热电池激活时间影响因素探讨

热电池激活时间影响因素探讨

杨重琳 王广伟 黄宇

贵州梅岭电源有限公司 贵州省遵义市 563000

摘要：现如今，我国是社会主义经济快速发展的新时期，热电池在工作过程中需要外部激活信号激发内部引燃系统，热电池正常工作，因此激活时间对于武器系统的响应具有重要意义。从热电池激活方式、引燃组件、电解质种类、单体厚度等方面对影响热电池激活时间的因素展开论述，并对激活时间提出相关优化设计。

关键词：热电池；激活时间；影响因素

引言

热电池为一次储备电池，采用固态共熔盐作为电解质，贮备时无电流输出，自放电很小，具有贮存寿命长、无需维护、耐受苛刻的环境条件等诸多优点，成为武器弹药的首选电源。迫弹等电子计时装置等对热电池除了能量的要求外，还需要能够快速上电，准确地启动弹药的控制时序，保证对目标的精准打击，一般要求热电池激活时间小于200ms，甚至在100ms以内。因此缩短热电池的激活时间成为热电池设计、研制需要解决的关键技术之一。热电池的激活时间是指从输入激活信号开始到其工作电压达到规定下限值所需的时间，其组成为：火工品发火时间、引燃时间(引燃纸、加热片的燃烧时间)、传热和熔融时间等。火工品的发火时间一般为5ms以内，可以改进的空间较小，此外热电池激活时间的快慢也受工作环境温度的影响，本文不作讨论。而引燃时间、传热和熔融时间在进行设计时可进一步优化，有一定的提升空间。

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,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。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1A、1W、5min不发火,在5A、5W、50ms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2.4A、2.4W、5min,其点火能量与钝感型电点火器相同,点燃速度在10ms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。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。

2热电池激活时间的影响因素

2.1机械激活

机械激活热电池是通过采用外力撞击火帽或针刺火帽进行发火，点燃热电池中的加热组件，从而实现热电池的激活。通常此类热电池激活机构是根据弹药或引信的体积、承载的外力等因素来设计的。机械激活机构可以分为外置式和内置式。外置式是在电池壳底部设计一个火帽盂，将火帽装入火帽盂，击发机构设计在电池外部，成为与电池完全独立的结构。内置式是将击针、弹簧、火帽集中于一个传火筒内，装入电池壳体内部，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。由于此类激活机构需要外力接触，因此其火帽完全发火时间一般大于50ms。对热电池撞击激活进行了研究，应用未击穿的靶板变形理论和经典力学方法得出撞击能量和热电池底部激活部分厚度的关系，确保热电池的可靠发火。对针刺激活式隔板点火器在热电池中的应用进行了研究，其重点同样是对于热电池可靠发火的研究。从电激活和机械激活两种激活方式可以看出，对于热电池激活方式的选择是由其特定的使用环境决定的，要想提高热电池的激活时间，从激活方式角度考虑，只能在每一种激活方式的前提下，通过选择发火较快的火药来实现。

2.2引燃元件的引燃速度

热电池的激活过程是当点火头接收到激活信号后发火，引燃Zr-BaCrO4引燃条，引燃条再点燃Fe-KClO4加热片，加热片加热使电池堆处于工作温度范围之内，热电池开始工作。有部分热电池采用在电堆中间开传火孔的引发方式。将电池组的所有片子都加工为具有中心孔的圆片，每个单体电池之间夹上加热片，再在中间传火孔中填满引燃条。点火头发火后点燃引燃条，自中间传火孔将各层加热片点燃。由于这种结构要求引燃条与加热片之间的接触必须十分紧密，否则很难将加热片点燃，加热片由内向外燃烧，传火速度较慢，因此采用这种引发方式的热电池激活时间相对较长。为缩短电池的激活时间，现在多数热电池是使用片形结构，在电池堆的四周使用引燃条。Zr-BaCr04加热纸是由火药用Zr粉和BaCrO4。制备得来的，这两种物质的粒度都在10μm以下。无机纤维，例如陶瓷和玻璃纤维，经常被用作加热纸垫的结构材料，其本身并不参与化学反应。Zr粉、BaCr04和无机纤维在加入水后通过湿法造纸技术就制成了类似纸张的材料，燃烧热值约为1675J／g。加热纸燃烧后成为电阻比较大的无机灰分。目前，Zr-BaCr04加热纸被用作热电池引燃条，线燃速一般在10cm/s左右，通过提高锆粉的活性，空气过滤纤维纸代替石棉纤维纸，改善制备工艺，可以将引燃纸的线燃速提高到20cm/s左右，在电池堆四周用3～4根引燃条可以缩短电池的激活时间。

2.3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。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。

结语

综上所述，要缩短热电池激活时间，可采用以下途径：(1)电堆引燃采用快燃速引燃纸，或者对于高度较高的电堆采取将点火机构设置在电堆中间的设计结构，提高电堆中加热片的引燃速度。(2)单纯降低单体电池电解质的用量，并不能明显地缩短激活时间，在热电池能量和单体电池制造可靠性允许的情况下，可整体减少单体电池各组分的用量。(3)在输出功率满足要求的情况下，采用低熔点电解质。(4)在单体成型允许的情况下，适当提高其成型压力。(5)体积和质量设计允许的情况下，可采用内部并联或外部并联的方式，降低电流密度。

参考文献

[1]李潇.采用共同设计原则研发热电池[J].电源技术,2017,41(8):1162-1164.

[2]刘占辰.热电池激活时间研究[J].火工品,2006(6):28-31.