najnowsze tendencje w projektowaniu pojazdÓw … · rozwój technik komputerowych w ostatnich...
TRANSCRIPT
Szybkobieżne Pojazdy Gąsienicowe (48/49) nr 2/3, 2018
dr hab. inż. Sławomir KCIUK, prof. dr hab. inż. Arkadiusz MĘŻYK, dr h.c. prof. dr hab. inż. Eugeniusz
ŚWITOŃSKI – Politechnika Śląska, Gliwice
Sławomir KCIUK
Arkadiusz MĘŻYK
Eugeniusz ŚWITOŃSKI
NAJNOWSZE TENDENCJE W PROJEKTOWANIU POJAZDÓW
SPECJALNYCH
Streszczenie. W artykule przedstawiono nowe tendencje w projektowaniu, w szczególności pojazdów
wojskowych. Przybliżono ideę projektowania mechatronicznego – synergii metod badawczych w celu
osiągnięcia optymalnego wytworu. Opisano metodę projektowania pojazdów specjalnych polegającą na
połączeniu modeli wirtualnych i modeli rzeczywistych wybranych komponentów pojazdu. Analizowano
tendencje rozwojowe pojazdów wojskowych.
Słowa kluczowe: projektowanie mechatroniczne, pojazd wojskowy, pancerz.
1. WPROWADZENIE
Postęp technologiczny, obserwowany wciągu ostatnich kilkudziesięciu lat, wiąże się
ściśle z gwałtownym wzrostem innowacyjności w zakresie nowych technologii wytwarzania
oraz metod i narzędzi projektowania.
Zintegrowane metody projektowania, z zastosowaniem najnowszych osiągnięć
inżynierii materiałowej, wsparte badaniami fizycznymi i symulacyjnymi z wykorzystaniem
modeli wirtualnych, stają się standardową praktyką w procesie powstawania i wytwarzania
produktu. Dalszy rozwój tych metod, szczególnie w odniesieniu do projektowania układów
mechatronicznych, wymaga sprostania wielu wyzwaniom, związanym m.in.
z multidyscyplinarnym charakterem tego typu układów i jednoczesnym ich sprzężeniem
z systemami sterowania. Ważnym aspektem jest zatem wykorzystanie efektu synergii metod
badawczych w celu uzyskania optymalnych cech dynamicznych i zapewnienia zadanych
parametrów eksploatacyjnych (rys. 1).
Pierwsze wyzwanie dla zespołów projektowych wiąże się z faktem, że prawie wszystkie
narzędzia symulacyjne, które w ciągu ostatnich 20 lat zostały wdrożone w celu wsparcia
inżynierii projektowania produktu (w tym: metoda elementów skończonych, modelowanie
w konwencji układów wieloczłonowych), odnoszą się głównie do doboru cech geometrycznych
konstrukcji. Dalsza integracja układów hydraulicznych, elektronicznych, elektromechanicznych
i innych, każdy o złożonej funkcjonalności i naturze fizycznej, realizowana jest przez niezależne
grupy projektantów z wykorzystaniem innego specjalistycznego oprogramowania. Nowoczesne
podejście do projektowania wymaga jednak zastosowania nowych metod symulacyjnych, które
wykraczają poza tradycyjne narzędzia CAD i MES [3].
Drugie wyzwanie dotyczy integracji systemów fizycznych i układów sterowania.
Nieoptymalne połączenie różnych podsystemów: mechanicznego, elektronicznego,
informatycznego oraz sterowania, generuje problemy w procesie integracji oraz powoduje
niewykorzystanie efektu synergii, wydłużenie czasu trwania procesu projektowo-
konstrukcyjnego, zwiększenie nakładów finansowych, a nawet jego przerwanie ze względu na
nieosiągnięcie celu (rys. 2) [3].
Sławomir KCIUK, Arkadiusz MĘŻYK, Eugeniusz ŚWITOŃSKI
Rys. 1. Zaawansowane metody projektowania i modelowania w projekcie ANDERS
Optymalne połączenie systemów o różnorodnej naturze z uwzględnieniem systemów
sterowania na wszystkich etapach procesu projektowania prowadzi w efekcie do powstania
nowych paradygmatów badawczych. Przykładem mogą tu być: modele Hardware In the Loop
(HIL), Software In the Loop (SIL) i Model In the Loop (MIL) (rys. 2).
Rys. 2. Model synergii metod badawczych [3]
Fundamentalne zmiany, jakie zachodzą w dziedzinie związanej z bezpieczeństwem
i obronnością państwa, polegają przede wszystkim na zwiększającej się liczbie systemów
elektronicznych i mechatronicznych. Optymalizacja wydajności, integracja podsystemów,
kontrola części podsystemów muszą stać się nieodłączną częścią procesu inżynierii produktu.
W licznych badaniach wykazano, że omawiane podejście projektowania (mechatroniczne),
wykorzystujące modele wirtualne i obiekty rzeczywiste w kosymulacjach, w czasie
rzeczywistym, przyczynia się do osiągnięcia celu poprzez dostarczanie rozwiązań na obu
Najnowsze tendencje w projektowaniu pojazdów specjalnych
poziomach: modelu matematycznego (łącznie z dynamiką obiektu rzeczywistego
w kosymulacji) oraz zintegrowanego układu sterowania.
