Управление мощной нагрузкой. Управление мощными нагрузками переменного тока: методы и компоненты

Как правильно управлять мощными нагрузками переменного тока. Какие компоненты использовать для коммутации и регулировки мощности. Как обеспечить безопасность и надежность схем управления мощными нагрузками переменного тока.

Основные способы управления мощными нагрузками переменного тока

При работе с мощными нагрузками переменного тока необходимо обеспечить надежное управление и защиту компонентов. Существует несколько основных способов коммутации и регулировки мощности таких нагрузок:

• Использование электромеханических реле и контакторов
• Применение полупроводниковых ключей — симисторов и тиристоров
• Управление с помощью твердотельных реле
• Использование специализированных драйверов и контроллеров

Выбор конкретного метода зависит от мощности нагрузки, требуемой функциональности, условий эксплуатации и других факторов. Рассмотрим подробнее особенности каждого способа.

Электромеханические реле и контакторы для коммутации мощных нагрузок

Электромеханические реле и контакторы по-прежнему широко применяются для коммутации мощных нагрузок переменного тока. Их основные преимущества:

• Простота применения
• Низкое сопротивление замкнутых контактов
• Возможность коммутации больших токов
• Гальваническая развязка цепей управления и нагрузки

Однако у них есть и существенные недостатки:

• Ограниченный ресурс из-за механического износа контактов
• Относительно низкое быстродействие
• Невозможность плавной регулировки мощности
• Шум при срабатывании

Поэтому электромеханические реле и контакторы обычно применяют для простого включения/выключения нагрузок, не требующих частых переключений.

Симисторы и тиристоры для управления мощными нагрузками переменного тока

Симисторы и тиристоры позволяют эффективно управлять мощными нагрузками переменного тока. Их ключевые преимущества:

• Высокое быстродействие
• Возможность плавной регулировки мощности
• Отсутствие механического износа
• Бесшумность работы

Симисторы проводят ток в обоих направлениях, что упрощает схемотехнику. Тиристоры проводят ток только в одном направлении, но могут коммутировать большие токи.

При использовании симисторов и тиристоров необходимо учитывать следующие особенности:

• Требуется схема управления затвором
• Необходима защита от помех и перенапряжений
• Возможно возникновение электромагнитных помех

Для эффективного и безопасного применения этих компонентов важно правильно рассчитать схему управления и защиты.

Твердотельные реле для коммутации мощных нагрузок переменного тока

Твердотельные реле (SSR) сочетают преимущества электромеханических реле и полупроводниковых ключей:

• Высокое быстродействие
• Длительный срок службы
• Бесшумность работы
• Встроенная схема управления и защиты
• Простота применения

Твердотельные реле позволяют коммутировать большие токи и напряжения. Они выпускаются в разных исполнениях для работы с постоянным и переменным током.

Основные недостатки твердотельных реле:

• Более высокая стоимость по сравнению с электромеханическими реле
• Необходимость теплоотвода при работе с большими токами
• Возможность ложных срабатываний от помех

Тем не менее, твердотельные реле часто являются оптимальным выбором для управления мощными нагрузками переменного тока в промышленной автоматике и бытовой технике.

Специализированные драйверы и контроллеры для управления мощными нагрузками

Для сложных задач управления мощными нагрузками переменного тока применяются специализированные драйверы и контроллеры. Они обеспечивают:

• Точное управление моментом коммутации
• Плавный пуск и регулировку мощности
• Защиту от перегрузок и коротких замыканий
• Мониторинг параметров нагрузки
• Интерфейсы для интеграции в системы автоматики

Такие устройства применяются для управления электродвигателями, нагревателями, мощными источниками света и другими ответственными нагрузками.

Выбор конкретного контроллера зависит от типа и мощности нагрузки, требуемых функций, условий эксплуатации. Важно тщательно изучить документацию производителя для правильного применения устройства.

Обеспечение безопасности при управлении мощными нагрузками переменного тока

При работе с мощными нагрузками переменного тока критически важно обеспечить безопасность. Основные меры:

• Использование качественных компонентов с соответствующими параметрами
• Правильный расчет схем управления и защиты
• Применение гальванической развязки цепей управления и силовых цепей
• Защита от перегрузок и коротких замыканий
• Экранирование для подавления электромагнитных помех
• Обеспечение эффективного охлаждения силовых компонентов

Очень важно соблюдать все требования нормативных документов по электробезопасности при проектировании и монтаже систем управления мощными нагрузками переменного тока.

Выбор оптимального способа управления мощной нагрузкой переменного тока

При выборе метода управления мощной нагрузкой переменного тока необходимо учитывать следующие факторы:

• Мощность и тип нагрузки
• Требуемая функциональность (простое включение/выключение или плавная регулировка)
• Частота коммутаций
• Условия эксплуатации (температура, влажность, вибрации)
• Требования по электромагнитной совместимости
• Бюджет проекта

Для простых применений с редкими переключениями часто достаточно электромеханического реле или контактора. Для частых коммутаций или необходимости регулировки мощности лучше использовать полупроводниковые ключи или твердотельные реле. Сложные задачи управления требуют применения специализированных контроллеров.

Важно тщательно проанализировать все требования к системе и выбрать оптимальное решение с учетом надежности, безопасности и стоимости.

Управление мощной нагрузкой переменного тока / Habr

Все знают, насколько ардуинщики гордятся миганием лампочками

Так как мигать светодиодами не интересно, речь пойдет про управление лампой накаливания на 220 вольт, включая управление её яркостью. Впрочем, материал относится и к некоторым другим типам нагрузки. Эта тема достаточно избита, но информация об особенностях, которые необходимо учесть, разрозненна по статьям и темам на форумах. Я постарался собрать её воедино и описать различия между схемами и обосновать выбор нужных компонентов.

Выбор управляемой нагрузки

Существует много различных типов ламп. Не все из них поддаются регулировке яркости. И, в зависимости от типа лампы, требуются разные способы управления. Про типы ламп есть хорошая статья. Я же буду рассматриваться только лампы, работающие от переменного тока. Для таких ламп существует три основных способа управления яркостью (диммирование по переднему фронту, по заднему фронту и синус-диммирование).
Иллюстрация в формате SVG, может не отображжаться в старых браузерах и, особенно, в IE
Отличаются они тем, какая часть периода переменного тока пропускается через лампу. О применимости этих методов можно прочитать тут. В этой статье речь пойдет только о диммировании по преднему фронту, так как это самая простой и распространенный способ. Он подходит для управления яркостью ламп накаливания (включая галогенные), в том числе подключенных через ферромагнитный (не электронный) трансформатор. Эта же схема может применяться для управления мощностью нагревательных элементов и, в некоторой степени, электромоторов, а также для включения/выключения других электроприборов (без управления мощностью).

Выбор элементной базы

Различных вариантов схем управления нагрузкой в интернете много. Отличаются они по следующим параметрам:Первые два пункта определяются элементной базой. Очень часто для управления нагрузкой используют реле, как проверенный многолетним опытом элемент. Но, если вы хотите управлять яркостью лампы, её необходимо включать и выключать 100 раз в секунду. Реле не рассчитаны на такую нагрузку и быстро выйдут из строя, даже если смогут переключаться так часто. Если в схеме используется MOSFET, то его можно открывать и закрывать в любой момент. Нам нем можно построить и RL, и RC, и синус димер. Но так как он проводит ток только в одну сторону, понадобится два транзистора на канал. Кроме того, высоковольтные MOSFET относительно дороги. Самым простым и дешевым способом является использование симистора. Он проводит ток в обоих направлениях и сам закрывается, когда через него прекращает течь ток. Про то, как он работает можно прочитать в статье DiHalt’а. Далее я буду полагаться на то, что вы это знаете.

Фазовая модуляция

Чтобы управлять яркостью лампы нам нужно подавать импульсы тока на затвор симистора в моменты, когда ток через симистор достигает определенной величины. В схемах без микроконтроллера для этого применяется настраиваемый делитель напряжения и динистор. Когда напряжение на симисторе превышает порог, при котором открывается динистор, ток проходит на затвор симистора и открывает его.

Если же управление ведется с микроконтроллера, то возможны два варианта:

1. Подавать импульсы равно в тот момент времени, когда нужно. Для этого придётся завести на микроконтроллер сигнал с детектора перехода напряжения через ноль
2. К затвору симистора подключить компаратор, на который завести сигнал с делителя напряжения и с аналогового выхода микроконтроллера

Первый способ хорош тем, что позволяет легко организовать гальваническую развязку высоковольтной части и микроконтроллера. О её важности будет сказано позже. Но любители arduino будут огорчены: чтобы лапа горела ровно, не вспыхивая и не погасая, импульсы нужно подавать вовремя. Для этого управлять выводом нужно из прерывания таймера, а моменты перехода напряжения через ноль фиксировать с помощью «input capture». Это «недокументированные» функции. Проблема решается отказом от библиотек arduino и внимательным чтением datasheet’а на процессоры avr. Это не так сложно, как кажется.
Второй способ управления симистором крайне прост в программном плане, но из-за отсутствия гальванической развязки я бы не стал его применять.

Гальваническая развязка

Самый простой способ управлять симистором — это подключить к затвору ножку микроконтроллера. Есть даже специальная серия симисторов BTA-600SW управляемых малыми токами.Но тогда контроллер и вся низковольтная часть не будет защищена от помех, гуляющих по бытовой сети. Некоторое из них могут быть достаточно мощными, чтобы сжечь микроконтроллер, другие будут вызывать сбои. Кроме того, сразу возникают проблемы со связью микроконтроллера с компьютером или другими микроконтроллерами: нужно будет делать развязку в линии связи или использовать дифференциальные линии, ведь, чтобы управлять симистором прямо с ноги микроконтроллера, нулевой потенциал для него должен совпадать с потенциалом нуля в бытовой сети. У компьютера или другого такого же микроконтроллера, подключенного в другой точке сети, нулевой потенциал почти наверняка будет другим. Результат будет плачевным.
Простой способ обеспечить гальваническую развязку: использовать драйвер симистора MOC30XX. Эти микросхемы отличаются:

1. Расчетным напряжением. Если для сетей 110 вольт, есть для 220
2. Наличием детектора нуля
3. Током, открывающим драйвер

Драйвер с детектором нуля (MOC306X) переключается только в начале периода. Это обеспечивает отсутствие помех в электросети от симистора. Поэтому, если нет необходимости управлять выделяемой мощностью или управляемый прибор обладает большой инерционностью (например это нагревательный элемент в электроплитке), драйвер с детектором нуля будет оптимальным выбором. Но, если вы хотите управлять яркостью лампы освещения, необходимо использовать драйвер без детектора нуля (MOC305X) и самостоятельно открывать его в нужные моменты.
Ток, необходимый для открытия важен, если вы хотите управлять несколькими нагрузками одновременно. У MOC3051 он 15 мА, у MOC3052 10мА. При этом микроконтроллеры stm могут пропускать через себя до 80-120 мА, а avr до 200 мА. Точные цифры нужно смотреть в соответствующих datasheet’ах.

