■ 李華霖 常紅/國營長虹機(jī)械廠

0 引言

彈上電池是各型武器裝備能源供應(yīng)的重要部件，其工作可靠性對裝備戰(zhàn)術(shù)發(fā)揮至關(guān)重要。由于電池屬于一次性使用能源部件，平時(shí)不工作時(shí)內(nèi)部電解液處于獨(dú)立隔離狀態(tài)，當(dāng)受外部信號(hào)激發(fā)后，隔膜、引燃條等電解液隔離裝置因高壓氣或者高溫起燃作用而失效，使兩種電解液相互作用而對外產(chǎn)生電壓。如果電池設(shè)計(jì)或制造過程存在缺陷，可能引發(fā)高壓氣或高能燃料泄漏等意外，造成彈藥功能失效。在早期熱電池技術(shù)尚未成熟時(shí)，加上技術(shù)封鎖等因素限制，我國從國外引進(jìn)的部分裝備依然采用蓄電池、鉛酸電池等液體化學(xué)電池作為彈上能源部件，在產(chǎn)品貯存壽命、可靠性、安全性等方面的指標(biāo)遠(yuǎn)比熱電池低，故障時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響裝備的使用效能和戰(zhàn)訓(xùn)的安全性能。

1 故障現(xiàn)象

年度戰(zhàn)訓(xùn)時(shí)曾經(jīng)發(fā)生一起導(dǎo)彈按壓發(fā)射按鈕后未離機(jī)、飛機(jī)帶彈返回的故障特情，嚴(yán)重影響裝備使用性能和載機(jī)作戰(zhàn)安全。分解發(fā)現(xiàn)，該枚導(dǎo)彈的彈上電池、電源控制部件、飛行控制部件等多個(gè)部位被嚴(yán)重?fù)p壞，經(jīng)過分析研究，最終確定故障原因是彈上電池存在設(shè)計(jì)缺陷，電池激活時(shí)裝藥筒異常爆破，碎片沖出打壞電源部件，繼而引發(fā)控制部件功能失效，不能向舵機(jī)供給電壓和零位信號(hào)，導(dǎo)致舵面不能正常歸零，無法形成“導(dǎo)彈準(zhǔn)備好”指令，最終使導(dǎo)彈無法正常發(fā)射離機(jī)。

為查找故障原因，技術(shù)人員對彈藥進(jìn)行拆解檢測，外觀檢查發(fā)現(xiàn)，左上舵和右下舵不在零位，左上舵舵面處于-7°位置，右上舵舵面處于+6°位置。經(jīng)安全化處理后，用全系統(tǒng)綜合檢測設(shè)備對故障導(dǎo)彈進(jìn)行性能檢測，當(dāng)檢測到5-1167故障參數(shù)時(shí)出現(xiàn)故障，設(shè)備自動(dòng)停止測試。5-1167故障參數(shù)表示彈上AC18V電壓供電不合格，該故障涉及的彈上部件有二次電源、控制組合、自動(dòng)裝置組合等。

根據(jù)故障現(xiàn)象和故障定位，對彈藥進(jìn)行深入分解，當(dāng)分解到電池部件時(shí)，發(fā)現(xiàn)電池外觀異常。該電池屬于20世紀(jì)70年代的鉛酸電池體系，工作時(shí)主要采用高壓燃?xì)馄鸨瑑?nèi)部電解液隔膜引發(fā)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能。檢查發(fā)現(xiàn)，電池上端用于貯存火藥裝置的兩個(gè)裝藥筒出現(xiàn)異常，右側(cè)的裝藥筒前端被異常沖破，沖出兩個(gè)大圓孔，電點(diǎn)火管基座變形、開裂；用數(shù)字多用表檢測電池輸出，殘留500mv左右的電壓；打開電池基座，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部串聯(lián)的電池模塊大部分完好，僅靠近氣路出口部位的模塊有被燃?xì)庾坪诘默F(xiàn)象；用冷氣對電點(diǎn)火管進(jìn)行吹試，由電點(diǎn)火管向下導(dǎo)通至電池內(nèi)部的氣路通暢。經(jīng)深入分解發(fā)現(xiàn)，上述部件多處出現(xiàn)殼體灼黑、變形和穿孔、電路板燒壞、元器件震脫等異常現(xiàn)象，如圖1所示。

2 導(dǎo)彈工作原理時(shí)序分析

為排除故障，需要確定故障產(chǎn)生部件以及起決定作用的因素。因此，從導(dǎo)彈工作原理入手，對故障產(chǎn)生原因進(jìn)行逐層深入分析。當(dāng)飛行員按壓“發(fā)射”按鈕后，導(dǎo)彈應(yīng)產(chǎn)生下述動(dòng)作：

