某型裝備能源電池異常爆破故障分析

■ 李華霖 常紅/國營長虹機械廠

0 引言

彈上電池是各型武器裝備能源供應的重要部件，其工作可靠性對裝備戰術發揮至關重要。由于電池屬于一次性使用能源部件，平時不工作時內部電解液處于獨立隔離狀態，當受外部信號激發后，隔膜、引燃條等電解液隔離裝置因高壓氣或者高溫起燃作用而失效，使兩種電解液相互作用而對外產生電壓。如果電池設計或制造過程存在缺陷，可能引發高壓氣或高能燃料泄漏等意外，造成彈藥功能失效。在早期熱電池技術尚未成熟時，加上技術封鎖等因素限制，我國從國外引進的部分裝備依然采用蓄電池、鉛酸電池等液體化學電池作為彈上能源部件，在產品貯存壽命、可靠性、安全性等方面的指標遠比熱電池低，故障時有發生，嚴重影響裝備的使用效能和戰訓的安全性能。

1 故障現象

年度戰訓時曾經發生一起導彈按壓發射按鈕后未離機、飛機帶彈返回的故障特情，嚴重影響裝備使用性能和載機作戰安全。分解發現，該枚導彈的彈上電池、電源控制部件、飛行控制部件等多個部位被嚴重損壞，經過分析研究，最終確定故障原因是彈上電池存在設計缺陷，電池激活時裝藥筒異常爆破，碎片沖出打壞電源部件，繼而引發控制部件功能失效，不能向舵機供給電壓和零位信號，導致舵面不能正常歸零，無法形成“導彈準備好”指令，最終使導彈無法正常發射離機。

為查找故障原因，技術人員對彈藥進行拆解檢測，外觀檢查發現，左上舵和右下舵不在零位，左上舵舵面處于-7°位置，右上舵舵面處于+6°位置。經安全化處理后，用全系統綜合檢測設備對故障導彈進行性能檢測，當檢測到5-1167故障參數時出現故障，設備自動停止測試。5-1167故障參數表示彈上AC18V電壓供電不合格，該故障涉及的彈上部件有二次電源、控制組合、自動裝置組合等。

根據故障現象和故障定位，對彈藥進行深入分解，當分解到電池部件時，發現電池外觀異常。該電池屬于20世紀70年代的鉛酸電池體系，工作時主要采用高壓燃氣起爆內部電解液隔膜引發化學反應產生電能。檢查發現，電池上端用于貯存火藥裝置的兩個裝藥筒出現異常，右側的裝藥筒前端被異常沖破，沖出兩個大圓孔，電點火管基座變形、開裂；用數字多用表檢測電池輸出，殘留500mv左右的電壓；打開電池基座，發現內部串聯的電池模塊大部分完好，僅靠近氣路出口部位的模塊有被燃氣灼黑的現象；用冷氣對電點火管進行吹試，由電點火管向下導通至電池內部的氣路通暢。經深入分解發現，上述部件多處出現殼體灼黑、變形和穿孔、電路板燒壞、元器件震脫等異?，F象，如圖1所示。

2 導彈工作原理時序分析

為排除故障，需要確定故障產生部件以及起決定作用的因素。因此，從導彈工作原理入手，對故障產生原因進行逐層深入分析。當飛行員按壓“發射”按鈕后，導彈應產生下述動作：

1）電池工作啟動。

2）兩個氣源部件的電爆管和發動機燃料箱增壓火藥活門工作。

3）從電源部件向導彈控制系統提供18V電壓。

4）交流電壓使導彈控制系統陀螺電機開始旋轉。

5）當電池進入工作狀態時，向發動機提供+22V供電。

6）在電瓶進入工作狀態時，導彈轉用自備電源，在導彈脫離之前同時由載機和電瓶供應電源電壓。

圖1 損壞故障部件

7）隨著轉入自備電源，控制系統陀螺儀解鎖，向控制系統和導引頭發出指令“閉鎖”。

8）在導彈控制系統中有電源電壓以及氣源系統中的氮氣存在時，舵被置于零位。當舵處于零位且控制系統陀螺儀解鎖時，向載機發出指令“導彈準備好”，根據該指令導彈與載機發射裝置脫離。

飛行員按壓“發射”按鈕后，導彈無法發射，說明上述過程或某一環節出現了問題。

3 故障分析

3.1 故障部件定位

根據故障彈的外觀故檢、整彈測試和時序分析結果，斷定故障原因可能是電池部件、控制組合部件和自動裝置組合。因彈上電池裝藥筒被異常沖破，其爆破力方向正好對向電源部件殼體穿孔部位，而緊挨電源部件的控制組合損壞部件也正好與電源部件殼體穿孔部件處于水平位置，由此斷定故障根源是電池裝藥筒發生了異常爆破。故障發生過程如下。

1）電池火藥裝置前端面被高壓燃氣異常沖破，裝藥筒高速飛出將二次電源的鑄鋁殼體打碎，造成電源部件內部多塊電路板被沖壞，二次電源蓋板也被沖擊力擊打變形，同時因力的傳遞因素，緊挨著控制組合部件的殼體也被擊打變形。

