任务所需的电力,同时极大地减少燃料的使用量。固体氧化物燃料电池发电机组的研发项目为期32个月,研制工作完成后,洛克希德·马丁公司将演示和交付1套数千瓦级JP-8燃料电池,供美国海军陆战队评估使用。固体氧化物燃料电池发电机组项目旨在使战术发电所需的燃料总使用量减少50%或以上。
鉴于当前装甲车辆普遍采用的28 V发电系统已经无法满足车辆不断增加的电能需求,除标准车辆电子设备、动力传动系统、管理系统和通信组件之外,多数装甲战车和防护巡逻车将采用先进态势感知系统、传感器、人员和车辆冷却系统以及其他各种耗能系统,这都将增加28 V发电系统的负担。英国奎奈蒂克公司与英国国防部未来商业集团签订合同,研究如何用610 V电压技术发电并分配电能。该项目将由奎奈蒂克公司联合BAE系统公司和Provvector公司共同完成,将在采用28 V发电系统的“武士”2000装甲战车演示车上演示在610 V电压条件下安全发电和配电的能力,且仍可为现有设备供应28 V电流。该项目将利用奎奈蒂克公司丰富的车辆电推进系统研发经验和在高效永磁电机领域的专门经验,设计紧凑式主发电机和全新的辅机电站。每台发电机将有一个输出口,其发电能力是最初“武士”装甲车发电机发电能力的两倍,在电能管理和控制方面具备更大的适应性。高电压结构和系统也可直接用于多种车型,这将促进未来车辆发电和配电系统的开发。
美国考虑到,士兵在执行任务中需要使用许多车载用电设备,导致车载用电设备的数量不断增加,包括实时通信设备、计算机、传感器、GPS(全球定位系统)、侦察系统、暖风设备、制冷与通风设备和信号干扰仪等,为“艾布拉姆斯”坦克研制了辅机电站,辅机电站还可满足地面车辆的一些重要需求,如用作辅助动力源、提高发动机停止运转时的车辆性能以及在某些工况下提高车辆的燃油经济性。为此,美国陆军坦克-机动车辆研发与工程中心联合工业部门,评估陆军当前和未来电力生成所需的潜在技术,包括辅机电站技术,用于在主发动机停止工作或者静默观察时提供电力,以及在主发动机工作时提供所需的额外电力。目前,陆军坦克-机动车辆研发与工程中心已在“艾布拉姆斯”主战坦克上测试辅机电站,评估辅机电站在高温、高寒、盐碱地、沙尘以及振动环境中能否正常使用。
根据为陆军坦克-机动车辆研发与工程中心以及重型旅级战斗队项目经理开展的陆军器材系统分析可知,“艾布拉姆斯”主战坦克的车载用电设备采用辅机电站供电而非主发动机供电时,每辆坦克每日能节省约280 L的JP-8燃油,整个旅级战斗队(58辆坦克)每天可节省1 628 L的JP-8燃油。未来车辆电力需求预计会显著增加,如1辆高机动多用途轮式车的电力需求已从1985年2 kW增至2007年12 kW。当车辆执行静默观察等任务时,未来电力需求可能从27 kW增至50 kW。辅机电站能够采用地面战车使用的JP-8燃油,且能安装在多数车辆的有限空间中。陆军坦克-机动车辆研发与工程中心计划为“艾布拉姆斯”主战坦克、“布雷德利”战车和“斯特赖克”装甲车提供通用规范的辅机电站。采用基于内燃机的辅机电站的一个缺点是噪声过大。为解决这一问题,陆军正与密歇根州立大学的基威诺奇研究中心联合开发降噪技术,包括改变气流形态、重新设计辅机电站的消声器,以降低10 dB频谱噪声。工程师还在开发基于燃料电池的辅机电站,这将减小热和声信号特征,这些辅机电站将采用燃料重整装置,将JP-8燃油转换为燃料电池用氢气用于发电。
