Танковое двигателестроение 21 века

                                      Содержание

Введение………………………………………………………………………….2-3

Глава I. Современное состояние  и концепция развития силовых установок бронированных машин.

1. Концепция развития танко- и двигателестроения в армии США……...4-7
2. Концепция долговременного развития силовых установок бронированных машин  в России…………………………………………….............8-13

Глава II. Танковое двигателестроение 21 века.

2.1.   Тенденции   развития  двигателей двойного назначения для бронетанковой техники……………………………………………………………...14-21

2.2. Технические характеристики современных двигателей двойного назначения………………………………………………………………………..22-24

Выводы…………………………………………………………………………25-30

Заключение……………………………………………………………………31-32

Литература……………………………………………………………………33-34

Введение.

Анализируя опыт военных действий 1939-1945 гг., командующий бронетанковыми силами Германии фельдмаршал Гудериан указывал на большую значимость двигателя для боевых характеристик танка, не уступающую значимости танковой пушки. Не хуже Гудериана понимали роль силовой установки и у нас, но, к сожалению, не всегда это понимание находило отражение в конструкции боевых машин.

В ходе совершенствования танкового вооружения и защиты происходило неуклонное возрастание массы боевых машин, что отрицательно сказывалось на их подвижности и требовало увеличения мощности двигателей. В начале шестидесятых разработчики танка нового поколения потребовали от двигателистов резко увеличить мощность силовой установки. В ОКБ завода им. В.Я. Климова усилия были сосредоточены на создании ГТД, а в харьковском КБД завода имени Малышева - на двухтактном дизеле 5ТД. Оба конструкторских коллектива добились успеха, разработав опытные двигатели мощностью до 1100 кВт. В то же время совершенствование двигателей семейства В-2 продвигалось медленно, и даже его современные варианты, предназначенные для основного боевого танка Т-72, имеют мощность от 573 кВт (В-46) до 618 кВт (В-84).

С распадом Советского Союза предприятие, выпускающее современные мощные танковые дизели 6ТД, осталось в так называемом "ближнем зарубежье" (Украина), а освоение производства новых модификаций серийного двигателя ГТД-1250 затормозилось ввиду известных экономических неурядиц. Поэтому в начале 90-х гг. Россия оказалась без современного серийного танкового двигателя, необходимого как для модернизации, так и для создания перспективных образцов танков.

Актуальность работы. В настоящее время на основе двигателей двойного назначения разрабатываются модификации, предназначенные для работы в составе гражданской техники (промышленных тракторов, инженерных и дорожно-строительных машин на их базе, транспортных машин, энергетических установок). Одна из основных проблем, с которыми приходится сталкиваться при разработке конвертированных модификаций двигателей, это необходимость обеспечения требуемых показателей надежности для техники гражданского назначения существенно более высоких, чем для специальной.   В своём реферата я попытался на основе обобщения отечественного и зарубежного опыта сформулировать основные задачи, стоящие сегодня перед танковым двигателестроением России. Я исхожу из того, что наша страна не может позволить себе быть слабой в области бронетанковой техники. 

Глава I. Современное состояние  и концепция развития силовых установок бронированных машин.

1. Концепция развития танко- и двигателестроения в армии США.

Сохранение высокой боевой эффективности отечественной бронетанковой техники (БТТ) и ее позиций на мировом рынке обусловливает необходимость разработки концепции дальнейшего развития одного из ключевых элементов боевых бронированных машин (ББМ) - двигателя, поскольку концепции силовой установки (СУ) и ББМ неразрывно связаны. Показателями двигателя и СУ в значительной степени определяются такие характеристики военно-технической эффективности ББМ, как подвижность, маневренность, автономность, а также боеготовность и способность к выполнению задачи (надежность).

Учитывая важность рассматриваемой проблемы для отечественного танко- и двигателестроения, представляется целесообразным проиллюстрировать сказанное на примере разработки соответствующих концепций для армии США.

Так, армией США в рамках этих работ было принято решение о создании принципиально новой системы научного прогнозирования развития В и ВТ и БТТ, в частности. Начало ее создания относится к середине 90-х годов прошлого века и продолжается в настоящее время. Построение системы научного прогнозирования (точнее - системы поиска и исследования рациональных направлений развития БТТ) осуществляется на базе так называемых лабораторно-исследовательских комплексов (ЛИК).

