一种电子引信用低过载旋转激活锂储备电池

张一弛，程冰冰，张 斌，雷 军

应用研究

一种电子引信用低过载旋转激活锂储备电池

张一弛1，程冰冰1，张 斌1，雷 军2

（1. 武汉船用电力推进装研究所置，武汉 430064；2. 中国人民解放军海军92730部队，海南 572000）

本文制备了一种小口径弹引信用Li/SOCl2储备电池，电池主要由多对双极性电极组成的电堆、金属储液罐（内置激活机构）及结构件组成，采用迭代计算方法设计了低过载激活机构。设计的锂储备电池激活时间小于100 ms，通过1.5m勤务处理考核且具备长达10年的贮存寿命。电池通过室内14000 rpm旋转试验及3000～14000 g过载下的实弹回收测试果，结果表明：电池在可在2000 g的低过载下激活且在高过载及旋转条件下可正常工作。电池尺寸为：ψ35 mm×19 mm，激活时间为80±20 ms，在-40℃,+25℃及 +50℃环境温度下，激活后300 mA输出可工作200 s以上。

Li/SOCl2储备电池 电子引信 激活时间 低过载 迭代计算

0 引言

小口径炮弹、榴弹、火箭弹作为一支重要的国防力量，在现在局部战争中的地位越来越显著。作为适时引爆战斗部装药的引信对弹药武器实现多样化作战模式、发挥最大作战效能至关重要。电源在弹药武器系统中，为引信安全可靠的工作提供能源保障，要求在指定输出电流条件下，满足引信正常工作的能量需求及电压，并具备耐高过载、高旋转等恶劣的弹道环境及优良的低温性能[1]，以适应不同的战场环境。

引信用电源经过了数十年发展，国内外大多研究主要集中在铅酸储备电池、热电池及锂储备电池。铅酸储备电池由于激活时间长且会引发环境污染问题，制约了其在引信中的应用。热电池激活时间快，但由于需要保持一定温度以维持电解质的状态，通常体积比能较低且工作时间较短。锂储备电池经过多年的持续发展，由于其在质量比能的显著优势，近年来在弹上电源、鱼雷、航天器及电子时间引信上得到了广泛的应用[2-5]。锂亚硫酰氯电池具备优良低温特性，放电电压平稳，以美军为首的西方军事强国研发的Li/SOCl2储备电池，大量装备于弹药武器电子时间引信[6-8]。

1 Li/SOCl2储备电池及其工作原理

1.1 Li/SOCl2储备电池结构

本文开发的Li/SOCl2储备电池主要由三部分组成，即电堆、内置激活机构的储液罐及结构件，结构如图1所示。电堆由数对双极性极片叠加而成，碳膜及锂负极分别贴于镍集流体两侧构成双极性极片，之间由玻璃纤维隔膜分隔；金属储罐代替安瓿瓶储罐，并采用激光焊接将带有刻痕的镍箔封口膜与储液罐焊接密封。储液罐中电解液适当过量以提高电池激活时电解液浸没速率，缩短激活时间。

图1 低过载激活Li/SOCl2储备电池结构示意图

1.2 Li/SOCl2储备电池工作原理

Li/SOCl2储备电池工作原理如图2所示，电解液封装于电堆正上方的金属储液罐内。静置时，弹簧支撑破模块使其远离膜片，在勤务处理时，1.5m跌落过载持续时间极端，破模块乡下运动的距离不足以碰撞封口膜片，电解液无法释放，因而电池不会误激活；弹丸发射时，破模块在发射过载下（发射过载持续时间远大于跌落过载持续时间），向下运动压缩支撑弹簧并冲破密封电解液的膜片，释放电解液进入电堆，激活电池对外供能。Li/SOCl2电池反应机理如下：

图2 Li/SOCl2储备电池工作原理

2 激活结构设计

用于弹引信的储备的电池需要在低过载下可靠激活，同时满足勤务处理要求，即跌落时不被误激活而引发安全隐患。1.5 m跌落过载为12000 g，而持续时间仅有200 μs，减装药的发射过载为2000 ～3000 g，持续时间为5～10 ms。通过迭代计算，利用过载持续时间的差异，完成低过载激活机构设计及1.5 m跌落安全性设计，计算过程中的符号说明见表1。

表1 符号说明

2.1 1.5 m跌落过程计算

1）弹簧力计算：

2）流体阻力计算：

利用薄壁孔口流量计算公式

推导出：

破膜块受到的流体阻力为：

3）过程计算

破膜块速度：

破膜块运动距离：

根据以上公式，对跌落过程中的破膜块运动过程进行计算，不同形式的破膜块跌落时位移计算结果如图3所示。

图3 1.5 m跌落过程破模块位移情况

2.2 发射过程计算

图4 发射过程破模块位移情况

根据计算结果可知，选取孔隙率及质量合适的破模块，配以合适的弹簧，激活机构可实现在跌落过程中，电池不被误激活，在低的发射过载下，电池能够可靠激活。

3 试验及结果

锂储备电池分别进行1.5 m跌落测试、室内激活放电试验及实弹回收试验考核。采用高速旋转电机提供高速旋转力，高低温试验箱提供不同的环境温度，验证电池高低温性能及不同转速条件下的输出稳定性；最后，采用不同装药，测试实弹环境下电池激活的可靠性及环境适应性，图5为实弹回收试验示意图。

图5 实弹回收试验示意图

图6为电池在不同温度下，转速为14000 rmp时，对外输出电压曲线，可以看出激活后电池电压快速爬升，低温-40℃时，电压爬升速率相对较慢，低温环境下，电极反应及电解液离子迁移速率均较慢所致。图7为不同温度环境下，电池实弹回收试验数据。可以看出在弹丸发射时，电池可正常激活并快速建立电压，在初期由于跑堂内过载、旋转及震动复杂恶劣的环境下，电池电压出现较大抖动，但随后电压逐渐稳定，说明电池可在低过载条件下正常激活，在恶劣的弹道环境下可稳定对外输出。

图6 电池在不同环境温度下的带载电压曲线（14000rmp转速，200mA电流）

图7 Li/SOCl2储备电池实弹回收电压曲线（发射药过载3000 g，转速8000 rmp）

4 结论

本文开发了一款用于电子时间引信的低过载激活Li/SOCl2储备电池，电池主要由双极性电池堆、内置低过载激活机构及电解液的金属储液罐、结构件组成。在不同装药量、不同的发射过载下均能够可靠激活对外供电，且满足勤务处理要求，即1.5 m跌落电池不被误激活。电池激活时间为80±20 ms，激活后在200 mA电流条件下课连续供电120 s以上，输出电压为13.7 ～ 15.5 V，具备高过载高旋转环境适应性。

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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

张一弛（1991-），男，助理工程师。研究方向：化学。E-mail：415540430@qq.com