Устойчивость к помехам/возможность коммутации индуктивной нагрузки

В электросети могут быть помехи, вызывающие самопроизвольное открытие симистора или его повреждение. Источником помех может служить:

1. Нагрузка, управляемая симистором (обмотка мотора)
2. Фильтр (snubber), расположенный рядом с симистором и призванный его защищать
3. Внешняя помеха (грозовой разряд)

Помеха может быть как по напряжению, так и по току, причем более критичны скорости изменения соответствующих значений, чем их амплитуды. В datasheet’ах соответствующие значения указаны как:
V — максимальное напряжение, при котором может работать симистор. Максимальное пиковое напряжение не намного больше.
I — Максимальный ток, который может пропускать через себя симистор. Максимальный пиковый ток как правило значительно больше.
dV/dt — Максимальная скорость изменения напряжения на закрытом симисторе. При превышении этого значения он самопроизвольно откроется.
dI/dt — Максимальная скорость изменения тока при открытии симистора. При превышении этого значения он сгорит из-за того, что не успеет полностью открыться.
(dV/dt)c — Максимальная скорость изменения напряжения в момент закрытия симистора. Значительно меньше dV/dt. При превышении симистор продолжит проводить ток.
(dI/dt)c — Максимальная скорость изменения тока в момент закрытия симистора. Значительно меньше dI/dt. При превышении симистор продолжит проводить ток.
Подробно о природе этих ограничений и о том, как сделать фильтр, защищающий от превышения этих величин описано в Application Note AN-3008. К немо можно только добавить, что существуют 3Q симисторы, у которых значения dV/dt и dI/dt выше, чем у обычных за счет невозможности работать в 4ом квадранте (что обычно не требуется).

Выбор симистора

Максимальный ток коммутации

Максимальный ток коммутации ограничивается двумя параметрами: максимальным током, который может пропустить симистор и количеством тепла, которое вы можете от него отвести. С первым параметром все просто, он указан в datasheet’е. Но если посмотреть внимательно, то при токе в 16 ампер на BTA16-600BW выделяется около 20 ватт. Такую грелку уже не получится засунуть в коробку выключателя без вентиляции.

Минимальный ток коммутации

Симистор сохраняет проводимость до тех пор, пока через него идёт ток. Минимально необходимый ток указан в datasheet’е под именем latching current. Соответственно, слишком мощный симистор не сможет включать маломощную лампочку так как будет выключаться, как только с затвора пропадёт управляющий сигнал. Но так, как этот сигнал мы самостоятельно формируем микроконтроллером, то можно удерживать управляющий сигнал почти до самого конца полупериода, тем самым убрав ограничение на минимальную нагрузку. Однако, если не успеть снять сигнал, симистор не закроется и лампа не погаснет. При плохо подобранных константах лампы, работающие на не полной яркости периодически вспыхивают.

Изоляция

Симисторы в корпусе TO-220 могут быть изолированными или не изолированными. Я сначала сделал ошибку и купил BT137, в результате радиаторы охлаждения оказались под напряжением, что в моем случае нежелательно. Симисторы с маркировкой BTA изолированы, с маркировкой BTB нет.

Защита от перегрузки

Не стоит полагаться на автоматические выключатели. Посмотрите на спецификацию, при перегрузке в 1.4 раза автомат обязан выключиться не ранее, чем через час. А быстрое размыкание происходит только при перегрузке в 5 раз (для автоматов типа C). Это сделано для того, чтобы автомат не отключался при включении приборов, требующих при старте значительно больше энергии, чем при постоянной работе. Примером такого прибора является холодильник.
Симистор нужно защитить отдельным предохранителем, либо контролировать ток через него и отключать его при перегрузке, давая остыть.

Защита от короткого замыкания

При перегорании лампы накаливания может образовываться искровой разряд, имеющий очень низкое сопротивление. В результате цепь фактически замыкается накоротко, что приводит к выгоранию симистора.
Симистор может выгорать из-за двух причин:

1. Превышение dI/dt. Симистор не успевает открыться полностью, ток идет не через весь кристалл, образуются локальные горячие области, выжигающие кристалл.2t. Задает количество теплоты, накопление которой в кристалле приведет к разрушению кристалла.

dI/dt ограничивается индуктивностью проводки и внутренней ёмкостью симистора. Так как dI/dt достаточно велика (50 А/с для BTA16), может хватить индуктивности подводящей проводки, если она достаточно длинная. Можно подстраховаться и добавить небольшую индуктивность в виде нескольких витков провода вокруг сердечника.
С превышением интеграла Джоуля можно бороться либо уменьшая время прохождения тока через симистор, либо ограничивая ток. Так как симистор не закроется, пока ток не перейдет через ноль, не вводя дополнительных размыкателей нельзя сделать время прохождения тока менее одного полупериода. В качестве такого размыкателя можно использовать:

1. Быстродействующий плавкий предохранитель. Обычный предохранитель не подойдет так как симистор сгорит до того, как он сработает. Но стоят такие предохранители дороже новых симисторов.
2. Геркон/реле. Если удастся найти такое, чтобы выдерживало кратковременные большие токи.

Можно пойти по другому пути. BTA16-600 может выдержать ток в 160 амер в течении одного периода. Если сопротивление замыкаемой цепи будет порядка 1.5 Ом, то полупериод он выдержит. Сопротивление проводки даст 0.5 Ом. Остается добавить в цепь сопротивление в 1 Ом. Схема станет менее эффективной и появится еще одна грелка, выделяющая при штатной работе до 16 Вт тепла (0.45 Вт при работе 100 ваттной лампы), зато симистор не сгорит, если успеть его вовремя выключить и позаботиться о хорошем охлаждении, чтобы оставался запас на нагрев во время КЗ.
Из этого сопротивления можно извлечь дополнительную выгоду: измеряя падение напряжения на нем, можно узнавать ток, протекающий через симистор. Полученное значение можно использовать для того, чтобы определять короткое замыкание или перегрузку и отключать симистор.

Заключение

Я не претендую на абсолютную верность всего написанного. Статья писалась для того, чтобы упорядочить знания, прочитанные на просторах интернета и проверить, не забыл ли я чего. В частности раздел, касающийся защиты от перегрузок я еще не опробовал на практике. Если я где-то не прав, мне было бы интересно узнать об ошибках.
В статье нет ни одной схемы: знакомые с темой и так знают их наизусть, а новичку придётся заглянуть в datasheet к MOC3052 или в AN-3008 и, возможно, он заодно узнает что-то еще и не будет бездумно реализовывать готовую схему.

Управление электрическими нагрузками в современном доме. Импульсное реле и контактор

Современные квартиры и дома насыщены различными электроприборами:

• источники света различной мощности и конфигурации,
• отопительные приборы,
• электрические приводы штор, жалюзи и многими другими устройствами.

При этом, привычные нам способы управления ими уже невозможно применять из-за технических ограничений или по причине требований заказчика. В этой статье рассмотрены методы регулирования электроустройств с применением импульсного реле и контактора.

Импульсные реле

Импульсное реле серии Easy 9

Импульсные реле хорошо зарекомендовали себя в качестве управляющих устройств в сфере освещения. По сути это реле с механической фиксацией контактов в положение «вкл/выкл», что позволяет после выключения или выключения снять с них напряжение.

Таким образом управление осуществляется импульсом, отсюда и название устройства. Основные преимущества — бесшумность, энергоэффективность, неограниченное количество управляющих точек, возможность координировать мощные нагрузки, безопасность с пожарной точки зрения.

Рассмотрим вариант управления освещением на примере новинки от Schneider Electric — импульсного реле серии Easy 9.

В качестве примера возьмем длинный коридор или лестничный марш. Обычно в таких помещениях необходимы несколько точек управления, которые позволяют включить освещение, когда человек входит с одной стороны коридора и выключить его, когда он уходит с другой стороны. Традиционно такие схемы реализуются с помощью комбинации переключателей, что требует прокладки большого количества кабелей и затратно само по себе т. к. стоимость проходного (перекрестного) переключателя достаточно высока.

При использовании импульсного реле возможно отказаться от дорогостоящих переключателей и заменить их недорогими кнопочными выключателями, как показано на схеме.

Импульсное реле в схеме управления освещением

Таких кнопочных выключателей может быть неограниченное количество (если речь идет о выключателях без подсветки), что позволяет создать нужное количество точек управления в зависимости от конкретного помещения.

В цепи управления реле ток протекает лишь в момент подачи импульса управления и не превышает 0,5 А, то их можно прокладывать кабелем небольшого сечения (0,5-0,75 кв. мм.).

В сочетании с доступной ценой импульсного реле Easy 9 такое решение позволяется получить существенную экономию не только за счет стоимости изделий, но и за счет экономии кабеля.

Рычаг на лицевой панели импульсного реле помимо индикации положения реле «включено/выключено» еще и позволяет управлять им в ручном режиме, например, если нужно проверить правильность подключения нагрузки при монтажных и пуско-наладочных работах на объекте.

Контакторы

Помимо импульсных реле, управлять электропотребляющим оборудованием можно и контакторами, которые отличаются способом контроля, основанном на постоянной команде и предпочтительны для нагрузок большей мощности. Например, в новой линейке контакторов Easy 9 SE есть возможность выбрать 2- и 4-поюсные контакторы на токи до 40 А активной нагрузки. Это делает их незаменимым решением в сфере энергоёмкого освещения.

Новая линейка контакторов Easy 9 SE

Обычно контактор используется для управления мощными нагрузками: освещение, вентиляция или обогрев с повышенными показателями энергопотребления. Однако при этом он выступает в роли подконтрольного устройства, а управляет его работой, например, термостат.

Аналогичным образом строятся схемы управления освещением с помощью датчика движения, сумеречного реле (реле освещенности) и многих других подобных сенсоров. Общими для них является то, что управляющее устройство имеет на выходе контакт, замыкание которого активирует контактор и пока контур остаётся замкнутым, устройство продолжает работу. Это, так называемый, постоянный сигнал управления.

