王勝華

(西安機(jī)電信息研究所,陜西西安 710065)

0 引言

從20世紀(jì)初期德國(guó)Erb博士發(fā)明了熱電池,到20世紀(jì)80年代誕生了很多體系的熱電池,電池的各項(xiàng)性能指標(biāo)在不斷地提高。由于熱電池具有比能量大、比功率高、作用可靠和使用環(huán)境溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于引信、導(dǎo)彈、魚雷等現(xiàn)代武器中,在軍用電源中占有十分重要的地位[1]。

熱電池是靠加熱激活的電池,主要由基片、正極片、負(fù)極片、電解質(zhì)片、集流片、加熱系統(tǒng)、保溫墊片、電池殼、帶接線柱的電池蓋等組成。單體電池、集流片、加熱片采用平行重疊裝配的方式構(gòu)成電堆,電堆在一定壓力下固定封裝于殼體中,以保證在苛刻工作環(huán)境條件下電池的正常放電性能。常溫下熱電池內(nèi)部的電解質(zhì)是不導(dǎo)電的固體,電極活性物質(zhì)和電解質(zhì)相互之間不進(jìn)行化學(xué)反應(yīng),處于非工作狀態(tài)。一旦投入使用,只要輸入激活信號(hào)使電池激活,通過(guò)加熱系統(tǒng)使電池內(nèi)部溫度迅速上升,電解質(zhì)熔融形成高導(dǎo)電率的離子導(dǎo)體,正負(fù)開(kāi)始電化學(xué)反應(yīng),即可輸出所需的直流電壓及電流[2-4]。

熱電池主要的激活方式有兩種:一種是電激活,即使用外電源引爆電點(diǎn)火頭發(fā)火,引燃加熱片激活熱電池的方式;另一種是機(jī)械激活,即使用機(jī)械能使火帽發(fā)火引燃加熱片激活熱電池的方式。

為了幫助引信和武器工作者了解和合理應(yīng)用熱電池,本文對(duì)熱電池的激活方式作一綜述。

1 電激活機(jī)構(gòu)及工作原理

熱電池的電激活方式是將電點(diǎn)火頭放置在電池堆上部或下部,如圖1所示,外電源施加發(fā)火電流后點(diǎn)火頭作用,點(diǎn)燃引燃條,引燃條點(diǎn)燃加熱片,電池開(kāi)始工作。電點(diǎn)火頭具有作用迅速、準(zhǔn)確,所需起始沖能小、可采用多種電源激發(fā)等優(yōu)點(diǎn),成為熱電池激活的首選方式。電激活熱電池主要用于引信傳感器、火箭掃雷彈頭及彈尾引信、火箭彈近炸引信、子彈引信、導(dǎo)彈等武器裝備上[5]。?

圖1 電激活熱電池結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Electric activation thermal battery

電點(diǎn)火頭主要有3種形式:1)常規(guī)熱橋絲電點(diǎn)火頭,其點(diǎn)火靈敏度很高,只要幾百毫安電流就能使電點(diǎn)火頭點(diǎn)燃;2)鈍感型電點(diǎn)火器,其標(biāo)準(zhǔn)為1 A、1 W 5 min不發(fā)火,在5 A 、5 W 、50 ms必發(fā)火;3)半導(dǎo)體電點(diǎn)火器,其尺寸是常規(guī)熱橋絲的1/30,不發(fā)火能級(jí)為2.4 A、2.4 W、5 min,其點(diǎn)火能量與鈍感型電點(diǎn)火器相同,點(diǎn)燃速度在10 ms以內(nèi)?？梢钥闯鲭婞c(diǎn)火頭的發(fā)火電流、發(fā)火能量、發(fā)火時(shí)間及安全電流是選擇的重要參數(shù)[6]。

電激活熱電池的優(yōu)點(diǎn)是激活機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,只需要在電池蓋體上燒結(jié)接通電點(diǎn)火頭的極柱,極柱位于電池內(nèi)部的部分與點(diǎn)火頭的兩根輸入線進(jìn)行焊接,需要注意的是焊接部位必須牢固,防止熱電池在承受高過(guò)載時(shí)出現(xiàn)斷開(kāi)的現(xiàn)象。

電激活熱電池需要外電路提供點(diǎn)火電流,需要配備一個(gè)電源激發(fā)電點(diǎn)火頭,導(dǎo)彈和火箭的發(fā)射指令、航空炸彈的投放指令都是功率型電脈沖,可以用來(lái)激發(fā)電點(diǎn)火頭。在不具備外電源的引信中,可以在熱電池之外加裝機(jī)械激活電源,例如后坐發(fā)電機(jī)、、帶膛內(nèi)點(diǎn)火機(jī)構(gòu)的壓電換能器等。這對(duì)于體積空間有限的小型彈藥引信來(lái)說(shuō),是弊端,但是這個(gè)電源不必與熱電池一體設(shè)計(jì),可以利用引信的閑置空間,又是優(yōu)點(diǎn)。