美国杜威电子公司将使用JP-8燃料、基于燃料电池的10 kW辅助动力单元集成到地面作战车辆。杜威电子公司将设计、开发和封装控制系统电子设备和动力电子设备。杜威电子公司还于2011年在美国海军陆战队空地作战中心,展示了封闭式车辆电源(EVPS)辅助动力单元。封闭式车辆电源辅助动力单元是海军陆战队创新项目实验前方作战基地(ExFOB)的一部分,该项目主要评估太阳能利用技术和战术车辆燃油效率技术。在车辆怠速期间,4.5 kW的封闭式车辆电源辅助动力单元极大地降低了车辆燃油消耗。封闭式车辆电源辅助动力单元是空冷式辅助动力单元,提供28 V直流电,满足Mil-Std-1332B要求,封闭式车辆电源辅助动力单元既可以为车辆设备供电,也可以在车辆发动机关闭时为车辆电池供电。在车辆怠速期间,采用封闭式车辆电源辅助动力单元,主发动机可以节省30%或更多的燃油。
德国MTU公司重视电传动技术的研究,研发了mbrid电传动系统,其结构紧凑、传输效率高,可用于新型和现役地面机动平台。mbrid电传动系统是并联式电传动系统,由发动机、启动发电机、传动装置、牵引电池、电控离合器、电变流器等组成,可工作在柴油机-机械模式、带电力推进的柴油机-机械模式、静默行驶模式、对外供电模式,其中工作在柴油机-机械模式时,平台仅由柴油机驱动。发电机为平台提供电力并为电池充电,制动时通过发电机回收制动能量;工作在带电力推进的柴油机-机械模式时,牵引电池释放推进电力,在低转矩区增加曲轴转矩;工作在静默行驶模式时,发电机通过电控离合器与柴油机分离,柴油机停止运转,发电机用作电动机,牵引电池提供电力,通过电动机驱动车辆静默行驶;工作在对外供电模式时,车辆停止前进,柴油机/发电机单元用作电源,对外供电。
mbrid电传动系统特点如下:带转子不带轴承的飞轮启动机/发电机的输入端与紧凑柴油机紧密结合,为此不需安装反向轴承,从而节省空间和重量;飞轮发电机与柴油机之间安装电控离合器,飞轮发电机是永磁机械,能够用作发电机或者电动机;飞轮发电机通过开关离合器与曲轴分离,为此飞轮启动机/发电机能够用作单独驱动源用于静默行驶或者与柴油机一起推进车辆行驶;当柴油机运行时,闭锁离合器,发电机为车辆提供必要动力,同时为电池充电或者作为外部供给电源;在制动模式时,释放的能量通过发电机回收。还可提高车辆静默行驶时的机动性和加速性能,接近静默行驶时柴油机低转速工作;更高峰值功率和推进动力,发电机用作电动机,可得到更高峰值功率;低风险,常规传动包括制动与转向系统;可应用更小尺寸的柴油机,由于动力传动系统采用附加动力源(电动机),可采用更紧凑的柴油机,提高行驶机动性、燃油经济性和低排放性;可用电能更高,从而可装载更多耗电系统;作为外部供给电源,带发电机控制器与电力变流器的飞轮启动机/发电机能够为外部设备提供100 kVA电流,甚至更高。
以色列坦克研发局于2017年开展了采用先进可充电锂离子电池的新型混合动力装置坦克的战场试验,研发人员称这将改变地面部队坦克装甲车辆的使用和维护方式。
该锂离子电池由艾普希勒电动燃料公司与以色列国防部联合研制。符合北约制式尺寸,具备“即插即用”能力,旨在取代传统的铅酸电池。以色列“梅卡瓦”主战坦克和世界绝大多数主战坦克、重型车辆现使用的都是铅酸电池。新型电池的能量密度是传统电池的3倍,带有电量盈余系统,可防止电池电量耗尽。新型电池寿命长达10年且免维护,无须高成本高风险补给。(www.xing528.com)