Схема централизованного электроуправления с применением контактора

В современных способах электромонтажа для жилых помещений контактор нашел еще одно интересное применение — в схемах централизованного управления.

К примеру, хозяин, уходя из дома хотел бы иметь возможность гарантированно отключить все электроприборы (за исключением критически важных) с целью обеспечения не только пожарной безопасности жилища, но и энергосбережения. При этом тратить время на обход помещений ему не хочется.

В этом случае в схему электроснабжения дома или квартиры включают контактор, через который запитывают все неприоритетные нагрузки. Для управления им используют обычный выключатель, выполняющий роль универсального «вкл/выкл» всего, что необходимо.

Его устанавливают около выхода. Покидая квартиру или дом, владелец одним нажатием на выключатель деактивирует контактор, обесточивая цепи питания и на этом всё. Второстепенные электроприборы отключены без необходимости отключать каждый отдельно.

Кроме локального контроля электроцепей, контакторы нашли широкое применение в дистанционно управляемых системах, в том числе решениях, использующих удаленное управление по сети Интернет.

Таким образом, современные управляющие функции позволяют решить широкий круг задач в электроустановке, делая дом или квартиру более комфортной и безопасной для проживания средой.

Советы по управлению затвором мощного полевого транзистора

Непосредственное управление от контроллера ШИМ

В большинство современных микросхем контроллеров встроен выходной управляющий каскад. Обычно он содержит двухтактную схему на двух транзисторах. Этот выход можно использовать для непосредственного управления затвором мощного полевого транзистора, как показано на рис. 1.

Рис. 1. Мощный ПТ управляется непосредственно от выхода контроллера ШИМ

 

Непосредственное подключение можно использовать в тех случаях, когда управляющая схема подключена к той же самой «земле», что и силовая часть, и уровень мощности относительно невелик.

Судя по справочным данным, ток в несколько ампер можно получить прямо с выхода контроллера ШИМ. Этого вполне достаточно для управления маломощными устройствами. Однако вход полевого транзистора имеет большую емкость. Кроме того, пытаться полностью использовать весь выходной ток контроллера, как правило, — плохая идея. Это может привести к увеличению электромагнитных помех из–за быстрого включения и выключения, непомерным потерям на обратное восстановление в выпрямителе и шумам в самом контроллере ШИМ. В результате могут возникать случайные сбои в работе и дрожание тактовой частоты.

Лучшее решение — ограничить выходной ток контроллера ШИМ при помощи схемы, показанной на рис. 2. В ней используются два резистора: один для управления временем включения, а другой — для управления временем выключения. (Обычно мы выключаем устройство быстрее, чем включаем, для защиты от коротких импульсов тока.) Диод служит для разделения этих двух функций, но в некоторых случаях, когда критично быстродействие схемы, можно обходиться без него.

Рис. 2. Схема, с помощью которой можно ограничить выходной ток контроллера ШИМ

 

В маломощных преобразователях мы обычно включаем ПТ медленно. Не надо бояться экспериментов с величиной сопротивления резистора Ron. Автор использует в своих проектах значения от 1 Ом до 1 кОм. Сформулированное им правило разработки заключается в том, чтобы увеличивать сопротивление, одновременно наблюдая за осциллограммами переключения и рассеиваемой мощностью ПТ. Если температура начинает заметно возрастать, нужно уменьшить величину сопротивления вдвое. Вы будете удивлены, увидев, как медленно можно включать ПТ в обратноходовом преобразователе, работающем в режиме прерывистых токов, без значительных потерь на переключение.

Выключение должно быть быстрым, чтобы обеспечить быстрый спад импульса тока. Экспериментируйте с разными значениями сопротивления, вместо того, чтобы просто использовать величины, приведенные в руководствах по применению. Более подробную информацию о том, насколько быстро можно управлять ПТ, можно найти в работе[3].

 

Специализированные драйверы затворов

При увеличении мощности преобразователя становится ясно, что сопротивления резисторов в затворе ПТ необходимо уменьшить, чтобы минимизировать потери на переключение. Для схем большой мощности в промышленности, как правило, используют микросхемы драйверов с большими выходными токами. При этом уменьшается влияние помех на контроллер ШИМ, и, кроме того, получается более удачная разводка печатной платы. В продаже имеется множество хороших драйверов. Можно даже создать собственный мощный двухтактный драйвер, если необходимо увеличить производительность при снижении цены. Для устройств большой мощности используют отдельную схему драйвера затвора для достижения быстрого переключения (рис. 3). Резисторы в затворе также имеются.

Рис. 3. Отдельная схема драйвера затвора для быстрого переключения

 

Изолированные драйверы затворов

Для получения очень высоких мощностей разработчики начинают использовать такие топологии, как двухключевой прямоходовый преобразователь, полумостовой или мостовой преобразователи. Во всех этих топологиях необходимо применять плавающий ключ.

Существуют решения этой задачи с использованием полупроводниковых компонентов, но только для низковольтных применений. Интегральные драйверы верхнего плеча не предоставляют разработчику достаточной гибкости, а также не обеспечивают такого уровня защиты, изоляции, устойчивости к переходным процессам и подавления синфазных помех, который дает хорошо спроектированный и изготовленный трансформатор для управления затвором.

На рис. 4 показан самый примитивный способ получения плавающего управления затвором. Выход микросхемы драйвера подключен через разделительный конденсатор к небольшому трансформатору (обычно тороидальному для лучшей производительности). Вторичная обмотка подключена непосредственно к затвору ПТ, и любые замедляющие резисторы должны располагаться со стороны первичной обмотки трансформатора. Обратите внимание на стабилитроны в затворе для защиты от переходных процессов. На выходе драйвера необходимо использовать ограничительные диоды, ими нельзя пренебрегать, даже если при первых испытаниях не возникли проблемы с реактивными токами в трансформаторе.

Рис. 4. Простейшая изолированная схема для управления затвором

В простейшей изолированной схеме для управления затвором используется трансформатор, как показано на рис. 4. Ограничительные диоды необходимы для защиты от реактивных токов, а разделительный конденсатор предотвращает насыщение трансформатора. Конденсатор дает сдвиг уровня выходного напряжения драйвера, который зависит от относительной длительности управляющих импульсов.

Схема, представленная на рис. 4, обеспечивает отрицательное напряжение на вторичной обмотке на интервалах времени, когда ПТ выключен. Это значительно увеличивает устойчивость к синфазным помехам, что особенно важно для мостовых схем.

Однако недостаток отрицательного смещения — это уменьшение положительного напряжения, открывающего ПТ. При небольшой относительной длительности импульсов положительный импульс большой. При относительной длительности, равной 50%, половина имеющегося напряжения драйвера теряется. При большой относительной длительности положительного напряжения может не хватить для полного открывания ПТ.

Схемы с трансформаторной развязкой наиболее эффективны при относительной длительности от 0 до 50%. К счастью, именно это и нужно для прямоходовых, мостовых и полумостовых преобразователей.

Обратите внимание: на рис. 5 показано, как напряжение на разделительном конденсаторе смещается под действием низкочастотных колебаний, наложенных на выходные импульсы драйвера. Эти колебания должны тщательно подавляться для обеспечения безопасной работы. Обычно для борьбы с этим явлением увеличивают емкость конденсатора, что уменьшает Q для низкочастотных составляющих. Необходимо проверить работу схемы при всех возможных переходных процессах, особенно при старте, когда конденсатор разряжен.

Рис. 5. Колебания, возникающие в разделительном конденсаторе и влияющие на работу трансформатора

 

Осторожно: схема восстановления постоянной составляющей!

Иногда разработчик может столкнуться с высоковольтной схемой, в которой требуется изолированное управление затвором при относительной длительности импульсов около 100%. Раньше для таких применений рекомендовали схему, показанную на рис. 6. Но ее применение может приводить к повреждению источника питания при выключении.

Рис. 6. Высоковольтная схема с восстановлением постоянной составляющей

Диод и конденсатор на стороне вторичной обмотки восстанавливают постоянную составляющую на затворе и обеспечивают управление затвором при значениях относительной длительности до 90% и более. Однако у этой схемы есть серьезный недостаток, и использовать ее без очень тщательного анализа не рекомендуется.

Эта схема хорошо работает в установившемся режиме (рекомендуется нагрузочный резистор в затворе), но когда контроллер ШИМ выключается, разделительный конденсатор остается подключенным через трансформатор на неопределенный период времени. Это может привести к насыщению трансформатора, как показано на рис. 6б. Когда трансформатор насыщается, вторичная обмотка замыкается накоротко, и конденсатор на стороне вторичной обмотки может включить ПТ. Насыщение можно предотвратить, если использовать сердечник с зазором и конденсатор небольшой емкости, но при этом увеличится реактивный ток, необходимый для управления затвором, а это вызывает другие проблемы.

 

Изолированное управление затвором для мостовых преобразователей

Мостовые и полумостовые преобразователи — это устройства, в которых требуется очень надежная изолированная схема управления. В то время как один из ключей закрыт, ключ на другой стороне моста будет открыт. В результате на выключенном устройстве будет присутствовать большое синфазное напряжение.

На рис. 7 показана схема, рекомендуемая для полумостового преобразователя. В ней управлять затворами должны два трансформатора. Не пытайтесь использовать только один трансформатор и схему с тремя состояниями, как советуют в некоторых руководствах по применению!

Рис. 7. Для управления затворами в полумостовых преобразователях рекомендуются два отдельных трансформатора

В мостовом преобразователе, показанном на рис. 8, также требуются два трансформатора для управления затворами. Двойные вторичные обмотки в каждом трансформаторе используются для управления парами ПТ в диагонально противоположных плечах моста. Для обоих типов мостов схемы управления затворами должны тщательно тестироваться во время переходного процесса при включении, когда возникают большие пиковые токи, и отрицательные напряжения на затворах невелики.

Рис. 8. Схема мостового преобразователя с двумя трансформаторами для повышения надежности

В схеме моста с фазовым сдвигом (рис. 9) для управления затворами также используются два трансформатора. Но обратите внимание на отличие: каждая сторона моста работает с фиксированной относительной длительностью 50%, что позволяет использовать один трансформатор с двумя вторичными обмотками противоположной полярности. Это одна из немногих схем, где можно применять биполярную схему управления затвором без снижения надежности. Но выбросы, возникающие во время переходных процессов при выключении, не должны приводить к открытию транзисторов. Обратите внимание на полярность вторичных обмоток.