2）高壓火藥燃氣異常沖出，使戰斗部、控制組合部件、自動裝置組合、電源部件等多個部件及導彈內艙被灼黑；高壓火藥燃氣異常沖出后導致輸往電池內部的壓力不夠，只有很少一部分燃氣經過向下的氣路進入電池內部，大部分電池模塊未被激活，僅靠近氣路出口部位的少量電池模塊動作，因此只殘留幾百毫伏的輸出電壓。

3）電池激活，電源部件產生電壓部分的工作正常，控制系統陀螺儀解鎖。舵機歸零需要兩個條件：電壓供電正常和氣源系統氮氣存在。由于電源部件被打壞，無法供給舵機電壓，舵面未能正常歸零，無法形成“導彈準備好”指令，因此導彈不能與載機發射裝置脫離。

3.2 電池故障分析

正常情況下電池火藥裝置的火藥筒不應沖出，此次故障因火藥裝置完全燒毀而無法進行進一步的試驗和分析。根據故障現象，分析認為火藥筒異常沖破的可能原因有：電池電點火管的火藥筒裝配不良或者氣路管中有多余物堵塞，導致被沖出；電池電點火管裝藥量過大，導致電點火管爆轟能量過高，將電池電點火管前端面沖破。

為確定故障根源，從以下幾個方面加以闡述。

1）電池內部結構組成

該電池采用鉛酸電池體系，由32個串聯的電池塊構成，電池塊與充滿電解液的小瓶相連。電池塊位于艙室的絕緣盒內，每個盒底部有用于安裝小瓶的絲扣孔，小瓶位于單元的下部艙室。電解液包裝盒由帶分接頭的交替正負板片電極構成。兩個固定在殼體上的液態火工品排出裝置用于電池激活。小瓶為彈性圓柱筒（見圖2），內部充滿電解液。筒體被密封，用于在電池非工作狀態時存放電解液。

在向電子點火器加+27V電壓時，由于煙火劑燃燒而產生的熾熱氣體在小瓶艙內產生剩余壓力，通過小瓶的彈性壁及電解液作用于工作膜片。膜片被破壞，電解液被壓入電極盒，電解液與電極反應物質間開始化學反應?；瘜W反應的結果是化學能轉化為電能。電池進入工作狀態并向與之連接的系統供電。

圖2 電池小瓶結構圖

2）火藥筒正常工作流程

正常情況下，根據“發射”指令，電池激活系統工作，點火具橋絲熔斷，點燃裝藥筒內的火藥，產生高溫高壓火藥氣體，順著裝藥筒與火藥裝置內殼體之間的縫隙從裝藥筒頭部的三個節流孔泄出，沖破密封膜，到達火藥裝置內腔，再反方向順著火藥裝置內殼體與火藥裝置外殼體之間的縫隙通過火藥裝置頸口，最終到達電池內部，擠碎安瓿管隔膜，使電解液與電極混合，產生直流電壓（見圖3）。

圖3 電池火藥筒工作示意圖

3）火藥筒異常工作流程

裝藥筒通過其頭部與火藥裝置的箍圈以過盈配合的方式固定，如果制造誤差導致裝藥筒外徑偏小或箍圈內徑偏大，固定可能不夠牢靠。當裝藥筒內的火藥燃燒后，產生高壓火藥氣體，反向推著裝藥筒向前移動，節流孔越來越小，內腔2中壓力越來越大，將裝藥筒向前推至火藥裝置端面石棉隔熱墊處，此時節流孔被完全堵住，內腔2中壓力無法泄出（見圖4）。

當內腔2中壓力增大到超過火藥裝置殼體的剪切強度時，殼體被沖破，裝藥筒隨之高速沖出（見圖5），撞擊二次電源，裝藥筒遇阻變形增大。

從以上分析可以得出：裝藥筒制造缺陷導致其尺寸偏小，固定不牢，在火藥壓力作用下，裝藥筒異常沖出，導致電池激活系統工作異常。

4）故障驗證

查詢資料可知，該型電池激活系統采用冗余設計，由兩套相對獨立的火藥裝置組成，仔細檢查該枚導彈故障件發現：

a.一套火藥裝置工作正常，另一套火藥裝置故障，殼體被沖破，裝藥筒沖出。

b.在電源部件內撿出了一個裝藥筒、一個殼體端面和一個石棉隔熱墊，裝藥筒靠近頭部的部位脹大隆起。

c.解剖工作正常的火藥裝置，發現裝藥筒頭部壓痕很深；檢查故障的裝藥筒，發現裝藥筒頭部壓痕較輕。

d.測量箍圈尺寸：故障件為φ120.12mm，正常件為φ119mm。

e.參照以往故障情況，發現兩套火藥裝置都出現故障，在二次電源內撿出兩個裝藥筒、兩個殼體端面和兩個石棉隔熱墊，兩個裝藥筒靠近頭部的部位都脹大隆起，兩個裝藥筒頭部壓痕都較輕。測量裝藥筒頭部尺寸，一個為φ116.33mm，另一個為φ118.32mm。

以上現象進一步驗證了對“電池激活故障機理分析”是正確的。

4 結論

圖4 裝藥筒間隙配合圖示

圖5 裝藥筒沖出示意圖

綜上分析，可以斷定引起故障的原因是該型電池設計制造時存在缺陷，直接原因是電池裝藥筒制造缺陷導致其尺寸偏小所致。為避免故障再次發生，應采用國內成熟熱電池技術進行部件替代，避免發生類似故障，保證載機和飛行員安全。