隨著引信電源小型化的要求,熱電池的小型化設(shè)計(jì)也顯得很重要,電點(diǎn)火頭的設(shè)計(jì)小型化已取得了進(jìn)展,美國(guó)專利公開(kāi)的一種微型電點(diǎn)火頭——恒定輸出高精確微毛細(xì)煙火起爆器,應(yīng)用在一種使用了微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)基技術(shù)的熱電池中[7]。

2 機(jī)械激活機(jī)構(gòu)及工作原理

熱電池的機(jī)械激活方式,采用針刺火帽或撞擊火帽在外力的作用下發(fā)火,點(diǎn)燃熱電池中的加熱元件。根據(jù)彈藥或引信的體積、所受的環(huán)境力,以及參照火帽的感度、點(diǎn)火能力、發(fā)火時(shí)間等主要因素,進(jìn)行電池機(jī)械激活機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

2.1 外置式機(jī)械激活機(jī)構(gòu)

外置式機(jī)械激活機(jī)構(gòu)是在電池殼底部設(shè)計(jì)一個(gè)火帽盂,將火帽裝入火帽盂,擊發(fā)機(jī)構(gòu)即擊(撞)針、彈簧、導(dǎo)向筒等則設(shè)計(jì)在電池外部,成為與電池完全獨(dú)立的一個(gè)部件。彈丸發(fā)射時(shí)在感受環(huán)境力后,擊發(fā)機(jī)構(gòu)的彈簧壓縮推動(dòng)擊(撞)針戳(撞)擊火帽,火焰從火帽殼底部噴出擊穿火帽盂底部即電池殼體底部,火焰從電池殼底部的孔傳入點(diǎn)燃加熱片,熱電池被激活,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。這種結(jié)構(gòu)的電池,火帽的裝配有兩種形式,一種是將針刺火帽固定在殼體外部的火帽盂內(nèi),一種是將撞擊火帽固定在殼體內(nèi)部的火帽盂內(nèi)。

圖2 外置式激活機(jī)構(gòu)熱電池結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 External mechanical activation thermal battery

采用針刺火帽激活的熱電池,要求火帽必須擊穿電池殼體底部,因而火帽的發(fā)火威力、點(diǎn)火能力、發(fā)火時(shí)間等性能參數(shù)的設(shè)計(jì)和火帽盂底部的厚度設(shè)計(jì)很關(guān)鍵。

1)火帽的參數(shù)設(shè)計(jì):首先考核火帽的發(fā)火威力大小,要求能夠擊穿一定厚度的鋼板;其次火帽具有一定的點(diǎn)火能力,能夠點(diǎn)燃引燃片;最后還要考核火帽的針刺感度、發(fā)火時(shí)間等性能參數(shù)。經(jīng)過(guò)多次發(fā)火試驗(yàn),確定了某型號(hào)火帽的發(fā)火帽的設(shè)計(jì)參數(shù)為擊穿厚度0.3 mm的不銹鋼板。

2)火帽盂的尺寸設(shè)計(jì):在確定了火帽的設(shè)計(jì)參數(shù)為擊穿一定厚度的不銹鋼板后,火帽盂底部厚度的尺寸設(shè)計(jì)必須滿足火帽發(fā)火威力的要求。如果厚度太厚,火帽發(fā)火未擊穿則使火焰受阻,可導(dǎo)致熱電池未作用;厚度太薄,電池在經(jīng)受密封性檢測(cè)時(shí)氣壓的作用,可導(dǎo)致底部變形。最佳的設(shè)計(jì)厚度為0.10～0.23 mm。

3)內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):火帽盂被火帽擊穿的過(guò)程一個(gè)鋼板由形變拉伸到撕裂的過(guò)程,因此熱電池在內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),要求火帽盂與引燃片之間的空隙有一定的裕度。而在池電的裝配過(guò)程中由于預(yù)壓壓力控制精度的偏差致使這個(gè)空隙變小,甚至壓力超過(guò)某定值時(shí),火帽盂底部周邊的零件易發(fā)生變形凸起,完全沒(méi)有空隙,這樣底部在火帽沖擊下將無(wú)法伸展而未破裂,火帽火焰受阻,無(wú)法點(diǎn)燃熱電池內(nèi)部的引燃藥片,導(dǎo)致熱電池未作用[8]。