在夜间,尤其是在平民环境中与敌人进行非对战时,军队往往需要进行伪装。此时,需要在关闭车辆主发动机的情况下使用各种复杂、高能耗的监视、目标捕获和通信系统。艾普希勒公司研发的锂离子电池可连续高强度工作12 h而无须充电,能够用于“静默观察”任务,使车辆在深夜里关闭主发动机时也能捕获目标,同时避免暴露自身位置。典型的主战坦克或者轮式步兵战车都配备8~10块铅酸电池,输出电力最多为14 kWh,仅能维持车辆执行4~5 h的“静默观察”任务,但中东地区的夜晚通常会持续10~14 h。使用普通电池基本上只有两种选择:要么每隔几小时启动一次主发动机,这样有可能暴露自身位置;要么就是电池耗尽电能被动保持静默。
装甲车辆也承担着支援下车步兵的任务。在炎热的夏夜,乘员不仅要使用空调,还要给步兵部队充电。车辆自身复杂的系统以及为步兵提供支持的各项任务都必须依靠能够支撑整个夜间工作需求的电池来完成。
以色列坦克研发局将测试的新型电池设计有剩余电量容量,目的是确保在电池耗尽的情况下也有足够的电能重启主发动机。此外,系统还具备自动告警功能,能在电量即将用完的情况下通知车辆乘员。采用原有老技术的车辆在电池耗尽后会无法启动,需要另一辆车来帮忙。但采用锂离子电池技术不会使车辆无法启动。即使电池不工作也不会停机,始终都有使发动机重启几次的冗余电量,保证车辆不会在战场上抛锚。
以色列国防部专家认为,混合动力是未来以色列装甲车辆现代化计划的关键内容。车用锂离子电池的成本将在未来5年下降一半,当前成本为200美元/kWh,而5年前的平均成本约为500美元/kWh。与此同时,锂离子电池的能量密度从10年前的200 Wh/kg增长至当前的270 Wh/kg。专家认为,就锂离子电池的技术革命性而言,商用汽车领域所展现的只是冰山一角,军事领域率先受益,电力驱动可改变装甲车辆在战场上的使用及后勤保障方式。
2)传动与操纵技术
在第二次世界大战期间,坦克装甲车辆传动装置多数采用机械操纵的干式多片主离合器、定轴式机械变速器、转向离合器或二级行星转向机,其缺点是换挡时切断动力,功率中断,影响平均行驶速度。至20世纪60年代,坦克单位功率增加到16 kW/t左右,最大速度达65 km/h,机械传动换挡、转向操纵困难,转向功率损失大的缺陷显得突出。因此主战坦克传动采用行星式变速机构与差速式转向机构综合组成液压操纵的双功率流传动装置,可以实现动力换挡和多半径转向,其规定转向半径与排挡数相同。在美国的传动装置中,还串联了液力变矩器,使换挡过程平稳,并在低挡使用液力工况。20世纪70年代以来坦克单位功率增达20 kW/t以上,最大速度达72 km/h。西方国家新型主战坦克传动装置普遍采用液力机械综合传动,其结构特点是带闭锁离合器的液力变矩器串联装在行星变速传动中,同时采用液压或液压复合双功率流转向机构,实现了无级转向,用电液操纵装置实现自动或手动换挡。在传动总体结构上用模块化设计方法,并与发动机组成一个整体,可以迅速整体吊装。
坦克装甲车辆操纵装置的性能是影响机动性的重要因素,传统的机械式操纵使用费力,改进为液压操纵后使操纵省力轻便。现代坦克装甲车辆采用了电子液压自动操纵技术,可根据路面和行驶状况自动换挡,转向和制动操作轻便,充分发挥了发动机和传动装置的性能。
3)行动技术
坦克装甲车辆行动装置,由行驶装置和悬挂装置组成。最初英国Ⅰ型坦克,采用拖拉机的刚性悬挂结构,噪声大、振动大,只能低速行驶。此后,法国“雷诺”FT-17轻坦克采用平衡式弹性悬挂,提高了行驶平稳性。1928年美国设计了“克里斯蒂”T-3型中型坦克,采用带螺旋弹簧的独立悬挂和无托带轮的大直径负重轮,加大了动行程,高速行驶不会产生刚性撞击。一年后,英国维克斯轻坦克采用带小负重轮和托带轮的螺旋弹簧平衡式悬挂。1938年德国PzKp fw2坦克,首次采用扭杆弹簧独立悬挂。第二次世界大战后采用这种悬挂的坦克增多,20世纪60年代瑞典的Strv-103B(简称“S”)坦克,首先采用了可调式液气悬挂。
