NAJNOWSZE TENDENCJE W PROJEKTOWANIU POJAZDÓW … · Rozwój technik komputerowych w ostatnich...

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).


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.


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


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


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


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.


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


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].


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)


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]


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


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.


[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.


[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.

NAJNOWSZE TENDENCJE W PROJEKTOWANIU POJAZDÓW … · Rozwój technik komputerowych w ostatnich...

Documents

Transcript of NAJNOWSZE TENDENCJE W PROJEKTOWANIU POJAZDÓW … · Rozwój technik komputerowych w ostatnich...