這種結(jié)構(gòu)的熱電池在激活后殼體底部被擊穿會(huì)造成電池漏氣,對(duì)電性能和電池外部的其他部件會(huì)有影響。另一種使用撞擊火帽發(fā)火的熱電池,火帽盂位于電池內(nèi)部,火帽盂底部即受撞擊部位與殼體底部也是一體的,在外部撞針撞擊下火帽發(fā)火,但撞擊僅打出凹坑,不擊穿殼體,因而不漏氣。受撞擊的殼體底部的厚度要根據(jù)撞擊能量、火帽的發(fā)火感度、受密封性檢測(cè)時(shí)氣壓的作用等因素進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2 內(nèi)置式機(jī)械激活機(jī)構(gòu)

內(nèi)置式機(jī)械激活機(jī)構(gòu)就是將擊針、彈簧、火帽集中于一個(gè)傳火筒內(nèi),裝入電池殼體內(nèi),熱電池在后坐力的作用下壓縮彈簧擊針戳擊火帽發(fā)火,火焰從傳火孔噴出點(diǎn)燃周圍的加熱片,熱電池被激活,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

火帽的性能參數(shù)如針刺感度、點(diǎn)火能力、發(fā)火時(shí)間等,以擊針的運(yùn)動(dòng)速度、行程和彈簧的性能參數(shù)都是激活機(jī)構(gòu)能否可靠發(fā)火的重要因素。某型號(hào)熱電池,由于引信留給電池的體積有限,無(wú)法采用電激活和外部激活機(jī)構(gòu)?？紤]到熱電池安裝在引信頭部的中心位置,彈丸發(fā)射時(shí)在膛內(nèi)受到直線慣性力的作用,設(shè)計(jì)激活機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸,確定火帽行程;由火帽可靠發(fā)火能量和所給定的安全落高,計(jì)算彈簧的抗力并設(shè)計(jì)彈簧。根據(jù)彈簧的幾何參數(shù)和擊針、火帽、外筒等的尺寸及彈丸發(fā)射時(shí)的過(guò)載計(jì)算擊針刺入火帽時(shí)的速度,進(jìn)而校驗(yàn)擊發(fā)體的動(dòng)能是否大于火帽100%發(fā)火所需要的最小能量從而確定激活機(jī)構(gòu)能否可靠發(fā)火。經(jīng)過(guò)反復(fù)驗(yàn)算和參數(shù)的調(diào)整,最終確定激活機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)[9]。

圖3 內(nèi)置式機(jī)械激活熱電池結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 External mechanical activation thermal battery

由于熱電池體積相對(duì)較小,組成激活機(jī)構(gòu)的零件尺寸很精細(xì),所以對(duì)設(shè)計(jì)及加工工藝提出較高的要求,裝配時(shí)保證各零件裝配的正確性及牢固性,以確保激活機(jī)構(gòu)的發(fā)火可靠性。

這種結(jié)構(gòu)的熱電池結(jié)構(gòu)緊湊,激活機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)小巧,為武器裝備節(jié)省了一定的空間,而對(duì)電池在低過(guò)載下可靠激活及跌落的安全性提出較高的要求。

機(jī)械激活熱電池廣泛用于炸彈碰炸引信、火箭彈無(wú)線電近炸引信、多用途彈無(wú)線電近炸引信、集束戰(zhàn)術(shù)彈藥布撒器引信等武器裝備上[5]。

3 沖擊激活熱電池

以上兩種激活方式的作用原理,都是通過(guò)火工品來(lái)點(diǎn)燃引燃紙,再點(diǎn)燃加熱片這樣一個(gè)復(fù)雜過(guò)程,使電池達(dá)到工作溫度。由于這個(gè)過(guò)程中的各種材料燃燒速度較慢,一般均在10～20 cm/s,因此這類熱電池的激活時(shí)間均在1 s左右,最快也只能達(dá)到0.3 s左右[10]。

隨著軍事需求的不斷增加,一些特殊性能的武器要求熱電池的激活時(shí)間越快越好[11]。如飛機(jī)彈射座椅用的救生電池,當(dāng)飛機(jī)在低空飛行時(shí),希望救生電池的激活時(shí)間小于0.3 s,不然電池還未激活,降落傘不能打開(kāi),而造成事故。又如一些特殊用途的炮彈發(fā)射時(shí),在炮膛內(nèi)必須解保,使用機(jī)電一體化的解保裝置可靠性差,不能滿足要求,使用電池供電解保必須使電池的激活時(shí)間在幾毫秒內(nèi),因炮彈在炮膛內(nèi)的時(shí)間總共只有10 ms左右,這樣短的激活時(shí)間使用通常的方式激活熱電池是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。于是提出一種直接使用炮彈發(fā)射時(shí)沖擊能的方式來(lái)激活熱電池,實(shí)現(xiàn)了幾毫秒激活單體熱電池的目標(biāo)[12-13]。該方法的原理是將強(qiáng)大的沖擊能直接轉(zhuǎn)化為熱能來(lái)熔化正負(fù)極間的電解質(zhì),使其變?yōu)殡x子導(dǎo)體,實(shí)現(xiàn)正負(fù)極的電極反應(yīng),從而輸出電能。沖擊能量的獲取可以來(lái)自機(jī)械沖擊能,也可以來(lái)自爆炸沖擊能。再如一些新出現(xiàn)的鉆地彈,它在入地時(shí)受到強(qiáng)大的反沖擊力,一般電池很難逃過(guò)這一關(guān)而不受破壞,但也有可能利用這種反沖擊力來(lái)快速激活熱電池,這樣不但使無(wú)法使用電池的一些環(huán)境條件能正常使用電池,而且也省去原來(lái)熱電池中的加熱系統(tǒng),使這種熱電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全、可靠。利用沖擊能直接點(diǎn)燃熱電池中的加熱材料來(lái)激活熱電池,省略了電點(diǎn)火頭或火帽,減少了加熱系統(tǒng)中幾種材料之間相互引燃的環(huán)節(jié)。這種電池在沒(méi)有其他電源引爆點(diǎn)火頭和沒(méi)有機(jī)械能撞擊火帽的情況下使用。