Aby skonstruować systemy mechatroniczne, istnieje potrzeba budowy wielu modeli
fizycznych poszczególnych podsystemów. Konieczne jest też przeprowadzenie wielu symulacji,
jak również walidacji opracowanych modeli. Na przykład: modelowanie elektrycznie
wspomaganego układu kierowniczego wymaga połączenia modeli układu mechanicznego
i elektrycznego, a układ hamulcowy wymaga opracowania modeli układów: mechanicznego,
hydraulicznego i elektrycznego. Wielowymiarowe modele fizyczne budowane na potrzeby
symulacji i walidacji muszą również uwzględniać coraz większą różnorodność i złożoność
czujników i elementów, które są używane w systemach mechatronicznych, biorąc pod uwagę
środowisko, w którym system będzie działał. Integracja takich modeli o różnej naturze fizykalnej
jest dużym wyzwaniem dla projektanta, szczególnie w przypadku pojazdów gąsienicowych.
Zmiana warunków użycia współczesnego sprzętu wojskowego stawia przed konstruktorami
pojazdów wojskowych zupełnie nowe zadania, zarówno w zakresie stosowania nowoczesnych
rozwiązań zapewniających pożądane parametry taktyczne, jak również nowego systemowego
podejścia do zagadnień projektowania i wytwarzania, ze znacznym udziałem technik kompute-
rowych. Złożoność układów, występowanie wielu systemów mechatronicznych, a także wysokie
koszty prowadzenia prac badawczo-rozwojowych i wdrożeniowych wymagają stosowania
najnowocześniejszych metod projektowania mechatronicznego (rys. 3).
Rys. 3. Mechatroniczne podejście do realizacji projektu [3]
Konieczność integracji w pojeździe wielu systemów technicznych powoduje, że obecnie
w trakcie procesu konstruowania nie wystarczy już przeprowadzenie obliczeń statycznych
i sporządzenie zapisu postaci konstrukcyjnej układu, a następnie weryfikacja dokumentacji na
podstawie badań doświadczalnych prototypu. Niezbędne jest zastosowanie metod
komputerowego wspomagania projektowania i modelowania wirtualnego, symulacji
numerycznych czy też metod szybkiego prototypowania. Dokumentacja pojazdu powstaje już nie
tylko w biurze konstrukcyjnym, lecz także w laboratorium mikroprocesorowym i laboratorium
oprogramowania. Coraz ważniejsze staje się wzajemne porozumiewanie się konstruktorów
mechaników z elektronikami i informatykami. Przykładem takiego podejścia jest wspomaganie
procesu projektowo-konstrukcyjnego wynikami obliczeń numerycznych w zakresie
modelowania, analizy wrażliwości i optymalizacji cech dynamicznych układu (rys. 4).
Sławomir KCIUK, Arkadiusz MĘŻYK, Eugeniusz ŚWITOŃSKI
Wielu możliwości w tym zakresie dostarcza oprogramowanie metody elementów
skończonych. Jednak specyfika sposobu obciążania struktury pojazdu (np. penetracja
pancerza rdzeniem pocisku, analiza oddziaływania na kadłub fali uderzeniowej od wybuchu
miny itp.) powoduje, że klasyczne obliczenia stereomechaniczne w zakresie statyki nie są
wystarczające. Obliczenia takie muszą uwzględniać duże odkształcenia, impulsowe
obciążenia i procesy szybkozmienne w czasie. Możliwości takie posiada specjalizowane
oprogramowanie wykorzystujące MES, np. LS-Dyna, MSC.Marc itp.
Rys. 4. Schemat procesu projektowania systemu mechatronicznego [3]
Dostępne na rynku komercyjne oprogramowanie komputerowego wspomagania
projektowania i obliczeń numerycznych umożliwia realizację wielu etapów procesu
projektowo-konstrukcyjnego pojazdów specjalnych.
Opracowując założenia projektowe i dokumentację prototypu, określa się strukturę
układu oraz jego cechy geometryczne. Na tej podstawie można przeprowadzić identyfikację
modelu oraz estymację jego parametrów, a na dalszym etapie prac także optymalizację ze
względu na zapewnienie pożądanych własności dynamicznych. W tym kontekście
mechatroniczne podejście do zagadnień projektowania, wspomagane często metodami
szybkiego prototypowania, umożliwia znaczne skrócenie i obniżenie kosztów procesu
wytwarzania złożonego technicznie produktu (rys. 4). Proces projektowo-konstrukcyjny
w ujęciu mechatronicznym powinien zatem zawierać następujące etapy:
analiza problemu i opracowanie założeń projektu;
opracowanie systemu zarządzania projektem;
modelowanie wirtualne w zakresie systemów mechatronicznych;
obliczenia numeryczne w zakresie modeli stereomechanicznych i dynamicznych;
optymalizacja układu mechatronicznego z uwzględnieniem wewnętrznych
sprzężeń,
sporządzenie dokumentacji konstrukcyjnej;
integracja systemów i budowa prototypu;
badania prototypu.
Najnowsze tendencje w projektowaniu pojazdów specjalnych
Poszczególne etapy projektowania nie są realizowane sekwencyjnie, lecz zachodzą na
siebie lub realizowane są równolegle (np. w zakresie poszczególnych podsystemów),
a ponadto w wielu miejscach występują wzajemne sprzężenia pomiędzy nimi.
