Spis treści
Zacznijmy od podstaw. Co to jest hybryda i jak działa?
Myśląc o hybrydzie mamy zwykle na myśli silnik spalinowy i elektryczny, a dokładniej urządzenie mogące działać jako generator lub silnik elektryczny. Mogą one współdziałać na kilka sposobów. Najczęściej myślimy o prostym przełożeniu mocy spalinowej jednostki napędowej na silnik elektryczny, kiedy działa ona jak generator energii elektrycznej magazynowanej w akumulatorach lub działaniu odwrotnym, zasilając silnik spalinowy np. podczas rozruchu. Kolejna logiczna opcja to użycie tylko silnika spalinowego lub elektrycznego, zależnie od potrzeb i ilości zmagazynowanej energii. Ale mamy też inne możliwości, które dają nam nowoczesne jednostki hybrydowe.
Możliwe jest na przykład czasowe połączenie obu źródeł mocy. W spółce Radiotechnika Marketing realizowane były prace badawcze nad silnikiem lotniczym z ze startogeneratorem elektrycznym, który może realnie podwoić moc głównej jednostki napędowej. Testowany silnik może napędzić lekki samolot lub maszynę bezzałogową. Taka opcja wykorzystania hybryd jest bardzo atrakcyjna w lotnictwie. Podczas startu czy w sytuacji awaryjnej, gdy potrzebna jest duża moc przez ograniczony czas, można do czasu wyczerpania energii zmagazynowanej w akumulatorach, które doładowywane są podczas lotu „bez wspomagania”.
Inne ciekawe zastosowanie, to użycie takiej hybrydowej jednostki napędowej jako agregatu prądotwórczego podczas pracy na postoju. Zamiast posiadać zewnętrzny generator lub holować za sobą osobne urządzenie, pojazd może podczas postoju zasilać np. stacje radiolokacyjną. Nie musi to być sprzęt zamontowany na pojeździe, ale można zastosować przyłącza zewnętrzne i dostarczać energię na przykład do kwater czy kontenerów dowodzenia. Oprócz ograniczenia dodatkowego wyposażenia może to mieć dodatkowe zalety. Na przykład lepsze rozpraszanie ciepła czy maskowanie niż zewnętrznego agregaty.
To tylko przykłady mniej oczywistych zalet napędów hybrydowych, ale pokazują one, że ten trend to nie żadne „eko szaleństwo” czy walka z hałasem i emisją CO2. Wojna nigdy nie należała do obszarów ekologicznej czy humanitarnej działalności człowieka, a sprzęt wojskowy powstaje przecież do prowadzenia wojen. Zapnijmy więc pasy i zanurzmy się w świecie hybrydowych napędów wojskowych.
Pojazdy lądowe, czyli od robotów po czołgi
Jednym z bardziej popularnych pojazdów wojskowych z napędem hybrydowym są bezzałogowce lądowe estońskiej firmy Milrem, takie jak modułowy pojazd THeMIS, który waży około 1600 kg i może transportować ładunek o masie 1200 kg. THemiS to platforma umieszczona pomiędzy dwoma modułami elektryczno-spalinowymi, których cały system obwiedziony jest dookoła gąsienicą jak w miniaturowym modelu czołgu Mk V z czasów I wojny światowej. Płaska platforma długości niemal 2,5 metra pozwala instalować różne rodzaje wyposażenia czy uzbrojenia.
i
Wysoka mobilność i spektakularny stosunek masy do zdolności transportowych to efekt połączenia silnych silników elektrycznych i zasilającego je agregatu spalinowego i akumulatorów. Zaleta silnika elektrycznego jest jego natychmiastowy pełny moment obrotowy od samego uruchomienia oraz możliwość regulowania mocy wyjściowej bez użycia mechanicznych przekładni. Silnik, koło napędowe i system podawania do niego zasilania pełnią rolę regulacji prędkości obrotowej i mocy wyjściowej. Obniża to wagę systemu i pozwala mu „ruszyć z miejsca” nawet w najtrudniejszym terenie.
