Funkcioniranje oružanih snaga, kao i svih velikih sustava, pa i gospodarstva u cjelini, uvelike ovisi o raspoloživosti vozila svih vrsta. Vozila su, dakle, vitalna komponenta svih velikih sustava, a napose oružanih snaga

Još 1973. godine kod prve naftne krize, Zapad je vrlo ozbiljno shvatio prijetnju da će se energija iz fosilnih goriva sve brže iscrpljivati i jednog dana potpuno nestati. Danas se suočavamo s trećom krizom nafte i krajnje je neizvjesno hoće li se ta kriza dalje produbljivati. Međutim, sasvim je izvjesno da će cijena energije iz fosilnih izvora biti sve veća, ako ni zbog čega drugog onda zbog naglog povećanja potrošnje u kojoj će razvoj kineskog gospodarstva imati najveći utjecaj. Kineski profesor Gang WAN u svom nastupu na Bibendum Challenge 2004., u izlaganju posvećenom razvoju čiste pogonske energije u kineskoj automobilskoj industriji iznosi podatke koji su vrlo indikativni za tržište nafte u bliskoj i daljnjoj budućnosti. ” U 2002. godini, kaže on, u Kini je bilo 20 milijuna motornih vozila. Prognoza je da će ih do 2010 godine biti više od 50 milijuna, te više od 100 milijuna do 2020. godine. S prognozom od oko 1,5 milijardi kineske populacije do 2020. godine to znači da će ih biti oko 67 vozila na tisuću stanovnika, što će još uvijek biti znatno ispod svjetskog prosjeka od 126 vozila na tisuću stanovnika”. Dalje profesor Wan kaže kako je porast broja vozila, zajedno s razvojem gospodarstva, izazvao dramatičan porast potreba za naftom i negativnih efekata na eko-sustav.
Na cijenu nafte će utjecati i mnogi drugi čimbenici kao na primjer: politički, strah proizvođača nafte od gubitka privilegiranog položaja i mnogi drugi. Prema tome, danas nam je nafta skuplja nego ikad prije, no iz perspektive 2020. a možda i mnogo prije, čini se da će današnja cijena nafte izgledati vrlo prihvatljivom.
Iz navedenih razloga u razvijenom svijetu u posljednjih se dvadesetak godina ulažu veliki novci i napori u razvoju alternativnih pogona. Učinjeni su veliki pomaci u razvoju novih tehnologija koje omogućavaju razvoj alternativnih pogona vozila: novi električni strojevi (motori s permanentnim magnetima), novi spremnici energije (nove vrste baterija, elektromehanički spremnici), upravljačka elektronika, pretvornici kemijske energije u električnu energiju (gorive ćelije), pa sve do novih tehnologija koje omogućavaju proizvodnju vodika na samom vozilu. U nekoliko posljednjih godina na cestama se nalaze mnoga vozila s alternativnim pogonima, neka od njih su u eksperimentalnoj fazi, a neka su u normalnoj eksploataciji, ovisno o primijenjenim tehnologijama. Nekoliko tipova osobnih vozila s hibridnim pogonom je komercijalizirano (Honda Insight, Toyota Prius i dr.), a brojna vozila za vojne potrebe su u eksperimentalnoj fazi s ambicijama da uđu u operativnu uporabu već u ovom desetljeću.
Američka vojska je prije nekoliko godina usvojila planove za vlastitu transformaciju, koja je utemeljena na novim tehnologijama. Novi program razvoja pod nazivom “Future Combat Systems – FCS” utemeljen je dijelom na novoj koncepciji borbenih vozila. U časopisu JIDR se kaže: ?Vojska SAD-a planira razviti i staviti u operativnu uporabu novu generaciju lakih i agilnih vozila koja će biti umrežena da čine “sustav u sustavu”, u programu koji će stajati između 40 do 60 milijardi dolara?. Sličan program transformacije pod nazivom “Future Rapid Effect System” provodi i Velika Britanija.
Takva jagma za usvajanjem i uvođenjem novih tehnologija u naoružanje, napose na borbena vozila, može se usporediti samo s vremenom kada je Kennedy najavio osvajanje svemira i odlazak na Mjesec. Nije jednostavno objasniti taj fenomen niti razumjeti njegove uzroke. Jedno je nedvojbeno: nafta u svim njezinim aspektima jedan je od najznačajnijih uzroka tom fenomenu.
Promjene koje nastaju u oružanim snagama svjetskih sila, posebno u SAD-u, nedvojbeno će utjecati na sve druge zemlje, napose one koje su ili će biti u jedinstvenom sustavu obrane. Razumijevanje tih promjena od iznimnog je značenja za konzistentno planiranje razvoja vlastitih oružanih snaga.
Pokušat ćemo objasniti koje su to nove tehnologije u pogonu borbenih vozila i što one znače za koncepciju borbenih vozila i njihov daljnji razvoj.
Koncepcija hibridno-električnog pogona vozila, njegova opća uloga i koristi
Ideja o hibridno-električnom pogonu temelji se na maksimiziranju energetske učinkovitosti goriva. Drugim riječima to znači da se iz iste količine goriva izvuče maksimalna količina korisne energije. Gdje ta energija nestaje u klasičnom pogonu? Nestaje pretvarajući se u toplinu u svim komponentama pogona od rezervoara za gorivo do pogonskih kotača vozila, a najviše u samom motoru s unutarnjim izgaranjem koji pretvara kemijsku energiju goriva u koristan rad. Uzroci tome su brojni, ali jedan od najvećih je što motor radi u vrlo širokom dijapazonu brojeva okretaja i opterećenja i pritom radi s različitim stupnjevima korisnosti.
Na dijagramu na slici 1 prikazana je relativna potrošnja goriva tipičnog motora s unutarnjim izgaranjem. Ako se, na primjer, iz tog motora izvuče 100 kWh energije iz područja najmanje potrošnje goriva, utrošit će se 22 litre goriva, a ako se ista ta energija izvuče iz područja rada motora na niskom opterećenju, utrošit će se do dva ili čak i tri puta više goriva.
Ako bi se motor mogao držati na režimima minimalne potrošnje, a to znači na opterećenju od više od 50% i na brojevima okretaja oko maksimalnog momenta, onda bi se mogla uštedjeti znatna količina goriva za istu korisnu energiju. U klasičnom pogonu, odnosno u pogonskom lancu motor-transmisija-kotači to nije moguće. Automatskim mjenjačima još se može u određenoj mjeri kontrolirati područje rada motora po broju okretaja, no opterećenje motora ovisi o uvjetima vožnje ? brzini vozila, ubrzanjima, usponu, vrsti podloge itd. Potrebno je, dakle, odvojiti motor od fizičke veze s pogonskim kotačima i uspostaviti sasvim drukčija struktura pogonskog sustava, da bi se ostvarila potpuna kontrola režima rada motora po broju okretaja i opterećenju.