2. WYZWANIA
Do końca ubiegłego wieku następował wyraźny transfer wiedzy technicznej ze sfery
wojskowej do cywilnej, ale zmiany w sytuacji geopolitycznej, zmniejszenie zagrożenia
konfliktem militarnym oraz przemiany gospodarcze i wzrost konkurencji na rynkach
światowych spowodowały gwałtowny rozwój cywilnych badań naukowych oraz prac
badawczo-rozwojowych i zmniejszenie nakładów na programy wojskowe. Często wyniki
cywilnych prac naukowych i badawczo-rozwojowych stwarzają możliwości ich
równoczesnych aplikacji militarnych – technologie dualne lub technologie podwójnego
zastosowania. W ostatnich latach, szczególnie w zaawansowanych technologicznie krajach,
duża część rozwiązań technicznych wykorzystywanych w produkcji sprzętu wojskowego
wywodzi się z cywilnych prac badawczo-rozwojowych. Kierunek i zakres przepływu
technologii pomiędzy sferą cywilną i wojskową zależą od obszaru tematycznego, jednak
najczęściej wojsko wdraża cywilne rozwiązania techniczne z zakresu elektroniki
i informatyki. Należy jednak podkreślić, że wiele specjalistycznych obszarów badawczych
jest i będzie ściśle zarezerwowanych dla laboratoriów wojskowych (np. nowe systemy
uzbrojenia, technologie stealth itp.).
Udział cywilnych technologii w rozwoju produktów o przeznaczeniu militarnym
zmienia podejście do sposobu projektowania, wytwarzania oraz eksploatacji sprzętu
wojskowego, jednocześnie umożliwiając osiągnięcie wysokich parametrów taktyczno-
technicznych. Wykorzystanie gotowych, opracowanych do zastosowań cywilnych,
podzespołów skraca cykl badawczo-rozwojowy nowego sprzętu, umożliwia redukcję kosztów
opracowania i wdrożenia gotowego produktu, a także obniża koszty wytworzenia
i eksploatacji dzięki użyciu znacznie tańszych podzespołów i komponentów produkowanych
seryjnie. Szczególnie istotny i znaczący jest udział polskiej myśli naukowej we
współtworzeniu światowych i krajowych tendencji rozwoju produktów o przeznaczeniu
militarnym. Biorąc pod uwagę prognozę światowych rynków sprzętu wojskowego do
2022 roku (na podstawie ankiety Defence IQ), należy sądzić, że Polska znajduje się wśród
krajów o znaczącym udziale zakupów sprzętu i systemów uzbrojenia.
3. TECHNIKA SYMULACJI W UJĘCIU PROJEKTOWANIA WSPÓŁBIEŻNEGO
Rozwój technik komputerowych w ostatnich latach dał nowe możliwości w zakresie
modelowania i analizy maszyn oraz ich części. Techniki te są dużym udogodnieniem przy
projektowaniu urządzeń, które wyznaczają nowe standardy w dziedzinach bezpieczeństwa,
walorów użytkowych i ekonomii produkcji.
W przeszłości wiele prac projektowych bazowało na założeniu, że układ jest złożony
z brył sztywnych lub że odkształcenia sprężyste powstające pod wpływem oddziaływań
dynamicznych są mało znaczące czy wręcz nieistotne. Siły zewnętrzne lub też siły
wewnętrzne powstałe podczas ruchu wywołują drgania elementów nakładające się na ruch
mechanizmu. Efekt ten jest szczególnie istotny w mechanizmach o dużej precyzji działania.
Poprawność otrzymanych wyników obliczeń numerycznych zależy od właściwej
identyfikacji modeli dynamicznych. Kluczowym punktem staje się estymacja parametrów
modelu, a szczególnie charakterystyk rozpraszania energii.
Zagadnienie estymacji parametrów modelu można także rozwiązać, tworząc modele
hybrydowe, polegające na sprzężeniu rzeczywistego obiektu zamontowanego na stanowisku do
Sławomir KCIUK, Arkadiusz MĘŻYK, Eugeniusz ŚWITOŃSKI
wymuszeń dynamicznych z modelem matematycznym i realizując symulację w czasie
rzeczywistym.
W ramach prowadzonych prac w Instytucie Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej
Politechniki Śląskiej zaproponowano i wdrożono sposób modelowania wybranej klasy
układów mechanicznych jako połączenie modeli opracowanych w środowiskach wirtualnych
z rzeczywistymi elementami takich układów (rys. 5) [6, 18, 19, 20, 21, 29]. Połączenie
realizowane jest w tzw. czasie rzeczywistym za pomocą środowiska czasu rzeczywistego
i karty procesorów sygnałowych dSpace. Opracowana metodyka modelowania układów
mechanicznych jest alternatywą dla tradycyjnych metod modelowania. Ponadto wprowadza do
opisu zjawisk dynamicznych rzeczywiste charakterystyki sprężysto-tłumiące elementów
modelowanego układu mechanicznego. Niewątpliwą zaletą jest możliwość symulacji pracy
systemu mechanicznego z uwzględnieniem rzeczywistego komponentu tego systemu, co
prowadzi do efektywnego skrócenia czasu wprowadzenia wytworu na rynek oraz ograniczenia
kosztów budowy prototypów systemu. Możliwa jest również symulacja uwzględniająca
wielkości sterujące niezbędne do prawidłowego działania projektowanego systemu.
