熱電池在空空導(dǎo)彈上的應(yīng)用及發(fā)展趨勢

張春曉，穆仕博

（中國空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽471009）

隨著空空導(dǎo)彈技術(shù)的飛速發(fā)展，對電源系統(tǒng)的要求也越來越高，主要體現(xiàn)在用電種類多、功率大等方面。由于空空導(dǎo)彈工作時間較短的特點，更加適合采用熱電池。使用熱電池比采用航空渦輪發(fā)電機作為電源具有以下優(yōu)點：質(zhì)量輕、體積小、除點火電源外不需其它動力，能在嚴(yán)酷的溫度和力學(xué)環(huán)境下正常工作，激活可靠性高，能大電流放電，內(nèi)阻小。因此，隨著熱電池技術(shù)的飛速發(fā)展，先進的空空導(dǎo)彈上愈來愈普遍地采用熱電池作為它的電源。如美國的AIM-120、響尾蛇，俄羅斯的P-73等空空導(dǎo)彈電源均采用了熱電池。

本文對熱電池在空空導(dǎo)彈上的應(yīng)用進行了較為詳細(xì)的論述，重點論述了應(yīng)用中應(yīng)注意的問題，并對空空導(dǎo)彈用熱電池的發(fā)展趨勢進行了展望。

1 熱電池的組成及工作原理

1.1 熱電池的組成

熱電池外形通常為圓柱型，內(nèi)部組裝有若干組單體電池。單體電池電壓一般為2 V左右，每一個單體的正極與相鄰單體的負(fù)極通過一個金屬導(dǎo)電片相連。若串接n只單體，則輸出電壓將是單體電池電壓的n倍。

熱電池的單體電池一般采用三片式結(jié)構(gòu)，即由正極片、隔離片(電解質(zhì))、負(fù)極片三片組成，它們均被壓制成圓形的薄藥片，單體電池之間的集流片和加熱片也制成薄圓片，這種設(shè)計的優(yōu)點在于盡可能地利用了每個單體電池的單元面積，因而，整個電池基本都是由正極片、隔離片(電解質(zhì))、負(fù)極片、集流片、煙火加熱片、激活系統(tǒng)(點火頭或撞針機構(gòu)及火帽)、絕緣材料、保溫材料、殼體、電池蓋、輸出極柱、玻璃絕緣子等零部件組成[1]。

熱電池的結(jié)構(gòu)與組成見圖1。

1.2 熱電池的工作原理

熱電池的負(fù)極通常采用活潑的金屬，如鋰、鎂、鈣等；正極采用一些高性能氧化物或鹽類，如五氧化二釩、二硫化鐵、硫酸鉛、鉻酸鈣等；電解質(zhì)是熔鹽和細(xì)粘土的混合物。

圖1 熱電池的結(jié)構(gòu)與組成

常溫下熱電池內(nèi)部的電解質(zhì)是不導(dǎo)電的固體，電極活性物質(zhì)和電解質(zhì)相互間不進行化學(xué)反應(yīng)，處于非工作狀態(tài)，電池自放電極少。使用時采用電流引燃電點火頭，點燃電池內(nèi)部的煙火熱源，使電池內(nèi)部溫度迅速上升，達500℃左右，使電解質(zhì)熔融并形成高電導(dǎo)率的離子導(dǎo)體，從而使電池激活，在短時間內(nèi)，即可給用電部件供給所需的直流電壓及電流[2]。

2 熱電池在空空導(dǎo)彈上的應(yīng)用

熱電池在空空導(dǎo)彈上的應(yīng)用，既要考慮熱電池需要滿足導(dǎo)彈總體指標(biāo)的要求，同時總體在進行電氣指標(biāo)設(shè)計時，也要充分考慮熱電池的技術(shù)水平和特點，保證熱電池設(shè)計和應(yīng)用的可靠性。

