飛行器電池激活后待機安全性與剩余電量研究

陳雷雨，岳瑞華，徐中英

(第二炮兵工程大學，陜西西安710025)

飛行器電池激活后待機安全性與剩余電量研究

陳雷雨，岳瑞華，徐中英

(第二炮兵工程大學，陜西西安710025)

鋅銀電池作為航空航天飛行器的能源供應設備，激活后不同情況下的剩余電量和安全性決定了電池的剩余可待機時間。利用電池的剩余可待機時間，可以開展故障的現(xiàn)場分析排除和視情擇機發(fā)射。結(jié)合飛行器實際發(fā)射過程，在滿足飛行器發(fā)射、飛行對電池要求的基礎上，著重從電池使用的安全性和電池剩余電量兩方面論述了電池對飛行器待機的影響，為制定科學的待機方案提供依據(jù)。

鋅銀電池；飛行器；待機；安全性；剩余電量

伴隨著航空航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展，作為飛行器主電源的鋅銀電池，具有性能穩(wěn)定、使用簡單方便、儲存時間長、激活反應時間短、比能量大等特點[1]。飛行器進入發(fā)射階段后，電池擔負著為其提供能源、保證儀器正常工作的重要任務[2]，因此鋅銀電池對飛行器的熱待機時間有較大影響。

但是在飛行器發(fā)射過程中常常會遇到突發(fā)故障，為保證發(fā)射成功，需要現(xiàn)場及時排除故障；若飛行器由于突發(fā)故障等原因未能如期發(fā)射，則需要保持熱待機狀態(tài)，等待下一個發(fā)射窗口進行發(fā)射[3]。鋅銀電池作為飛行器的主電源，其激活后濕擱置時間成為影響待機時間的關鍵因素。因此，研究鋅銀電池的使用安全性和實時剩余電量，估算飛行器的剩余待機時間，可以為制定飛行器待機方案提供科學依據(jù)，也可以為技術人員排除突發(fā)故障提供時間上的限制。

1 電池安全性對待機的影響

目前，飛行器上一次電源多采用自動激活鋅銀貯備電池。作為飛行器能量供給的重要設備，鋅銀電池的安全性能在很大程度上決定飛行器能否成功發(fā)射，因此必須充分考慮鋅銀電池使用過程中各種不安全因素的影響。針對飛行器實際發(fā)射待機過程，主要從以下兩方面研究電池的安全性。

1.1 電池激活前使用安全分析

自動激活鋅銀貯備電池系統(tǒng)分為氣體發(fā)生器和電池堆兩部分。其中電池堆是由多個鋅銀電池單體串聯(lián)而成的。在電池的干態(tài)貯存期中，電解液儲存在不銹鋼的儲液器中，從而與電池堆分開，并且儲液器的出口由一個易碎的隔膜封上，鋅銀電池結(jié)構(gòu)如圖1所示。需要激活電池時，通過電流脈沖點燃氣體發(fā)生器，產(chǎn)生一個高氣壓沖破易碎膜，從而將電解液壓入電池堆中激活電池放電[4]。

圖1 鋅銀電池結(jié)構(gòu)示意圖

鋅銀電池的結(jié)構(gòu)能夠保證電池一定的干態(tài)貯存時間，但同時也帶來了一定的問題。由于鋅銀電池的特殊結(jié)構(gòu)，決定了其只能被使用一次。一旦激活，將電解液和電池堆混合，電池就必須使用，這決定了在飛行器發(fā)射前無法對電池進行性能檢查。

鋅銀貯備電池的干貯存壽命在5～8年左右[5]，對于已經(jīng)達到規(guī)定貯存期的電池，無法對其是否能夠滿足飛行器發(fā)射、飛行需要進行有效判斷。另一方面，隨著貯存時間變長，電池的電極會發(fā)生自然氧化還原反應、內(nèi)部橡膠、粘接劑老化等情況，電池的電量和電壓等指標都會下降[6]，導致電池使用的可靠性隨之下降，這對電池的使用安全形成隱患，同時對電池待機時間也會造成影響。通過先驗知識，結(jié)合實際貯存時間，利用貝葉斯估計將電池的可靠性進行量化，對電池安全使用及飛行器安全發(fā)射至關重要。