Rys. 5. Przykładowy schemat działania symulacji w pętli sprzętowej [3]
Model opracowany tą metodą (rys. 6), opisujący zjawiska dynamiczne zachodzące
w obiekcie rzeczywistym – zaimplementowany w środowisku wirtualnym przez zastosowanie
m.in. tzw. modułów Real Time, przetwarzany jest na kod źródłowy języka programowania C.
Kod ten przekazywany jest do układu wykonawczego. Dzięki zastosowaniu kart dSpace cały
proces „ładowania i wykonywania” programu odbywa się na procesorze karty poza
komputerem, co znacznie zwiększa wydajność oraz możliwości całego procesu. Odciążony
komputer generuje lepszą reprezentację graficzną procesu. Komputer jest jedynie narzędziem
Najnowsze tendencje w projektowaniu pojazdów specjalnych
komunikacji użytkownika ze środowiskami obliczeniowymi. Na rysunku 6 przedstawiono
schemat symulacji w pętli sprzętowej z wykorzystaniem karty dSpacemodel DS 1104.
Rys. 6. Symulacja w pętli sprzętowej z wykorzystaniem karty czasu rzeczywistego
dSpace [3]
Prowadzone symulacje mogą być monitorowane, a ich parametry mogą być
modyfikowane w czasie ich trwania.
4. TENDENCJE ROZWOJOWE POJAZDÓW WOJSKOWYCH
Dotychczasowa koncepcja konstrukcji pojazdów wojskowych, przeznaczonych do
uczestniczenia w konfliktach z udziałem podobnie uzbrojonego i wyposażonego przeciwnika
w postaci regularnej armii, spowodowała, że główny nacisk był położony na zwalczanie środków
pancernych nieprzyjaciela oraz zwiększenie odporności własnego sprzętu na działanie takich
środków. Skutkowało to wzrostem opancerzenia przodu i boków pojazdów oraz wzrostem kalibru
uzbrojenia głównego, a tym samym wzrostem masy pojazdu. Mniejszy nacisk kładziono na
zwiększoną odporność przeciwminową oraz osłonę pojazdów przed atakiem z góry. Pojazdy te
nadawały się do działań manewrowych, jednak ich udział w konfliktach niesymetrycznych, gdzie
dominują działania partyzanckie, obnażył wszystkie ich niedoskonałości. Ciężkie uzbrojenie
czołgów, czy wozów bojowych staje się mało przydatne przy zetknięciu z bojownikiem
uzbrojonym w granatnik przeciwpancerny lub improwizowane urządzenia wybuchowe (IED).
Udział ZSRR w konflikcie w Afganistanie, a następnie wojsk rosyjskich w Czeczenii, gdzie walki
partyzanckie prowadzone były w górach bądź na terenach zurbanizowanych, pokazał brak
skuteczności podstawowego uzbrojenia oraz odporności sprzętu pancernego i pojazdów
opancerzonych na atak z bliska, z dołu bądź z góry. Podobne problemy wystąpiły podczas misji
wojsk sprzymierzonych w Iraku czy Afganistanie. Charakterystyczną cechą obecnych konfliktów
Sławomir KCIUK, Arkadiusz MĘŻYK, Eugeniusz ŚWITOŃSKI
zbrojnych jest używanie jako zasadniczego środka walki improwizowanych urządzeń
wybuchowych (IED). Pomimo technologicznej dominacji w sprzęcie i uzbrojeniu, wojska państw
NATO, biorące udział w działaniach zbrojnych w Afganistanie i Iraku, ponoszą stosunkowo duże
straty, będące wynikiem eksplozji min lądowych oraz improwizowanych urządzeń wybuchowych
IED. W ciągu kilku lat trwania walk w Iraku i Afganistanie liczba ataków z użyciem min
lądowych oraz improwizowanych urządzeń wybuchowych IED na wojska koalicji rosła w dużym
tempie [54, 15, 16].
Pojazdy wojskowe eksploatowane w obecnych konfliktach zbrojnych powinny zatem
zapewniać odpowiednią ochronę balistyczną, stosowną do nowych zagrożeń (rys. 7.). Poziom
ochrony balistycznej pojazdów NATO został określony w normie STANAG 4569. Istotą tego
dokumentu jest standaryzacja poziomu ochrony pojazdów wojskowych poprzez ocenę
zagrożenia życia załogi.
Najgroźniejszą bronią stosowaną obecnie w niesymetrycznych konfliktach zbrojnych
są miny lądowe, improwizowane urządzenia wybuchowe (IED) oraz pociski formowane
wybuchowo (EFP) i kumulacyjne [41-43]. Po detonacji urządzeń wybuchowych, w zależności
od masy ładunku i rodzaju inicjacji, oddziaływanie fali uderzeniowej wybuchu oraz
powstałych odłamków powoduje impulsowe obciążenia kadłuba pojazdu [5, 22]. Impuls ten
w kilka milisekund skutkuje znacznym przyspieszeniem, co powoduje urazy, a nawet śmierć
załogi [1, 2, 5, 7].
