NAJNOWSZE TENDENCJE W PROJEKTOWANIU POJAZDÓW SPECJALNYCH

Transkrypt

1 Szybkobieżne Pojazdy Gąsienicowe (48/49) nr 2/3, 2018 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 projektowokonstrukcyjnego, zwiększenie nakładów finansowych, a nawet jego przerwanie ze względu na nieosiągnięcie celu (rys. 2) [3]. dr hab. inż. Sławomir KCIUK, prof. dr hab. inż. Arkadiusz MĘŻYK, dr h.c. prof. dr hab. inż. Eugeniusz ŚWITOŃSKI Politechnika Śląska, Gliwice

2 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

3 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 komputerowych. 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).

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.

5 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 taktycznotechnicznych. 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

6 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

7 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 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

8 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 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.

9 Najnowsze tendencje w projektowaniu pojazdów specjalnych Ochrona balistyczna Poziom 4 burty i dach Ochrona dachu przed podpociskami System obrony aktywnej RPG, kierowana broń przeciwpancerna Średnie i duże pociski podkalibrowe Ochrona przed ładunkami kumulacyjnymi Ochrona przed IED typu pocisków formowanych wybuchowo (EFP) System okładziny Poziom 2+ i Overmatch Pancerz zasadniczy/konstrukcja Poziom 1 Siedzisko wielofunkcyjne Kierowca i załoga Ochrona balistyczna Średnie pociski podkalibrowe 30/35 mm APFSDS Ochrona przed IEP odłamkowymi i fugasowymi Ochrona przed minami fugasowymi i EFP 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].

10 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].

11 Gęstość powierzchniowa Najnowsze tendencje w projektowaniu pojazdów specjalnych RHA (odniesienie) Ceramiczny standardowy Nanoceramiczny Poziom 1 Poziom 2 Poziom 3 Poziom 4 Zagrożenie 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 w Rodezji (obecnie Zimbabwe)

12 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]

13 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

14 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 [3] Kciuk S.: Kształtowanie charakterystyk dynamicznych zawieszeń szybkobieżnych pojazdów gąsienicowych, ISBN , Gliwice-Radom [4] Clay W.: CRS Report for Congress Improvised Explosive Devices (IEDs) in Iraq and Afghanistan: Effect and Countermeasures; 28 August [5] Dacko A.: Dynamika struktury obciążonej falą uderzeniową, Biuletyn WAT, 2004; 1 str [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 , ECCOMAS Thematic Conference, Milano, Italy, June [7] Elsayed N., Atkins J.: Explosion and Blast Related Injuries. Effect of Explosion and Blast from Military Operations and Acts of Terrorism. Academic Press [8] Fallet R.: Mine explosion and blast effect on vehicle analysis of the potential damages on passengers 2 nd European HyperWorks Technology Conference, Strasbourg September 30th October 1st, [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] [12] Livingston I.S, Messera H.L, O Hanlon M. Reconstruction & Security in Post-9/11 Afghanistan, [dostęp online: ]. 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_n /. [14] Iraq Index, Tracking Variables of Reconstruction & Security in Post-Saddam Iraq, [dostęp online: ] /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.

15 Najnowsze tendencje w projektowaniu pojazdów specjalnych [16] Kania E.: Development tendency of landmine protection devices, Modelling and Optimization of Physical Systems 8, pp , Gliwice [17] Kargus R.G., Frydman T.H. L.A.: Methodology for establishing the mine/ied resistance capacity of vehicle seats for crew protection, [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, [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 Gliwice 2006, Wisła [20] Kciuk S., Mężyk A., Mura G.: Modelling of tracked vehicle dynamics, Journal of KONES, [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, [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: DOI: / ). [23] Materiały informacyjne firmy IBD Ingieneurbüro, [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 [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 , OW, Opole [30] Mężyk A., Klein W., Czapla T.: Autonomiczna platforma gąsienicowa APG. Nowa Technika Wojskowa 2011; 10: [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 [32] Mężyk A.: Nowoczesne technologie w projektowaniu pojazdów specjalnych. 66 Inauguracja Roku Akademickiego w Politechnice Śląskiej, Gliwice [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.

16 Sławomir KCIUK, Arkadiusz MĘŻYK, Eugeniusz ŚWITOŃSKI [36] Nowoczesne technologie systemów uzbrojenia. Red. Zygmunta Mierczyka. Wydawnictwo WAT, Warszawa [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 [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 [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, [43] RTO Technical Report TR HJN TECHNICAL REPORT TR-HFM-090 Test Methodology for Protection of Vehicle Occupants against Anti-Vehicular Landmine Effects.