Рис. 9. Мост с фазовым сдвигом с двунаправленными трансформаторами в каждом плече

 

Заключение

Схема управления затвором — критически важная часть проекта преобразователя. Убедитесь в том, что вы используете правильную схему, и не копируйте вслепую схемы из руководства по применению. Трансформаторы в цепях управления затворами придают вашему проекту такую степень надежности, которую невозможно получить при использовании полупроводниковых решений. Если вы разрабатываете очень мощное устройство, то это важнейшая составляющая. Добавление активных элементов для того, чтобы, согласно общепринятому мнению, увеличить скорость переключения, обычно не дает улучшения общей производительности, но вносит новые возможности для потенциальных отказов. Делайте вашу схему управления затвором как можно более простой.

Литература

1. Balogh L. Design and Application Guide for High Speed MOSFET Gate Drive Circuits. Texas Instruments Application Note.
2. Ridley R. Six Reasons for Power Supply Instability. www.switchingpowermagazine.com
3. Ridley R. Power Supply Stress Testing. www.switchingpowermagazine.com
4. www.ridleyengineering.com

Большая нагрузка на пружинный контроллер?

Переполнение стека

1. Около
2. Продукты
3. Для команд

1. Переполнение стека Общественные вопросы и ответы
2. Переполнение стека для команд Где разработчики и технологи делятся частными знаниями с коллегами
3. Вакансии Программирование и связанные с ним технические возможности карьерного роста
4. Талант Нанимайте технических специалистов и создавайте свой бренд работодателя
5. Реклама Обратитесь к разработчикам и технологам со всего мира
6. О компании

Саранча.io Heavy Load Testing — переполнение стека

Переполнение стека

1. Около
2. Продукты
3. Для команд

1. Переполнение стека Общественные вопросы и ответы
2. Переполнение стека для команд Где разработчики и технологи делятся частными знаниями с коллегами
3. Вакансии Программирование и связанные с ним технические возможности карьерного роста
4. Талант Нанимайте технических специалистов и создавайте свой бренд работодателя
5. Реклама Обратитесь к разработчикам и технологам со всего мира
6. О компании

Загрузка…

2. Авторизоваться зарегистрироваться

3. текущее сообщество

Гибкая стратегия управления нагрузкой для распределительной сети для уменьшения потерь в линиях и устранения перегрузок при передаче

В современной распределительной сети существует множество неопределенных факторов, включая доступ к возобновляемым источникам энергии и высокий уровень нагрузки .Наличие этих факторов поставило под угрозу стабильность распределительной сети, а также увеличило риск превышения пропускной способности распределительных линий. Появление технологии гибкого управления нагрузкой дает новую идею для решения вышеуказанных проблем. На кондиционеры (AC) приходится значительная часть всех нагрузок. В данной работе построена модель диспетчеризации нагрузок переменного тока в региональной энергосистеме и принят метод прямого управления нагрузкой (DLC) для снижения нагрузки переменного тока.Предлагается усовершенствованная методика поиска запретов для решения проблемы диспетчеризации сети в распределительных системах с целью снижения резистивных потерь в линиях и устранения перегрузок при передаче в линиях при нормальных условиях эксплуатации. Получено оптимальное узловое решение для поиска наилучшего расположения и снижения мощности ВС для управления нагрузкой. Для демонстрации валидности и эффективности предложенного метода исследуется тестовая система. В статье также приведены численные результаты, показывающие перспективность предложенного метода.

1. Введение

Распределительная сеть — это мост, который соединяет передающую сеть и пользователей. Его безопасность и надежность — ключевой фактор, влияющий на надежность электроснабжения. В настоящее время масштабы современной торговой сети становятся все больше и больше; Между тем его связь становится все более сложной [1]. В современной распределительной сети есть много неопределенных факторов, включая доступ к возобновляемым источникам энергии и уровень большой нагрузки.Наличие этих факторов поставило под угрозу стабильность распределительной сети, а также увеличило риск превышения пропускной способности распределительных линий. Традиционные методы контроля и управления распределительной сетью являются пассивными, такими как реконфигурация [2], регулировка отвода РПН (переключателя ответвлений под нагрузкой) [3], переключение оборудования компенсации реактивной мощности [4] и сброс нагрузки [5]. Есть ряд проблем, таких как низкий уровень автоматизации и метод обратного планирования.В последние годы отечественные и зарубежные ученые также провели исследования интеллектуального планирования в энергосистеме. Однако большинство исследовательских работ сосредоточено на сети передачи [6], например, на анализе безопасности и стабильности и предотвращении рисков, тогда как интеллектуальное планирование и гибкий контроль в распределительной сети обычно игнорируются, а не тщательно разрабатываются.

В системе распределительной сети нагрузка на каждый фидер состоит из нагрузок промышленного, коммерческого и жилого типа [7].Их кривые нагрузки различаются, поэтому пиковые нагрузки фидеров появляются в разное время. Следовательно, в нормальных условиях эксплуатации, чтобы уменьшить потери мощности и улучшить напряжение на шине, часть нагрузки может быть перенесена с сильно нагруженных линий на слабо нагруженные линии посредством реконфигурации сети. Во время этого процесса должны быть удовлетворены мощность трансформатора, тепловая мощность фидера, падение напряжения, топология линии и другие ограничения. Civanlar et al.провел раннее исследование реконфигурации фидера для уменьшения потерь [8]. В [9] Баран и Ву смоделировали проблему снижения потерь и балансировки нагрузки как задачу целочисленного программирования. В [10] авторы использовали генетический алгоритм для поиска конфигурации с минимальными потерями. В [11, 12] авторы представили использование метода потока мощности, основанного на эвристическом алгоритме, для определения конфигурации с минимальными потерями в радиальных распределительных сетях. В [13] авторы предложили процедуру решения, которая использовала моделирование отжига для поиска приемлемого не худшего решения.

Однако во время летних пиковых периодов нагрузка на фидеры в распределительной сети слишком велика для передачи посредством реконфигурации сети. В случае такой перегрузки необходимо произвести сброс нагрузки [5, 14, 15]. В противном случае возникнет опасность падения напряжения или даже его падения [16]. Традиционный режим контроля и управления электросетью является пассивным [17]. Его метод составления расписания устарел, а уровень автоматизации низкий [18]. Есть два основных способа решить проблему большой нагрузки в торговой сети.Один из способов — найти решение со стороны источника питания. Ветровая энергия [19, 20], фотоэлектрическая [21] и другие возобновляемые источники энергии подключаются к распределительной сети в соответствии с ситуацией нагрузки [19]. Через активную распределительную сеть (ADN) [22] технология скоординированного управления используется для реализации эффективного управления двунаправленным потоком энергии [23] после того, как распределенная энергия соединена с распределительной сетью. Это позволяет распределенной энергии играть вспомогательную роль в распределительной сети в соответствии с разумными стандартами регулирования и доступа [24].Другой способ — найти решения со стороны нагрузки; такие технологии, как реагирование на спрос (DR) и управление энергоэффективностью (EEM) для ресурсов нагрузки, нуждаются в энергичном развитии [25]. Использование активного отклика гибкой нагрузки для снижения пиковой нагрузки распределительной сети во время перегрузки может решить проблему небольшого запаса регулировки работы распределительной сети в пиковый период [26], отсрочить реконструкцию линии и процесс строительства нового здания, и сэкономить на инвестициях в энергосистему [27].

Благодаря усовершенствованию коммуникационных возможностей новой интеллектуальной сервисной сети и управляемости нагрузками, растет внимание к методам, вдохновленным технологией реагирования на спрос, описанной в [28], чтобы помочь достичь переключения пиковых нагрузок в последние десятилетия. Нехватка электроэнергии обычно возникает в часы пик летом или зимой, когда процент нагрузки кондиционирования воздуха достигает 30% ~ 40% от общей мощности — пик потребления возрастает с увеличением количества используемых кондиционеров (AC).Прямое управление нагрузкой (DLC), которое обычно снижает нагрузки за счет управления термостатически управляемыми нагрузками (TCL) кондиционеров [29], холодильников и водонагревателей бытовых пользователей, является важным типом стимулирующего реагирования спроса [30] для решения перебоев в электроснабжении и проблем энергозатрат в летний сезон.

В последнее время исследование DLC выглядит следующим образом: Ли и Уилкинс [31] предложили общий метод моделирования для оценки эффективности управления нагрузкой.Бхатнаджер и Рахман [32] указали, что эффект стратегии управления DLC зависит от характеристик системы. Хсу и Су [33] предложили подход динамического программирования для координации стратегии DLC и выхода генератора, чтобы минимизировать производственные затраты системы. Вэй и Чен [34] представили многоканальное динамическое программирование для DLC, которое может быстро сходиться к почти оптимальному решению. Чтобы повысить готовность клиента участвовать в DLC, для периодического управления кондиционированием воздуха и водонагревателем используется стратегия управления реакцией на спрос, основанная на нечеткой логике.Такие нагрузки называются гибкими. Они обладают способностью аккумулировать тепловую энергию и могут переключать или изменять параметры управления за короткое время, что не повлияет на пользователей. Таким образом, была предложена минимизация пиковых нагрузок методами DLC [35, 36]. Цель данной статьи — найти оптимальное расположение и мощность нагрузки переменного тока, которую необходимо уменьшить. Что касается конкретного метода и подробного процесса управления нагрузками переменного тока, они были представлены в [37].

Основная работа и интересные выводы в этой статье заключаются в следующем: (i) На основе фактических характеристик подключения и нагрузки распределительной сети изучается схема планирования распределительной сети и способ управления нагрузкой.(ii) На фоне недостатков традиционных методов расчета потерь в распределительной сети представлен улучшенный альтернативный метод, называемый алгоритмом обратной / прямой развертки для расчета потока мощности. (iii) Прямое управление нагрузкой региональной распределительной сети может быть реализовано путем диспетчеризации региональной распределительной сети. Нагрузки переменного тока. Предлагается новый эффективный и надежный метод, основанный на методе поиска запретов, для решения проблемы диспетчеризации сети в распределительных системах с целью снижения резистивных потерь в линиях и устранения перегрузок в линиях при нормальных условиях эксплуатации.

Остальная часть этого документа организована следующим образом. В разделе 2 представлен метод расчета потока мощности на основе алгоритма обратной / прямой развертки. В разделе 3 сформулирована проблема интеллектуального распределения нагрузки переменного тока в распределительной сети. В разделе 4 представлено гибкое управление нагрузкой на основе предложенного алгоритма. В разделе 5 представлены тематические исследования. Раздел 6 суммирует обсуждения и излагает наши выводы.