В специальной "Лаборатории интеграции систем" (SIL) освоен метод моделирования работы ББМ в ходе военной операции с варьированием типов местности, видов применяемого оружия и пр. Проведение экспериментов с виртуальными объектами помогает уточнять и корректировать программу войсковых испытаний натурных образцов ББМ.

В созданном фирмой Boeing "Центре моделирования" основным объектом изучения являются тяжелые ББМ типа танков, а исследовательский комплекс фирм Honeywell и Electronic Systems специализируется на моделировании и макетировании легких ББМ. По заказу министерства обороны США планируется моделировать наиболее крупные военные операции.

Основное направление деятельности ЛИК связано с разработкой научных методов управления сложными техническими системами, включая их оптимизацию при варьировании исходных данных. Результаты этих исследований являются одной из базовых составляющих при принятии решений в области военной стратегии и развития В и ВТ. Работы в этом направлении проводятся постоянно с упреждением в 10 лет.1

На базе результатов модельных исследований и системного анализа были выявлены основные отличительные особенности "поля боя XXI века".

К этим особенностям американские специалисты относят прежде всего: быструю переброску войск в любую точку мира; участие в операциях в составе сил быстрого реагирования.

В соответствии с выявленными тенденциями были разработаны следующие основные концептуальные требования к новому, четвертому поколению БТТ (по сравнению с БТТ третьего поколения): уменьшение массы танка на 70 % (до 18…20 т); уменьшение объема машины на 50 %; увеличение радиуса действия танка в 1,4…1,5 раза (запаса хода с 520 до 750 км) и т.д.

Проведенные НИОКР показали, что танки США, создаваемые в соответствии с разработанными концептуальными требованиями, должны оборудоваться СУ нового типа, которые по основным показателям будут превосходить их современные аналоги: по агрегатной мощности на 50 %; по габаритной мощности на 40 %; по путевой топливной экономичности в 1,5...2 раза; по габаритному объему двигателя в 2 раза; по литровой мощности двигателя в 2 раза.

При этом скорость движения ББМ должна возрасти на 100 %, а приемистость - на 50 %.

В целом при намечаемом снижении массы нового зарубежного танка до 18…20 т и его объема на 50 % боевая эффективность ББМ увеличивается в 1,75 раза по сравнению с существующими серийными танками типа M1 "Абрамc".

В результате проведения комплекса работ, беспрецедентных по глубине исследований и объему привлекаемых средств, были получены обоснованные данные об основных параметрах, которые должны быть реализованы в двигателях перспективных ББМ к 2025 г. 
Полученная информация позволила фирмам МТU (ФРГ) и DDK (США), входящим в отделение внедорожных машин объединения DaimlerKrysler, принять решение о совместной разработке дизелей, параметры которых смогут удовлетворить требованиям нового поколения ББМ. Результатом этих работ стало создание новой серии дизелей двойного назначения (ДДН) ряда "890".

Семейство двигателей "890" фирмы МТU считается новым этапом в развитии мирового транспортного двигателестроения. Эти высокофорсированные компактные дизели ассимилируют прогрессивные технологии в области топливоподачи, турбонаддува и электроники. Дизели серии "890" являются транспортными и танковыми двигателями с самой высокой в настоящее время габаритной мощностью и самой низкой удельной массой. По габаритному объему и массе они почти в два раза превосходят современные серийные двигатели подобного класса мощности и назначения, а по остальным основным показателям на 30 % опережают лучшие транспортные дизели.

Такой уровень удельных мощностных и массогабаритных показателей связан с реализацией в двигателе высокой частоты вращения в сочетании с высоким средним эффективным давлением. При этом оригинальное компоновочное решение позволило разместить в блоке цилиндров и картере двигателя почти все обычно размещаемые снаружи двигателя его вспомогательные узлы и агрегаты (масляные фильтры, насосы, теплообменники и др.).

Частота вращения дизелей "890" доведена до 4250 об/мин, что почти вдвое выше, чем у двигателей современных грузовых автомобилей. Величина Ре составляет у последних не более 20 бар, а у дизелей серии "890" она достигает 26 бар. Применение в двигателе высокотемпературного контура охлаждения (Тохл = 130 °С) позволило существенно уменьшить габариты и массу системы охлаждения.

2. Концепция долговременного развития силовых установок бронированных машин в России.