2.1 電氣設(shè)計原則

2.1.1 輸出電壓設(shè)計

熱電池的輸出電壓與用電部件消耗的電流、工作環(huán)境溫度及工作時間有著密切的關(guān)系，在設(shè)計時應(yīng)選擇標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的電壓體系，并根據(jù)實際情況確定電壓公差。

2.1.2 輸出電壓精度設(shè)計

在航空產(chǎn)品的電源設(shè)計中，應(yīng)遵循熱電池輸出功率第一、電壓輸出精度第二的設(shè)計原則，輸出精度的進一步改善應(yīng)主要放在二次電源的設(shè)計上。電池輸出電壓的精度一般選取±10%、±15%、±20%。

2.1.3 輸出電壓的組合與分配

在目前先進的航空產(chǎn)品中，用電部件需要的電壓種類多，功率相差較大，供電用途廣泛，必須進行組合設(shè)計滿足總機關(guān)于體積小、質(zhì)量輕、高可靠性的要求。熱電池根據(jù)以下基本原則進行組合：(1)按艙段分配，便于設(shè)計與調(diào)試，減少互相間的干擾；(2)按用途分配，使電池的綜合設(shè)計科學(xué)合理；(3)按功率分配，保證結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊。

2.2 安裝方式

熱電池根據(jù)外徑和長度的不同，主要采用裝配腳式和卡環(huán)式兩種安裝方式。

(1)裝配腳式

裝配腳式就是將與電池安裝處適配的裝配腳和裝配螺母預(yù)先焊接在電池的殼體上，用螺釘將電池固定在安裝處，該方法適用于小體積熱電池的安裝。

(2)卡環(huán)式

卡環(huán)式就是在電池安裝處加工一個與電池外型適配的半圓形凹槽，然后用一個略小于半圓形的不銹鋼卡環(huán)通過螺釘將電池固定在安裝處，該方法適用于直徑大，長度長的大體積熱電池的安裝。

2.3 應(yīng)用中應(yīng)注意的問題

(1)熱電池發(fā)熱問題

熱電池被激活后，由于煙火源和化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量，使內(nèi)部溫度可達到500℃，電池的熱量會透過保溫隔熱層和不銹鋼殼體向外表面和安裝環(huán)境中散發(fā)，一般外表面溫度在一定時間后可達到300℃以上。在航空產(chǎn)品這種結(jié)構(gòu)緊湊、空間小的環(huán)境中安裝時，應(yīng)考慮電池的隔熱措施，以免對相鄰的部件造成熱損壞，影響整個產(chǎn)品的正常工作。

(2)試驗考核問題

熱電池的考核試驗一般采用模擬負(fù)載進行放電試驗。模擬負(fù)載應(yīng)盡量模擬電池的實際負(fù)載特性。另外，對電池的環(huán)境考核試驗條件應(yīng)高于總體條件。

3 熱電池的發(fā)展趨勢

為適應(yīng)未來空空導(dǎo)彈的發(fā)展需求，熱電池的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：(1)高能量密度：超出常規(guī)電池1倍以上的能量密度，電池具有大的比能量和比功率，適應(yīng)空空導(dǎo)彈對電源系統(tǒng)小體積、小質(zhì)量、高性能的需求；(2)快激活：提高空空導(dǎo)彈的快速性；(3)低表面溫度：通過新型隔熱材料的應(yīng)用和新體系化學(xué)材料的研制，使電池的表面溫度大大降低，改善電池周圍的工作環(huán)境。

4 結(jié)論

鑒于熱電池的顯著優(yōu)點，其在空空導(dǎo)彈上將會得到越來越廣泛的應(yīng)用。目前，還沒有哪種新的能源方式能夠取代它。只有依靠熱電池技術(shù)的不斷發(fā)展和進步，來滿足未來空空導(dǎo)彈需求的不斷提高。同時，也正是由于需求的不斷提高，促進熱電池技術(shù)的不斷進步和發(fā)展。

[1] 李國欣.新型化學(xué)電源技術(shù)概論[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2007.

[2] 梁曉庚，王伯榮，余志峰，等.空空導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006.