2. Расчет потока мощности на основе алгоритма обратной / прямой развертки

2.1. Характеристики распределительной сети

По сравнению с передающей сетью распределительная сеть имеет свои собственные характеристики: (1) Уровень напряжения распределительной сети ниже, чем уровень напряжения передающей сети. Структура распределительной сети, которая спроектирована в замкнутом цикле и работает в разомкнутом цикле, обычно является радиальной. (2) По сравнению с передающей сетью диаметр распределительной сети небольшой, длина больше и имеется больше ответвлений. , что приводит к большему соотношению R / X линии распределительной сети.(3) Балансный узел в распределительной сети находится в конце фидера, и в энергосистеме много узлов PQ и несколько фотоэлектрических узлов. (4) В распределительной сети низкого напряжения больше однофазных нагрузок. Существует большая разница в способе потребления потребителем и мощности источника питания, что приводит к трехфазному дисбалансу распределительной сети.

Вышеупомянутые различия приводят к неудовлетворительной конвергенции при расчете потока мощности в распределительной сети с использованием традиционного метода, такого как метод Гаусса Зейделя, метод P-Q с развязкой и метод Ньютона-Рафсона.Поскольку улучшенный алгоритм поиска запретов, используемый в этой статье, должен многократно вызывать расчет потока мощности при планировании нагрузок на систему кондиционирования воздуха в городских условиях, эффективность поиска наилучшего местоположения и мощности отключаемых нагрузок переменного тока в значительной степени определяется скоростью подачи электроэнергии. расчет расхода. На фоне недостатков традиционных методов расчета потерь в распределительной сети представлен улучшенный альтернативный метод. Этот метод учитывает влияние реактивной мощности и падения напряжения на распределительных линиях.

2.2. Алгоритм обратной / прямой развертки

Учитывая характеристики распределительных сетей, алгоритм обратной / прямой развертки используется для расчета потока мощности. Алгоритм начинается с конечного узла. Прямая развертка предназначена для расчета токов ответвления и мощности. Мощность и ток каждого узла рассчитываются против направления потока мощности с использованием известной мощности нагрузки конечного узла. Обратная развертка предназначена для расчета напряжения узла. Начиная с узла питания, напряжение каждой шины решается в направлении потока мощности.Эти два процесса повторяются до тех пор, пока разница напряжений между двумя последовательными итерациями не сойдется с заданной точностью. Основным преимуществом алгоритма является адаптация к радиальным характеристикам и характеристикам разомкнутого контура распределительной сети. Схематическая диаграмма всего процесса показана на рисунке 1. Подробные шаги приведены ниже, а блок-схема алгоритма обратной / прямой развертки показана на рисунке 2.

Шаг 1 . В первую очередь предполагается, что напряжения шин равны номинальному, а их фазы равны нулю; то есть, где — номер соответствующего узла.

Шаг 2 . Вводимый ток каждого узла нагрузки рассчитывается в соответствии с вводимой мощностью и предполагаемым значением напряжения каждого узла.

Шаг 3 (прямой расчет тока ветви). Ток нагрузки узла добавляется непосредственно к току восходящей ветви от конца фидера до первого узла. Узлы делятся на три категории: конечный узел, промежуточный узел и Т-узел. Затем определяется, к какому типу принадлежит каждый узел, и может быть рассчитан ток каждой ветви.

Если хвостовой узел ветви является конечным узлом, ток ветви равен току узла нагрузки

Если хвостовой узел ветви является промежуточным узлом, ток узла нагрузки плюс ток ветви следующей ветви равно текущей ветви.

Если хвостовой узел ветви является узлом T, ток узла нагрузки плюс ток ветви всех подветвлений плюс ток ветви следующей ветви равен току ветви.где указывает, что узел является дочерним узлом, который подключен к узлу.

Шаг 4 . Исходя из того, что это головной и конечный узлы ответвления, полная мощность в начале ответвления составляет

Солдатская тяжелая нагрузка | Центр новой американской безопасности (en-US)

Примечание. Некоторые данные в этом отчете включают веса для более старой армейской системы бронежилета, улучшенного внешнего тактического жилета (IOTV) и старых шлемов.Армия находится в процессе замены IOTV на более легкую систему, которая весит 27 фунтов в качестве бронежилета для торса и шлема. Дополнительные сведения об эволюции бронежилетов и целях снижения веса см. В предыдущем отчете из серии «Суперсолдаты» «Защита солдат сегодня».

Краткое содержание

Бронежилет спасает жизни. Современные бронежилеты дали американским войскам беспрецедентное преимущество на поле боя, улучшив живучесть и сократив потери.Однако эта защита имеет свою цену. Сухопутные войска США сегодня несут в среднем 27 фунтов средств индивидуальной защиты (бронежилеты и шлемы). Этот вес прибавляется к и без того тяжелой ноше, состоящей из оружия, боеприпасов, воды, батарей и прочего снаряжения. Исследования недавних войн показали, что спешенные наземные войска несут в бою от 90 до 140 фунтов и более. Тяжелые грузы снижают мобильность, увеличивают утомляемость и снижают производительность миссии.

Этот отчет, четвертый из серии Super Soldiers , исследует тяжелое бремя спешенных наземных войск.Он рекомендует сменить парадигму для размышлений о живучести, уравновешивая преимущества улучшенного защитного оборудования и другого снаряжения с его затратами на вес и снижение мобильности и производительности. Отчет завершается рекомендациями по корректировке политик и оборудования для повышения общей живучести.

Ключевые выводы

• Большой вес и объем бронежилета ухудшают характеристики солдата.
• Эксперименты показали, что большие нагрузки влияют на мобильность и ситуационную осведомленность, что приводит к заметному сокращению времени реакции при стрельбе.
• Поскольку спешившиеся солдаты ограничены тем, что они могут физически унести в бой, солдаты сталкиваются с компромиссом между мобильностью, защитой и смертоносностью. Более тяжелые нагрузки также увеличивают утомляемость и могут снизить производительность миссии в целом.
• Требуется смена парадигмы с узкого акцента на защите к рассмотрению общей выживаемости солдат.
• Преимущества дополнительной брони должны быть сбалансированы с ее влиянием на мобильность, живучесть и производительность миссии.
• Солдаты всегда использовали тяжелый вес в бою, но сегодняшняя чрезмерная нагрузка имеет серьезные последствия для боевых качеств, умственных способностей и травм.
• Дополнительный вес снижает когнитивные и тактические характеристики и мобильность, но армия не заказывала авторитетную оценку для привязки веса к показателям оперативной эффективности.
• Технологии часто увеличивают, а не уменьшают нагрузку на солдата.
• Доктрина армии и морской пехоты признает вредное воздействие избыточного веса, но на практике исторические принципы ограничения веса не соблюдаются.
• Одна проблема заключается в том, что исследования часто связывают более тяжелые грузы с более медленными движениями солдат, но часто не делают следующий шаг, чтобы связать нагрузки с показателями оперативной эффективности, такими как меткость, маневр или уязвимость вражеского огня.
• Командиры не имеют фактических или предполагаемых полномочий изменять уровень защиты в зависимости от условий на местности.
• Нынешняя бронежилетная броня слишком продумана.
• Оптимизация требований к бронежилету с учетом критериев травм и угроз может снизить вес.
• Пошив бронежилетов для отдельных солдат потенциально может увеличить зону покрытия, улучшить мобильность и снизить вес.

Рекомендации

Армия должна:

• Запустите авторитетное исследование, чтобы лучше оценить взаимосвязь между нагрузкой и боевой эффективностью, основываясь на существующей литературе.
• Проведите тщательную оценку необходимых материалов и верности своевременного пополнения запасов, а также ознакомьте руководителей с важностью сведения к минимуму нагрузки.
• Четко делегируйте полномочия командирам роты для изменения уровня защиты по мере необходимости в зависимости от конкретной угрозы и задачи.
• Оптимизируйте требования к бронежилету в соответствии с реальной опасной средой, а не перерабатывайте бронежилет для защиты от нереалистичных комбинаций угроз, добавляя ненужный вес.
• Провести оценку возможности создания индивидуальной бронежилета и потенциальных преимуществ в снижении веса, увеличении площади покрытия и улучшенной мобильности.Эта оценка должна включать оценку производственных методов для снижения стоимости принятия индивидуально адаптированных решений в масштабе

Бремя брони

Бронежилет обеспечивает улучшенную защиту, но за счет солдатских качеств. Бронежилет тяжелый, громоздкий и горячий. Это немедленно препятствует мобильности солдат, увеличивая вес, ограничивая подвижность суставов и ограничивая движение в тесных окнах, дверных проемах и транспортных средствах, не предназначенных для большей части современной брони.Кроме того, броня задерживает тепло, увеличивая тепловую нагрузку на солдата, что особенно важно в жарких условиях. Внося свой вклад в общую загрузку солдат, броня также ограничивает видимость, снижает ситуационную осведомленность и задерживает время реакции. В совокупности вес, объем и тепловая нагрузка доспехов увеличивают утомляемость солдат и снижают физические и когнитивные способности.

Увеличенная нагрузка солдата не только замедляет движение и увеличивает утомляемость, но также, как было экспериментально продемонстрировано, снижает ситуационную осведомленность и время реакции при стрельбе.Тяжелые нагрузки снижают ситуационную осведомленность, наклоняя голову под углом вниз и увеличивая вес, который необходимо контролировать, когда солдат быстро останавливается. ^{В контролируемых экспериментах было продемонстрировано, что нагрузки отрицательно влияют на время реакции при стрельбе, увеличивая время, необходимое солдатам для точного огня, на 0,1 секунды по сравнению с условиями без нагрузки. Далее, эксперименты с участием солдат, одетых в броню разного размера, показывают, что большая броня может увеличить время между захватом и воздействием на серию целей.Ношение бронежилета меньшего размера, чем рекомендовалось, приводило к скорости, аналогичной базовой без бронежилета, но при ношении бронежилета рекомендуемого размера время поражения двух целей увеличивалось на 0,2 секунды. Общее время выполнения задачи с пятью целями увеличено до 0,7 секунды, с 6,3 без бронежилета до 7 секунд при ношении стандартной брони. В совокупности эти исследования показывают, что динамическая стрельба, когда способность остановиться и захватить цель имеет решающее значение, скомпрометирована большим весом и громоздкими грузами.}

Armor серьезно сказывается на характеристиках солдата, не добавляя никакой пользы солдату до момента удара. Как объясняет армейский исследователь доктор Джеймс К. Чжэн: «Бронежилет — это, по сути, паразитический вес; он не влияет на боеспособность солдата до того момента, пока он не потребуется для отражения потенциально смертельной угрозы ». ^{Это не означает, что бронежилеты не эффективны для предотвращения баллистических угроз или не представляют ценности. Действительно, бронежилеты спасают жизни.Однако это также связано с тяжелым бременем. Бронежилет увеличивает защиту, но снижает боеспособность солдата.}

Концепция «железного треугольника», часто применяемая к наземной технике, решает эту проблему. «Железный треугольник» представляет собой компромисс между мобильностью, защитой и летальностью. Поскольку существует предел веса, который может выдержать транспортное средство, любое увеличение одной из переменных приводит к ухудшению других. Спешенные солдаты сталкиваются с аналогичной проблемой. Они должны физически нести все имеющееся у них оборудование в бой.Это означает, что любые улучшения в защите или летальности, которые увеличивают вес, уменьшают мобильность. Подвижность можно восстановить, уменьшив вес и снаряжение солдат, но, как правило, за счет защиты или летальности. Таким образом, солдаты остаются в ловушке Железного треугольника.