В России разработка концепции долговременного развития двигателей объектов БТТ проводится, в лучшем случае, на основе методов программно-целевого планирования, метода прогнозирования (с использованием временных трендов) и экспертных оценок с учетом созданного в отрасли научно-технического задела. Ограниченность материально-финансовых ресурсов, выделяемых на проводимые исследования, неизбежно снижает достоверность получаемых прогнозных данных, используемых для формирования концептуальных требований.

Следует отметить, однако, что два требования, зафиксированные в положении о "Концепции развития отечественных вооружений и военной техники", могут сегодня несколько исправить положение.

Первое - это утверждение о том, что создаваемые в рамках упомянутой Концепции перспективные отечественные образцы В и ВТ (танковые двигатели в том числе), должны обладать паритетом, а по ряду показателей - превосходить лучшие зарубежные аналоги.

Согласно второму требованию Концепция должна быть ориентирована на учет действий, которые способен предпринять противник, а не на вероятность возникновения военного конфликта.

Есть основание полагать, что уровень параметров ББМ, их двигателей и СУ, который должен быть достигнут в России к 2025 г., приблизительно должен соответствовать уровню зарубежных разработок.

Если положить в основу разрабатываемой сейчас концепции развития отечественных танковых двигателей принцип - "не допустить отставания от зарубежных ББМ и их двигателей", то, на наш взгляд, можно констатировать обоснованность следующих положений2.

Тип двигателя. Основными типами двигателей для объектов БТТ продолжают оставаться турбопоршневые дизели (ТПД) и газотурбинные двигатели (ГТД).

Развитие последних требует более высоких затрат на производство и эксплуатацию, поэтому и в России, и в большинстве зарубежных стран предпочтение (на обозримую перспективу) в рассматриваемой области техники отдается ТПД. Это же служит причиной того, что они практически не находят применения в гражданских областях промышленности.

Создание и развитие других типов двигателей для БТТ, в том числе роторных, Стирлинга, комбинированных ТПД типа "Гипербар" (кроме разработанного двигателя UDV8X-1500 для танка "Леклерк", Франция) не ожидается. С учетом имеющихся производственных мощностей в России не предвидится также создание двухтактных дизелей типа 6ТД (Украина) или 10ZG (Япония). 
      Применение сложных компоновочных схем дизелей (Н-образных, W-образных и др.) не выдержало проверки временем. Предпочтение должно быть отдано классической V-образной схеме.

Мировой тенденцией развития танковых дизелей является уменьшение их размерности S/D и повышение эффективности рабочего процесса. Этому способствуют несколько причин, одной из которых является необходимость на данном этапе развития обеспечить двигателям БТТ ассимиляцию в гражданской области техники - так называемый принцип двойного назначения.

Для ликвидации наметившегося отставания технического уровня отечественных двигателей от зарубежных аналогов необходима постановка широкого фронта исследований и разработок с существенными материальными и финансовыми вложениями.

Необходимо проведение НИР в следующих ключевых направлениях: повышение параметров рабочего процесса ТПД с обеспечением перспективных требований (Ре = 1,8…2,2 МПа); создание топливной аппаратуры с высокими давлениями впрыска (150…180 МПа); разработка регулируемых турбокомпрессоров с к = 4,5…6,0 и к > 0,8, а также эффективных охладителей наддувочного воздуха; создание электронных систем регулирования впрыска топлива и воздухоснабжения, а также электронных систем автоматизированного управления с адаптацией режимов двигателя к дорожным условиям3.

Если своевременно не форсировать работы по указанным направлениям, а также работы, направленные на упрочнение цилиндропоршневой группы (материалам, конструкции поршней и т.д.), диагностику, высокотемпературное охлаждение, мы можем катастрофически отстать от ведущих зарубежных стран в области танкового двигателестроения.

ФГУП "НИИ двигателей" и ОАО "ВНИИ транспортного машиностроения" постоянно участвуют в проведении указанных работ и неоднократно выходили с предложениями о создании межотраслевой федеральной программы развития двигателей.

Переход России на рыночную экономику в корне изменил ситуацию в области танкового двигателестроения. Его сохранение и развитие в современных условиях возможно лишь при обеспечении рентабельности промышленного производства в данной области техники.