Rys. 7. Zagrożenia sprzętu wojskowego występujące
w obecnych konfliktach [23]
Zapewnienie odpowiedniej ochrony przeciw różnego rodzaju zagrożeniom
i urządzeniom wybuchowym staje się więc podstawowym celem nowoczesnych konstrukcji
pojazdów wojskowych. Właściwy poziom ochrony załogi uzyskuje się przez stosowanie
modułowych osłon i pancerzy dodatkowych, dobieranych i montowanych na pojeździe
w zależności od rodzaju zagrożenia. Schemat przedstawiający złożoność pasywnych
systemów ochrony pojazdu przedstawiono na rysunku 8.
Najnowsze tendencje w projektowaniu pojazdów specjalnych
Rys. 8. Przekrój poprzeczny kadłuba pojazdu specjalnego wyposażonego w złożony
system dodatkowych osłon pancerza [23]
Istotą rozwoju metod i środków ochrony przeciwminowej jest identyfikacja wpływu
oddziaływania fali uderzeniowej na strukturę pojazdu oraz jego załogę. Informacje na temat
przeciążeń pochodzących od oddziaływania wybuchu min lądowych na człowieka są trudno
dostępne lub niewystarczająco szczegółowe, dlatego podstawą do ich pozyskiwania staje się
prowadzenie badań eksperymentalnych oraz modelowych, a zapewnienie odpowiedniego
poziomu ochrony przeciwminowej staje się standardem przyszłych konstrukcji pojazdów
wojskowych [4, 8, 34, 41-43].
Pomimo skupienia uwagi na zagrożeniach wynikających z udziału w misjach
wojskowych prowadzone są prace nad sprzętem uniwersalnym, spełniającym wymogi
klasycznego konfliktu symetrycznego. Dąży się do pełnej unifikacji i modułowej budowy
pojazdów, która zapewni pełną elastyczność konfiguracji pojazdu w zależności od charakteru
realizowanej misji. Przykładem są pojazdy zaprojektowane przez szwedzki program SEP.
Zarówno pojazd kołowy, jak i gąsienicowy składają się z 3 podstawowych modułów:
załogowego, podwozia i wymiennego modułu funkcyjnego przystosowanego do realizacji
określonych zadań bojowych. Istnieje pełna wymienność modułów pomiędzy pojazdem
kołowym i gąsienicowym (rys. 9) [10-15].
System obrony aktywnejRPG, kierowana brońprzeciwpancernaŚrednie i duże pociskipodkalibrowe
Ochrona przedładunkami kumulacyjnymi
Ochrona przed IED typupocisków formowanychwybuchowo (EFP)
Ochrona balistycznaŚrednie pociski podkalibrowe30/35 mm APFSDS
Ochrona balistycznaPoziom 4 burty i dach Ochrona dachu przed podpociskami
Pancerz zasadniczy/konstrukcjaPoziom 1
System okładziny Poziom 2+i Overmatch
Ochrona przed minamifugasowymi i EFP
Ochrona przed IEPodłamkowymi i fugasowymi
Siedzisko wielofunkcyjne
Kierowca i załoga
Sławomir KCIUK, Arkadiusz MĘŻYK, Eugeniusz ŚWITOŃSKI
Rys. 9. Modułowe pojazdy SEP [23]
Opracowuje się nową generację kołowych transporterów opancerzonych oraz bojowych
wozów piechoty, odpowiadających również wymogom konfliktów niesymetrycznych.
Przykładem zastosowania takiego podejścia jest pojazd AMV Patria, produkowany w naszym
kraju jako KTO Rosomak, który wykazuje wysoki poziom ochrony załogi w trakcie licznych
ataków podczas misji afgańskiej i jest obecnie uważany za jeden z najlepszych pojazdów
w swojej klasie. Wiele dyskusji toczy się w odniesieniu do przyszłości czołgów. W pracach
badawczo-rozwojowych realizowanych obecnie na świecie można zaobserwować pojawienie się
koncepcji czołgu podstawowego (MBT),który miałby być transportowany drogą powietrzną,
w krótkim czasie, w dowolne miejsce. Priorytetem w tym przypadku jest relatywnie niska masa
i duża siła ognia. Przykładem takiego pojazdu może być opracowany w OBRUM sp. z o.o.
w Gliwicach czołg nowej generacji o masie 33 t, przystosowany do transportu lotniczego,
uzbrojony w automatycznie ładowaną armatę o kalibrze 120 mm (rys. 10) [27, 31].
Rys. 10. Model wirtualny czołgu nowej generacji opracowanego
w OBRUM sp. z o.o. [31]
Dzięki postępowi w dziedzinie inżynierii materiałowej możliwe jest zachowanie wysokiej
odporności na zagrożenia, przy podobnej masie pancerza, jak w rozwiązaniach
konwencjonalnych. Przykładowo przy zapewnieniu takiej samej odporności balistycznej pojazdu,
dzięki zastosowaniu materiałów nanostrukturalnych, można zredukować masę pancerza nawet
o 30% (rys. 11) oraz zwiększyć odporność na wielokrotne trafienia (rys. 12.) [23].
