熱電池激活方式綜述

王勝華

(西安機電信息研究所,陜西西安 710065)

0 引言

從20世紀初期德國Erb博士發(fā)明了熱電池,到20世紀80年代誕生了很多體系的熱電池,電池的各項性能指標在不斷地提高。由于熱電池具有比能量大、比功率高、作用可靠和使用環(huán)境溫度范圍寬等優(yōu)點,被廣泛應用于引信、導彈、魚雷等現(xiàn)代武器中,在軍用電源中占有十分重要的地位[1]。

熱電池是靠加熱激活的電池,主要由基片、正極片、負極片、電解質片、集流片、加熱系統(tǒng)、保溫墊片、電池殼、帶接線柱的電池蓋等組成。單體電池、集流片、加熱片采用平行重疊裝配的方式構成電堆,電堆在一定壓力下固定封裝于殼體中,以保證在苛刻工作環(huán)境條件下電池的正常放電性能。常溫下熱電池內部的電解質是不導電的固體,電極活性物質和電解質相互之間不進行化學反應,處于非工作狀態(tài)。一旦投入使用,只要輸入激活信號使電池激活,通過加熱系統(tǒng)使電池內部溫度迅速上升,電解質熔融形成高導電率的離子導體,正負開始電化學反應,即可輸出所需的直流電壓及電流[2-4]。

熱電池主要的激活方式有兩種:一種是電激活,即使用外電源引爆電點火頭發(fā)火,引燃加熱片激活熱電池的方式;另一種是機械激活,即使用機械能使火帽發(fā)火引燃加熱片激活熱電池的方式。

為了幫助引信和武器工作者了解和合理應用熱電池,本文對熱電池的激活方式作一綜述。

1 電激活機構及工作原理

熱電池的電激活方式是將電點火頭放置在電池堆上部或下部,如圖1所示,外電源施加發(fā)火電流后點火頭作用,點燃引燃條,引燃條點燃加熱片,電池開始工作。電點火頭具有作用迅速、準確,所需起始沖能小、可采用多種電源激發(fā)等優(yōu)點,成為熱電池激活的首選方式。電激活熱電池主要用于引信傳感器、火箭掃雷彈頭及彈尾引信、火箭彈近炸引信、子彈引信、導彈等武器裝備上[5]。?

圖1 電激活熱電池結構示意圖Fig.1 Electric activation thermal battery

電點火頭主要有3種形式:1)常規(guī)熱橋絲電點火頭,其點火靈敏度很高,只要幾百毫安電流就能使電點火頭點燃;2)鈍感型電點火器,其標準為1 A、1 W 5 min不發(fā)火,在5 A 、5 W 、50 ms必發(fā)火;3)半導體電點火器,其尺寸是常規(guī)熱橋絲的1/30,不發(fā)火能級為2.4 A、2.4 W、5 min,其點火能量與鈍感型電點火器相同,點燃速度在10 ms以內?？梢钥闯鲭婞c火頭的發(fā)火電流、發(fā)火能量、發(fā)火時間及安全電流是選擇的重要參數(shù)[6]。

電激活熱電池的優(yōu)點是激活機構設計簡單,只需要在電池蓋體上燒結接通電點火頭的極柱,極柱位于電池內部的部分與點火頭的兩根輸入線進行焊接,需要注意的是焊接部位必須牢固,防止熱電池在承受高過載時出現(xiàn)斷開的現(xiàn)象。

電激活熱電池需要外電路提供點火電流,需要配備一個電源激發(fā)電點火頭,導彈和火箭的發(fā)射指令、航空炸彈的投放指令都是功率型電脈沖,可以用來激發(fā)電點火頭。在不具備外電源的引信中,可以在熱電池之外加裝機械激活電源,例如后坐發(fā)電機、、帶膛內點火機構的壓電換能器等。這對于體積空間有限的小型彈藥引信來說,是弊端,但是這個電源不必與熱電池一體設計,可以利用引信的閑置空間,又是優(yōu)點。

隨著引信電源小型化的要求,熱電池的小型化設計也顯得很重要,電點火頭的設計小型化已取得了進展,美國專利公開的一種微型電點火頭——恒定輸出高精確微毛細煙火起爆器,應用在一種使用了微機電系統(tǒng)(MEMS)基技術的熱電池中[7]。

2 機械激活機構及工作原理

熱電池的機械激活方式,采用針刺火帽或撞擊火帽在外力的作用下發(fā)火,點燃熱電池中的加熱元件。根據(jù)彈藥或引信的體積、所受的環(huán)境力,以及參照火帽的感度、點火能力、發(fā)火時間等主要因素,進行電池機械激活機構的設計。

