热电池在空空导弹上的应用及发展趋势

2010-03-06张春晓穆仕博

电源技术 2010年6期

张春晓，穆仕博

（中国空空导弹研究院，河南洛阳471009）

随着空空导弹技术的飞速发展，对电源系统的要求也越来越高，主要体现在用电种类多、功率大等方面。由于空空导弹工作时间较短的特点，更加适合采用热电池。使用热电池比采用航空涡轮发电机作为电源具有以下优点：质量轻、体积小、除点火电源外不需其它动力，能在严酷的温度和力学环境下正常工作，激活可靠性高，能大电流放电，内阻小。因此，随着热电池技术的飞速发展，先进的空空导弹上愈来愈普遍地采用热电池作为它的电源。如美国的AIM-120、响尾蛇，俄罗斯的P-73等空空导弹电源均采用了热电池。

本文对热电池在空空导弹上的应用进行了较为详细的论述，重点论述了应用中应注意的问题，并对空空导弹用热电池的发展趋势进行了展望。

1 热电池的组成及工作原理

1.1 热电池的组成

热电池外形通常为圆柱型，内部组装有若干组单体电池。单体电池电压一般为2 V左右，每一个单体的正极与相邻单体的负极通过一个金属导电片相连。若串接n只单体，则输出电压将是单体电池电压的n倍。

热电池的单体电池一般采用三片式结构，即由正极片、隔离片(电解质)、负极片三片组成，它们均被压制成圆形的薄药片，单体电池之间的集流片和加热片也制成薄圆片，这种设计的优点在于尽可能地利用了每个单体电池的单元面积，因而，整个电池基本都是由正极片、隔离片(电解质)、负极片、集流片、烟火加热片、激活系统(点火头或撞针机构及火帽)、绝缘材料、保温材料、壳体、电池盖、输出极柱、玻璃绝缘子等零部件组成[1]。

热电池的结构与组成见图1。

1.2 热电池的工作原理

热电池的负极通常采用活泼的金属，如锂、镁、钙等；正极采用一些高性能氧化物或盐类，如五氧化二钒、二硫化铁、硫酸铅、铬酸钙等；电解质是熔盐和细粘土的混合物。

图1 热电池的结构与组成

常温下热电池内部的电解质是不导电的固体，电极活性物质和电解质相互间不进行化学反应，处于非工作状态，电池自放电极少。使用时采用电流引燃电点火头，点燃电池内部的烟火热源，使电池内部温度迅速上升，达500℃左右，使电解质熔融并形成高电导率的离子导体，从而使电池激活，在短时间内，即可给用电部件供给所需的直流电压及电流[2]。

2 热电池在空空导弹上的应用

热电池在空空导弹上的应用，既要考虑热电池需要满足导弹总体指标的要求，同时总体在进行电气指标设计时，也要充分考虑热电池的技术水平和特点，保证热电池设计和应用的可靠性。

2.1 电气设计原则

2.1.1 输出电压设计

热电池的输出电压与用电部件消耗的电流、工作环境温度及工作时间有着密切的关系，在设计时应选择标准化、系列化的电压体系，并根据实际情况确定电压公差。

2.1.2 输出电压精度设计

在航空产品的电源设计中，应遵循热电池输出功率第一、电压输出精度第二的设计原则，输出精度的进一步改善应主要放在二次电源的设计上。电池输出电压的精度一般选取±10%、±15%、±20%。

2.1.3 输出电压的组合与分配

在目前先进的航空产品中，用电部件需要的电压种类多，功率相差较大，供电用途广泛，必须进行组合设计满足总机关于体积小、质量轻、高可靠性的要求。热电池根据以下基本原则进行组合：(1)按舱段分配，便于设计与调试，减少互相间的干扰；(2)按用途分配，使电池的综合设计科学合理；(3)按功率分配，保证结构设计紧凑。

2.2 安装方式

热电池根据外径和长度的不同，主要采用装配脚式和卡环式两种安装方式。

(1)装配脚式

装配脚式就是将与电池安装处适配的装配脚和装配螺母预先焊接在电池的壳体上，用螺钉将电池固定在安装处，该方法适用于小体积热电池的安装。

(2)卡环式

卡环式就是在电池安装处加工一个与电池外型适配的半圆形凹槽，然后用一个略小于半圆形的不锈钢卡环通过螺钉将电池固定在安装处，该方法适用于直径大，长度长的大体积热电池的安装。

2.3 应用中应注意的问题

(1)热电池发热问题

热电池被激活后，由于烟火源和化学反应所产生的热量，使内部温度可达到500℃，电池的热量会透过保温隔热层和不锈钢壳体向外表面和安装环境中散发，一般外表面温度在一定时间后可达到300℃以上。在航空产品这种结构紧凑、空间小的环境中安装时，应考虑电池的隔热措施，以免对相邻的部件造成热损坏，影响整个产品的正常工作。

(2)试验考核问题

热电池的考核试验一般采用模拟负载进行放电试验。模拟负载应尽量模拟电池的实际负载特性。另外，对电池的环境考核试验条件应高于总体条件。

3 热电池的发展趋势

为适应未来空空导弹的发展需求，热电池的发展趋势主要体现在以下几个方面：(1)高能量密度：超出常规电池1倍以上的能量密度，电池具有大的比能量和比功率，适应空空导弹对电源系统小体积、小质量、高性能的需求；(2)快激活：提高空空导弹的快速性；(3)低表面温度：通过新型隔热材料的应用和新体系化学材料的研制，使电池的表面温度大大降低，改善电池周围的工作环境。