Temeljne postavke za strukturiranje hibridno-električnog pogona
Polazište za strukturiranje novog pogona je, dakle, da se motor odvoji od pogonskih kotača i trenutačnih potreba vozila za energijom, odnosno snagom. Ubacivanjem električnog pogona između motora s unutarnjim izgaranjem (motor SUI) i kotača, kako je pokazano na slici 2, ostvaruje se slijedeće:
Iz motora SUI se izvlači energija na režimu maksimalne učinkovitosti ? oko područja maksimalnog momenta. Kotači dobivaju onoliko energije (snage) koliko je vozilu potrebno za održavanje režima vožnje, prema zahtjevima vozača i drugim uvjetima vožnje. Višak energije izvučene iz motora sprema se u spremnik energije, a ako su zahtjevi vozila veći, dodaje se energija iz spremnika. Električnim pogonom omogućava se da se i energija kočenja vozila ne rasipa u toplinu, nego vraća u spremnik. Štoviše, mogućno je da se u spremnik energije doda i energija iz drugih izvora, na primjer iz električne mreže ili čak iz drugog vozila koje ima hibridno-električni pogon.
Hibridno-električni pogon je pogon koji se koristi energijom motora s unutarnjim izgaranjem, pa i energijom iz drugih izvora, i usmjerava njezin protok ovisno o potrebama vozila.
Koristi od takvog načina upravljanja energijom su takve da se iz raspoloživog goriva izvlači maksimalna količina energije, a da to nije na račun smanjenja performansi vozila. Štoviše, performanse vozila mogu se čak i povećati pri istoj instaliranoj snazi. To se ostvaruje na slijedeći način:
1. Eliminacijom praznog hoda motora. Kada vozilo stoji, motor SUI nije u pogonu jer je vozilo spremno za pokret električnim pogonom. Sva energija koju bi inače motor utrošio održavajući vlastiti pogon je ušteđena.
2. Prikupljanjem energije kočenja. Veliku količinu energije vozilo troši za ubrzavanje. Nakon ubrzavanja, najčešće slijedi i kočenje. Ako je to učestalo kao u dinamičnoj vožnji, onda je ta energija uglavnom spaljena u kočnicama. Hibridno-električni sustav omogućava da se najveći dio te energije vrati u sustav i koristi se ponovno. Korist od toga je i manje opterećenje kočnica.
3. Smanjenjem snage motora. Za postizanje projektiranih performansi vozilo u prosjeku treba mnogo manje snage nego što je maksimalna snaga motora. Snaga u suštini predstavlja protok energije u jedinici vremena. Najveća snaga vozilu treba kod ubrzavanja ili svladavanja uspona. Tada je dakle protok energije najveći. Hibridno-električni pogon ima najmanje dva pogonska agregata, motor SUI i elektromotor. Udruživanjem oba agregata može se vozilu isporučiti zbroj njihovih snaga. Prema tome, vozilo može imati motor SUI znatno manje snage nego u klasičnom pogonu, a da ukupna raspoloživa snaga, a to znači i performanse, bude čak i veća. Manji motor SUI ima i manje gubitke, tako da je korist višestruka: manja potrošnja, manji gabariti i masa, veće performanse.
4. Održavanjem režima rada motora SUI na najvišem stupnju korisnosti. Kombinacijom rada motora SUI i elektromotora, pogonski sustav maksimizira stupanj korisnog djelovanja motora, koristeći se elektropogonom za distribuciju potrebne energije vozilu i držeći režim motora na minimalnoj potrošnji za proizvodnju električne energije.