Najnowsze tendencje w projektowaniu pojazdów specjalnych
RHA (odniesienie)
Ceramiczny
standardowy
Nanoceramiczny
ZagrożeniePoziom 1 Poziom 2 Poziom 3 Poziom 4
Gęs
tość
po
wie
rzch
nio
wa
Rys. 11. Porównanie jednostkowej masy opancerzenia stali pancernej RHA, pancerza
ceramicznego i pancerza ceramicznego o nanostrukturze w zależności od poziomu
ochrony balistycznej (STANAG 4569) [23]
Innymi czynnikami pozwalającymi na redukcję masy pojazdu są postęp w dziedzinie
konstrukcji jednostek napędowych oraz automatyzacja systemów zasilania armat w amunicję.
Zwiększenie prędkości pojazdów bojowych ograniczone jest jednak charakterystykami
zawieszeń. W przypadku pojazdów wojskowych konieczne jest zapewnienie zmiennych
charakterystyk zawieszeń dla różnych warunków trakcyjnych (szosa, bezdroża, warunki
poligonowe itp.). Nowoczesne półaktywne układy zawieszeń umożliwią dalszy rozwój nowej
generacji szybkobieżnych pojazdów wojskowych oraz zwiększenie mobilności
modernizowanych maszyn. Opracowywane rozwiązania wpisują się w strategie badawcze
NATO oraz tendencje w rozwoju współczesnej techniki pancernej i samochodowej.
Rys. 12. Badanie odporności na wielokrotne trafienia pancerza ze stali:
nanostrukturalnej – po lewej stronie, pancernej RHA – po prawej stronie [23]
Zasadniczą kwestią do rozwiązania dla wojsk uczestniczących w misjach w Iraku
i Afganistanie stało się wprowadzenie pojazdów zapewniających żołnierzom odpowiednią
ochronę przed skutkami detonacji min oraz IED. Podobne zagrożenia występowały w Afryce
podczas działań bojowych prowadzonych w latach 1972-1980 w Rodezji (obecnie Zimbabwe)
Sławomir KCIUK, Arkadiusz MĘŻYK, Eugeniusz ŚWITOŃSKI
oraz RPA. Wówczas opracowano i rozwinięto koncepcję pojazdów o zwiększonej odporności
na wybuchy min [9], która znalazła obecnie ponowne zastosowanie w pojazdach typu MRAP
(Mine Resistant Ambush Protected) (rys. 13).
a) b)
Rys. 13. Przykłady pojazdów kategorii MRAP: a) Cougar w trakcie wybuchu IED, b) RG 31 po ataku IED (cała załoga przeżyła) [8, 11]
Główną cechą tych pojazdów jest dno kadłuba w kształcie litery V, które umożliwia
rozproszenie fali uderzeniowej i zmniejszenie tym samym skutków oddziaływania na załogę.
Takie ukształtowanie kadłuba powoduje jednak znaczne podwyższenie sylwetki pojazdu.
Pojazdy typu MRAP uratowały już życie wielu żołnierzom, jednak są one przeznaczone
głównie do zadań patrolowych, ewakuacyjnych i pomocniczych prowadzonych w warunkach
obecnych misji. Przydatność tego typu sprzętu w typowych dla regularnych armii działaniach
wojskowych jest dyskusyjna, gdyż pojazd jest ciężki, ma słabe osiągi w terenie i wysoko
umieszczony środek masy. Poszukuje się rozwiązania tego problemu przez opracowanie
nowej generacji wielozadaniowych pojazdów specjalnych do zadań patrolowych,
rozpoznawczych i bojowych zabudowanych na podwoziach kołowych i gąsienicowych.
5. WYMAGANIA STAWIANE WSPÓŁCZESNYM POJAZDOM SPECJALNYM
Według niektórych specjalistów wojskowych, ochrona i przeciwdziałanie IED to
prognozowane obszary rozwoju w zakresie pojazdów specjalnych, na które przyznawane będą
największe środki inwestycyjne do 2033 roku (rys. 14) [27].
Rys. 14. Prognozowane obszary rozwoju w zakresie pojazdów specjalnych
do 2033 roku [27]
Najnowsze tendencje w projektowaniu pojazdów specjalnych
Istotą konstrukcji współczesnych pojazdów wojskowych jest zapewnienie wysokiego
współczynnika mocy w stosunku do masy pojazdu, co zwiększa jego mobilność i polepsza
charakterystyki trakcyjne, przy jednoczesnym zwiększeniu ochrony zdrowia i życia żołnierzy.
Priorytetem w tym przypadku jest relatywnie niska masa i duża siła ognia przy zapewnieniu
maksymalnej przeżywalności na polu walki [30]. Wzajemną relację tych trzech parametrów
przedstawiono na rysunku 15.
Rys. 15. Założenia projektowe nowoczesnych pojazdów wojskowych [3]
W związku z poszukiwaniem rozwiązań gwarantujących wysoką przeżywalność
załogi, jak i samego pojazdu na polu walki, zwiększa się zapotrzebowanie na rozwiązania
wykorzystujące innowacyjne materiały na pancerze dodatkowe, w szczególności
ukierunkowane na zastosowanie materiałów kompozytowych.
