引信用电能源通用技术要求探讨

王莹澈,陈 琴,李福松，金功伟，刘 皓

(1.西安机电信息技术研究所，陕西 西安 710065；2.陆装驻西安地区第四军代室，陕西 西安 710065)

0 引言

引信是武器系统有效发挥毁伤效能的核心控制系统，其性能优劣对武器装备的实战效能具有极其重要的影响[1]。引信电能源主要配用于无线电引信、电子时间引信、机电引信、光学引信，以及近年来发展的修正引信等，为引信电子线路、光学器件、作功装置、电爆火工品等提供电能。引信在精确打击与高效毁伤方面有高可靠性的要求[2]，发射平台和弹药种类不变，把原有的机械引信更换成采用弹上电源供电的电子引信，毁伤效能可能提高几倍、几十倍甚至成百倍。国内外已有的多个案例说明，引信技术采用电能源供电是提高武器弹药性能的重要途径。实现我国引信技术从传统技术向智能化方向发展的关键在于实现引信技术的信息化[3]。电能源作为引信供电的核心部件，理应得到重视。

引信用电能源通常包括化学电源和物理电源两大类[4]。引信用化学电源主要包括铅酸储备化学电池[5]、锂储备电池等液体储备电池[6-8]和热电池[9]；物理电源主要包括磁后坐发电机、涡轮发电机、压电发电机[10-13]等，磁后坐发电机是一种典型的物理电源[14]，涡轮发电机作为引信电源已在迫弹引信上得到广泛应用[15]。物理与化学复合电源在引信中也有应用，包括磁后坐与化学复合电源[16]、压电发电机和化学电源的复合[17]，锂原电池等也有应用[18]。

引信电能源技术要求作为引信电能源的设计输入，是引信电能源研制的依据。引信电能源技术不断发展，其内涵、功能、性能也在发生变化，以往的概念或规范已不能准确反映引信用电能源功能和性能要求，引信电能源研制技术要求也应适应新的变化。

目前还没有关于引信用电能源技术要求的标准或规范，通常引信总体在与电能源研发项目制定具体电能源技术要求时，没有规范可参照，制定的电能源研制要求要素不全,内涵不清晰或者不具体,给工程研发带来了一定的问题，如：在方案阶段，对电能源的工作环境要求不全面，环境适应性验证项目较少,问题暴露不出来,到后期工程样机阶段，出现电性能不能满足使用要求等问题，有的项目不得不更改方案。因此，在引信电能源研制初期应尽可能与引信总体讨论，制定较为全面、详细且操作性强的技术要求，根据技术要求和不同种类电能源的工作原理、特点及适应性，充分论证技术方案，再根据研制进程中的各种工况变化不断修改完善，尽可能在研制早期形成有效文件。

本文针对目前缺少引信电能源技术要求相关标准或规范的现状，梳理目前主要类型引信对电能源的功能、性能和适应性的要求，分析归纳引信电能源的技术要求，结合国内现有的引信电源技术规范，以及引信电能源技术新发展，提出引信电能源通用技术要求要素和内涵。

1 主要引信用电能源功能、性能和适用性分析

随着引信技术的发展，对引信所用电能源提出了新的功能、性能和环境适应性要求，如：有的引信需要电源在发射后较短时间内建立电压，实现引信近距离起爆；有的引信需要在膛口装定信息，一种电源形式不能满足要求,需要采用由两种或两种以上电源形式共同供电的复合电源或者混合能源；有的引信电源除了提供电能外，还需起到传感弹道变化的作用；有的引信需要电源提供多路不同电压、不同电流的电能，由电源自带控制电路或者管理电路，实现电能的控制和管理；制导弹药引信通常采用的弹上电池，也需要协同管理，考虑电磁兼容问题等。总之，随着引信技术的新发展，引信电能源的概念和内涵发生了一些变化，其功能和作用也发生了一些变化，相关技术要求也需要适应新的变化。

