热电池激活方式综述

王胜华

(西安机电信息研究所,陕西西安 710065)

0 引言

从20世纪初期德国Erb博士发明了热电池,到20世纪80年代诞生了很多体系的热电池,电池的各项性能指标在不断地提高。由于热电池具有比能量大、比功率高、作用可靠和使用环境温度范围宽等优点,被广泛应用于引信、导弹、鱼雷等现代武器中,在军用电源中占有十分重要的地位[1]。

热电池是靠加热激活的电池,主要由基片、正极片、负极片、电解质片、集流片、加热系统、保温垫片、电池壳、带接线柱的电池盖等组成。单体电池、集流片、加热片采用平行重叠装配的方式构成电堆,电堆在一定压力下固定封装于壳体中,以保证在苛刻工作环境条件下电池的正常放电性能。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之间不进行化学反应,处于非工作状态。一旦投入使用,只要输入激活信号使电池激活,通过加热系统使电池内部温度迅速上升,电解质熔融形成高导电率的离子导体,正负开始电化学反应,即可输出所需的直流电压及电流[2-4]。

热电池主要的激活方式有两种:一种是电激活,即使用外电源引爆电点火头发火,引燃加热片激活热电池的方式;另一种是机械激活,即使用机械能使火帽发火引燃加热片激活热电池的方式。

为了帮助引信和武器工作者了解和合理应用热电池,本文对热电池的激活方式作一综述。

1 电激活机构及工作原理

热电池的电激活方式是将电点火头放置在电池堆上部或下部,如图1所示,外电源施加发火电流后点火头作用,点燃引燃条,引燃条点燃加热片,电池开始工作。电点火头具有作用迅速、准确,所需起始冲能小、可采用多种电源激发等优点,成为热电池激活的首选方式。电激活热电池主要用于引信传感器、火箭扫雷弹头及弹尾引信、火箭弹近炸引信、子弹引信、导弹等武器装备上[5]。?

图1 电激活热电池结构示意图Fig.1 Electric activation thermal battery

电点火头主要有3种形式:1)常规热桥丝电点火头,其点火灵敏度很高,只要几百毫安电流就能使电点火头点燃;2)钝感型电点火器,其标准为1 A、1 W 5 min不发火,在5 A 、5 W 、50 ms必发火;3)半导体电点火器,其尺寸是常规热桥丝的1/30,不发火能级为2.4 A、2.4 W、5 min,其点火能量与钝感型电点火器相同,点燃速度在10 ms以内。可以看出电点火头的发火电流、发火能量、发火时间及安全电流是选择的重要参数[6]。

电激活热电池的优点是激活机构设计简单,只需要在电池盖体上烧结接通电点火头的极柱,极柱位于电池内部的部分与点火头的两根输入线进行焊接,需要注意的是焊接部位必须牢固,防止热电池在承受高过载时出现断开的现象。

电激活热电池需要外电路提供点火电流,需要配备一个电源激发电点火头,导弹和火箭的发射指令、航空炸弹的投放指令都是功率型电脉冲,可以用来激发电点火头。在不具备外电源的引信中,可以在热电池之外加装机械激活电源,例如后坐发电机、、带膛内点火机构的压电换能器等。这对于体积空间有限的小型弹药引信来说,是弊端,但是这个电源不必与热电池一体设计,可以利用引信的闲置空间,又是优点。

随着引信电源小型化的要求,热电池的小型化设计也显得很重要,电点火头的设计小型化已取得了进展,美国专利公开的一种微型电点火头——恒定输出高精确微毛细烟火起爆器,应用在一种使用了微机电系统(MEMS)基技术的热电池中[7]。

2 机械激活机构及工作原理

热电池的机械激活方式,采用针刺火帽或撞击火帽在外力的作用下发火,点燃热电池中的加热元件。根据弹药或引信的体积、所受的环境力,以及参照火帽的感度、点火能力、发火时间等主要因素,进行电池机械激活机构的设计。

2.1 外置式机械激活机构

外置式机械激活机构是在电池壳底部设计一个火帽盂,将火帽装入火帽盂,击发机构即击(撞)针、弹簧、导向筒等则设计在电池外部,成为与电池完全独立的一个部件。弹丸发射时在感受环境力后,击发机构的弹簧压缩推动击(撞)针戳(撞)击火帽,火焰从火帽壳底部喷出击穿火帽盂底部即电池壳体底部,火焰从电池壳底部的孔传入点燃加热片,热电池被激活,其结构示意图如图2所示。这种结构的电池,火帽的装配有两种形式,一种是将针刺火帽固定在壳体外部的火帽盂内,一种是将撞击火帽固定在壳体内部的火帽盂内。

