一種電子引信用低過(guò)載旋轉(zhuǎn)激活鋰儲(chǔ)備電池

張一弛，程冰冰，張 斌，雷 軍

應(yīng)用研究

一種電子引信用低過(guò)載旋轉(zhuǎn)激活鋰儲(chǔ)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(guó)人民解放軍海軍92730部隊(duì)，海南 572000）

本文制備了一種小口徑彈引信用Li/SOCl2儲(chǔ)備電池，電池主要由多對(duì)雙極性電極組成的電堆、金屬儲(chǔ)液罐（內(nèi)置激活機(jī)構(gòu)）及結(jié)構(gòu)件組成，采用迭代計(jì)算方法設(shè)計(jì)了低過(guò)載激活機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)的鋰儲(chǔ)備電池激活時(shí)間小于100 ms，通過(guò)1.5m勤務(wù)處理考核且具備長(zhǎng)達(dá)10年的貯存壽命。電池通過(guò)室內(nèi)14000 rpm旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)及3000～14000 g過(guò)載下的實(shí)彈回收測(cè)試果，結(jié)果表明：電池在可在2000 g的低過(guò)載下激活且在高過(guò)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(shí)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(chǔ)備電池 電子引信 激活時(shí)間 低過(guò)載 迭代計(jì)算

0 引言

小口徑炮彈、榴彈、火箭彈作為一支重要的國(guó)防力量，在現(xiàn)在局部戰(zhàn)爭(zhēng)中的地位越來(lái)越顯著。作為適時(shí)引爆戰(zhàn)斗部裝藥的引信對(duì)彈藥武器實(shí)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(guò)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(chǎng)環(huán)境。

引信用電源經(jīng)過(guò)了數(shù)十年發(fā)展，國(guó)內(nèi)外大多研究主要集中在鉛酸儲(chǔ)備電池、熱電池及鋰儲(chǔ)備電池。鉛酸儲(chǔ)備電池由于激活時(shí)間長(zhǎng)且會(huì)引發(fā)環(huán)境污染問(wèn)題，制約了其在引信中的應(yīng)用。熱電池激活時(shí)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(shí)間較短。鋰儲(chǔ)備電池經(jīng)過(guò)多年的持續(xù)發(fā)展，由于其在質(zhì)量比能的顯著優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)在彈上電源、魚(yú)雷、航天器及電子時(shí)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(guó)研發(fā)的Li/SOCl2儲(chǔ)備電池，大量裝備于彈藥武器電子時(shí)間引信[6-8]。

1 Li/SOCl2儲(chǔ)備電池及其工作原理

1.1 Li/SOCl2儲(chǔ)備電池結(jié)構(gòu)

本文開(kāi)發(fā)的Li/SOCl2儲(chǔ)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(chǔ)液罐及結(jié)構(gòu)件，結(jié)構(gòu)如圖1所示。電堆由數(shù)對(duì)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(chǔ)罐代替安瓿瓶?jī)?chǔ)罐，并采用激光焊接將帶有刻痕的鎳箔封口膜與儲(chǔ)液罐焊接密封。儲(chǔ)液罐中電解液適當(dāng)過(guò)量以提高電池激活時(shí)電解液浸沒(méi)速率，縮短激活時(shí)間。

圖1 低過(guò)載激活Li/SOCl2儲(chǔ)備電池結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 Li/SOCl2儲(chǔ)備電池工作原理

Li/SOCl2儲(chǔ)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(chǔ)液罐內(nèi)。靜置時(shí)，彈簧支撐破模塊使其遠(yuǎn)離膜片，在勤務(wù)處理時(shí)，1.5m跌落過(guò)載持續(xù)時(shí)間極端，破模塊鄉(xiāng)下運(yùn)動(dòng)的距離不足以碰撞封口膜片，電解液無(wú)法釋放，因而電池不會(huì)誤激活；彈丸發(fā)射時(shí)，破模塊在發(fā)射過(guò)載下（發(fā)射過(guò)載持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)大于跌落過(guò)載持續(xù)時(shí)間），向下運(yùn)動(dòng)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(duì)外供能。Li/SOCl2電池反應(yīng)機(jī)理如下：

圖2 Li/SOCl2儲(chǔ)備電池工作原理

2 激活結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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

表1 符號(hào)說(shuō)明

2.1 1.5 m跌落過(guò)程計(jì)算

1）彈簧力計(jì)算：

2）流體阻力計(jì)算：

利用薄壁孔口流量計(jì)算公式

推導(dǎo)出：

破膜塊受到的流體阻力為：

3）過(guò)程計(jì)算

破膜塊速度：

破膜塊運(yùn)動(dòng)距離：

根據(jù)以上公式，對(duì)跌落過(guò)程中的破膜塊運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行計(jì)算，不同形式的破膜塊跌落時(shí)位移計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 1.5 m跌落過(guò)程破模塊位移情況

2.2 發(fā)射過(guò)程計(jì)算

圖4 發(fā)射過(guò)程破模塊位移情況

根據(jù)計(jì)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(shí)現(xiàn)在跌落過(guò)程中，電池不被誤激活，在低的發(fā)射過(guò)載下，電池能夠可靠激活。

3 試驗(yàn)及結(jié)果

鋰儲(chǔ)備電池分別進(jìn)行1.5 m跌落測(cè)試、室內(nèi)激活放電試驗(yàn)及實(shí)彈回收試驗(yàn)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(yàn)箱提供不同的環(huán)境溫度，驗(yàn)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(cè)試實(shí)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(shí)彈回收試驗(yàn)示意圖。

圖5 實(shí)彈回收試驗(yàn)示意圖

圖6為電池在不同溫度下，轉(zhuǎn)速為14000 rmp時(shí)，對(duì)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(shí)，電壓爬升速率相對(duì)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(shí)彈回收試驗(yàn)數(shù)據(jù)。可以看出在彈丸發(fā)射時(shí)，電池可正常激活并快速建立電壓，在初期由于跑堂內(nèi)過(guò)載、旋轉(zhuǎn)及震動(dòng)復(fù)雜惡劣的環(huán)境下，電池電壓出現(xiàn)較大抖動(dòng)，但隨后電壓逐漸穩(wěn)定，說(shuō)明電池可在低過(guò)載條件下正常激活，在惡劣的彈道環(huán)境下可穩(wěn)定對(duì)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(chǔ)備電池實(shí)彈回收電壓曲線（發(fā)射藥過(guò)載3000 g，轉(zhuǎn)速8000 rmp）

4 結(jié)論

本文開(kāi)發(fā)了一款用于電子時(shí)間引信的低過(guò)載激活Li/SOCl2儲(chǔ)備電池，電池主要由雙極性電池堆、內(nèi)置低過(guò)載激活機(jī)構(gòu)及電解液的金屬儲(chǔ)液罐、結(jié)構(gòu)件組成。在不同裝藥量、不同的發(fā)射過(guò)載下均能夠可靠激活對(duì)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(shí)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(guò)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