Dotychczas pojazdy specjalnego przeznaczenia były tradycyjnie chronione
i wzmacniane pancerzem stalowym. Natomiast ciągłe ich doposażenie standardowymi
pancerzami stalowymi spowodowało znaczny wzrost wagi pojazdów, wręcz
uniemożliwiający transport lotniczy w miejsca działań wojskowych [32].
6. PODSUMOWANIE
W procesie badawczo-rozwojowym nowych generacji wojskowych pojazdów
specjalnych staje się nieodzowne stosowanie zaawansowanych technologii oraz metod
modelowania i symulacji numerycznych. Tworzenie modeli numerycznych, jak również
projektowanie i optymalizacja układów już we wczesnej fazie projektowania, jest możliwie
dzięki nowoczesnym metodom komputerowym. Stopień złożoności problemów oraz
konieczność stosowania zaawansowanych technik obliczeniowych wymagają jednak ścisłej
współpracy nauki z przemysłem – zarówno w zakresie badań podstawowych i stosowanych,
jak i wdrażania nowych technologii do produkcji.
Efektywna współpraca pomiędzy sferą nauki i przemysłu jest możliwa dzięki
tworzeniu odpowiednich narzędzi i procedur. Wspólna realizacja projektów o charakterze
utylitarnym, których wyniki mogą znaleźć zastosowanie w przemyśle, stymuluje naukowców
do ukierunkowania działań w stronę najbardziej pożądanej tematyki badawczej, której
efektem będzie wytwór o parametrach technicznych i eksploatacyjnych na światowym
poziomie. Ponadto problemy zgłaszane z przemysłu mogą inspirować nowe kierunki
działalności naukowo-badawczej. Przemysł natomiast, dzięki takiej współpracy, uzyskuje
dostęp do najnowszej wiedzy na temat osiągnięć z danej dziedziny techniki, uzupełnionej
Sławomir KCIUK, Arkadiusz MĘŻYK, Eugeniusz ŚWITOŃSKI
o wiedzę i doświadczenie badawcze partnerów naukowych. Jednym z najbardziej
efektywnych sposobów współpracy naukowo-przemysłowej jest obecnie tworzenie
konsorcjów do realizacji wspólnych projektów. Działania w ramach projektu przyczyniają się
do integracji środowisk, a także lepszego zrozumienia specyfiki, potrzeb i problemów
każdego z partnerów współpracy naukowo-przemysłowej.
7. LITERATURA
[1] AEP-55, Volume 2.
[2] Anderson C.E., Behner T., Weiss C.E.: Mine blast loading experiments.
International Volume 38, Issues 8-9, 2011, Pages 697-706.
[3] Kciuk S.: Kształtowanie charakterystyk dynamicznych zawieszeń szybkobieżnych
pojazdów gąsienicowych, ISBN 9788377892282, Gliwice-Radom 2013.
[4] Clay W.: CRS Report for Congress Improvised Explosive Devices (IEDs) in Iraq
and Afghanistan: Effect and Countermeasures; 28 August 2007.
[5] Dacko A.: Dynamika struktury obciążonej falą uderzeniową, Biuletyn WAT, 2004;
1 str. 159-172.
[6] Duda S., Kciuk S., Mężyk A., Świtoński E.: Design of active control system for
people who need stabilization during transportation by automotive vehicles.
MULTIBODY DYNAMICS 2007, Conference Information Booklet & Book of
Abstracts, pp. 318-319, ECCOMAS Thematic Conference, Milano, Italy, 25-28
June 2007.
[7] Elsayed N., Atkins J.: Explosion and Blast – Related Injuries. Effect of Explosion
and Blast from Military Operations and Acts of Terrorism. Academic Press 2008.
[8] Fallet R.: Mine explosion and blast effect on vehicle analysis of the potential damages
on passengers 2nd
European HyperWorks Technology Conference, Strasbourg
September 30th – October 1st, 2008.
[9] Gildenhuys C.: The Future of Light and Medium Armour in the Land Operational
Environment for the South African Army. Conference Materials at 8th Annual
Light and Medium Armoured Vehicles, 2-6 February 2009 London.
[10] Hönlinger M., GlauchU., Steger G.: Modelling and simulation in the design process
of armored vehicles, Paper at the RTO AVT Symposium on “Reduction of Military
Vehicle Acquisition Time and Cost through Advanced Modelling and Virtual
Simulation”, April 2002 Paris, France, published in RTO – MP – 089.
[11] http://www.defensetech.org/images/MRAP-blast.jpg 02.04.2010
[12] Livingston I.S, Messera H.L, O’Hanlon M. Reconstruction & Security in Post-9/11
Afghanistan, [dostęp online: 20.03.2010]. http:// www.brookings. edu/~/media/
Files/Programs /FP/afghanistan %20index/index.PDF.
[13] Injuries from Antitank Mines in Southern Croatia findarticles.com/
p/articles/mi_qa3912/is_200404/ai_n9394518/.
[14] Iraq Index, Tracking Variables of Reconstruction & Security in Post-Saddam Iraq,
[dostęp online: 20.03.2010] http://www.brookings.edu /saban / ~/media/Files/
Centers/Saban/Iraq%20Index/index.pdf.
[15] Kang D.G., Lehman R.A, Carragee E.J.: Wartime spine injuries. Understanding the
improvised explosive device and biophysics of blast trauma, Elsevier, The Spine
Journal, December 2012.
