سیستم های محرکه الکتریکی، چشم انداز حمل و نقل سریع زیر آب را تغییر می دهند، زیرا تقاضای جهانی برای سرعت سریع تر، کارآمد تر و پایدار زیست محیطی، مهندسان و محققان مرزهای تحرک زیر آب را از طریق نوآوری های پیشگامانه بررسی می کند.این مقاله آخرین پیشرفت در فن آوری های الکتریکی، نوآوری های کلیدی رانندگی با سرعت بالا، چالش های حمل و نقل مداوم، و نوید بخش آینده به سرعت در حال تحول است.

پیشرفت در فن آوری های الکتریکی Propulsion

سیستم های مدرن الکتریکی برای وسایل نقلیه زیر آب به مراتب فراتر از موتورهای DC معمولی برس دار شده است. اجزاء اصلی - باتری های با عملکرد بالا، توپولوژی های پیشرفته موتور و مدیریت هوشمند قدرت - همه بهبودهای قابل تغییر را تجربه کرده اند، باتری های لیتیوم یونتیوم انرژی بالا در حال حاضر محدوده عملیاتی بیش از 100 مایل در یک شارژ واحد را فراهم می کنند، در حالی که باتری های جامد حتی وعده می دهند که باعث کاهش ایمنی دائمی می شوند.

یکی از مهمترین پیشرفت ها ادغام نیمه هادی های پهنای باند (silicon کاربید و نیتید گالیم) به درایو الکترونیک بوده است.این اجزای اجازه می دهد فرکانس های تعویض سریع تر، تلفات رسانای پایین تر و مدیریت حرارتی برتر، به طور مستقیم ترجمه به چگالی و کارایی بالاتر است.به عنوان مثال، یک نمونه اخیر توسعه یافته توسط آمریکایی مهندسین نیروی دریایی [F1] در حالی که یک سیستم کاهش وزن به طور کلی نشان داده شده است.

نوآوری های کلیدی رانندگی با سرعت بالا در حمل و نقل آب

چندین حوزه تکنولوژی متمایز در حال تلاش برای حمل و نقل سریع زیر آب با سرعت بالا هستند که یک واقعیت تجاری و نظامی است.در زیر مهمترین نوآوری های در حال حاضر در حال توسعه یا استقرار زودرس است.

Supering Motors

سوپر موتور های اهرمی که مقاومت الکتریکی صفر را در زیر دمای بحرانی نشان می دهد.[۵] هنگامی که سرد به سطوح مسری (معمولاً با استفاده از نیتروژن مایع یا هلیوم)، این موتور ها می توانند بدون کاهش شدید اندازه الکتریکی برای وسایل نقلیه زیر آب، این به معنی افزایش شدید گشتاور پایدار است - تا پنج برابر بیشتر از موتورهای مغناطیسی دائمی همان وزن است. [F]

سلول های سوخت هیدروژن به عنوان گسترش دهنده

سلول های سوخت هیدروژن به عنوان یک منبع انرژی مکمل برای وسایل نقلیه الکتریکی در آب در حال ظهور هستند، در حالی که باتری ها در ارائه قدرت انفجار برای شتاب و اسپری کوتاه، سلول های سوختی تولید انرژی ثابت و طولانی مدت با حداقل سر و صدا و لرزش بالا را ارائه می دهند، سیستم سلول های سوختی به طور چشمگیری هیدروژن و اکسیژن را به برق تبدیل می کند، با آب به عنوان تنها محصول هیبریدی - یک ایده آل برای عملیات بسته به سلول های پیکربندی سطح آب یکپارچه است.

پیشرفته ترین تکنولوژی های باتری

چگالی انرژی باتری تنها پارامتر حیاتی برای وسایل نقلیه با سرعت بالا در زیر آب است. [سلول های لیتیوم یون امروز تقریبا 250 Wh / کیلوگرم را تحویل می دهند، اما باتری های جامد - استفاده از الکترولیت جامد به جای مایع - شیمی سازی انرژی 400 -500 Wh / کیلوگرم در حالی که حذف خطر آتش، از جمله لیتیوم:0 کوئینوم دانشگاه [F] شارژ سریع برای شارژ کردن سلول های جامد است.

توسعه طراحی هیدروودینامیک

مزایای نیروی الکتریکی زمانی که با اشکال بهینه شده بدنه و سطوح کنترل شده جفت می شوند، رشد مایع محاسباتی مدرن (CFD) و تولید افزودنی ایجاد خطوط ساده را قادر می سازد، شکل های انقباضی را ایجاد می کند که تنها یک دهه قبل غیر ممکن بود تا به سرعت های فعال Supercavitation - که یک حباب گاز باعث ایجاد اصطکاک پوست پایدار می شود - در حال حاضر کاهش فعال در پمپ های برش کوچک است - در سرعت های برش ضعیف است.