1.1 引信用液体储备电池功能、性能和适用性分析

液体储备电池是最先应用于引信的电能源。早在1942年，美国率先研制成功火炮榴弹无线电引信，1943年投入实战，配用的电能源是炭锌体系液体储备电池，主要结构是将电解液储存在安瓶中，与电极反应腔隔离，解决了电池长期贮存问题，在火炮发射时，依靠发射过载打破安瓶，破瓶后的电解液在旋转离心作用下，被甩进电极反应腔中，发生化学发应，并在全弹道持续供电，直到起爆弹丸。此后近80年，引信用液体储备电池虽然在电化学体系、结构以及输出性能上发生变化，但其基本原理没有变化。美军PF-1无线电引信用铅酸体系液体储备电池是国内外现役火炮弹药引信使用最多、应用最广泛的电源，德国锂储备电池是目前综合性能先进的液体储备电池，在未来引信新技术中液体储备电池的应用也必不可少[19]。

液体储备电池主要应用于火炮、舰炮、高射炮、坦克炮等高过载高旋转弹药平台的无线电引信，其功能是在引信工作过程中为引信提供电能，并在引信贮存和勤务处理过程中保证处于未激活状态。因此，引信液体储备电池技术要求要素首先应为供电的能力，即电池的工作性能指标，一般为满足引信全弹道供电所需的电压、电流、工作时间、激活时间等；其次，引信用液体储备电池主要是依靠发射环境打破电池中的储液瓶，释放贮存在储液瓶中的电解液，并依靠旋转离心力均匀分布电解液，使电解液稳定保持在电极反应腔中持续反应，输出电能。因此，发射环境中和飞行环境中的环境条件是液体储备电池的工作必要条件，即动态工作环境是液体储备电池技术要求的另一主要要素。引信用液体储备电池，应满足引信使用前处于未被激活的状态，即装在引信中的液体储备电池在储存、运输、与弹体结合(分装弹)以及进入发射管内合膛冲击等过程中，应处于未被激活的状态。因此，液体储备电池非工作状态的环境适应性也是技术要求的要素之一。

液体储备电池也可以用于火箭弹低过载和低旋转平台的无线电引信，依靠弹上安全装置中的激活组件激活。因此，技术要求要素动态工作环境中激活不是依靠发射过载实现，而是依靠安全装置中的激活装置实现。近十多年，国内火箭弹无线电引信采用液体储备化学电池内置管理电路的一体化电源，实现了引信电源的部分自管理，电池的输出性能也增加了电磁泄露的相关要求。

液体储备电池也用于电子时间引信、机电引信，其中应用于电子时间引信的电池要求较快的激活时间，有的引信采用外接发射平台的供电电源，通过弹体连接线为电池电激活机构提供电能。加电激活电池，技术要求要素动态工作环境中激活不是依靠发射环境，而是依靠外加电辅助电池激活。激活相关要求需要提出或加以限定。

1.2 引信用热电池功能、性能和适用性分析

热电池输出功率大，主要在导弹中应用，在引信中也有应用，一般用于非旋转弹较多，在旋转弹也有应用。热电池应用于坦克炮弹引信、火箭弹引信、航弹引信，以坦克炮弹引信用热电池为例，其功能与液体储备电池相同，为引信工作过程提供电能，并在非工作状态保持非激活状态，其技术要求的工作性能要求要素和非工作状态要素与液体储备电池的基本一致。

热电池的工作过程与液体储备电池有所不同，热电池在工作前电解质是固态的，工作时需要热量将其熔化，一般需要400～500 ℃。因此，热电池工作时存在一个使固态电解质熔融的激活过程，这个激活过程需要使用火工品点燃热电池中的加热组件，使固态电解质熔融，具有离子传输能力。热电池激活使用的火工品通常为针刺火帽或电火工品，因此，热电池的动态工作环境应主要包括实现针刺火帽作用的过载环境力，或者使热电池火工品作用的工作环境或条件。

尽管热电池更适合于非旋转弹引信，但在火箭弹弱旋转工作环境、火炮高过载旋转工作环境也可以应用，国内外一直在研究热电池在旋转环境中的应用。不过，旋转环境不是热电池工作的有利环境，而是热电池稳定工作的不利环境，需要克服不利工作环境的影响。因此，热电池动态工作环境要素，应包括热电池激活所需要的过载、需要耐受的旋转环境，以及使电池进入加热激活的其他环境或者条件。