现代主战坦克均采用独立式扭杆弹簧或液气悬挂,后者具有良好的非线性悬挂特性和较大动行程,多数坦克采用小直径负重轮和多托带轮结构,使履带对地面单位压力降低,对提高附着牵引力和通过性有利。为消耗车体振动能量,前后部分负重轮装有液压式或摩擦式减振器。
现代主战坦克多数采用小节距、双销、闭式橡胶金属铰链履带,有的在接地面上装橡胶垫块,其优点是效率高、噪声小、耐磨损、平均寿命长。单销式金属铰链履带结构简单、重量轻、造价低,在不少坦克装甲车辆上仍然获得使用。
记忆合金的应用可能会对悬挂系统产生颠覆性的影响。虽然记忆合金早在20世纪60年代就由美国海军军械实验室开发,但BAE系统公司首次实现了记忆合金用于制造完整的悬挂系统,使悬挂系统不再需要弹簧,简化且增强了系统的性能。记忆合金的独特性能可提供优于传统悬挂系统的能力,有应用于装甲人员输送车、防地雷反伏击车甚至坦克的潜力,将对车辆行动系统和新型车辆研制起到重要的变革作用。
2016年11月,BAE系统公司受铁甲虫坚硬外壳和柔韧腿部启发研制出钛合金可弯曲悬挂系统,以满足未来军用车辆抵御爆炸冲击的需求。BAE系统公司研制的悬挂系统样机为双横臂悬挂,不再安装弹簧。在受到爆炸冲击时,该悬挂系统会弯曲变形但不会损坏,随后钛合金可使悬挂反弹,恢复到原来的形状,使车辆继续执行任务。BAE系统公司已制造出记忆合金悬挂系统样机,并进行了5次大威力爆炸试验,展现出卓越的抗爆炸性能。当前BAE系统公司正在研究使记忆合金悬挂适应全尺寸战车并计划推向市场,这意味着可弯曲记忆合金悬挂在不久的将来会应用到军事行动中,对于提高车辆性能和部队作战效能具有重要意义。
(1)改进车辆系统本身的性能,提升对现代战争的适应性。记忆合金悬挂在结构上将大大简化军用车辆现有的行动系统,同时能够降低系统重量和燃油消耗,提高车辆的机动性和生存力,为部队提供经济可承受的高性能战车,从而能在极具挑战性的地区完成任务,尤其是在反恐、城区作战、非对称作战等现代军事行动中,有效应对地雷、简易爆炸装置和路边炸弹等威胁。
(2)有效保持部队战斗力,减轻后勤保障负担。当前装甲车辆的装甲防护虽然能保证乘员的生命安全,但是车辆在遭到袭击后其零部件、子系统等会损坏,导致车辆无法继续使用,不仅会影响部队的作战能力,而且需要救援,增加部队的后勤保障负担。而在使用钛合金可弯曲悬挂后,就能够解决由于悬挂损坏而导致的上述问题,对作战行动起到积极的推动作用。
复合橡胶履带与传统钢制履带相比,复合橡胶履带技术优势明显。它由连续橡胶带式结构组成,采用一系列复合材料和钢丝帘线来增加强度,重量减轻50%;滚动阻力减小,行程提高近25%;噪声降至13.5 dB;振动降低70%;乘员舒适度提高;车载电子系统寿命延长;能在50℃高温环境中工作,尤其适合气候炎热的国家。
加拿大苏西防务公司于2019年展出了复合橡胶履带。该履带是中东国家BMP-3、M109、MCV-80“沙漠勇士”等战车平台的理想选择。复合橡胶履带已在伊拉克和阿富汗战场上得到了检验,包括加拿大M113、英国BVS10“北欧海盗”、挪威CV90等装甲车均应用了该履带。该履带还应用于不同车重级别的多型装甲车,包括新加坡技术动力公司的“野马”全地形车。波兰新研制的“博苏克”步兵战车也采用复合橡胶履带进行了演示。