Koliko će se i koje od tih potencijalnih mogućnosti hibridno-električnog pogona iskoristiti ovisit će o strukturi hibridnog pogona. Nadalje, tu mora biti i sustav nadzora i upravljanja energijom, koji će u skladu s potrebama vozila, aktivirati pojedine komponente sustava pogona i držati ih na odgovarajućim režimima rada.
Ništa manje važna od uštede energije je i zaštita prirode. Štoviše, zaštita prirode na lokalnoj i globalnoj razini je imperativ koji se beskompromisno provodi sve oštrijom zakonskom regulativom. To najviše pogađa vozila općenito jer su ona i najveći zagađivači kako urbanih sredina tako i na globalnoj razini u stvaranju efekta staklenika i globalnog zatopljenja. Činjenica da se hibridno-električnim pogonom smanjuje potrošnja goriva za iste energetske učinke, samim tim se smanjuje i štetan utjecaj na okoliš. No tu ima i drugih učinaka koji osobito pogoduju gradskoj vožnji i zaštiti zdravlja ljudi u urbanim sredinama. Hibridno-električni pogon u gradskoj vožnji u načelu omogućava vožnju na električni pogon čime se potpuno eliminiraju ispušni plinovi i buka.
Osnovna struktura hibridno-električnog pogona
U primjeni na vozilima postoje dvije osnovne vrste hibridno-električnog pogona: serijski i paralelni. Ovdje će biti objašnjene temeljne značajke ta dva tipa pogona. No u primjeni su i razne kombinacije, a mogućnosti za nove kombinacije ovise samo o inventivnosti projektanata.

