張一弛，程冰冰，張 斌，雷 軍

應(yīng)用研究

一種電子引信用低過載旋轉(zhuǎn)激活鋰儲備電池

張一弛1，程冰冰1，張 斌1，雷 軍2

（1. 武漢船用電力推進(jìn)裝研究所置，武漢 430064；2. 中國人民解放軍海軍92730部隊，海南 572000）

本文制備了一種小口徑彈引信用Li/SOCl2儲備電池，電池主要由多對雙極性電極組成的電堆、金屬儲液罐（內(nèi)置激活機(jī)構(gòu)）及結(jié)構(gòu)件組成，采用迭代計算方法設(shè)計了低過載激活機(jī)構(gòu)。設(shè)計的鋰儲備電池激活時間小于100 ms，通過1.5m勤務(wù)處理考核且具備長達(dá)10年的貯存壽命。電池通過室內(nèi)14000 rpm旋轉(zhuǎn)試驗及3000～14000 g過載下的實彈回收測試果，結(jié)果表明：電池在可在2000 g的低過載下激活且在高過載及旋轉(zhuǎn)條件下可正常工作。電池尺寸為：ψ35 mm×19 mm，激活時間為80±20 ms，在-40℃,+25℃及 +50℃環(huán)境溫度下，激活后300 mA輸出可工作200 s以上。

Li/SOCl2儲備電池 電子引信 激活時間 低過載 迭代計算

0 引言

小口徑炮彈、榴彈、火箭彈作為一支重要的國防力量，在現(xiàn)在局部戰(zhàn)爭中的地位越來越顯著。作為適時引爆戰(zhàn)斗部裝藥的引信對彈藥武器實現(xiàn)多樣化作戰(zhàn)模式、發(fā)揮最大作戰(zhàn)效能至關(guān)重要。電源在彈藥武器系統(tǒng)中，為引信安全可靠的工作提供能源保障，要求在指定輸出電流條件下，滿足引信正常工作的能量需求及電壓，并具備耐高過載、高旋轉(zhuǎn)等惡劣的彈道環(huán)境及優(yōu)良的低溫性能[1]，以適應(yīng)不同的戰(zhàn)場環(huán)境。

引信用電源經(jīng)過了數(shù)十年發(fā)展，國內(nèi)外大多研究主要集中在鉛酸儲備電池、熱電池及鋰儲備電池。鉛酸儲備電池由于激活時間長且會引發(fā)環(huán)境污染問題，制約了其在引信中的應(yīng)用。熱電池激活時間快，但由于需要保持一定溫度以維持電解質(zhì)的狀態(tài)，通常體積比能較低且工作時間較短。鋰儲備電池經(jīng)過多年的持續(xù)發(fā)展，由于其在質(zhì)量比能的顯著優(yōu)勢，近年來在彈上電源、魚雷、航天器及電子時間引信上得到了廣泛的應(yīng)用[2-5]。鋰亞硫酰氯電池具備優(yōu)良低溫特性，放電電壓平穩(wěn)，以美軍為首的西方軍事強(qiáng)國研發(fā)的Li/SOCl2儲備電池，大量裝備于彈藥武器電子時間引信[6-8]。

1 Li/SOCl2儲備電池及其工作原理

1.1 Li/SOCl2儲備電池結(jié)構(gòu)

本文開發(fā)的Li/SOCl2儲備電池主要由三部分組成，即電堆、內(nèi)置激活機(jī)構(gòu)的儲液罐及結(jié)構(gòu)件，結(jié)構(gòu)如圖1所示。電堆由數(shù)對雙極性極片疊加而成，碳膜及鋰負(fù)極分別貼于鎳集流體兩側(cè)構(gòu)成雙極性極片，之間由玻璃纖維隔膜分隔；金屬儲罐代替安瓿瓶儲罐，并采用激光焊接將帶有刻痕的鎳箔封口膜與儲液罐焊接密封。儲液罐中電解液適當(dāng)過量以提高電池激活時電解液浸沒速率，縮短激活時間。

圖1 低過載激活Li/SOCl2儲備電池結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 Li/SOCl2儲備電池工作原理

Li/SOCl2儲備電池工作原理如圖2所示，電解液封裝于電堆正上方的金屬儲液罐內(nèi)。靜置時，彈簧支撐破模塊使其遠(yuǎn)離膜片，在勤務(wù)處理時，1.5m跌落過載持續(xù)時間極端，破模塊鄉(xiāng)下運動的距離不足以碰撞封口膜片，電解液無法釋放，因而電池不會誤激活；彈丸發(fā)射時，破模塊在發(fā)射過載下（發(fā)射過載持續(xù)時間遠(yuǎn)大于跌落過載持續(xù)時間），向下運動壓縮支撐彈簧并沖破密封電解液的膜片，釋放電解液進(jìn)入電堆，激活電池對外供能。Li/SOCl2電池反應(yīng)機(jī)理如下：