苏西防务公司、BAE系统公司与英国陆军装甲试验和发展部队通过联合项目在“武士”步兵战车上开展了复合橡胶履带的试验。为配备复合橡胶履带,“武士”步兵战车只需换装新的前置主动轮和改进的后置诱导轮。此次试验行程5 000 km、为期3个月,在英国国防部的指导下依照严格的任务设定进行,确保复合橡胶履带在近实战环境中进行检验。5 000 km耐用性测试达标后,研发团队又额外增加了3 000 km。试验结果在所有方面都超出了预期。
4)分布式驱动技术
近年来,国外轮式装甲车辆快速发展,新产品数量和开发进度超过了履带式装甲车辆,轮式车辆的轻量化和机动性使其更适用于承担复杂地形下的多种角色与任务,而基于相同底盘开发的各种车型通用性和可维修性好,能够大大降低保障成本。在当前陆军装备强调通用化系列化发展的大趋势下,一型新装备的研发可以带动一个车族的发展。如2017年,通用动力公司推出LAV系列轻型装甲车的多款变型车,包括LAV 700轻型装甲车,以及LAV 6.0战斗保障救护车和LAV 6.0战斗保障维修与抢救车。LAV 700轻型装甲车基于LAV 6.0车型研制,新型车体更大,可搭载更多有效载荷和防护装置,还可配置为救护车、装甲人员输送车、指挥控制车、直射和间射火力支援车、反坦克导弹发射车、侦察与监视车以及抢救/维修车等近十种车型。
其中,8×8型装甲车在经历了一段时期的快速发展后,各主要国家几乎都推出了各自的8×8装甲车产品,美、法、德、英、俄等主要国家都已选定了各自未来的8×8轮式装甲平台。如芬兰帕特里亚公司的AMV系列模块化装甲车是世界上装备最广泛的8×8装甲车之一,推出的AMV28A型号增大了车体并提高了防护性,具备两栖能力;此前其还推出过AMVXP型号,具备更大有效载荷、更高性能和防护能力。日本陆上自卫队提出要发展新型8×8轮式机动战车(MCV),与现役的74式主战坦克和89式机械化步兵战车(MICV)相比,MCV将具有突出的空中和地面战略机动性,可以通过空运实现在日本众多岛屿中的快速部署。MCV的作战任务主要包括:利用直接火力打击通过海上或空中部署的装甲车辆;打击游击队或特种部队;在城区作战中为步兵提供火力支援。此外,三菱重工表示MCV将安装与TK-X主战坦克相同的C4 ISR系统。
而由于4×4型装甲车机动性更好,使用更加灵活,适合执行侦察、维和、巡逻、警戒、人员和物资运输等多种任务,可以作为8×8轮式装甲车等中型车辆的有益补充,并且4×4型装甲车的技术研发难度相对较低。近年来4×4型装甲车在总体设计、防护性和通用性设计方面也都有很大提高,如普遍采用新型轻质装甲,能够有效防御7.62 mm枪弹;底盘在结构上进行了特殊设计,能够有效防御反坦克地雷,为乘员提供较高的防护水平;采用模块化设计,便于发展新型车和根据作战任务的需要选择不同的防护组件。因此,4×4型装甲车近年来成为许多国家的新的需求热点。例如BAE系统公司和洛克希德·马丁公司分别为参与美军联合轻型战术车竞标推出的4×4装甲车、德国克劳斯-玛菲·威格曼公司和莱茵金属公司联合研制的AMPV 4×4多用途装甲车、俄罗斯的新型SPM-3 4×4防地雷反伏击车,以及波兰和以色列的相关产品。从开展4×4型装甲车技术研究的相关企业看,既有传统的大型军工企业,如洛克希德·马丁公司、BAE系统公司、克劳斯-玛菲·威格曼公司,也有一些中小型的私营公司,如简科尔(Jackal)装甲公司、美国航星(Navistar)防务公司等。