1.2 電池激活后使用安全分析

分析研究電池安全時，除了對電池激活前的安全可靠性進行評估外，在電池使用過程中的各種不安全因素對處于熱待機狀態(tài)的飛行器同樣重要。在電池進行濕擱置的時間里要保證電池的工作安全，防止電池出現(xiàn)短路、泄漏電解液和排放有害氣體等情況。同時，飛行器的發(fā)射、飛行環(huán)境十分惡劣，在這樣的環(huán)境下，必須考慮到電池的可承受環(huán)境條件，以保證使用過程中的安全。因此，主要從以下四個方面分析電池的使用安全。

1.2.1 高溫

鋅銀電池具有優(yōu)越的大電流放電性能，在常溫下，當電池以1小時率放電時，可放出額定容量的90%；以1/3小時率放電時，仍能放出額定容量的70%；在特定條件下，甚至可以在3～5min之內(nèi)放出大部分容量，所以鋅銀電池適合在大電流高速放電情況下使用[7]。

但電池在放電過程中，特別是在大電流放電時，會產(chǎn)生很大熱量，這種情況如果持續(xù)時間比較長，就會導致電池內(nèi)部溫度逐漸升高，進而有可能將隔膜熔化，使電池內(nèi)部發(fā)生短路，這樣更會加劇溫度升高，最后有可能發(fā)生爆炸。因此高溫對電池的影響必須考慮。

1.2.2 振動

受地形等因素影響，飛行器在機動運輸過程中會受到不規(guī)律的振動，這對電池性能的保持也有很大考驗。另一方面，飛行器點火起飛后，受空氣阻力、發(fā)動機推力和水平方向風速等不均勻影響，飛行器本身會產(chǎn)生較大頻率的振動，電池會受到從殼體傳來的強迫振動[8]，這種高頻率的振動會使電池零、部件結(jié)構(gòu)磨損破壞，造成活性物質(zhì)脫落、電池單體內(nèi)部銀絲斷裂，引起電性能降低而使電池失效，更有可能導致由于緊固件松動引起的電解液泄漏[9]。所以，對電池進行抗振性測試是保證電池安全性的一個重要方面。

1.2.3 電解液泄漏

在飛行器發(fā)射起飛前，如果操作過程中出現(xiàn)故障，并且在發(fā)射場地無法處理的，須對故障飛行器進行撤收，此時要將飛行器從垂直狀態(tài)轉(zhuǎn)為水平運輸狀態(tài)，電池將翻轉(zhuǎn)90°，這種狀態(tài)下進行機動運輸就有可能造成電解液的泄漏，從而會對其他儀器設備造成腐蝕。如果通過測試得到電池翻轉(zhuǎn)90°進行運輸時電解液不泄漏的可靠時間，可以為飛行器機動運輸時間、距離的判斷提供參考。

1.2.4 漏電

電池激活后隨時有可能發(fā)生漏電情況，特別是當兩塊電池同時發(fā)生漏電時可能形成一個漏電回路，在此回路之中的儀器設備都會受到影響。當漏電電流比較小時，會對飛行器內(nèi)部儀器正常工作造成干擾；當漏電電流較大時，很有可能燒毀儀器設備。因此，對電池漏電風險進行評估很有必要。

2 電池剩余電量對待機的影響

鋅銀電池的突出優(yōu)點是比能量高，理論上，鋅銀電池質(zhì)量比能量可以達到 350 Wh/kg，體積比能量可以達到 750 Wh/dm3。因此，在航空航天飛行器這類對電池體積和質(zhì)量有嚴格要求的尖端裝備中，鋅銀電池可以很好地滿足使用條件[10]。而且，在要求一定體積和質(zhì)量的前提下，電池比能量較高時飛行器的待機時間也會較長。

自動激活鋅銀一次電池通常是短壽命的。激活后，如不使用，在短時間內(nèi)即失效，其主要原因是電池濕擱置過程中電量等參數(shù)會逐步下降[11]，而飛行器可利用的待機時間和電池的濕擱置時間主要取決于待機過程中電池的電量，因此要對處于濕擱置狀態(tài)下的電池進行剩余電量的實時監(jiān)控估算。