Подобная ситуация, связанная с сокращением военных заказов, после окончания "холодной войны" сложилась в конце 1980-х годов и у зарубежных двигателестроительных фирм. В этих условиях при малой потребности в специальных танковых двигателях в мирное время их производство является заведомо нерентабельным, что приводит к потере производственных площадей и не может обеспечить требуемые объемы выпуска для нужд БТТ в особый период. Поиск выхода из создавшегося положения продолжался довольно долго (более пяти лет). В итоге решение проблемы было найдено, и с середины 1990-х годов за рубежом оно активно и успешно претворяется в жизнь.

Крупные зарубежные производители в условиях свертывания военных заказов прибегли к созданию двигателей, отвечающих так называемой "военно-гражданской" концепции.

Данная концепция предполагает изначальную разработку конструкции двигателя, которая при сохранении неизменными в ней размерности цилиндров, межосевого расстояния, деталей кривошипно-шатунного механизма, остова и некоторых других основных элементов может быть при необходимости трансформирована в гражданские или специальные военные модификации, удовлетворяющие ТТТ соответствующей области применения.

Такие двигатели составляют обычно единое семейство унифицированных многоцелевых двигателей или, как их еще называют, двигателей двойного назначения (ДДН). Иногда приходится слышать даже от руководителей высокого отраслевого ранга, что "целесообразность применения ДДН, особенно для БТТ, является спорной". Она не спорна, она - единственно возможна. Подтверждением сказанному являются ДДН серии "Кондор" фирмы "Перкинс", дизели серии "2000" фирмы МТU и последняя ее совместная с фирмой DDK разработка - дизели ряда "890".4

Таким образом, перспективные отечественные танковые дизели должны быть специальными военными модификациями двигателей двойного назначения - ДДН.

Необходимо остановиться еще на одном концептуальном направлении развития танковых силовых установок.

Танковый двигатель в силу особенностей его эксплуатации работает на резко переменных режимах как по нагрузке, так и по частоте вращения.

Значительную долю по времени составляют тормозные режимы, а также работа на стояночных режимах (режимах "малого газа"). Все это связано с нерациональными потерями энергии, снижение которых возможно при введении в состав моторно-трансмиссионной установки накопителя (аккумулятора) энергии - механического или электрического (электрохимического, индуктивного, конденсаторного) в сочетании с электрической, электромеханической или механической трансмиссиями. Такие силовые установки, включающие в себя связанный с генератором тепловой двигатель (ГТД или ТПД), накопитель электрической энергии и трансмиссию, называют гибридными электрическими силовыми установками (ГЭСУ). Применение накопителя позволяет стабилизировать работу двигателя, аккумулировать избыточную энергию, в том числе регенерировать энергию торможения, а затем расходовать ее по мере необходимости. Отсутствие в ГЭСУ механической связи между двигателем и ведущими колесами (благодаря электроприводу) позволяет обеспечить работу двигателя на режимах, близких к режимам максимальной топливной экономичности, а наличие накопителя энергии - снизить требуемую агрегатную мощность двигателя в 1,5 раза. Это открывает дополнительные возможности в создании новых перспективных танковых двигателей.

В настоящее время создание силовых установок с гибридным электрическим приводом является одной из основных тенденций перспективного развития зарубежного танкового и транспортного двигателестроения. Во избежание отставания от мировых тенденций отечественные танковые двигатели должны разрабатываться с перспективой использования в составе ГЭСУ. 
В заключение следует упомянуть еще одно концептуальное требование.

Общепринятой мировой практикой является создание СУ танков в агрегатированном (блочном) исполнении. В отечественном танкостроении это не является новостью. Эта концепция была реализована, например, при создании газотурбинной СУ танка Т-80, однако для СУ с ТПД отсутствие указанного агрегатирования приводит к существенному возрастанию времени демонтажа и замены СУ, что не соответствует мировым нормативам. Поэтому перспективная отечественная танковая СУ должна быть полностью агрегатированной.