2.1 外置式機械激活機構

外置式機械激活機構是在電池殼底部設計一個火帽盂,將火帽裝入火帽盂,擊發(fā)機構即擊(撞)針、彈簧、導向筒等則設計在電池外部,成為與電池完全獨立的一個部件。彈丸發(fā)射時在感受環(huán)境力后,擊發(fā)機構的彈簧壓縮推動擊(撞)針戳(撞)擊火帽,火焰從火帽殼底部噴出擊穿火帽盂底部即電池殼體底部,火焰從電池殼底部的孔傳入點燃加熱片,熱電池被激活,其結構示意圖如圖2所示。這種結構的電池,火帽的裝配有兩種形式,一種是將針刺火帽固定在殼體外部的火帽盂內,一種是將撞擊火帽固定在殼體內部的火帽盂內。

圖2 外置式激活機構熱電池結構示意圖Fig.2 External mechanical activation thermal battery

采用針刺火帽激活的熱電池,要求火帽必須擊穿電池殼體底部,因而火帽的發(fā)火威力、點火能力、發(fā)火時間等性能參數(shù)的設計和火帽盂底部的厚度設計很關鍵。

1)火帽的參數(shù)設計:首先考核火帽的發(fā)火威力大小,要求能夠擊穿一定厚度的鋼板;其次火帽具有一定的點火能力,能夠點燃引燃片;最后還要考核火帽的針刺感度、發(fā)火時間等性能參數(shù)。經(jīng)過多次發(fā)火試驗,確定了某型號火帽的發(fā)火帽的設計參數(shù)為擊穿厚度0.3 mm的不銹鋼板。

2)火帽盂的尺寸設計:在確定了火帽的設計參數(shù)為擊穿一定厚度的不銹鋼板后,火帽盂底部厚度的尺寸設計必須滿足火帽發(fā)火威力的要求。如果厚度太厚,火帽發(fā)火未擊穿則使火焰受阻,可導致熱電池未作用;厚度太薄,電池在經(jīng)受密封性檢測時氣壓的作用,可導致底部變形。最佳的設計厚度為0.10～0.23 mm。

3)內部結構設計:火帽盂被火帽擊穿的過程一個鋼板由形變拉伸到撕裂的過程,因此熱電池在內部結構設計時,要求火帽盂與引燃片之間的空隙有一定的裕度。而在池電的裝配過程中由于預壓壓力控制精度的偏差致使這個空隙變小,甚至壓力超過某定值時,火帽盂底部周邊的零件易發(fā)生變形凸起,完全沒有空隙,這樣底部在火帽沖擊下將無法伸展而未破裂,火帽火焰受阻,無法點燃熱電池內部的引燃藥片,導致熱電池未作用[8]。

這種結構的熱電池在激活后殼體底部被擊穿會造成電池漏氣,對電性能和電池外部的其他部件會有影響。另一種使用撞擊火帽發(fā)火的熱電池,火帽盂位于電池內部,火帽盂底部即受撞擊部位與殼體底部也是一體的,在外部撞針撞擊下火帽發(fā)火,但撞擊僅打出凹坑,不擊穿殼體,因而不漏氣。受撞擊的殼體底部的厚度要根據(jù)撞擊能量、火帽的發(fā)火感度、受密封性檢測時氣壓的作用等因素進行設計。

2.2 內置式機械激活機構

內置式機械激活機構就是將擊針、彈簧、火帽集中于一個傳火筒內,裝入電池殼體內,熱電池在后坐力的作用下壓縮彈簧擊針戳擊火帽發(fā)火,火焰從傳火孔噴出點燃周圍的加熱片,熱電池被激活,其結構示意圖如圖3所示。

火帽的性能參數(shù)如針刺感度、點火能力、發(fā)火時間等,以擊針的運動速度、行程和彈簧的性能參數(shù)都是激活機構能否可靠發(fā)火的重要因素。某型號熱電池,由于引信留給電池的體積有限,無法采用電激活和外部激活機構?？紤]到熱電池安裝在引信頭部的中心位置,彈丸發(fā)射時在膛內受到直線慣性力的作用,設計激活機構的結構尺寸,確定火帽行程;由火帽可靠發(fā)火能量和所給定的安全落高,計算彈簧的抗力并設計彈簧。根據(jù)彈簧的幾何參數(shù)和擊針、火帽、外筒等的尺寸及彈丸發(fā)射時的過載計算擊針刺入火帽時的速度,進而校驗擊發(fā)體的動能是否大于火帽100%發(fā)火所需要的最小能量從而確定激活機構能否可靠發(fā)火。經(jīng)過反復驗算和參數(shù)的調整,最終確定激活機構的設計[9]。

圖3 內置式機械激活熱電池結構示意圖Fig.3 External mechanical activation thermal battery

由于熱電池體積相對較小,組成激活機構的零件尺寸很精細,所以對設計及加工工藝提出較高的要求,裝配時保證各零件裝配的正確性及牢固性,以確保激活機構的發(fā)火可靠性。

這種結構的熱電池結構緊湊,激活機構的設計小巧,為武器裝備節(jié)省了一定的空間,而對電池在低過載下可靠激活及跌落的安全性提出較高的要求。

機械激活熱電池廣泛用于炸彈碰炸引信、火箭彈無線電近炸引信、多用途彈無線電近炸引信、集束戰(zhàn)術彈藥布撒器引信等武器裝備上[5]。

3 沖擊激活熱電池

以上兩種激活方式的作用原理,都是通過火工品來點燃引燃紙,再點燃加熱片這樣一個復雜過程,使電池達到工作溫度。由于這個過程中的各種材料燃燒速度較慢,一般均在10～20 cm/s,因此這類熱電池的激活時間均在1 s左右,最快也只能達到0.3 s左右[10]。