1）電池工作啟動(dòng)。

2）兩個(gè)氣源部件的電爆管和發(fā)動(dòng)機(jī)燃料箱增壓火藥活門工作。

3）從電源部件向?qū)椏刂葡到y(tǒng)提供18V電壓。

4）交流電壓使導(dǎo)彈控制系統(tǒng)陀螺電機(jī)開始旋轉(zhuǎn)。

5）當(dāng)電池進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)，向發(fā)動(dòng)機(jī)提供+22V供電。

6）在電瓶進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)，導(dǎo)彈轉(zhuǎn)用自備電源，在導(dǎo)彈脫離之前同時(shí)由載機(jī)和電瓶供應(yīng)電源電壓。

圖1 損壞故障部件

7）隨著轉(zhuǎn)入自備電源，控制系統(tǒng)陀螺儀解鎖，向控制系統(tǒng)和導(dǎo)引頭發(fā)出指令“閉鎖”。

8）在導(dǎo)彈控制系統(tǒng)中有電源電壓以及氣源系統(tǒng)中的氮?dú)獯嬖跁r(shí)，舵被置于零位。當(dāng)舵處于零位且控制系統(tǒng)陀螺儀解鎖時(shí)，向載機(jī)發(fā)出指令“導(dǎo)彈準(zhǔn)備好”，根據(jù)該指令導(dǎo)彈與載機(jī)發(fā)射裝置脫離。

飛行員按壓“發(fā)射”按鈕后，導(dǎo)彈無法發(fā)射，說明上述過程或某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)了問題。

3 故障分析

3.1 故障部件定位

根據(jù)故障彈的外觀故檢、整彈測試和時(shí)序分析結(jié)果，斷定故障原因可能是電池部件、控制組合部件和自動(dòng)裝置組合。因彈上電池裝藥筒被異常沖破，其爆破力方向正好對向電源部件殼體穿孔部位，而緊挨電源部件的控制組合損壞部件也正好與電源部件殼體穿孔部件處于水平位置，由此斷定故障根源是電池裝藥筒發(fā)生了異常爆破。故障發(fā)生過程如下。

1）電池火藥裝置前端面被高壓燃?xì)猱惓_破，裝藥筒高速飛出將二次電源的鑄鋁殼體打碎，造成電源部件內(nèi)部多塊電路板被沖壞，二次電源蓋板也被沖擊力擊打變形，同時(shí)因力的傳遞因素，緊挨著控制組合部件的殼體也被擊打變形。

2）高壓火藥燃?xì)猱惓_出，使戰(zhàn)斗部、控制組合部件、自動(dòng)裝置組合、電源部件等多個(gè)部件及導(dǎo)彈內(nèi)艙被灼黑；高壓火藥燃?xì)猱惓_出后導(dǎo)致輸往電池內(nèi)部的壓力不夠，只有很少一部分燃?xì)饨?jīng)過向下的氣路進(jìn)入電池內(nèi)部，大部分電池模塊未被激活，僅靠近氣路出口部位的少量電池模塊動(dòng)作，因此只殘留幾百毫伏的輸出電壓。

3）電池激活，電源部件產(chǎn)生電壓部分的工作正常，控制系統(tǒng)陀螺儀解鎖。舵機(jī)歸零需要兩個(gè)條件：電壓供電正常和氣源系統(tǒng)氮?dú)獯嬖?。由于電源部件被打壞，無法供給舵機(jī)電壓，舵面未能正常歸零，無法形成“導(dǎo)彈準(zhǔn)備好”指令，因此導(dǎo)彈不能與載機(jī)發(fā)射裝置脫離。

3.2 電池故障分析

正常情況下電池火藥裝置的火藥筒不應(yīng)沖出，此次故障因火藥裝置完全燒毀而無法進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)和分析。根據(jù)故障現(xiàn)象，分析認(rèn)為火藥筒異常沖破的可能原因有：電池電點(diǎn)火管的火藥筒裝配不良或者氣路管中有多余物堵塞，導(dǎo)致被沖出；電池電點(diǎn)火管裝藥量過大，導(dǎo)致電點(diǎn)火管爆轟能量過高，將電池電點(diǎn)火管前端面沖破。

為確定故障根源，從以下幾個(gè)方面加以闡述。

1）電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成

該電池采用鉛酸電池體系，由32個(gè)串聯(lián)的電池塊構(gòu)成，電池塊與充滿電解液的小瓶相連。電池塊位于艙室的絕緣盒內(nèi)，每個(gè)盒底部有用于安裝小瓶的絲扣孔，小瓶位于單元的下部艙室。電解液包裝盒由帶分接頭的交替正負(fù)板片電極構(gòu)成。兩個(gè)固定在殼體上的液態(tài)火工品排出裝置用于電池激活。小瓶為彈性圓柱筒（見圖2），內(nèi)部充滿電解液。筒體被密封，用于在電池非工作狀態(tài)時(shí)存放電解液。