图2 外置式激活机构热电池结构示意图Fig.2 External mechanical activation thermal battery

采用针刺火帽激活的热电池,要求火帽必须击穿电池壳体底部,因而火帽的发火威力、点火能力、发火时间等性能参数的设计和火帽盂底部的厚度设计很关键。

1)火帽的参数设计:首先考核火帽的发火威力大小,要求能够击穿一定厚度的钢板;其次火帽具有一定的点火能力,能够点燃引燃片;最后还要考核火帽的针刺感度、发火时间等性能参数。经过多次发火试验,确定了某型号火帽的发火帽的设计参数为击穿厚度0.3 mm的不锈钢板。

2)火帽盂的尺寸设计:在确定了火帽的设计参数为击穿一定厚度的不锈钢板后,火帽盂底部厚度的尺寸设计必须满足火帽发火威力的要求。如果厚度太厚,火帽发火未击穿则使火焰受阻,可导致热电池未作用;厚度太薄,电池在经受密封性检测时气压的作用,可导致底部变形。最佳的设计厚度为0.10～0.23 mm。

3)内部结构设计:火帽盂被火帽击穿的过程一个钢板由形变拉伸到撕裂的过程,因此热电池在内部结构设计时,要求火帽盂与引燃片之间的空隙有一定的裕度。而在池电的装配过程中由于预压压力控制精度的偏差致使这个空隙变小,甚至压力超过某定值时,火帽盂底部周边的零件易发生变形凸起,完全没有空隙,这样底部在火帽冲击下将无法伸展而未破裂,火帽火焰受阻,无法点燃热电池内部的引燃药片,导致热电池未作用[8]。

这种结构的热电池在激活后壳体底部被击穿会造成电池漏气,对电性能和电池外部的其他部件会有影响。另一种使用撞击火帽发火的热电池,火帽盂位于电池内部,火帽盂底部即受撞击部位与壳体底部也是一体的,在外部撞针撞击下火帽发火,但撞击仅打出凹坑,不击穿壳体,因而不漏气。受撞击的壳体底部的厚度要根据撞击能量、火帽的发火感度、受密封性检测时气压的作用等因素进行设计。

2.2 内置式机械激活机构

内置式机械激活机构就是将击针、弹簧、火帽集中于一个传火筒内,装入电池壳体内,热电池在后坐力的作用下压缩弹簧击针戳击火帽发火,火焰从传火孔喷出点燃周围的加热片,热电池被激活,其结构示意图如图3所示。

火帽的性能参数如针刺感度、点火能力、发火时间等,以击针的运动速度、行程和弹簧的性能参数都是激活机构能否可靠发火的重要因素。某型号热电池,由于引信留给电池的体积有限,无法采用电激活和外部激活机构。考虑到热电池安装在引信头部的中心位置,弹丸发射时在膛内受到直线惯性力的作用,设计激活机构的结构尺寸,确定火帽行程;由火帽可靠发火能量和所给定的安全落高,计算弹簧的抗力并设计弹簧。根据弹簧的几何参数和击针、火帽、外筒等的尺寸及弹丸发射时的过载计算击针刺入火帽时的速度,进而校验击发体的动能是否大于火帽100%发火所需要的最小能量从而确定激活机构能否可靠发火。经过反复验算和参数的调整,最终确定激活机构的设计[9]。

图3 内置式机械激活热电池结构示意图Fig.3 External mechanical activation thermal battery

由于热电池体积相对较小,组成激活机构的零件尺寸很精细,所以对设计及加工工艺提出较高的要求,装配时保证各零件装配的正确性及牢固性,以确保激活机构的发火可靠性。

这种结构的热电池结构紧凑,激活机构的设计小巧,为武器装备节省了一定的空间,而对电池在低过载下可靠激活及跌落的安全性提出较高的要求。

机械激活热电池广泛用于炸弹碰炸引信、火箭弹无线电近炸引信、多用途弹无线电近炸引信、集束战术弹药布撒器引信等武器装备上[5]。

3 冲击激活热电池

以上两种激活方式的作用原理,都是通过火工品来点燃引燃纸,再点燃加热片这样一个复杂过程,使电池达到工作温度。由于这个过程中的各种材料燃烧速度较慢,一般均在10～20 cm/s,因此这类热电池的激活时间均在1 s左右,最快也只能达到0.3 s左右[10]。