چالش ها و محدودیت ها

علی رغم پیشرفت سریع، چندین مانع مهم قبل از اینکه خودروهای برقی با سرعت بالا در زیر آب به جریان اصلی تبدیل شوند، باقی می مانند.

مدیریت حرارتی در قدرت بالا

موتورهای الکتریکی با قدرت بالا و برق الکترونیک تولید گرمای شدید.در کشتی های سطح، آب دریا می تواند به طور مستقیم برای خنک سازی استفاده شود، اما در عمق، دمای آب و فشار طراحی مبدل حرارتی پیچیده، محققان در حال بررسی خنک کننده مستقیم مایع از پیچ های حرکتی و استفاده از مواد تغییر فاز برای جذب گرماهای ترانسی بدون مدیریت حرارتی موثر، قدرت مداوم سیستم به شدت محدود است.

قابلیت های در Harsh Underwater Environments

سیستم های تحت آب باید در برابر فشارهای شدید، خوردگی، بیوفلینگ و شوک مکانیکی مقاومت کنند. تمبرها، کانکتورها و اجزای چرخ دنده به ویژه آسیب پذیر هستند. سرامیک پیشرفته و آلیاژهای تیتانیوم به طور فزاینده ای برای قطعات حیاتی استفاده می شوند، اما این مواد اضافه هزینه و وزن نیروی دریایی ایالات متحده (FLT:0Office مطالعات دریایی تحقیقات دریایی[۱]

هزینه و مقیاس پذیری

موتورهای سوپررسانی و باتری های جامد دولتی گران هستند، محدود کردن استقرار آنها به کشتی های نظامی یا آزمایشی. حمل و نقل برق با سرعت بالا زیر آب باید به اقتصادهای مقیاس برسد. صنعت Consortia در حال کار بر روی استانداردهای مشترک برای بسته های باتری مدولار و مبدل برق برای کاهش هزینه های واحد است. HYDROPTICS پروژه [[۱] هدف قرار دادن هزینه های کوچک برای کمتر از سیستم های برق.

مسیرهای آینده و مرزهای تحقیقاتی

دهه آینده احتمالاً همگرایی چندین تکنولوژی نوظهور را مشاهده خواهد کرد که می تواند اساساً تحرک زیر آب را تغییر دهد.

هوش مصنوعی برای کنترل بهینه

الگوریتم های یادگیری ماشین می توانند استفاده از تروا، برش و انرژی را در زمان واقعی بهینه سازی کنند، با تطبیق با تغییر جریان ها، حالت باتری و اولویت های ماموریت، یک شبکه عصبی آموزش دیده در هزاران اجرا شبیه سازی شده می تواند مصرف انرژی را 15 تا 25 درصد کاهش دهد در حالی که حفظ سرعت حرکت در زیر ساخت و ساز.

شارژ بی سیم زیر آب

توانایی شارژ زیردریایی های الکتریکی بدون جلو یا بارانداز به طور گسترده ای محدوده عملیاتی را گسترش می دهد. پدهای شارژ ورودی در ایستگاه های بارانداز زیر آب توسط آژانس پروژه های پیشرفته پیشرفته (DARPA) آزمایش می شوند.[۱۰] این سیستم ها از مغناطیسی مجدد در فرکانس های اتصال بین ۱۰ کیلوهرتز و ۱۰۰ کیلوهرتز استفاده می کنند و دستیابی به چندین فاصله نظامی سریع در حدود ۹۰٪ می تواند باعث شود.

پیشرفته مواد و ساخت

محرک های 3D چاپ شده با تیغه های متغیر اسپیچ، مسکن های موتور ساختار یافته که وزن را کاهش می دهند و بدنه های کامپوزیت با مجار خنک کننده یکپارچه همه در افق هستند، استفاده از ابررسانه های با دمای بالا (HTS) با دمای بحرانی بالاتر از 77 K (مستندگان نیتروژن) به ویژه امیدوار کننده است، زیرا پیچیدگی گریه در محققان را کاهش می دهد.[۱۰]

نتیجه گیری

نوآوری در نیروی محرکه الکتریکی نسل جدیدی از حمل و نقل سریع زیر آب را قادر می سازد که سریع تر، کارآمد تر و بسیار دوستانه تر از جایگزین های دیزل الکتریکی است.از موتورهای ابررسانی و سلول های سوخت هیدروژن گرفته تا باتری های پیشرفته و کنترل های مبتنی بر هوش مصنوعی، چشم انداز تکنولوژیکی به سرعت در حال تکامل است.