張春曉,穆仕博
(中國空空導彈研究院,河南洛陽471009)
隨著空空導彈技術(shù)的飛速發(fā)展,對電源系統(tǒng)的要求也越來越高,主要體現(xiàn)在用電種類多、功率大等方面。由于空空導彈工作時間較短的特點,更加適合采用熱電池。使用熱電池比采用航空渦輪發(fā)電機作為電源具有以下優(yōu)點:質(zhì)量輕、體積小、除點火電源外不需其它動力,能在嚴酷的溫度和力學環(huán)境下正常工作,激活可靠性高,能大電流放電,內(nèi)阻小。因此,隨著熱電池技術(shù)的飛速發(fā)展,先進的空空導彈上愈來愈普遍地采用熱電池作為它的電源。如美國的AIM-120、響尾蛇,俄羅斯的P-73等空空導彈電源均采用了熱電池。
本文對熱電池在空空導彈上的應(yīng)用進行了較為詳細的論述,重點論述了應(yīng)用中應(yīng)注意的問題,并對空空導彈用熱電池的發(fā)展趨勢進行了展望。
熱電池外形通常為圓柱型,內(nèi)部組裝有若干組單體電池。單體電池電壓一般為2 V左右,每一個單體的正極與相鄰單體的負極通過一個金屬導電片相連。若串接n只單體,則輸出電壓將是單體電池電壓的n倍。
熱電池的單體電池一般采用三片式結(jié)構(gòu),即由正極片、隔離片(電解質(zhì))、負極片三片組成,它們均被壓制成圓形的薄藥片,單體電池之間的集流片和加熱片也制成薄圓片,這種設(shè)計的優(yōu)點在于盡可能地利用了每個單體電池的單元面積,因而,整個電池基本都是由正極片、隔離片(電解質(zhì))、負極片、集流片、煙火加熱片、激活系統(tǒng)(點火頭或撞針機構(gòu)及火帽)、絕緣材料、保溫材料、殼體、電池蓋、輸出極柱、玻璃絕緣子等零部件組成[1]。
熱電池的結(jié)構(gòu)與組成見圖1。
熱電池的負極通常采用活潑的金屬,如鋰、鎂、鈣等;正極采用一些高性能氧化物或鹽類,如五氧化二釩、二硫化鐵、硫酸鉛、鉻酸鈣等;電解質(zhì)是熔鹽和細粘土的混合物。
圖1 熱電池的結(jié)構(gòu)與組成
常溫下熱電池內(nèi)部的電解質(zhì)是不導電的固體,電極活性物質(zhì)和電解質(zhì)相互間不進行化學反應(yīng),處于非工作狀態(tài),電池自放電極少。使用時采用電流引燃電點火頭,點燃電池內(nèi)部的煙火熱源,使電池內(nèi)部溫度迅速上升,達500℃左右,使電解質(zhì)熔融并形成高電導率的離子導體,從而使電池激活,在短時間內(nèi),即可給用電部件供給所需的直流電壓及電流[2]。
熱電池在空空導彈上的應(yīng)用,既要考慮熱電池需要滿足導彈總體指標的要求,同時總體在進行電氣指標設(shè)計時,也要充分考慮熱電池的技術(shù)水平和特點,保證熱電池設(shè)計和應(yīng)用的可靠性。
2.1.1 輸出電壓設(shè)計
熱電池的輸出電壓與用電部件消耗的電流、工作環(huán)境溫度及工作時間有著密切的關(guān)系,在設(shè)計時應(yīng)選擇標準化、系列化的電壓體系,并根據(jù)實際情況確定電壓公差。
2.1.2 輸出電壓精度設(shè)計
在航空產(chǎn)品的電源設(shè)計中,應(yīng)遵循熱電池輸出功率第一、電壓輸出精度第二的設(shè)計原則,輸出精度的進一步改善應(yīng)主要放在二次電源的設(shè)計上。電池輸出電壓的精度一般選取±10%、±15%、±20%。
2.1.3 輸出電壓的組合與分配
在目前先進的航空產(chǎn)品中,用電部件需要的電壓種類多,功率相差較大,供電用途廣泛,必須進行組合設(shè)計滿足總機關(guān)于體積小、質(zhì)量輕、高可靠性的要求。熱電池根據(jù)以下基本原則進行組合:(1)按艙段分配,便于設(shè)計與調(diào)試,減少互相間的干擾;(2)按用途分配,使電池的綜合設(shè)計科學合理;(3)按功率分配,保證結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊。
熱電池根據(jù)外徑和長度的不同,主要采用裝配腳式和卡環(huán)式兩種安裝方式。
(1)裝配腳式
裝配腳式就是將與電池安裝處適配的裝配腳和裝配螺母預(yù)先焊接在電池的殼體上,用螺釘將電池固定在安裝處,該方法適用于小體積熱電池的安裝。
(2)卡環(huán)式
卡環(huán)式就是在電池安裝處加工一個與電池外型適配的半圓形凹槽,然后用一個略小于半圓形的不銹鋼卡環(huán)通過螺釘將電池固定在安裝處,該方法適用于直徑大,長度長的大體積熱電池的安裝。
(1)熱電池發(fā)熱問題
熱電池被激活后,由于煙火源和化學反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量,使內(nèi)部溫度可達到500℃,電池的熱量會透過保溫隔熱層和不銹鋼殼體向外表面和安裝環(huán)境中散發(fā),一般外表面溫度在一定時間后可達到300℃以上。在航空產(chǎn)品這種結(jié)構(gòu)緊湊、空間小的環(huán)境中安裝時,應(yīng)考慮電池的隔熱措施,以免對相鄰的部件造成熱損壞,影響整個產(chǎn)品的正常工作。
(2)試驗考核問題
熱電池的考核試驗一般采用模擬負載進行放電試驗。模擬負載應(yīng)盡量模擬電池的實際負載特性。另外,對電池的環(huán)境考核試驗條件應(yīng)高于總體條件。
為適應(yīng)未來空空導彈的發(fā)展需求,熱電池的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面:(1)高能量密度:超出常規(guī)電池1倍以上的能量密度,電池具有大的比能量和比功率,適應(yīng)空空導彈對電源系統(tǒng)小體積、小質(zhì)量、高性能的需求;(2)快激活:提高空空導彈的快速性;(3)低表面溫度:通過新型隔熱材料的應(yīng)用和新體系化學材料的研制,使電池的表面溫度大大降低,改善電池周圍的工作環(huán)境。
鑒于熱電池的顯著優(yōu)點,其在空空導彈上將會得到越來越廣泛的應(yīng)用。目前,還沒有哪種新的能源方式能夠取代它。只有依靠熱電池技術(shù)的不斷發(fā)展和進步,來滿足未來空空導彈需求的不斷提高。同時,也正是由于需求的不斷提高,促進熱電池技術(shù)的不斷進步和發(fā)展。
[1] 李國欣.新型化學電源技術(shù)概論[M].上海:上海科學技術(shù)出版社,2007.
[2] 梁曉庚,王伯榮,余志峰,等.空空導彈制導控制系統(tǒng)設(shè)計[M].北京:國防工業(yè)出版社,2006.