随着军事需求的不断增加,一些特殊性能的武器要求热电池的激活时间越快越好[11]。如飞机弹射座椅用的救生电池,当飞机在低空飞行时,希望救生电池的激活时间小于0.3 s,不然电池还未激活,降落伞不能打开,而造成事故。又如一些特殊用途的炮弹发射时,在炮膛内必须解保,使用机电一体化的解保装置可靠性差,不能满足要求,使用电池供电解保必须使电池的激活时间在几毫秒内,因炮弹在炮膛内的时间总共只有10 ms左右,这样短的激活时间使用通常的方式激活热电池是无法实现的。于是提出一种直接使用炮弹发射时冲击能的方式来激活热电池,实现了几毫秒激活单体热电池的目标[12-13]。该方法的原理是将强大的冲击能直接转化为热能来熔化正负极间的电解质,使其变为离子导体,实现正负极的电极反应,从而输出电能。冲击能量的获取可以来自机械冲击能,也可以来自爆炸冲击能。再如一些新出现的钻地弹,它在入地时受到强大的反冲击力,一般电池很难逃过这一关而不受破坏,但也有可能利用这种反冲击力来快速激活热电池,这样不但使无法使用电池的一些环境条件能正常使用电池,而且也省去原来热电池中的加热系统,使这种热电池结构简单、安全、可靠。利用冲击能直接点燃热电池中的加热材料来激活热电池,省略了电点火头或火帽,减少了加热系统中几种材料之间相互引燃的环节。这种电池在没有其他电源引爆点火头和没有机械能撞击火帽的情况下使用。

热电池的加热系统除电点火头或火帽外,还有引燃纸和加热片。试验证明,加热片在冲击能的作用下很难点燃。引燃纸在一定冲击能的作用下能自动着火,引燃纸的这个特性为设计这类电池提供了依据。这类电池的结构与常规热电池基本相同。一种结构是将电池堆的所有零件都设计成具有中心孔的圆片,每个单体电池之间夹上加热片,再在中心孔填满加热纸。必须注意的是加热纸与加热片之间的接触必须十分紧密,不然很难点燃加热片,其结构示意图如图4所示。另一种结构是省去了加热片,全部使用引燃纸。由于引燃纸燃烧后不具有导电性,因此这种结构必须增加单体电池之间导电连接片,具体结构如图5所示。两种结构的电池都要求装配紧密,所使用的材料要有一定的刚性以便冲击能量的传递。

由于冲击激活热电池属于正在研究的新型热电池,还没有应用于武器装备。

图4 冲击激活热电池之一Fig.4 One of shock activation thermal battery

图5 冲击激活热电池之二Fig.5 The other of shock activation thermal battery

4 讨论

热电池的激活方式随着新材料、新技术的发展[14-17],会有更多的形式出现,现阶段比较成熟的是电点火头激活、机械激活这两种方式。从上面的描述中可以看出它们的特点:

1)电激活机构热电池,电点火头体积小,不占用电池内部更多的空间,电极设计为实心片状,提高了电池的体积比能量。电池的激活可靠性高,激活时间短,电性能稳定。电激活要依赖外电源,小引信设计中尺寸安排困难,但对于中大口径引信反而有配置灵活,节约空间的优点。

2)外置式机械激活热电池,虽然电池内部空间利用率高,但采用针刺火帽激活的电池激活后,电池内部产生的高温高压气体的泄露,一方面会影响周围的电子器件,另一方面对电池电性能也有一定影响,而且需要设计电池外部的发火机构,对火帽盂的设计加工要求较高。

3)内置式机械激活热电池,激活机构占用电池内部的空间,电极设计为圆环片状,由于激活后单体电池处于半流动状态,容易在电池边沿发生短路产生噪声;且金属的机构一旦与电池堆搭接,也会造成短路。因此对电池的设计及工艺水平要求很高,需要进一步的提高和完善。

4)冲击激活热电池的研究处于起步阶段,如何高效地利用冲击能激活电池,并保证电池在传递冲击能的过程中结构不被破坏,输出稳定的电性能,还需开展大量的研究工作。

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