在向電子點(diǎn)火器加+27V電壓時(shí)，由于煙火劑燃燒而產(chǎn)生的熾熱氣體在小瓶艙內(nèi)產(chǎn)生剩余壓力，通過小瓶的彈性壁及電解液作用于工作膜片。膜片被破壞，電解液被壓入電極盒，電解液與電極反應(yīng)物質(zhì)間開始化學(xué)反應(yīng)?；瘜W(xué)反應(yīng)的結(jié)果是化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。電池進(jìn)入工作狀態(tài)并向與之連接的系統(tǒng)供電。

圖2 電池小瓶結(jié)構(gòu)圖

2）火藥筒正常工作流程

正常情況下，根據(jù)“發(fā)射”指令，電池激活系統(tǒng)工作，點(diǎn)火具橋絲熔斷，點(diǎn)燃裝藥筒內(nèi)的火藥，產(chǎn)生高溫高壓火藥氣體，順著裝藥筒與火藥裝置內(nèi)殼體之間的縫隙從裝藥筒頭部的三個(gè)節(jié)流孔泄出，沖破密封膜，到達(dá)火藥裝置內(nèi)腔，再反方向順著火藥裝置內(nèi)殼體與火藥裝置外殼體之間的縫隙通過火藥裝置頸口，最終到達(dá)電池內(nèi)部，擠碎安瓿管隔膜，使電解液與電極混合，產(chǎn)生直流電壓（見圖3）。

圖3 電池火藥筒工作示意圖

3）火藥筒異常工作流程

裝藥筒通過其頭部與火藥裝置的箍圈以過盈配合的方式固定，如果制造誤差導(dǎo)致裝藥筒外徑偏小或箍圈內(nèi)徑偏大，固定可能不夠牢靠。當(dāng)裝藥筒內(nèi)的火藥燃燒后，產(chǎn)生高壓火藥氣體，反向推著裝藥筒向前移動(dòng)，節(jié)流孔越來越小，內(nèi)腔2中壓力越來越大，將裝藥筒向前推至火藥裝置端面石棉隔熱墊處，此時(shí)節(jié)流孔被完全堵住，內(nèi)腔2中壓力無法泄出（見圖4）。

當(dāng)內(nèi)腔2中壓力增大到超過火藥裝置殼體的剪切強(qiáng)度時(shí)，殼體被沖破，裝藥筒隨之高速?zèng)_出（見圖5），撞擊二次電源，裝藥筒遇阻變形增大。

從以上分析可以得出：裝藥筒制造缺陷導(dǎo)致其尺寸偏小，固定不牢，在火藥壓力作用下，裝藥筒異常沖出，導(dǎo)致電池激活系統(tǒng)工作異常。

4）故障驗(yàn)證

查詢資料可知，該型電池激活系統(tǒng)采用冗余設(shè)計(jì)，由兩套相對獨(dú)立的火藥裝置組成，仔細(xì)檢查該枚導(dǎo)彈故障件發(fā)現(xiàn)：

a.一套火藥裝置工作正常，另一套火藥裝置故障，殼體被沖破，裝藥筒沖出。

b.在電源部件內(nèi)撿出了一個(gè)裝藥筒、一個(gè)殼體端面和一個(gè)石棉隔熱墊，裝藥筒靠近頭部的部位脹大隆起。

c.解剖工作正常的火藥裝置，發(fā)現(xiàn)裝藥筒頭部壓痕很深；檢查故障的裝藥筒，發(fā)現(xiàn)裝藥筒頭部壓痕較輕。

d.測量箍圈尺寸：故障件為φ120.12mm，正常件為φ119mm。

e.參照以往故障情況，發(fā)現(xiàn)兩套火藥裝置都出現(xiàn)故障，在二次電源內(nèi)撿出兩個(gè)裝藥筒、兩個(gè)殼體端面和兩個(gè)石棉隔熱墊，兩個(gè)裝藥筒靠近頭部的部位都脹大隆起，兩個(gè)裝藥筒頭部壓痕都較輕。測量裝藥筒頭部尺寸，一個(gè)為φ116.33mm，另一個(gè)為φ118.32mm。

以上現(xiàn)象進(jìn)一步驗(yàn)證了對“電池激活故障機(jī)理分析”是正確的。

4 結(jié)論

圖4 裝藥筒間隙配合圖示

圖5 裝藥筒沖出示意圖

綜上分析，可以斷定引起故障的原因是該型電池設(shè)計(jì)制造時(shí)存在缺陷，直接原因是電池裝藥筒制造缺陷導(dǎo)致其尺寸偏小所致。為避免故障再次發(fā)生，應(yīng)采用國內(nèi)成熟熱電池技術(shù)進(jìn)行部件替代，避免發(fā)生類似故障，保證載機(jī)和飛行員安全。