隨著軍事需求的不斷增加,一些特殊性能的武器要求熱電池的激活時間越快越好[11]。如飛機彈射座椅用的救生電池,當飛機在低空飛行時,希望救生電池的激活時間小于0.3 s,不然電池還未激活,降落傘不能打開,而造成事故。又如一些特殊用途的炮彈發(fā)射時,在炮膛內必須解保,使用機電一體化的解保裝置可靠性差,不能滿足要求,使用電池供電解保必須使電池的激活時間在幾毫秒內,因炮彈在炮膛內的時間總共只有10 ms左右,這樣短的激活時間使用通常的方式激活熱電池是無法實現(xiàn)的。于是提出一種直接使用炮彈發(fā)射時沖擊能的方式來激活熱電池,實現(xiàn)了幾毫秒激活單體熱電池的目標[12-13]。該方法的原理是將強大的沖擊能直接轉化為熱能來熔化正負極間的電解質,使其變?yōu)殡x子導體,實現(xiàn)正負極的電極反應,從而輸出電能。沖擊能量的獲取可以來自機械沖擊能,也可以來自爆炸沖擊能。再如一些新出現(xiàn)的鉆地彈,它在入地時受到強大的反沖擊力,一般電池很難逃過這一關而不受破壞,但也有可能利用這種反沖擊力來快速激活熱電池,這樣不但使無法使用電池的一些環(huán)境條件能正常使用電池,而且也省去原來熱電池中的加熱系統(tǒng),使這種熱電池結構簡單、安全、可靠。利用沖擊能直接點燃熱電池中的加熱材料來激活熱電池,省略了電點火頭或火帽,減少了加熱系統(tǒng)中幾種材料之間相互引燃的環(huán)節(jié)。這種電池在沒有其他電源引爆點火頭和沒有機械能撞擊火帽的情況下使用。

熱電池的加熱系統(tǒng)除電點火頭或火帽外,還有引燃紙和加熱片。試驗證明,加熱片在沖擊能的作用下很難點燃。引燃紙在一定沖擊能的作用下能自動著火,引燃紙的這個特性為設計這類電池提供了依據(jù)。這類電池的結構與常規(guī)熱電池基本相同。一種結構是將電池堆的所有零件都設計成具有中心孔的圓片,每個單體電池之間夾上加熱片,再在中心孔填滿加熱紙。必須注意的是加熱紙與加熱片之間的接觸必須十分緊密,不然很難點燃加熱片,其結構示意圖如圖4所示。另一種結構是省去了加熱片,全部使用引燃紙。由于引燃紙燃燒后不具有導電性,因此這種結構必須增加單體電池之間導電連接片,具體結構如圖5所示。兩種結構的電池都要求裝配緊密,所使用的材料要有一定的剛性以便沖擊能量的傳遞。

由于沖擊激活熱電池屬于正在研究的新型熱電池,還沒有應用于武器裝備。

圖4 沖擊激活熱電池之一Fig.4 One of shock activation thermal battery

圖5 沖擊激活熱電池之二Fig.5 The other of shock activation thermal battery

4 討論

熱電池的激活方式隨著新材料、新技術的發(fā)展[14-17],會有更多的形式出現(xiàn),現(xiàn)階段比較成熟的是電點火頭激活、機械激活這兩種方式。從上面的描述中可以看出它們的特點:

1)電激活機構熱電池,電點火頭體積小,不占用電池內部更多的空間,電極設計為實心片狀,提高了電池的體積比能量。電池的激活可靠性高,激活時間短,電性能穩(wěn)定。電激活要依賴外電源,小引信設計中尺寸安排困難,但對于中大口徑引信反而有配置靈活,節(jié)約空間的優(yōu)點。

2)外置式機械激活熱電池,雖然電池內部空間利用率高,但采用針刺火帽激活的電池激活后,電池內部產(chǎn)生的高溫高壓氣體的泄露,一方面會影響周圍的電子器件,另一方面對電池電性能也有一定影響,而且需要設計電池外部的發(fā)火機構,對火帽盂的設計加工要求較高。

3)內置式機械激活熱電池,激活機構占用電池內部的空間,電極設計為圓環(huán)片狀,由于激活后單體電池處于半流動狀態(tài),容易在電池邊沿發(fā)生短路產(chǎn)生噪聲;且金屬的機構一旦與電池堆搭接,也會造成短路。因此對電池的設計及工藝水平要求很高,需要進一步的提高和完善。

4)沖擊激活熱電池的研究處于起步階段,如何高效地利用沖擊能激活電池,并保證電池在傳遞沖擊能的過程中結構不被破壞,輸出穩(wěn)定的電性能,還需開展大量的研究工作。

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