Najnowsze tendencje w projektowaniu pojazdów specjalnych
[16] Kania E.: Development tendency of landmine protection devices, Modelling and
Optimization of Physical Systems 8, pp. 67-72, Gliwice 2009.
[17] Kargus R.G., Frydman T.H. L.A.: Methodology for establishing the mine/IED
resistance capacity of vehicle seats for crew protection,
www.asc2008.com/manuscripts/F/FP-17.pdf 02.04.2010.
[18] Kciuk M., Kciuk S., Turczyn R.: Magnetorheologicalcharacterisation of carbonyl
iron based suspension. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing
Engineering; Vol. 33, Issue 2, 2009.
[19] Kciuk S., Machoczek T., Świtoński E.: Numerical analysis and experimental studies of a
prototype magnetorheological fluid damper, ZN KMS nr 31/2006 Modelling and
optimization of physical systems, pp. 85-88. Gliwice 2006, Wisła 16-18.06.2006.
[20] Kciuk S., Mężyk A., Mura G.: Modelling of tracked vehicle dynamics, Journal of
KONES, 2010.
[21] Kciuk S., Turczyn R., Kciuk M.: Experimental and numerical studies of MR
damper with prototype magnetorheological fluid, Journal of Achievements in
Materials and Manufacturing Engineering; Vol. 39, Issue 1, 2010.
[22] Krzystała E., Mężyk A., Kciuk S.: Minimization of the explosion shock wave load onto
the occupants inside the vehicle during trinitrotoluene charge blast, International
Journal of Injury Control and Safety Promotion (ID: 966118
DOI:10.1080/17457300.2014. 966118).
[23] Materiały informacyjne firmy IBD Ingieneurbüro, www.ibd-deisenroth.de.
[24] Materiały informacyjne firmy Magnet Motors.
[25] Materiały informacyjne firmy RENK.
[26] Materiały informacyjne firmy UQM.
[27] Materiałykonferencyjne International Armoured Vehicles 2013, Farnoboriugh,
United Kingdom.
[28] Materiały z posiedzeń Zespołu Naukowo-Przemysłowego przy Radzie Uzbrojenia
MON www.znp.wat.edu.pl.
[29] Mężyk A., Kciuk S., Klein W.: Modelling of mechatronic vibroisolation system;
Transfer of innovation to the interdycyplinary teaching of mechatronics for the
advanced technology needs; ISBN 978-83-60691-56-4, OW, Opole 2009.
[30] Mężyk A., Klein W., Czapla T.: Autonomiczna platforma gąsienicowa APG. Nowa
Technika Wojskowa 2011; 10: 26-28.
[31] Mężyk A.: Koncepcja budowy polskiej platformy opancerzonej XXI wieku.
OBRUM sp. z o.o., VI Międzynarodowa konferencja i wystawa „Nowoczesne
technologie dla bezpieczeństwa kraju i jego granic”, Warszawa, maj 2010.
[32] Mężyk A.: Nowoczesne technologie w projektowaniu pojazdów specjalnych. 66
Inauguracja Roku Akademickiego w Politechnice Śląskiej, Gliwice 2010.
[33] Mikulic D., Stojakovic V., Gasparic T.: Modelling of all protected vehicles. 4th
DAAAM International Conference on Advanced Technologies for Developing
Countries, September 21-24, 2005, SlavonskiBrod, Croatia.
[34] Multarzyński M.J.: Nie tylko pancerz chroni. Wyposażenie pojazdów
opancerzonych i minoodpornych na Eurosatory 2008, Nowa Technika Wojskowa,
Sierpień 2008 r.
[35] Neunheimer H.: Electric Drive Technology for Tracked Vehicles. Journal of
Battlefield Technology Vol. 1 No. 2, 1998.
Sławomir KCIUK, Arkadiusz MĘŻYK, Eugeniusz ŚWITOŃSKI
[36] Nowoczesne technologie systemów uzbrojenia. Red. Zygmunta Mierczyka.
Wydawnictwo WAT, Warszawa 2008.
[37] Numerical Simulation of the critical blast wave of mines on APV’s crew member.
[38] Pasquier P., Rudnicki S., Donat N., Auroy Y., Merat S.: Epidemiology of war
injuries, about two conflicts: Iraq and Afghanistan, Elsevier Masson France,
November 2011.
[39] Qi Chang: A Magic Cube Approach for Crashworthiness and Blast Protection
Designs of Structural and Material Systems.
[40] Ramasay A., Hill A., Hepper A., Bull A., Clasper J.: Blast Mines: Physics Injury
Mechanims and Vehicle Protection. Journal of the Royal Army Medical Corps
155(4), 2009 p. 258-264.
[41] Reinecke J.D., Snymam I.M., Ahmed R., Beetge F.J.: A safe and secure South
Africa Vehicle landmine protection validation testing.
[42] Reineckea J.D., Snymana I.M., Ahmeda R., Beetgeb F.J.: Vehicle landmine
protection validation testing, A CSIR Defence, Peace, Safety and Security, PO Box
395, Pretoria, 0001.
[43] RTO Technical Report TR – HJN - 090 TECHNICAL REPORT TR-HFM-090
Test Methodology for Protection of Vehicle Occupants against Anti-Vehicular
Landmine Effects.