由于電池在帶載與空載情況下的工作狀態(tài)不同，結(jié)合飛行器的實際發(fā)射，將電池工作過程分為帶載與不帶載兩個階段進行剩余電量的計算。在不帶載情況下，電池的濕擱置時間和其自放電速率關系密切；帶載情況下，電池擱置時間主要取決于飛行器中儀器的用電情況。

2.1 電池空載狀態(tài)待機剩余電量分析

電池激活后，在不帶載的情況下，活性物質(zhì)浸泡在電解液中會自行發(fā)生氧化還原反應而消耗掉，鋅銀電池的氧化銀電極在與電解液接觸過程中會進行自放電而逐步喪失容量[12]，自放電的速率決定轉(zhuǎn)電前電池濕擱置的時間，因此電池在轉(zhuǎn)電前的濕擱置時間和電池的自放電有關。而且，飛行器結(jié)束待機狀態(tài)重新進入發(fā)射程序后，加負載的電池必須能夠滿足飛行器中各儀器要求的供電條件以及后續(xù)發(fā)射、飛行的電量需求。

此時電池允許的濕擱置時間取決于以下三方面：(1)待機時間段內(nèi)電池自放電消耗的電量；(2)待機結(jié)束后滿足飛行器后續(xù)發(fā)射、飛行所需電量；(3)飛行器的各個儀器正常工作的供電條件。

其中，電池自放電大小隨待機時間的延長而不斷變化，通過計算才能確定。一般情況下，自放電速度較慢，可以忽略。但在鋅銀電池空載情況下，電池自放電成為電池能量損失的主要原因，因此需要通過計算得到電池自放電時間和剩余電量的關系。

2.2 電池帶載狀態(tài)待機剩余電量分析

轉(zhuǎn)電后飛行器中的儀器由電池供電，各個儀器用電情況成為電池剩余電量的主要影響因素。此時電池的擱置時間取決于三方面：(1)待機時間段內(nèi)飛行器中的儀器用去的電量；(2)待機結(jié)束后滿足飛行器后續(xù)發(fā)射、飛行所需電量；(3)飛行器的各個儀器正常工作的供電條件。

飛行器在發(fā)射場地的待機時間可以用來排除臨時故障以及等待發(fā)射窗口的到來，發(fā)射窗口到來或故障排除后，精確地判斷電池是否仍然可以滿足后續(xù)飛行器發(fā)射和飛行的電力需求則是十分必要的。在此情況下，如果難以準確判斷，就需要撤收設備，則此次發(fā)射任務宣告失敗。通過對電池電量的估算得到的飛行器可靠待機時間，可以作為確定待機方案的主要依據(jù)。

3 結(jié)束語

鋅銀電池的使用安全性和剩余電量對飛行器的發(fā)射待機會產(chǎn)生影響。結(jié)合電池工作過程，從電池激活前使用可靠性和激活后的安全性兩方面分析了電池安全對待機的影響；同時，將飛行器電池激活后的待機過程分為空載與加負載兩種情況，對兩種情況下電池剩余電量的影響因素進行了分析，為估算飛行器待機時間以及確定最優(yōu)的待機方案提供參考。

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Research on security and remaining electric quantity of standby aircraft battery after activating

As the energy-supply device for aerospace aircraft,security and remaining electric quantity of silver-zinc battery after activated decide remaining standby time of battery in each case.Launch team can eliminate faults on the scene and choose proper time to launch aircraft by using standby time of battery.Combined with real process of aircraft launching, the effects of security and remaining electric quantity of silver-zinc battery on aircraft were stressed on the base of meeting the need of aircraft launching and flying process for battery,providing theory basis for formulating reasonable standby plan.

silver-zinc battery;aircraft;standby;security;remaining electric quantity

TM 91

A

1002-087 X(2016)06-1223-02

2015-12-15

陳雷雨(1990—)，男，河北省人，碩士，主要研究方向為檢測診斷技術及自動化裝置。