由于热电池的工作原理和工作过程与液体电池不同，因此，引信采用热电池作为电能源，在工作性能指标要素中也有不一样的要求。热电池工作较长时间后，其表面温度会增加，尤其是用于引信电源时,体积小,热防护空间少,在工作时间段,电池的表面温度有可能过高,从而其热辐射有可能对引信电子线路产生影响。国内某火箭弹引信项目研制过程中，曾发生过引信较长时间工作后，热电池的热辐射与外弹道气动加热导致引信电子线路工作可靠性下降。因此，在引信采用热电池作为电能源时，应研判热影响是否作为技术要求。

热电池在贮存、运输和勤务处理过程中的要求与液体储备电池一致，应处于未被激活的状态，除了要求在勤务处理过程中外力造成的影响外，以电点火管作为热电池的激活火工品时，还应对非工作环境中的静电环境作出要求，电火工品不能被静电激发。

1.3 引信用涡轮发电机功能、性能和适应性分析

涡轮发电机是一种物理电源，通常作为迫击炮弹无线电引信用电源，也可作为航弹启动器，国内已将涡轮电机作为特种弹药的引信电源和环境识别传感器。

涡轮发电机是迫弹引信用最典型的物理电源，其功能是在迫弹飞行过程中，通过气流驱动涡轮旋转，涡轮再带动多极永磁转子旋转,引起发电机定子中磁通发生周期性的变化,并在电枢中产生感应电动势，再通过整流滤波成直流电，满足迫弹引信全弹道用电需求。涡轮发电机的工作原理决定了涡轮发电机输出不是一个稳定值，所以，涡轮发电机的电性能指标要求通常与气动环境紧密相关。一般要求低风速启动，涡轮发电机输出通过整流稳压后在规定负载下，电压达到一定值；同时在高风速下，涡轮发电机的输出不能高于某一限定值，以防止烧毁引信线路。因此，迫弹涡轮发电机的工作环境要求包括风速范围和温度范围，同时应能够耐受发射过载的冲击。过载冲击不是涡轮发电机工作的有利环境，而是涡轮电机需要耐受的不利环境。

涡轮发电机的贮存、运输和勤务处理等非工作状态适应性相比储备式化学电池要好，主要原因是涡轮发电机没有含能材料。

涡轮发电机工作时输出的是交流电，一般会产生数千赫兹的交流电压，而且在飞行过程中，频率是变化的，采用涡轮电机作为无线电引信的电源时，应考虑发电机频率对无线电引信电子线路的影响，在技术要求中应予以考虑。

涡轮发电机在工作时，飞行速度和攻角在不断变化，这种变化对电机的输出具有一定的影响，进而对引信的性能有所影响，引信对涡轮发电机应提出攻角适应范围要求。

涡轮发电机还会受到空气密度变化的影响，如雨、雪、高温、低温下，涡轮发电机的输出特性变化，尤其在高原地区，稀薄气体、低温环境下，涡轮发电机的输出性能会受到较大影响。因此，涡轮发电机应能适应平原、高原气候的变化。

1.4 引信用磁后坐发电机功能、性能和适应性分析

磁后坐发电机也是一种物理电源，通常用于机电引信、电子时间引信。磁后坐发电机利用磁芯相对电枢作轴向相对运动，在电枢上产生脉冲电能，提供引信电子线路使用。磁后坐发电机可实现膛内供电，作为电子时间引信电源时，具有计时零点误差小的特点。近年来，磁后坐发电机也作为一种激活装置或控制装置使用。磁后坐发电机可用于旋转弹，也可用于非旋转弹，可以后坐使用，也可前冲使用，而且磁后坐发电机可适应温度范围较宽，具有结构简单、可重复检测的特性，缺点是输出的电能小，不能连续长时间供电[20]。