W razie potrzeby taki pojazd hybrydowy może poruszać się w trybie cichym, tylko z użyciem akumulatorów i silników elektrycznych. Obniża to nie tylko jego sygnaturę akustyczną, ale też sygnaturę termiczną – czynnik często decydujący o wykryciu na współczesnym polu walki i stosowany naprowadzaniu środków bojowych, takich jak pociski kierowane. Taki „stealth mode” nęci również w przypadku większych platform bojowych, na przykład czołgów i bojowych wozów piechoty.
Dlatego nad napędem hybrydowym o podobnym układzie pracuje też Rolls-Royce, rozwijając napęd czołgowy oparty o potężne silniki elektryczne, akumulatory i spalinowe źródła zasilani firmy MTU. Ma to umożliwić projektowanym przyszłym platformom bojowym optymalne wykorzystanie przestrzeni, obniżenie wagi i uproszczenie eksploatacji. Silniki elektryczne użyte w miejsce skomplikowanych przekładni są nie tylko prostsze w obsłudze i mniej podatne na awarie, ale też znacznie lżejsze. Zajmują też mniej miejsca, co daje konstruktorom więcej przestrzeni na amunicję, paliwo czy załogę.
Poza tym Rolls-Royce obserwując trend jeśli chodzi o zapotrzebowanie nowych pojazdów wojskowych na moc do zasilania systemów pokładowych i uznaje takie rozwiązanie za logiczne. Jeden agregat napędza je wszystkie, a silniki napędzające gąsienice stają się po prostu kolejnym systemem, obok tych napędzających np. wieżę i stabilizację uzbrojenia. Pozwala to też w sposób bardziej wydajny zarządzać mocą i zużyciem paliwa.
Leopard 2 czy CV90 z hybrydą? Może już niebawem
Inny kierunek, to hybryda w postaci silnika spalinowego ze startogeneratorem, podobny do testowanego przez Radiotechnika Marketing rozwiązania lotniczego, ale o mocy nie kilkudziesięciu, ale ponad tysiąca kilowatów. Taki system również jest rozwijany w tej firmie, choć obecnie informacje na temat są bardzo ograniczone. Zadaniem takich potężnych hybryd ma być nie tylko zasilanie elektronicznych systemów pokładowych, ale również napęd pojazdu. Pozwala to wykorzystać opisane wcześniej zalety napędu hybrydowego w platformach wielkości czołgu. Polskie projekty wpisują się w światowy trend.
Taki hybrydowy power-pack rozwija na przykład niemiecki koncern MTU, znany z produkcji silników stosowanych również w polskich pojazdach wojskowych. Składa się on z dziesięciocylindrowego silnika o mocy 800 kW, który wraz z generatorem ma uzyskiwać maksymalną moc 980-1000 kW. Ma to umożliwić napęd pojazdów o masie 60-70 ton, czyli np. czołgów podstawowych. istotnym kierunkiem jest tu napęd nowych platform, ale ze względu na mniejsze wymiary i masę niż silnika klasycznego o zbliżonej mocy MTU myśli też o powerpacku do remotoryzacji obecnie używanych wozów bojowych.
i
Układy hybrydowe optymalizują też zużycie paliwa poprzez inteligentne przełączanie między źródłami zasilania, wykorzystując silniki elektryczne do manewrów przy niskich prędkościach, a silniki diesla do szybkiego przemieszczania. Przykładowo, BAE Systems CV90 Hybrid zademonstrował oszczędności paliwa do 20% w testach terenowych. Oshkosh Defense opracował hybrydowy model pojazdu JLTV, który może poprawić zużycie paliwa o ponad 20% i eliminuje potrzebę holowanych generatorów, dzięki rozwiązaniom o których pisałem wcześniej. To zyski w efektywności bezpośrednio przekładające się na wydłużony czas trwania misji, zmniejszając częstotliwość niebezpiecznych operacji tankowania i redukując obciążenie logistyczne jednostek opancerzonych.
Lotnicze hybrydy – nie tylko dla dronów
W sektorze lotniczym, napędy hybrydowe oferują szereg korzyści, szczególnie w kontekście rosnących wymagań środowiskowych i operacyjnych. Są testowane głównie do zastosowań komercyjnych, gdzie redukcja emisji, zużycia paliwa i hałasu jest istotnym czynnikiem decydującym o ekonomicznych aspektach eksploatacji maszyn. Stąd zainteresowanie wielkich koncernów, takich jak Airbus, z projektem ZEROe skupiającym się na ogniwach paliwowych wodorowych. Słowem kluczem w cywilnym zastosowaniu jest zeroemisyjność.