Serijski hibridno-električni pogon
Struktura serijskog hibridno-električnog pogona prikazana je na slici 3. Motor SUI pokreće generator koji proizvodi električnu energiju za pogon vozila i punjenje baterija. Elektromotor se koristi generiranom energijom i pogoni vozilo. Taj sustav se naziva serijskim jer su motor SUI i elektromotor u seriji. Serijski hibrid može se koristiti motorom SUI manje snage koji će raditi s boljim stupnjem korisnosti i isporučivati energiju elektromotoru i puniti baterije. Električni strojevi – generator i motor su iste strukture i reverzibilni, mogu raditi kao generatori i motori. Ovisno o značajkama elektromotora i njegovih sposobnosti da radi u širem dijapazonu promjene broja okretaja pri konstantnoj snazi, u strukturi pogona se može naći i mjenjač brzina s dva ili više stupnjeva. Takav pogonski sustav se najviše primjenjivao za pogon brodova, no sada se primjenjuje i na vozilima. Njegova prednost je što je motor SUI odvojen od kotača vozila, tako da je veća sloboda u rasporedu komponenata, napose elektromotora kojih može biti više – smješteni u kotače vozila ili po pogonskim osovinama.
Serijski hibrid može raditi kao čisti električni pogon – s isključenim motorom SUI – sve dok u baterijama ima energije. S obzirom na to da elektromotor sam pogoni vozilo energijom koju je generirao motor SUI, ta dva agregata čine približno istu količinu rada (energije). To je mana tih hibrida jer se ukupna količina isporučene energije iz motora SUI transformira u električnu, pa ponovno u mehanički rad, pri čemu se znatna količina energije gubi u toj transformaciji.

Paralelni hibridno-električni pogon
Struktura paralelnog hibridno-električnog pogona je prikazana na slici 4. Kod paralelnog hibrida, motor SUI pogoni vozilo, a elektromotor koristeći se energijom iz baterija dodaje snagu kada je to potrebno, ovisno o uvjetima vožnje. Taj sustav se naziva paralelnim jer je protok energije prema kotačima paralelan od motora SUI i elektromotora. Baterije se pune kada zahtjev vozila za snagom nije veliki, te elektromotor u ulozi generatora proizvodi električnu energiju. Taj sustav ima jednostavniju strukturu, no s obzirom na to da ima samo jedan električni stroj ne može se simultano puniti baterije i dopunjavati pogon vozila. Ako se elektromotor kod tog sustava odvoji od motora SUI kvačilom, tada i taj sustav može funkcionirati kao čisti električni pogon u granicama raspoložive energije u baterijama i snage elektromotora.

Paralelni hibrid koristi se, dakle, motorom SUI kao glavnim pogonskim agregatom, dok elektromotor samo asistira kada je potrebna veća snaga – pri ubrzavanju vozila ili svladavanju uspona. Stoga motor SUI obavlja mnogo veći rad nego elektromotor. Takav sustav može ostvariti veću uštedu goriva na otvorenoj cesti kada motor SUI može raditi na optimalnom režimu.
Oba sustava, serijski i paralelni, imaju svojih prednosti i nedostataka. Ovisno o svrsi, ima vrlo uspješnih rješenja i jednih i drugih. No u praksi se primjenjuju i razne kombinacije oba sustava. Jedna od najuspješnijih takvih kombinacija je serijsko/paralelni hibrid koji je razvila japanska tvrtka Toyota (THS ? Toyota Hybrid System), a ugrađen je u osobni automobil Toyota Prius. Taj vrlo vješto kombinirani hibridni pogon ostvaruje iznimno velike uštede goriva (u gradskoj vožnji i više od 50%) tako da je osobni automobil Toyota Prius jedan od najperformantnijih i najuspješnijih hibrida. Stoga nimalo ne iznenađuje činjenica da je taj automobil jedan od najprodavanijih hibrida u Japanu i SAD-u, a već drugi put za redom proglašava se automobilom godine (2004. u SAD-u i 2005. u Europi). Pogonski sustav Toyote Prius privlači posebnu pozornost specijalista jer ostvaruje čak i veću uštedu energije od nekih vozila s pogonom na vodik i gorive ćelije. No, Toyota Prius osim hibridno-električnog pogona ima i benzinski motor posebne izvedbe, temeljen na Atkinsonovom ciklusu izgaranja koji omogućava veći stupanj toplinskog iskorištenja.