1.5 引信用复合电源功能、性能和适应性分析

引信与火控系统的交联可实现精确打击，通过平台装定信息的精确时间控制电子时间引信，采用储备式化学电源存在激活时间散布大的问题，计时零点散差大；采用膛内可供电的磁后坐电机，虽然可在膛内供电，但其输出能量不能满足引信全弹道持续供电的需求。国内已研发了磁后坐发电机与液体储备电池组合的复合电源，压电陶瓷与液体储备电池组合的复合电源。作为火炮弹药引信与发射平台信息交联的高精度时间引信电源，其功能是通过复合电源在膛内即可输出电能的优点，实现电子时间引信低散布计时零点，后续储备式化学电源激活，满足电子时间引信全弹道持续输出电能的要求。因此，复合电源工作性能包括激活时间、工作时间、工作电压、工作电流等，与单一种类电池所不同的是，复合电源的电性能指标是通过管理电路调理后的参数。复合电源可以有不同设计，应用于高过载高旋转弹引信和高过载非旋转弹引信，因此，其工作环境的要求与储备电池要求一致，非工作状态的工作要求与储备电池要求也基本一致。

2 现用电能源相关标准及规范的要求分析

目前，尚没有关于引信用电能源技术要求的标准或规范，相关标准主要有WJ 2469—1997引信用贮液电池通用规范[21]，WJ 2507—1998引信用热电池通用规范[22]，GJB 4171—2001铅-二氧化铅贮备电池通用规范[23]，WJ 2584—2020迫弹引信涡轮发电机规范[24]。以上所涉及标准主要针对引信用贮备电池、热电池、涡轮电机三种引信电能源的设计、制造、验收等进行了规定。其中引信用贮液电池通用规范和铅-二氧化铅贮备电池通用规范是在国内引进美国PF-1引信电池制造与验收基础上形成的，在一定范围内起到了指导作用，引信用热电池和迫弹引信涡轮发电机也是在产品研制的基础上形成的，主要适用于电能源的设计、制造以及验收的规定，标准时间偏长，需要针对性修改，部分涉及了引信电能源的技术要求。

GJB 573B—2020引信及引信零部件环境与性能试验方法，是最新发布的关于引信环境与性能试验的标准，规定了引信与引信零部件在其寿命全过程的安全性、可靠性和性能特性试验[25]。通常情况下，经分析，引信电能源在经过某环境试验后不涉及引信安全性，则该试验项目不列入引信电能源的环境试验要求中，但若该试验项目涉及引信作用可靠性，则应列入引信电能源环境试验要求中。在GJB 573B—2020标准中，100系列机械冲击试验方法104(1.5 m跌落试验)，方法105(运输装卸试验)；200系列振动试验方法201(运输振动试验)，方法203(战术振动试验)；300系列气候试验方法306(高、低温贮存试验)，方法307(热冲击试验)作为引信用电能源环境试验要求优先试验项，其他试验项经分析后也可作为引信电能源环境试验选择项。

3 引信用电能源通用技术要求的建议

3.1 通用技术要求要素

通用技术要求要素应包括引信电能源全寿命的技术要求要素，在第一章分析的基础上，建议引信电能源技术要求要素包含功能要求、动态工作环境要求、工作性能要求、非工作状态要求、环境试验要求、六性要求、标准化要求、储存运输要求及其他要求。

3.2 通用技术要求适用范围

适用的化学电源包括液体储备电池和热电池，物理电源包括直线发电机、气动发电机，以及复合电源或组合电源。引信用的其他电能源如压电电源、原电池、超级电容器以及电能源的衍生装置也可参照。

3.3 功能要求

通常情况下，引信用电能源功能是为引信工作过程提供电能，当引信电能源除提供引信工作过程电能外，还承担环境敏感、信号或力输出的，应在功能要求中说明，尤其近年来，以环境力为驱动的物理电源，其功能由传统的供电功能向供电控制一体化发展，典型的如PGK电磁装置。

3.4 动态工作环境要求

动态工作环境是指电能源在引信动态工作中所经受的物理条件。包含但不限于：

1) 发射过载/侵彻过载范围值

电能源在引信工作温度范围内，经受弹药发射/侵彻时最小峰值和最大过载峰值，以及达到相应峰值的过载持续时间和温度条件。在引信工作过程中过载发生变化，对引信电能源性能造成影响或者引信电能源利用过载变化实现功能和性能输出的，应明确过载的变化值。通常应提供引信电能源工作的典型过载(压力)-温度曲线图，极限条件下的最高过载和最低过载，或者极限条件下的过载(压力)-温度曲线图。