Napędy hybrydowe są kluczowe dla rozwoju bezzałogowych statków powietrznych i pojazdów pionowego startu i lądowania (eVTOL), które mają być wykorzystywane w transporcie miejskim (Urban Air Mobility), ale mają swoje zalety też misjach wojskowych, takich jak rozpoznanie i amunicja krążąca. Na przykład Hybrid-Electric X-Engine (HEXE) firmy LiquidPiston, umożliwia cichy tryb elektryczny dla bezzałogowców, zwiększając śmiercionośność, utrudniając usłyszenie maszyny wskazującej cel czy dokonującej uderzenia. Optymalizacja zużycia paliwa w przypadku lotniczego napędu hybrydowego to też zwiększenie zasięgu lub długotrwałości lotu maszyn wojskowych.
Na początku tego tekstu przytoczyłem przykład układu hybrydowego testowanego w polskiej spółce Radiotechnika Marketing, który składa się z silnika tłokowego o mocy około 50 kW i startogeneratora o podobnej mocy, co daje szczytową moc układu na poziomie około 100 kW. To napęd o mocy odpowiedniej dla bezzałogowców taktycznych, lekkich samolotów lub maszyn uderzeniowych dalekiego zasięgu.
i
Dla porównania, do napędu bezzałogowca Bayraktar TB2, znajdującego się na uzbrojeniu polskich sił powietrznych, używany jest silnik Rotax 912 o mocy niespełna 74 kW. Jego wydajność, zużycie paliwa i moc startowa (maksymalna, możliwa do uzyskania przez krótki czas) są znacznie słabsze niż układu hybrydowego o podobnej masie. Hybryda ma też tą przewagę, że w kluczowej fazie lotu, na przykład podczas ataku czy działania w bezpośrednim kontakcie z przeciwnikiem, można użyć cichego trybu elektrycznego. Znacznie utrudnia to przeciwnikowi wykrycie maszyny, szczególnie w nocy, czy to ze względu na dźwięk, czy sygnaturę termiczną.
To ogromna przewaga w warunkach bojowych. Polskie siły zbrojne i MON mają tego świadomość. Dlatego m.in. w systemie rozpoznawczo-uderzeniowym Gladius, z kilku dostępnych wariantów wybrano użycie bezzałogowca FT-5 w układzie hybrydowym. Spalinowy silnik, a w zasadzie agregat, znajdujący się w kadłubie, napędza śmigła poprzez dwa silniki elektryczne. To stawia Polskę wśród liderów w tym obszarze na świecie.
Marynarka wojenna to nie tylko hybrydowe okręty podwodne
W tym miejscu, jako oczywisty przykład hybrydy pojawia się okręt podwodny z tak zwanym napędem AIP (ang. Air-Independent Propulsion) czyli połączenie silników elektrycznych i różnych źródeł zasilania akumulatorów. Mogą to być chemiczne ogniwa paliwowe, silniki spalinowe itp. Zaletą jest tutaj ciche i skryte działania. Nawet kiedy spalinowe generatory są włączone, są one izolowane i amortyzowane względem kadłuba, aby nie przenosić wibracji i dźwięku.
Dziś są to najbardziej popularne napędy okrętów podwodnych, ale jest to temat tak specyficzny i skomplikowany, że zasługuje na osobną analizę. Chciałbym więc wskazać mniej oczywisty przykład – okręty nawodne.
i
Na przykład systemy hybrydowe CODLOG (Combined Diesel eLectric Or Gas) stosowana w Royal Navy, które optymalizują zużycie paliwa, szczególnie przy prędkościach marszowych. Przekłada się to na zwiększony zasięg operacyjny, np. ponad 7000 mil morskich dla fregat Type 26. Brytyjczycy myślą też o skrytym, cichym działaniu, co jest kluczowe dla unikania wykrycia przez sonary. Fregaty Royal Navy Type 23 i Type 26 powstały z układem napędowym CODLOG, ale przede wszystkim z myślą o ultra-cichym napędzie, co jest kluczowe w walce z okrętami podwodnymi. Akustyczne obudowy generatorów diesla i ich umiejscowienie nad linią wodną dodatkowo obniża ich sygnaturę akustyczną, ułatwiając „podkradanie się” do okrętów przeciwnika używających pasywnych systemów detekcji akustycznej.