Hibridno-električni pogon borbenih i drugih vozila za vojnu namjenu – koristi i izazovi
Borbena vozila također mogu imati znatne koristi od hibridno-električnih pogona. Neke od najvažnijih su slijedeće:
Ušteda goriva. Kao i kod civilnih vozila tako i kod borbenih i drugih vozila za vojne potrebe, sužavanje područja rada motora SUI može pridonijeti znatnim uštedama goriva ? u nekim uvjetima vožnje čak i više od 50%. Ušteda goriva kod vozila za vojne potrebe važna je ne samo zbog samog goriva nego i zbog toga što ima i drugih reperkusija: pojednostavljuje i pojeftinjuje logistiku, povećava autonomiju vozila itd. Pitanje zaštite okoliša također nije nevažno ? manji utrošak goriva znači i manja količina ispušnih plinova i drugih toksičnih tvari.
Smanjena zamjetljivost vozila. Hibridno-električni pogon preko mnogo elemenata smanjuje zamjetljivost vozila. Jedan od najvažnijih je da u granicama raspoložive energije u baterijama vozilo može biti pogonjeno čisto električnim pogonom, a to znači bez buke, isijavanja topline i ispušnih plinova. Takva vožnja može biti od krucijalnog značenja u vojnim operacijama. No i kada vozilo vozi u kombiniranom pogonu, zamjetljivost vozila je smanjena jer:
• motor SUI radi na nižim brojevima okretaja i bez naglih promjena, što znači s manje buke
• manji su gubici motora, te je i disipacija topline manja, ali i ispušnih plinova ima manje
• hidraulika za pogon pomoćnih uređaja iz sustava za pogon vozila može se potpuno eliminirati, a time se eliminira buka hidrauličnih pumpi i motora, koja je inače znatna,
• smanjena buka od ventilatora za hlađenje i dr.
Električna energija raspoloživa na vozilu. Uz hibridno-električni pogon, vozilo ima na raspolaganju električnu energiju u neograničenim količinama koja se može rabiti za pogon pomoćnih uređaja, kupole i druge potrebe vozila, pa čak i za potrebe izvan vozila. Nove tehnologije električnog oružja, te elektromagnetske zaštite (EM oklop) su neuporabljive bez snažnog izvora napajanja električnom energijom.
Postoje i brojne druge koristi od hibridno-električnog pogona kao: modularnost sustava olakšava održavanje, potpuna automatizacija i nadzor umanjuju utjecaj ljudskog faktora i osiguravaju bolju dijagnostiku, fleksibilnost u dizajnu pogonskog sustava omogućava bolje iskorištenje prostora, i dr.

Izazovi u primjeni hibridno-električnog pogona na vojnim vozilima
Hibridno-električni pogon iako vrlo brzo prodire u civilni sektor, te je prošao nekoliko vrlo važnih faza u primjeni na vojnim vozilima, još uvijek se suočava sa znatnim izazovima, među kojima su najvažniji:
• tehnologije komponenata: spremnici energije, motor/generatori, elektronika
• cijena komponenata i sustava u cjelini
• pouzdanost i vijek
• prilagodba logistike
• navike korisnika, itd.
S tehnologijskog aspekta, spremnici energije najslabija su karika hibridno-električnog pogona. Problemi su u njihovoj niskoj gustoći energije i maloj brzini protoka energije. Paket baterija znatnijeg kapaciteta zauzima mnogo prostora. Razvoj novih tehnologija nedvojbeno će ublažiti ako ne i otkloniti te probleme. Neki analitičari vjeruju da će Litij-ionske tehnologije biti zrele za primjenu već u 2005. godini i da će predstavljati bitno poboljšanje. Te tehnologije baterija uz obećavajuće nove tehnologije ultra-kondenzatora čini se da će predstavljati dobro rješenje za spremnike energije. Dobar kandidat kao alternativa takvim spremnicima može biti i elektromehanički spremnik. To je zapravo zamašnjak s električnim pogonom koji omogućava brzi protok energije. Takav zamašnjak kapaciteta 2 kWh je već komercijaliziran za primjenu u autobusima, a u Njemačkoj je testiran i za primjenu u vojnim vozilima. Procjenjuje se da će tehnologija zamašnjaka biti zrela za primjenu na vojnim vozilima već u 2005. godini. Konačno rješenje pitanja spremnika energije moglo bi biti i hibridno – kombinacija baterija i ultra-kondenzatora ili zamašnjaka jer se tako mogu iskoristiti prednosti pojedinačnih rješenja.

Živko ILIJEVSKI