Мобильность — важный фактор эффективности и живучести миссии. Маневр увеличивает шансы избежать контакта с противником или начать контакт на своих условиях. Фактически, лишний вес может привести к столкновениям, которых в противном случае можно было бы избежать за счет мобильности. ^{Кроме того, в отличие от наземной техники, которая не устает во время миссии, солдаты устают. Последствия поддержки тяжелого веса во время движения приводят к снижению когнитивных способностей, реакции и способности принимать решения. Сосредоточение внимания только на защите может быть вредным. Живучесть солдат — это больше, чем просто защита. Выживаемость включает также ситуационную осведомленность, мобильность и летальность. Найти врага, перехитрить его на поле боя и атаковать первым — идеальная ситуация для обеспечения выживаемости солдат.}

Повышение выживаемости солдат выходит за рамки простого сосредоточения внимания на улучшении защиты — эти защитные улучшения должны быть сбалансированы с их стоимостью в мобильности и летальности. Больше бронежилетов не всегда лучше. Вес бронежилета должен быть полностью сбалансирован с учетом его стоимости в плане мобильности, ситуационной осведомленности и характеристик солдат.

Солдатский тяжёлый груз

Бронежилет — это всего лишь один элемент тяжелой нагрузки солдата. Солдаты уже давно несут тяжелую ношу на войне, но современные солдаты несут беспрецедентный вес.За последние 3000 лет спешенные солдаты в среднем несли от 55 до 60 фунтов. ^{Это почти удвоилось за последние 200 лет. Римские легионеры несли почти 60 фунтов. Британцы, сражавшиеся в войне за независимость США, несли 80 фунтов. В битве при Ватерлоо (1815 г.) британцы несли от 60 до 70 фунтов, а французы — 55 фунтов. Французы во время Крымской войны (1853-1856) несли 72 фунта. Во время Первой мировой войны приблизительный маршевый вес подскочил до 85 фунтов. НАС.солдаты тренировались с весом не менее 60 фунтов, но в бою несли дополнительные пайки и боеприпасы. Во время Второй мировой войны американские войска несли более 80 фунтов при высадке в Нормандии. Количество солдат США увеличилось еще более резко во второй половине 20 века. Маршевые грузы во Вьетнаме оставались на уровне примерно 80 фунтов, но впоследствии выросли до 100 фунтов, с максимальным маршевым весом более 160 фунтов в Гренаде в 1983 году. В Ираке и Афганистане маршевые веса приблизились к 100 фунтам и более.}

Солдаты не возьмут сразу все вышеперечисленное снаряжение. Например, солдат не будет иметь при себе винтовку M4 и автоматическое оружие отряда M249.

(Источник: Дж. К. Чжэн и С. М. Уолш, «Материалы, производство и средства обеспечения защиты будущих солдат», в «Легкие баллистические композиты», 2-е изд., Woodhead Publishing, 2016.)

Увеличенный вес переносимой нагрузки не сочетается с повышенной способностью ее поддерживать.Доступ к надежному питанию в 18-19 веках улучшил показатели физической подготовки и средний рост. У американцев были лучшие запасы питательных веществ, из-за чего американцы в среднем были выше ростом, чем их европейские сверстники, но темпы роста замедлились в 1950-х годах, поскольку обильная диета в США стала менее питательной, что привело к увеличению ожирения. ^{С тех пор население США стало самым тяжелым в мире. Среднестатистический американский мужчина в возрасте от 30 до 39 лет просто боится считаться страдающим ожирением по шкале индекса массы тела (ИМТ). Эта тенденция не изолирована от гражданского населения. Растущее число военнослужащих и женщин страдают ожирением, в том числе 6,7 процента боевого населения в 2015 году, что является значительным увеличением с примерно 1 процента в 2001 году. Хотя это значительно меньше, чем предполагаемые 70 процентов американского населения, страдающего ожирением, почти 8 процентов общая сила классифицируется как таковая. Среди более широких слоев населения 31 процент американцев призывного возраста имеют слишком большой вес, чтобы претендовать на военную службу. Кроме того, тенденции показывают, что сегодняшние молодые люди слабее, чем предыдущие поколения , если судить по силе захвата, которая оказалась эффективным механизмом оценки силы и выносливости. Эти тенденции показывают, что естественное физическое улучшение веса, которое могут нести будущие солдаты, маловероятно.}

Боевая нагрузка состоит из снаряжения (оружия, боеприпасов, каски, бронежилета, воды и т. Д.), Которое солдаты носят непосредственно при себе во время маневрирования и боя.

Подходящий груз состоит из боевого груза и рюкзака, переносимого во время марша, который будет содержать дополнительную воду, боеприпасы, продовольствие и другие припасы на время выполнения миссии.

Корпус морской пехоты включает показатели эффективности в свои определения нагрузки. Для эквивалента «боевой нагрузки» средний пехотинец морской пехоты должен «иметь возможность вести боевые действия неограниченное время с минимальным снижением боевой эффективности». Эквивалент «нагрузки подхода» должен по-прежнему позволять морскому пехотинцу пройти 20 миль за восемь часов «с разумным ожиданием сохранения 90-процентной боевой эффективности.”

Вредное воздействие тяжелых грузов

Сегодняшний солдат тяжело обременен. Исследование боевой нагрузки на поле боя 2003 года показало, что средние боевые нагрузки варьируются в зависимости от положения от 53 до 81 фунта. ^{Средняя марш-нагрузка на подходе составляла 102 фунта, соответствует другим средним весам около 90 фунтов, если в комплект входит рюкзак. Эти веса, какими бы тяжелыми они ни были, со временем могут увеличиваться. Исследование морской пехоты 2007 года показало, что средняя боевая нагрузка составляет от 97 до 135 фунтов. В отчете Счетной палаты правительства за 2017 год указано, что морские грузы составляют от 90 до 159 фунтов, в среднем 117 фунтов, и армейские грузы от 96 до 140 фунтов, в среднем 119 фунтов.}

Тяжелые нагрузки могут снизить как когнитивные, так и физические способности. Для ведения боя требуются силы, подготовленные к столкновениям по обоим параметрам; все, что снижает способность вступать в бой с противником, неоптимально. Большой вес снижает тактические возможности, особенно в сочетании с утомлением и физическим воздействием боевого стресса. ^{Армейская доктрина отражает понимание негативного влияния веса на ловкость и физическую работоспособность. Армейское полевое руководство FM 21-18 «Процедуры и методы пеших маршей» поощряет солдат нести более тяжелые грузы на тренировках, чем в бою, чтобы увеличить силу и улучшить маневр на поле боя. Кроме того, он сообщает, что каждые дополнительные 10 фунтов веса удлиняют время прохождения полосы препятствий на 10-15 процентов, а каждые 10 фунтов сверх 40-фунтового порога сокращают расстояние, пройденное за шесть часов, на 2 километра. FM 21-18 уточняет, что восьмой марш должен преодолеть 32 километра (почти 20 миль) со скоростью 4 километра в час. Неопубликованное армейское исследование показывает, что это возможно с 30-фунтовым грузом, но с 70-фунтовым грузом марш продвигается только на 15 миль за восемь часов. При весе 110 фунтов войска проходят менее 10 миль за восьмичасовой период, что составляет половину ожидаемой маршевой скорости. Подобные тесты показывают, что расстояние, пройденное стрелком, уменьшается на 35 процентов при несении текущего веса в 95 фунтов по сравнению с 50-фунтовой целью, сокращая расстояние, пройденное за восемь часов, с примерно 17 миль до 11 миль.}

Боевая нагрузка по позициям. Данные относятся к 2003 году, но с тех пор вес брони увеличился.

(Источник: Рабочая группа Devil Combat Arms Assessment Team (Devil CAAT), «Боевая нагрузка современного воина: спешенные операции в Афганистане, апрель-май 2003 г.» (Центр армии США по изучению уроков армии, 2003 г.).)

Хотя армия проводит регулярные исследования работоспособности человека, они не используются для окончательного определения влияния тяжелых нагрузок на эксплуатационные характеристики.Невозможно полностью смоделировать боевую обстановку и необходимый стресс во время тестирования для полностью реалистичной оценки. Тем не менее, результаты армейских исследований позволяют сделать некоторые выводы. Более тяжелые нагрузки снижают выносливость, силу, ускорение и ловкость, а также увеличивают время прохождения полосы препятствий. ^{Время прохождения полосы препятствий из 10 станций, включая тесты на ловкость и равновесие, спринт, подъем по лестнице и лестнице, перевозку груза и ползание, увеличено на 15 процентов при использовании 44.Нагрузка 3 фунта (относительно ненагруженной конфигурации, носящей только униформу) и 41 процент при переноске 79,3 фунта. Кроме того, больший вес требует более высоких затрат калорий, что со временем вызывает утомление. Эти эффекты имеют отрицательные эксплуатационные эффекты, о чем свидетельствует увеличение времени, необходимого для выполнения задач, и более быстрое наступление усталости.}

Перенос тяжелых грузов и, в частности, бронежилета требует больше кислорода, но снижает способность его вдыхать. Исследования показали, что при поддержке 100 фунтов снижается выходная мощность и общее потребление кислорода. ^{Влияние более высоких нагрузок возрастает нелинейно; эффект при весе приблизительно 100 фунтов оказался больше, чем ожидалось, основываясь на более легких испытаниях. Кроме того, согласно исследованию, опубликованному в Journal of Applied Biomechanics, вес от ношения рюкзака вызвал «значительный рост» показателей респираторной усталости, что могло ограничить экстремальную физическую активность. Аналогичным образом, исследование, опубликованное в журнале Aviation, Space and Environmental Medicine, показало, что вес тела, включая бронежилет, может «[ухудшить] функцию дыхательных мышц и [увеличить] работу дыхательных мышц.«По мере того, как становится тяжелее дышать, повышается вероятность утомления, а переносимость упражнений ограничивается. Хотя тяжелый вес имеет непропорциональные респираторные последствия, эти эффекты характерны не только для больших нагрузок. В другом исследовании с весом ниже 35 фунтов бронежилет специально вызывал снижение легочной функции. С некоторыми негативными эффектами можно бороться, тренируя дыхательные мышцы. Исследования показали, что упражнения с низкой интенсивностью и время выполнения упражнений с высокой интенсивностью улучшаются благодаря увеличению силы дыхательных мышц после тренировки с рюкзаком весом 55 фунтов.}

Данные 2006 г., армия США.