Подводя итог, можно предположить, что перспективный отечественный танковый двигатель должен соответствовать следующим требованиям:

• быть представителем нового семейства унифицированных транспортных дизелей двойного назначения, состоящих из 4-, 6-, 8-, 10- и 12-цилиндровых V-образных двигателей;
• иметь размерность S/D, приемлемую для гражданских транспортных дизелей;
• обладать уровнем основных мощностных, массогабаритных и топливоэкономических показателей, определяемых концепцией и техническими требованиями к перспективным ББМ;
• быть оборудованным высокотемпературной двухконтурной системой охлаждения;
• иметь систему подачи топлива с электронным управлением;
• быть оборудованным системой наддува от свободного турбокомпрессора (или нескольких таких устройств) с регулируемой турбиной и охлаждением наддуваемого воздуха;
• обладать системой контроля технического состояния и диагностирования;
• иметь электронное регулирование и управление силовым блоком;
• работать в составе гибридной электрической силовой установки5.

Глава II. Танковое двигателестроение 21 века.

2.1. Тенденции   развития  двигателей двойного назначения для бронетанковой техники.

В последнее время зарубежные специалисты рассматривают возможность на бронетанковой технике дизельных двигателей гражданского назначения. Этому, однако, препятствуют существенные их отличия по параметрам и конструкции от военных.

                                                Рис 1.

За рубежом после второй мировой войны разрабатывались специальные дизельные двигатели: в США - AVDS-1790 (фирмы «Теледайн континенталь»), в ФРГ - семейство МВ-837 (рис. 1, «Даймлер Бенц», с 1969 года преобразована в MTV), в Великобритании - L-60 («Лейланд»), во Франции - HS-110 («Испано-Сюиза»). Они стали первым поколением танковых дизелей, резко отличавшихся от двигателей гражданского назначения. Создаваемые в соответствии с жесткими техническими требованиями, максимально полно учитывающими специфику работы в боевых машинах, эти дизельные двигатели так же, как и последующие модели второго и третьего поколений, обеспечили необходимые предпосылки для дальнейшего развития танков и боевых бронированных машин.

В последние годы данную проблему стали рассматривать в двух аспектах:

• возможность конверсирования военных двигателей в гражданские и наоборот;
• создание так называемых многоцелевых двигателей.

Для более полного ее понимания необходимо рассмотреть соответствующие технические требования, а также возможности их реализации при создании двигателей танков и бронированных машин.

Общими техническими требованиями к двигателям двойного назначения являются топливная экономичность, надежность, ресурс работы, пусковые качества, простота обслуживания и легкость ремонта. В частности, для двигателей военного назначения чрезвычайно важны малые габариты и небольшая масса при требуемой для данного класса машин мощности, способность успешно работать в экстремальных условиях (большие ударные нагрузки, высокая запыленность воздуха, высокогорная местность и т. д.), а также возможность использования различных видов топлива. Для двигателей гражданского назначения не менее важными факторами являются экологические характеристики и низкая стоимость, что связано с отсутствием дорогостоящих стратегических материалов.

Таким образом, военные двигатели средней категории не в полной мере соответствуют гражданским как по параметрам, так и по конструктивному исполнению. Да и на практике на них крайне редко применяются дефорсированные военные двигатели. С другой стороны, боевые бронированные машины не всегда могут оснащаться гражданскими двигателями. Попытки разработать танковый двигатель на основе гражданских были, как правило, неудачными. В частности, фирма «Катерпиллер» вела НИОКР по созданию танкового двигателя LVMS-1050 на базе одного из автомобильных.

Легкие двигатели для боевых бронированных машин по параметрам отличаются от гражданских. Конструкция последних может быть несколько усилена за счет применения более прочных материалов для деталей блока цилиндров, поршневой группы и кривошипно-шатунного механизма, внедрения защитных покрытий и других прогрессивных технологических и конструкторских решений. Все это обеспечивает увеличение мощности некоторых автомобильных дизелей на 40 – 60 %, что в основном будет удовлетворять требованиям, предъявляемым к двигателям для бронированных машин.

В настоящее время в ряде зарубежных стран проводятся НИОКР по созданию многоцелевых дизельных двигателей. Из существующих семейств таких двигателей наиболее известным является серия CV «Кондор», разработанная в начале 80-х годов фирмой «Роллс-Ройс» (Великобритания).

Американская фирма «Камминс», используя технологию двойного назначения, разработала и подготовила к серийному производству новое семейство многоцелевых дизелей - APVS (Advanced Power V Series), удовлетворяющих военным и гражданским требованиям. Оно состоит из шести-, восьми-, десяти- и 12-цилиндровых V-образных унифицированных четырехтактных дизельных двигателей мощностью от 550 до 1320 кВт (табл. 1-3) 6

Таблица 1.