2016年,俄罗斯推出了K-16“回旋镖”装甲人员输送车和K-17“回旋镖”步兵战车两个车型,在接收70多辆“台风”-K 6×6装甲车后,俄罗斯工业界还在开发“台风”4×4和8×8车型,以满足军方需求;南非帕拉蒙特集团致力于开发“非洲战神”车族,目前已开发出4×4、6×6和8×8三个车型,可为国外客户提供体系化的轮式装甲装备。
而作为轮式推进系统的另一个重要发展方向,采用轮毂驱动是将电动机直接集成在轮毂内、将电动机产生的动力传至轮毂的驱动形式,是在军用车辆向电推进发展的背景下产生的,并具有以下特点。
(1)轮毂驱动可显著减轻车重、提高机动性,更适于城区作战。轮毂驱动技术取消了底盘中的传动系统,显著减轻平台重量,在动力系统功率一定的情况下大幅提高车辆动力性和机动性。2017年8月,英国奎奈蒂克公司为美国国防高级研究计划局“地面X战车”成功开发出轮毂驱动系统样机。奎奈蒂克公司的轮毂驱动系统主要由高功率密度小型永磁电动机、变频器、3速行星变速机构、摩擦盘式制动器、可控冷却系统等组成,集成在20 in(1 in≈25.4 mm)轮毂内,采用全新密封轮毂结构设计解决防尘问题。系统通过变频器调节电动机功率和旋向,控制车速和运动方向;通过变速机构减速增扭,降低对电动机性能的要求,实现输出扭矩16 kN·m的目标;通过飞溅润滑将热量传递到轮毂外壳上,利用温度测量装置监测轮毂温度,控制润滑油流量,实现可控冷却。
奎奈蒂克公司参与设计并演示下一代轮毂驱动装置,尝试将高功率密度小型永磁电机与3速行星变速机构及液冷摩擦盘式制动器集成到轮毂内。变速机构起减速增扭作用,将来自电动机的动力传至轮毂。系统通过变频器调节电动机功率和转向,控制车速和运动方向。系统设计指标为:输出功率85~100 kW;输出扭矩16 kN·m(最大24 kN·m);最大输出转速600 r/min;电压为600 V直流电;变频器额定电流300 A;重量225 kg。目前,奎奈蒂克公司开发的样机输出功率为115 kW,重234 kg。
轮毂驱动装置设计的出发点是提高车辆机动性。奎奈蒂克公司的方案,寻求在有限空间内实现最大动力,同时确保关键性能和能力。当前轮毂驱动装置的输出功率为115 kW,相当于发动机的单位重量功率为32.8 kW/t。对世界30种军用轮式车辆的研究表明,平均单位重量功率为15 kW/t,约为美国国防高及研究计划局“地面X战车”项目设计指标的一半。因此,奎奈蒂克公司提供的下一代轮毂驱动装置将为“地面X战车”项目提供强大的动力。此外,传统的传动系统由于结构复杂,每一级传动都有效率损失,而轮毂电机直接驱动车轮,避免了传动效率损失,提升动力效率,节省能量。轮毂驱动系统使扭矩控制更高效,爬坡时可分配给后轮更多动力,或用于车辆原位转向。车辆在狭窄空间遇敌要退回时就可以通过原位转向和滑移转向改变行驶方向并顺利撤出,因此更适于在狭窄或人员密集的城区作战。
(2)轮毂驱动为车辆提供更多的设计空间和自由度,提高车内士兵生存力。取消车底传动装置节省了大量的车辆空间,将会为下一代轮式车及其车族提供很大的设计灵活性。轮毂驱动技术也可用于现有车辆升级改进。减轻的车重部分可用于增加装甲防护、配备额外的武器或增加乘员数量。采用轮毂驱动后,悬挂系统也有了改进的空间,可显著增加独立悬挂的行程。传统车辆结构中,载员舱位于传动系统上方,这种布局在遭遇地雷或简易爆炸装置时,飞散的零部件可对士兵造成致命伤害。而轮毂驱动系统完全摆脱了这种设计,不但改善了乘员的舒适性,而且车体底部可提供更多的防护空间。
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