(Источник: Счетная палата правительства, «Средства индивидуальной защиты», GAO-17-431, май 2017 г., стр. 9.)

На силу и физическую нагрузку также влияет большой вес. Исследования показали снижение прилагаемой силы и выносливости даже при 55-фунтовой нагрузке. ^{Вес снижает ускорение даже при скромной 50-фунтовой нагрузке, меньше, чем у большинства военнослужащих в бою.В исследованиях время спринта на 30 метров увеличилось, но большая часть увеличения пришлась на начальные 5 метров, где происходит ускорение. Также влияет на ловкость при непредвиденных движениях. В отчете журнала «Военная медицина» объясняется, что при ношении бронежилетов:}

мужчин подтягивались на 61% меньше, а время зависания у женщин сократилось на 63%; количество шагов по лестнице сократилось на 16% как для мужчин, так и для женщин. [Бронежилеты] значительно повлияли на физическую работоспособность при выполнении задач, имеющих значение в военном отношении… При ношении [бронежилета] вероятность физического истощения высока, и выполнение физических задач заметно ухудшается. ⁴⁵

Наконец, ситуационная осведомленность ухудшается из-за большого веса, что ухудшает эксплуатационные характеристики, делая солдат более восприимчивыми к стрельбе и увеличивая время реакции. При моделировании огня противника тяжелый вес несколько замедлял время реакции, увеличивая уязвимость и снижая способность быстро уходить от контакта с противником. Было продемонстрировано, что повышенная восприимчивость к вражескому огню является функцией перевозимого груза. ^{Время, необходимое для определения и захвата цели, увеличилось при больших нагрузках с чуть более 3 секунд до более чем 3.5 секунд в некоторых конфигурациях, так как точность снизилась. Далее, солдаты на 20-километровом марше сообщали об увеличении утомляемости при более тяжелых нагрузках и снижении бдительности, что соответствовало увеличению веса (оцениваемого в 75 фунтов, 105 фунтов и 135 фунтов).}

Время до изнеможения как функция нагрузки и скорости солдата

При более тяжелых нагрузках солдаты быстрее устают, если только они не двигаются медленнее.(Источник: Армейское полевое руководство 21-18, Процедуры и методы пеших маршей, стр. 5-5)

Помимо непосредственного вредного воздействия большой нагрузки на работоспособность, поддержание этого веса в течение длительного периода имеет пагубные последствия. Данные о травмах военнослужащих в результате войн в Ираке и Афганистане привели исследователей из Исследовательского центра здоровья ВМС к выводу, что чрезмерные нагрузки могли усугубить травмы. ^{Солдаты в возрасте 25 лет вышли на пенсию из-за дегенеративного артрита, вызванного тяжелыми грузами. Почти одна треть медицинских эвакуаций из сражений в Ираке и Афганистане с 2004 по 2007 год были вызваны позвоночника, соединительной ткани, или травм опорно-двигательного аппарата, в два раза от тех боевых травм. Это может ограничить карьеру военнослужащих, что приведет к потере ценных институциональных знаний и готовности сил. С 2003 по 2009 год, число отставных солдат армии, по крайней мере, одной проблемой опорно-двигательного аппарата пошел в десять раз. (Эти проблемы уже обходятся Департаменту по делам ветеранов в 500 миллионов долларов ежегодно в виде пособий по инвалидности, которые, как ожидается, будут расти.) Риск травмы из-за тяжелых нагрузок также снижает возможный кадровый резерв.}

Солдатские нагрузки сегодня настолько серьезны, что на самом деле армейские исследователи не решаются проверять характеристики солдат при полной боевой нагрузке в медицинских экспериментах, опасаясь нанести травму. Вышеупомянутое исследование иллюстрирует влияние веса на элементы физической работоспособности, но исследований, связывающих это с показателями боевой эффективности, очень мало. Отсутствие окончательных армейских испытаний, увязывающих нагрузку и боевую эффективность, по-прежнему создает иллюзию, что перевозка тяжелых грузов бесплатна, что увековечивает отсутствие действий в решении проблемы.

Скорость солдата в зависимости от нагрузки и местности

При более тяжелых грузах и в более сложной местности солдаты передвигаются медленнее. (Источник: Армейское полевое руководство 21-18, Процедуры и методы пеших маршей, стр. 5-5)

В результате солдаты часто берут с собой в бой больше, чем необходимо. Во время Первой мировой войны было в 10 раз больше боеприпасов, чем предполагалось.Это количество боеприпасов не уменьшилось после того, как грузовики и самолеты позволили пополнить линию фронта во время Второй мировой войны. ^{Многие из погибших в Омаха-Бич произошли от утопления из-за чрезмерно тяжелых ран из-за переоценки того, что можно унести. Армия разрешает нести до 120 фунтов для «груза аварийного подхода», когда пополнение запасов не гарантируется, но оговаривает, что контакта с противником следует избегать в таких тяжелых условиях. Согласно армейской доктрине, командиры должны определять нагрузки для конкретной задачи на основе анализа рисков, но превышение максимальной нагрузки грозит срывом задачи. Армия FM 21-18 заявляет:}

Способность солдата маршировать и сражаться напрямую зависит от его груза. Максимальный предел индивидуальной нагрузки не может быть превышен, так как солдат пехоты не выполнит свою задачу. Солдаты сражаются со светом только с оборудованием, необходимым для непосредственной миссии. При необходимости они получают дополнительные системы вооружения и технику.

Конечно, на практике пределы, указанные в армейской доктрине — 48 фунтов боевой нагрузки и 72 фунта маршевой нагрузки — обычно нарушаются.

Заманчиво думать, что технологические усовершенствования могут облегчить солдатскую нагрузку, но исторический опыт подсказывает обратное. Армейский историк SLA Маршалл заметил в 1950 году, что технологии не «уменьшили ни на фунт веса, который человек должен нести на войне. Он все еще обременен таким же тяжелым бременем, как солдат 1000 лет до нашей эры ». ^{Шестьдесят лет спустя наблюдение SLA Marshall остается верным. Технологии только дали солдатам больше возможностей носить с собой: очки ночного видения, радиоприемники, ноутбуки, современные бронежилеты, устройства GPS и другое оборудование.Улучшения в технологии материалов привели лишь к незначительному снижению веса брони, не отставая от защиты от возникающих угроз. Адаптация будущего врага, вероятно, потребует постоянного улучшения защиты, которая только увеличивает вес. Технологический прогресс — не серебряная пуля. Необходимо защитить решающий элемент боя: способность солдата маневрировать и вступать в бой с противником.}

Расстояние между солдатами в зависимости от перевозимого груза

Солдаты проходят меньшее расстояние за то же время с увеличенным весом.Условия указаны для солдата весом 171 фунт, ходьбы по грязи с уклоном в 1 процент и рабочей нагрузки 350 ккал / час.

(см. Сноску 41.)

Официально армейская доктрина признает необходимость использования тяжелых грузов. FM 21-18 отмечает: «[T] первоочередное внимание уделяется не тому, сколько солдат может унести, а сколько он может унести без снижения боевой эффективности — умственно или физически. Боевая сила отряда не может быть подсчитана только по количеству солдат, но должна быть рассчитана по количеству желающих и физически способных солдат. ^{Как утверждал SLA Маршалл, 5000 отдохнувших, подготовленных мужчин всегда побеждают 15000 усталых мужчин. Однако практика армии часто расходится с этим стремлением во времена Маршалла и сегодня.}

Рекомендуемые пределы перевозки груза

Вредные эффекты нагрузки были признаны и отражены в постоянных рекомендациях по весовой нагрузке, но они не были учтены. Сегодняшняя боевая нагрузка намного превышает рекомендуемые пределы, которые постоянно составляют около одной трети веса тела, или 50 фунтов.Исследования еще в конце 1800-х годов рекомендовали предел в 48 фунтов. ^{Результаты 1920-х годов рекомендовали максимальный вес от 40 до 45 фунтов, утверждая, что дополнительный вес сверх одной трети веса тела будет иметь непропорциональные затраты по сравнению с добавленным весом. Усилия в межвоенные годы между Первой и Второй Мировыми Войнами были направлены на достижение веса менее 35 фунтов. SLA Marshall предложил максимальную тренировочную нагрузку в одну треть веса тела, равную 51 фунту, в 1950 году. Он предусмотрел более легкую боевую нагрузку, которую он произвольно установил как четыре пятых от тренировочной нагрузки или около 40 фунтов. В FM 21-18 армия устанавливает максимальную боевую нагрузку на 48 фунтов и максимальную маршевую нагрузку на подходе (которая включает боевую нагрузку) на 72 фунта.}

В исследовании нагрузки корпуса морской пехоты 2003 года оценивались существующие рекомендации, включая рекомендацию армии, ее источник в Стандарте критериев проектирования Министерства обороны США (MIL-STD-1472F) и обсуждения с военными учеными. Эти источники привели к тому, что исследование Корпуса морской пехоты рекомендовало устанавливать боевые и приближающиеся нагрузки на уровне 30 и 45 процентов от веса тела соответственно. ^{В 2003 году средний пехотинец-мужчина весил 169 фунтов, в результате максимальная боевая нагрузка составляла 50,7 фунта (30 процентов), а приблизительный вес — 76,1 фунта (45 процентов).}

Другие источники также регулярно приводят цифру в 50 фунтов. В отчете Консультативного комитета по военно-морским исследованиям за 2007 год рекомендуется максимальная штурмовая нагрузка 50 фунтов, но указаны шесть дежурных позиций морской пехоты с боевым патрулированием, превышающим это количество. ^{Армейское исследование 2001 года также рекомендовало ограничение в 50 фунтов, , а генерал Эрик Шинсеки, занимавший тогда должность начальника штаба армии, установил максимальную цель боевой нагрузки в 50 фунтов к 2010 году.}

Замечательно последовательные стандарты не соблюдаются ни армией, ни корпусом морской пехоты, и тенденция не является положительной, что это изменится. SLA Marshall рассудил, что продолжающаяся тяжелая нагрузка на солдат объясняется «общим безразличием» к проблеме. ^{В заключение он восхваляет потребность в мобильности «прежде всего на поле боя. Быстрые и подвижные движения, быстрота и уверенность в мысли — вот что действительно важно.”}

Существует очевидная необходимость пересмотреть пагубное влияние избыточного веса на живучесть. Вес, который несут солдаты, нездоров и неприемлем. Это имеет оперативные последствия из-за немедленной деградации когнитивных и физических способностей. Он подавляет правильное дыхание, силу, выносливость и подвижность. Долгосрочные последствия ограничивают набор персонала и сокращают карьеру. Солдаты стали только тяжелее, а война стала более технологичной. Думая о том, чтобы улучшить живучесть за пределами традиционных брони помещенных на корпусе будет необходимо для защиты солдат от костно-мышечной травмы и повышения эффективности на поле боя.Однако есть шаги, которые армия может предпринять в ближайшем будущем, чтобы изменить свое оборудование, доктрину и политику, чтобы уменьшить нагрузку на солдат.