熱電池的加熱系統(tǒng)除電點(diǎn)火頭或火帽外,還有引燃紙和加熱片。試驗(yàn)證明,加熱片在沖擊能的作用下很難點(diǎn)燃。引燃紙?jiān)谝欢_擊能的作用下能自動(dòng)著火,引燃紙的這個(gè)特性為設(shè)計(jì)這類電池提供了依據(jù)。這類電池的結(jié)構(gòu)與常規(guī)熱電池基本相同。一種結(jié)構(gòu)是將電池堆的所有零件都設(shè)計(jì)成具有中心孔的圓片,每個(gè)單體電池之間夾上加熱片,再在中心孔填滿加熱紙。必須注意的是加熱紙與加熱片之間的接觸必須十分緊密,不然很難點(diǎn)燃加熱片,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。另一種結(jié)構(gòu)是省去了加熱片,全部使用引燃紙。由于引燃紙燃燒后不具有導(dǎo)電性,因此這種結(jié)構(gòu)必須增加單體電池之間導(dǎo)電連接片,具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。兩種結(jié)構(gòu)的電池都要求裝配緊密,所使用的材料要有一定的剛性以便沖擊能量的傳遞。

由于沖擊激活熱電池屬于正在研究的新型熱電池,還沒(méi)有應(yīng)用于武器裝備。

圖4 沖擊激活熱電池之一Fig.4 One of shock activation thermal battery

圖5 沖擊激活熱電池之二Fig.5 The other of shock activation thermal battery

4 討論

熱電池的激活方式隨著新材料、新技術(shù)的發(fā)展[14-17],會(huì)有更多的形式出現(xiàn),現(xiàn)階段比較成熟的是電點(diǎn)火頭激活、機(jī)械激活這兩種方式。從上面的描述中可以看出它們的特點(diǎn):

1)電激活機(jī)構(gòu)熱電池,電點(diǎn)火頭體積小,不占用電池內(nèi)部更多的空間,電極設(shè)計(jì)為實(shí)心片狀,提高了電池的體積比能量。電池的激活可靠性高,激活時(shí)間短,電性能穩(wěn)定。電激活要依賴外電源,小引信設(shè)計(jì)中尺寸安排困難,但對(duì)于中大口徑引信反而有配置靈活,節(jié)約空間的優(yōu)點(diǎn)。

2)外置式機(jī)械激活熱電池,雖然電池內(nèi)部空間利用率高,但采用針刺火帽激活的電池激活后,電池內(nèi)部產(chǎn)生的高溫高壓氣體的泄露,一方面會(huì)影響周圍的電子器件,另一方面對(duì)電池電性能也有一定影響,而且需要設(shè)計(jì)電池外部的發(fā)火機(jī)構(gòu),對(duì)火帽盂的設(shè)計(jì)加工要求較高。

3)內(nèi)置式機(jī)械激活熱電池,激活機(jī)構(gòu)占用電池內(nèi)部的空間,電極設(shè)計(jì)為圓環(huán)片狀,由于激活后單體電池處于半流動(dòng)狀態(tài),容易在電池邊沿發(fā)生短路產(chǎn)生噪聲;且金屬的機(jī)構(gòu)一旦與電池堆搭接,也會(huì)造成短路。因此對(duì)電池的設(shè)計(jì)及工藝水平要求很高,需要進(jìn)一步的提高和完善。

4)沖擊激活熱電池的研究處于起步階段,如何高效地利用沖擊能激活電池,并保證電池在傳遞沖擊能的過(guò)程中結(jié)構(gòu)不被破壞,輸出穩(wěn)定的電性能,還需開(kāi)展大量的研究工作。

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