Inna ważna kwestia, o której pisałem też w kontekście pojazdów lądowych i maszyn latających, to rosnące wymagania w zakresie mocy elektrycznej do zasilania radarów, sonarów, systemów broni kierowanej energią (np. laserów i EMP) oraz elektromagnetycznych dział – broni, które są dziś rozwijane w aplikacjach morskich. Systemy takie jak Combat Hybrid Power System (CHPS), nad którym pracuje obecnie US Navy, mogą dostarczać nawet 12 MW mocy szczytowej.
Napędy elektryczne i hybrydowe, dzięki zdolności do efektywnego generowania i dystrybucji mocy, umożliwiają zasilanie tych energochłonnych technologii bez przeciążania sieci okrętowej. Pozwalają też na jej dynamiczne przekierowanie do kluczowych w danej chwili systemów, co przypomina nieco sytuację z filmów Sci-Fi, takich jak Star Trek czy Star Wars, gdzie dowódca może zdecydować o przekierowaniu większości energii np. do uzbrojenia czy napędu, zależnie od bieżącej sytuacji.
Przyszłość, której nie unikniemy
Mimo oczywistych korzyści taktycznych, tempo wdrażania napędów hybrydowych w wojsku jest znacznie wolniejsze niż w sektorze cywilnym. Wynika to nie tylko z wyzwań technicznych, ale także z wyższych kosztów początkowych, odmiennego systemu obsługi i konserwacji. Ale kluczowa zdają się jednak awersja do ryzyka i powolny proces wymiany sprzętu oraz brak pełnej świadomości zalet takiego systemu.
Czynniki te tworzą cykl, w którym brak masowego wdrożenia utrzymuje wysokie koszty, a wysokie koszty zniechęcają do masowego wdrożenia napędów hybrydowych. Aby przyspieszyć adaptację, konieczne są reformy w procesach zamówień i analiza świadomości istnienia takich rozwiązań, długoterminowe zobowiązania finansowe oraz inwestycje w szkolenie personelu. Pozwoliłoby to na obniżenie kosztów cyklu życia i zwiększenie zaufania oraz zrozumienia tej technologii.
W długiej perspektywie bowiem hybrydowe napędy sprzętu wojskowego wnoszą wiele pozytywnych zmian, które opisałem powyżej. Zarówno w zakresie kosztów i złożoności obsługi jak też walorów operacyjnych i nowych możliwości. Szczególnie gdy spojrzymy na rosnącą liczbę rozwiązań wojskowych, zasilanych energią elektryczną.
W przeszłości sprzęt wojskowy nie był tak silnie skomputeryzowany i zelektryfikowany. Obecnie rośnie lawinowo liczba systemów wymagających zasilania energią elektryczną, ale też ich energochłonność. Nie chodzi jedynie o elektryczne napędy wież, stabilizację uzbrojenia czy zaawansowane systemy C4ISR.
Pojazdy stają się „stacją ładowania” np. dla radiostacji czy noktowizorów i innych urządzeń nie tylko załogi, ale i desantu. Nowe zagrożenia wymagają stosowanie nowych systemów ochrony, zagłuszarek przeciw dronom, systemów aktywnej ochrony przed pociskami kierowanymi czy wreszcie broni wysokich energii, takich jak lasery. Wszystko to, wraz z zaletami samego napędu hybrydowego w aplikacjach wojskowych, powoduje, że ich popularność, a więc i dostępność, będzie rosła.
Jest to więc reforma, która już nadchodzi i warto być w jej czołówce. Ale warto też rozumieć kolejne wyzwania, które się przy tej okazji pojawiają. Jednym z nich jest tak zwana kompatybilność elektromagnetyczna, która decyduje nie tylko o emisji elektromagnetycznej pojazdy, ale też niezakłóconej pracy jego systemów pokładowych.
To jednak temat na kolejny artykuł. Już niebawem.