Оптимизация загрузки и производительности солдат

Доктрина

армии и корпуса морской пехоты признает, что перенос лишнего веса ограничивает боевую эффективность. Одна из проблем в снижении веса заключалась в том, что исследования часто связывают нагрузку с более медленным движением солдата, что интуитивно понятно, но часто не делают следующий шаг, чтобы привязать более тяжелые нагрузки к показателям оперативной эффективности, таким как меткая стрельба, маневр или уязвимость вражеского огня. .Чтобы действительно оптимизировать нагрузку и производительность солдат, необходимо приложить согласованные усилия, чтобы понять и рекламировать влияние тяжелых грузов на производительность человека. Армия должна провести авторитетное исследование, чтобы лучше оценить взаимосвязь между нагрузкой и боевой эффективностью, опираясь на существующую литературу. В этом исследовании следует подробно описать ограничения и риски чрезмерной нагрузки. Результаты должны быть распространены среди всей армии, чтобы информировать руководство при принятии решений о конфигурации нагрузки в соответствии с требованиями миссии.

Военная доктрина об ограничениях веса, при необходимости изменяемая на основе оценки возможностей человека, должна применяться с целью повышения боевой готовности солдат за счет уменьшения перевозимого веса и адаптации к оперативным требованиям. Частью этих усилий должно быть изучение того, какие предметы снабжения действительно необходимы солдатам на поле боя, и возможности их пополнения. Армия должна провести тщательную оценку необходимых припасов и верности своевременного пополнения запасов, а также обучить лидеров важности минимизации грузов.

Это означает сокращение перевозимого оборудования, такого как боеприпасы, до только того, что является критически важным и будет разумно использоваться. Кроме того, физические условия эксплуатации должны диктовать ограничения по весу, поскольку труднопроходимая местность, например горы, ограничивает допустимый вес, который солдаты могут нести. ^{Наконец, руководящие принципы должны быть поняты и организационно реализованы на индивидуальном уровне. На каждый фунт выставленного дополнительного оборудования следует убирать фунт.}

Это в основном вопрос руководства и обучения, но проблему трудно решить, учитывая тяжелое бремя всего оборудования, которое, как предполагается, необходимо сегодня. Исторические рекомендации по обеспечению максимальной ловкости, познания и выносливости на поле боя, а также защиты от травм, составляют около 50 фунтов. Вес защитной бронежилета делает практически невозможным добавление необходимого оборудования и соблюдение предельного веса, что подчеркивает важность минимизации веса брони.Нынешний бронежилет для торса весит примерно 32 фунта, а для дополнительного оборудования остается только 18 фунтов. Карабин M4 с оптикой весит около 7 фунтов без патронов. Верблюд с 100 унциями воды весит почти 7 фунтов. Приборы ночного видения, ручная граната и одна MRE добавляют еще 3,5 килограмма. ^{Это составляет 17,5 фунтов, а у этого гипотетического солдата нет ни боеприпасов, ни шлема.}

Бронежилет

сам по себе является модульным и теоретически позволяет командирам адаптировать уровень защиты к оперативным потребностям, уменьшая вес для увеличения мобильности по мере необходимости.Однако, как ни странно, большинство командиров не меняют используемые элементы. Соответствующий уровень защиты зависит от множества условий: угрозы противника, местности и миссии, среди других факторов. Армейская доктрина учит, что командиры должны принимать во внимание миссию, противника, войска, местность и время (METT-T) при планировании операций. Например, ношение тяжелых бронежилетов может оказаться нецелесообразным при длительном многодневном патрулировании в гористой местности, например, в Афганистане. На практике решение о том, какой уровень защиты носить, обычно принимается высшим руководством.Наземным командирам редко делегируются четко определенные полномочия, необходимые для корректировки уровня защиты в зависимости от условий на местах, особенно на уровне роты.

Лидеры армии

справедливо обеспокоены тем, что, если они сделают разумный выбор, чтобы сбалансировать уровень защиты против компромисса с дополнительным весом и мобильностью, и солдат будет ранен или убит в результате, их решение будет вторично угадано начальством Министерства обороны и Руководство Конгресса. В недавнем отчете RAND по облегчению бронежилетов отмечалось, что «лидеры по понятным причинам неохотно принимают решение о снижении требований к угрозам, чтобы их не обвиняли в смерти или ранении солдата из-за превышения снаряда и брони.«Политические последствия смертельного боя, когда солдаты не носят доступную броню, высоки, и более политически целесообразно, чтобы солдаты носили более тяжелую броню.

Эта неприятная ситуация в конечном итоге вредит солдатам. Чрезмерно избегающий риска подход, который не позволяет командирам регулировать уровень защиты в зависимости от конкретных условий на местности, может затруднить мобильность солдат. Солдаты США, которые не выдерживают маневра противника, рискуют вступить в контакт на условиях врага — опасная ситуация, которая вредит общей выживаемости солдат.

Это не техническая или материальная проблема, а в первую очередь проблема культуры и политики. Командиры не имеют четко делегированных полномочий и поддержки со стороны начальства, включая гражданское руководство Министерства обороны и Конгресса США, для изменения уровня защиты в соответствии с конкретными условиями METT-T. Армия должна четко делегировать полномочия командирам рот на изменение уровня защиты по мере необходимости, в зависимости от конкретной угрозы и задачи.

Оптимизация конструкции бронежилета для снижения веса

Ближайшие перспективы технологических усовершенствований, которые коренным образом изменили бы соотношение веса и мобильности, невелики.Несмотря на быстрое развитие бронежилетов в середине 20-го века, прогресс в улучшении материалов за последние несколько десятилетий был постепенным. Например, от войны в Персидском заливе до войны в Афганистане поверхностная плотность брони уменьшилась на 24 процента, или примерно на 2,4 процента улучшения в год. ^{Существенные улучшения, произошедшие с 2001 года, в основном были направлены на улучшение защиты, а не на снижение веса. В результате за последние 15 лет вес бронежилетов значительно увеличился.}

Улучшения в броне

Плотность брони (фунтов на квадратный фут) показана для постоянного уровня защиты. Улучшение материалов бронежилетов привело к резкому снижению веса во второй половине 20-го века, но лишь к постепенному увеличению в последние годы. Любое значительное снижение веса бронежилетов в будущем, вероятно, будет происходить не только за счет улучшения материалов, но и за счет других областей.

(Источник: на основе данных Джеймса К. Чжэна, Обзор снижения веса СИЗ, август 2016 г.)

Тем не менее, даже с учетом этих ограничений в материалах, армия может предпринять ряд шагов в ближайшем будущем для уменьшения веса бронежилетов и повышения общей выживаемости солдат, не требуя принципиально новых улучшений в материалах.

Сегодняшние системы бронежилетов, вероятно, чрезмерно спроектированы в ряде областей, что увеличивает лишний вес.Могут быть возможности снизить вес без снижения живучести солдат. Требования устаревшей армии к дизайну и конструкции системы могут привести к чрезмерной инженерии пластин жесткой брони. ^{В отчете Счетной палаты правительства за 2017 год указано, что, по словам должностных лиц Министерства обороны,:}

Аппараты

[P] могут быть чрезмерно спроектированными и тяжелее, чем необходимо, на основании реальных эксплуатационных угроз и данных о характеристиках [средств индивидуальной защиты], собранных в Ираке и Афганистане. По словам представителей исследователей, обновления позволят снизить вес без увеличения баллистической опасности для персонала.

Согласно отчету, исследователи могут разработать новые жесткие броневые пластины с уменьшенным весом в 2019 финансовом году, ожидая одобрения от высшего руководства армии. ^{Кроме того, оптимизируя требования к отдельным солдатам, армия потенциально могла бы уменьшить вес существующих систем бронежилета, даже с использованием современных материалов. Текущие доспехи бывают разных размеров (XS, S, M, L, XL и т. Д.), А в последнее время — женские доспехи, чтобы соответствовать различным типам телосложения мужчин и женщин-солдат.Однако формы и размеры тела солдат различаются в гораздо большей степени, чем это отражено в доступных в настоящее время размерах. Индивидуальный бронежилет, специально разработанный для отдельных солдат, мог значительно улучшить зону покрытия и потенциально снизить вес. Специально подобранный доспех устранит ненужные щели, в которых видны уязвимые части туловища, и устранит лишний доспех, который слишком длинный или слишком широкий для конкретного типа тела солдата. Индивидуальный бронежилет также уменьшит ненужную массу и повысит мобильность и скорость реакции солдат в динамичных боях.}

Для индивидуального изготовления бронежилетов потребуется другая модель для изготовления и хранения бронежилетов. В зависимости от того, насколько индивидуально индивидуальный бронежилет адаптирован для каждого отдельного солдата, может потребоваться его изготовление на основе размеров этого солдата, когда он или она вступает в армию. Например, для правоохранительных органов доступны индивидуальные варианты бронежилетов. Хотя индивидуальная броня потребует некоторых дополнительных затрат, возможность масштабного внедрения этого подхода будет сильно зависеть от используемой производственной модели. Армия должна провести оценку возможности создания индивидуальной бронежилета и потенциальных преимуществ в снижении веса, увеличении зоны покрытия и улучшенной мобильности. Эта оценка должна включать в себя оценку производственных методов для снижения затрат на масштабное внедрение индивидуально адаптированных решений.