2) 旋转速度范围值

电能源在引信工作温度范围内，从弹药发射至引信寿命结束的转速值最大值和最小值。对于子弹药、修正弹药等弹道旋转速度明显变化的情况，应明确转速变化值。通常应提供引信电能源工作的典型和边界转速-温度曲线图。

3) 工作温度范围值

引信电能源工作的温度范围与引信的工作温度范围相同，一般为-40～+50 ℃，近年来范围有所扩宽，国内外已有引信要求工作范围为-43～+55 ℃。

4) 气流速度范围值

对于以外弹道环境取能的电能源，需要提供电能源工作时相对弹丸飞行的气流速度，包括启动速度、可靠工作的最低气流速度和最高气流速度等。

5) 其他

对于在其他特殊工作环境中工作的电能源，应明确特殊的工作条件，如海拔高度、照度、气压、介质种类流速、压力范围及变化等必要工作条件。

3.5 工作性能要求

电能源满足引信工作所需的电性能要求，允许有适当冗余。

1) 工作电压范围值

在工作温度范围内，实现引信规定用电功能，电能源工作过程满足引信用负载要求的工作电压最小值或(和)最大值。对于以弹丸外弹道飞行速度启动供电的磁电式电能源，应提出在结合外环境(如最低风速、最低过载、最高风速、最高过载)电能源在规定负载下输出的最低电压和最高电压有效值。

2) 工作电流/负载

在引信工作温度范围内，实现引信规定用电功能，电能源在工作过程中满足引信工作的最小工作电流或者工作负载，也可用等效负载作为要求。对于有多路不同负载要求，应分组提出；对于不同时间阶段有负载变化要求的，应分时段提出。

3) 工作时间

引信完成规定功能对电能源输出所需求的工作时间，通常应满足引信规定功能所需的最长工作时间；也可结合分组或分段时间段提出工作电压、工作电流/负载。

4) 激活条件和激活时间

对于储备式化学电池、复合电源及组合电源等，在所应用的弹药发射工况中，受到的最小激励环境力或其他方式最小激励，在规定的电流负载下，由非工作状态到工作电压输出达到标称值(规定值)所经历的工作时间。特殊要求也可提出达到某规定功率所经历的时间。

5) 噪声电压

对于无线电类引信，引信电能源在工作时，电压交流成分在规定频率范围内输出噪声电压的有效值，应提出有效值范围和频率范围。

6) 强度和密封性

电能源在工作范围内，经所在弹丸最强发射或侵彻环境激励时，结构不出现影响电能源本身性能的损坏，以及不出现造成引信其他部件性能降低或失效的损坏。

7) 其他

电能源的电性能也可要求规定条件下的输出功率、输出容量、输出能量、输出力矩或某种特定要求信息等。

3.6 非工作状态要求

电能源作为产品的物理参数与状态。

1) 体积或外形尺寸

包含电能源的基本结构尺寸，如：直径、高度，或长、宽、高等。

2) 接口尺寸

包括与引信结构相配的安装结构和尺寸，特殊结构和尺寸以图示方式提出要求。

3) 电接口方式及其标志

应对电能源与其他部件的电接口方式提出要求，如：电能源输出正极、输出负极采用导线引出，或采用极柱/端子引出，应明确引线或极柱的数量及其功能；正极引出线和负极引出线，激活连接线，检测引出线等，提出引线的位置、尺寸、线型、颜色、长度等；采用极柱或端子时，应提出所用极柱或端子的位置尺寸、结构要素、材质等。引出电极、激活端、检测端应有明显的标识或说明，如对于激活引出线和极柱，应提出非工作状态的保护或警示标志，或其他形式的限定或要求。

4) 重量

5) 绝缘电阻

通常要求在规定测量电压下的正、负引出线(极)间,正极、负极引出线(极)和壳体之间的绝缘电阻。当正、负极引出线(端)间不能测量绝缘电阻时，要求测量正极或(和)负极引出线(端)与壳体之间的电阻。特别的，有的电能源采用壳体作为电极引出端，也应提出相应要求。