圖2 Li/SOCl2儲備電池工作原理

2 激活結(jié)構(gòu)設(shè)計

用于彈引信的儲備的電池需要在低過載下可靠激活，同時滿足勤務(wù)處理要求，即跌落時不被誤激活而引發(fā)安全隱患。1.5 m跌落過載為12000 g，而持續(xù)時間僅有200 μs，減裝藥的發(fā)射過載為2000 ～3000 g，持續(xù)時間為5～10 ms。通過迭代計算，利用過載持續(xù)時間的差異，完成低過載激活機(jī)構(gòu)設(shè)計及1.5 m跌落安全性設(shè)計，計算過程中的符號說明見表1。

表1 符號說明

2.1 1.5 m跌落過程計算

1）彈簧力計算：

2）流體阻力計算：

利用薄壁孔口流量計算公式

推導(dǎo)出：

破膜塊受到的流體阻力為：

3）過程計算

破膜塊速度：

破膜塊運動距離：

根據(jù)以上公式，對跌落過程中的破膜塊運動過程進(jìn)行計算，不同形式的破膜塊跌落時位移計算結(jié)果如圖3所示。

圖3 1.5 m跌落過程破模塊位移情況

2.2 發(fā)射過程計算

圖4 發(fā)射過程破模塊位移情況

根據(jù)計算結(jié)果可知，選取孔隙率及質(zhì)量合適的破模塊，配以合適的彈簧，激活機(jī)構(gòu)可實現(xiàn)在跌落過程中，電池不被誤激活，在低的發(fā)射過載下，電池能夠可靠激活。

3 試驗及結(jié)果

鋰儲備電池分別進(jìn)行1.5 m跌落測試、室內(nèi)激活放電試驗及實彈回收試驗考核。采用高速旋轉(zhuǎn)電機(jī)提供高速旋轉(zhuǎn)力，高低溫試驗箱提供不同的環(huán)境溫度，驗證電池高低溫性能及不同轉(zhuǎn)速條件下的輸出穩(wěn)定性；最后，采用不同裝藥，測試實彈環(huán)境下電池激活的可靠性及環(huán)境適應(yīng)性，圖5為實彈回收試驗示意圖。

圖5 實彈回收試驗示意圖

圖6為電池在不同溫度下，轉(zhuǎn)速為14000 rmp時，對外輸出電壓曲線，可以看出激活后電池電壓快速爬升，低溫-40℃時，電壓爬升速率相對較慢，低溫環(huán)境下，電極反應(yīng)及電解液離子遷移速率均較慢所致。圖7為不同溫度環(huán)境下，電池實彈回收試驗數(shù)據(jù)?？梢钥闯鲈趶椡璋l(fā)射時，電池可正常激活并快速建立電壓，在初期由于跑堂內(nèi)過載、旋轉(zhuǎn)及震動復(fù)雜惡劣的環(huán)境下，電池電壓出現(xiàn)較大抖動，但隨后電壓逐漸穩(wěn)定，說明電池可在低過載條件下正常激活，在惡劣的彈道環(huán)境下可穩(wěn)定對外輸出。

圖6 電池在不同環(huán)境溫度下的帶載電壓曲線（14000rmp轉(zhuǎn)速，200mA電流）

圖7 Li/SOCl2儲備電池實彈回收電壓曲線（發(fā)射藥過載3000 g，轉(zhuǎn)速8000 rmp）

4 結(jié)論

本文開發(fā)了一款用于電子時間引信的低過載激活Li/SOCl2儲備電池，電池主要由雙極性電池堆、內(nèi)置低過載激活機(jī)構(gòu)及電解液的金屬儲液罐、結(jié)構(gòu)件組成。在不同裝藥量、不同的發(fā)射過載下均能夠可靠激活對外供電，且滿足勤務(wù)處理要求，即1.5 m跌落電池不被誤激活。電池激活時間為80±20 ms，激活后在200 mA電流條件下課連續(xù)供電120 s以上，輸出電壓為13.7 ～ 15.5 V，具備高過載高旋轉(zhuǎn)環(huán)境適應(yīng)性。

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A low setback acceleration and spin-activated lithium reserve battery as power sources for electronic fuze

Zhang Yichi1, Cheng Bingbing1, Zhang Bin1, Lei Jun2

(1. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China; 2. Unit 92730 of the PLA Navy, Hainan 572000, China)

This paper discusses a kind of Li/SOCl(LRB) reserve battery as power sources for electronic fuze in large-caliber ammunition. The LRB consists of a cell stack with 5 bipolar electrodes, an isolated metal electrolyte tank within an

Li/SOClReserve battery; Electronic fuse; Activation time; Low setback acceleration; Iterative computation

TM912

A

1003-4862（2022）10-0069-04

2021-08-19

張一弛（1991-），男，助理工程師。研究方向：化學(xué)。E-mail：415540430@qq.com