6) 冷电压

储备式电池未被激活前允许的开路电压。

7) 密封性

对于容易受到外界环境影响的电能源，可提出非工作状态密封性检测方法和密封性要求。

8) 表面质量要求

通常包括不允许有影响产品性能的表面损伤、裂纹、凹痕、锈蚀、微孔，表面外露端子的表面质量状态等。

9) 相关特殊非工作状态要求

其他可能造成工作性能影响的非工作状态要求。

3.7 环境试验要求

引信用电能源应优先满足GJB 573B—2020引信及引信零部件环境与性能试验方法中的引信作用可靠性试验项目。当通过分析，认为电能源经过环境试验后有影响引信安全性时，选择安全性要求项目。除有特殊要求外，优先按GJB 573B—2020有关试验方法规定执行。

引信电能源应能满足以下环境试验后的作用可靠性要求。

1) 1.5 m跌落试验

引信电能源安装在与真引信配重范围一致，外结构件材质相同的假引信中，并与真引信电能源的安装位置相同，对假引信的使用频次可做出规定。

2) 运输装卸试验

引信电能源应安装在与真引信位置相同，重量范围一致，外结构件材质相同的假引信中，对假引信的使用频次可做出规定。当采用试验用的夹具时，应能够模拟电能源与引信的连接实际情况，通过夹具将被试电能源固定在试验台上。

3) 高、低温贮存试验

引信电能源应采取与引信中安装状态相同或者等效的密封包装。

4) 热冲击试验

引信电能源应采取与引信中安装状态相同或者等效的密封包装。

5) 其他环境试验项应在分析作用可靠性的基础上选取，也可采用多试验项结合的要求，对于含有电子线路、内储能元件或开关元件的电能源，经分析，提出电和电磁的兼容性相关测试项要求。

3.8 六性要求

军工产品的可靠性、维修性、保障性、测试性、安全性、环境适应性统称为“六性”，是GJB 9001中明确提出作为产品实现策划必须要考虑和满足的要求[26]，引信用电能源虽然是引信的部件，但通常以独立产品管理，因此，引信用电能源应按军工产品“六性”要求分析，提出相关要求，根据引信电能源特点和用途，一般不涉及维修性、保障性。

1) 可靠性要求

引信电能源通常应满足引信可靠工作的可靠性要求，通常要求一定置信度水平下的可靠度。引信可靠性也可以合格百分比要求。

2) 测试性

引信电能源配用高价值弹药，电源有测试性要求时，或在引信电能源装入引信前，需要提出检测方法和要求。

3) 安全性

经过分析，引信电能源自身会产生安全隐患或安全状况时，应提出安全性要求或评估准则。

4) 环境适应性

引信电能源的环境适应性一般通过动态工作环境要求、环境试验要求提出，除有特殊规定外，不再单独提出。

3.9 标准化要求

引信电能源应贯彻实施有关标准的规定，特殊要求符合单篇规定。

3.10 贮存及运输要求

引信电能源贮存期应不少于引信的贮存期，应包括电能源作为产品出厂到装入引信中的运输周转期，运输周转期一般为1年期限。

3.11 其他要求

1) 互换性要求

电能源应具有互换性。

2) 包装要求

电能源的包装应适用于周转、转运，并具有良好的密封性和防潮性。

3) 标志

电能源的产品标志应清晰、牢固，符合GJB 3911的相关规定。产品标志中的编号应具有唯一性和可追溯性。

4) 材料要求

电能源所用原材料、器件应尽可能立足国内，并有可靠的供货来源。

5) 工艺性要求

产品设计应尽可能采用成熟技术、成熟工艺，加工、装配、检测方便，适应批量生产的要求；当采用新工艺、新技术、新材料时应通过技术鉴定。

6) 其他要求

对于成本有要求的，可提出目标成本要求。

4 结束语

引信电能源技术是引信技术的重要组成，引信电能源研制的专业人员有限，受到的关注程度有限，引信新技术的发展对电能源的依赖会更强，引信电能源技术发展水平和产品实现能力应成为引信技术发展和引信产品能力提升的有力支撑和保障，对引信电能源的技术要求进行规范，有利于引信总体与电能源研发人员沟通协调，提高研发效率，避免电能源成为引信的短板或瓶颈，促进引信技术的协同发展。