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从世界最大飞机首飞,看载人航天器电池的安全性

2019-04-15 11:56 来源:互联网 编辑:Janet

本方法供航天器上以电池供电的设备的设计所用。它为上述设计提供有关如何设计出安全的以电池供电的设备方面的知识。在本方法中,“安全”指地面人员和乘员组使用和处置的安全、工作于载人航天器封闭环境中的安全、以及安装于邻近的非充压舱中的安全。已成功使用该方法的项目:航天飞机计划、轨道飞行器(Orbiter)、阿波罗指令和服务舱(CSM)、登月舱(LEM)、国际空间站、航天飞机有效载荷。

从世界最大飞机首飞,看载人航天器电池的安全性

航天飞机

从世界最大飞机首飞,看载人航天器电池的安全性

国际空间站

从世界最大飞机首飞,看载人航天器电池的安全性

阿波罗指令和服务舱(CSM)、登月舱(LEM)

从世界最大飞机首飞,看载人航天器电池的安全性

登月舱(LEM)

实施方法

本方法的目的主要是以安全性而非性能为内容。有效载荷用户经常询问,有没有“经批准”可在航天飞机上使用的电池清单。这种清单是不存在的。在正确使用前提下可在载人航天器上安全工作的任何电池都可以采用。当然,有一些类型的电池是不适合用于充压舱内的。例子之一是有大量富余电解液的电池对零重力环境下防止电解液溢出极为不利。例子之二是锂二氧化硫电池,它有内建的过压缓解结构,能在内部气压足够高时泄出二氧化硫和电解液的其它组份。具有上述特性的电池在轨道飞行器的封闭环境中使用是不可接受的。下面是已经在轨道飞行器上(航天员舱或有效载荷段)飞行的电池的一张清单,包括:(1)二氧化银一锌原电池(一次性放电)和蓄电池(可充电)、(2)镍镉蓄电池、(3)镍氢蓄电池、(4)镍金属氢化物原电池、(5)锰碱性原电池、(6)LeClanche(碳锌)原电池、(7)锌空气原电池、(8)铅酸性蓄电池,包括有过压缓解的单体和有防电解液流动结构的单体、(9)氧化汞锌原电池、(10)锂原电池,其阴极(正)活性材料包括:(a)亚硫酰氯化物、(b)带溴氯化物复合添加物的亚硫酰氯化物(Li-BCX) 、(c)二氧化硫(在居住区以外)、(d)聚碳-氟化物、(e)二氧化锰、(f)碘、(g)银的铬酸盐。锂基电池必须经过极为严密的评审和需要在其使用中采取看来是过分的危险控制措施。这种电池相对于其它类型的电池能给出极高的单位重量和单位体积能量。但也存在着特有的能导致危险发生的故障模式。对于锂电池的许多类型来说,能反映性能或反映对严酷或超额定外部条件的响应的全面数据是很少的。它们含有的化学物质通常是易燃、有腐蚀性和(或)有毒的。这种电池的各种故障模式多与以下因素有关:泄漏、排气和伴随着飞溅的碎片及有毒物质的强烈爆炸。因此,应不遗余力地做工作,直至确信对每一种已知或有疑点的故障模式都已采取有效的危险控制措施来加以防止。只要可行,强烈鼓励采用其它类型的电池。单凭重量和体积方面的优势不足以论证采用锂基电池的合理性。采用任一种电池(包括上面列出的)都可能需要详尽的试验、评价和生产方控制。飞行前的认证总是需要的。许多与电池相关的危险控制措施同时也能提高使用可靠性,这是因为这些措施使电池设计得有利于防止危险,而危险是故障的结果。例如,防止可能导致电池爆炸的外壳内电解液泄漏和接地(Grounding),同时也防止了对电池操作的失败。本方法的内容并不能覆盖每一种可想象的事故。在本方法中也不试图提供有关电池的理论和电化学知识,除非为了讲清危险及其控制的需要。一般的电池的危险源及其控制电池的危险一般可分为七类,它们是:(1)短路、(2)电解液泄漏、(3)电池气体、(4)外部高温、(5)环行电流、(6)结构过应力、(7)过充电。

方法1:飞行电池不应被短路。1)依据短路可发生于电池内部,如电池内不同单体之间由于电解液(它是导电的)泄漏形成通路,或由于不小心使单体和电池的端子相碰。单体内部的短路对于经过有效程序完成了飞行前准备的电池来说是罕见的。持续短路可导致极高的温升。表1展示锰碱性电池及单体(其短路后果是不太严重的)通过30毫欧短路的效应。电流在一秒钟内达到峰值。

从世界最大飞机首飞,看载人航天器电池的安全性

高温可导致乘员被过热表面烫伤(可接触表面的极限指标是118°F )、电池外、包塑料保护结构融化、有毒或易爆物质(例如氢)被释放或着火。除热效应外,通过泄漏出电解液的短路可将电解液中的水分解为氢和氧,然后,假如短路回路通过最后一个接触形成时打了一个小火花,只要火花的能量达到点火能量(1~2微焦耳),会使氢氧混合体发生爆炸。导致阿波罗13任务失败的原因是这种类型的故障,它导致了地球和月球间( cis-lunar)航程中LM下降电池((LM descent battery)的一次瞬间短路。在阿波罗13上,一些显然针对这种故障模式的危险控制措施被取消了,理由是这种故障不太可能发生。阿波罗14及其后型号的LM电池((LM battery)又采取了上述危险控制措施。2)特殊考虑电池必须装有从物理上和电气上都靠近电池端子的电路切断装置,其动作电流额定值应远低于电池的短路电流承载能力。这种电路切断装置可以是熔断器、断路器、热开关或任何其它有效装置。若电池有金属外壳,电路切断装置应接于电池的接地一侧,这样,电池外壳内部的接地(通常是通过结构接地)将可被检测到并被切断。电池金属外壳的所有内表面必须用确知为能耐受电解液的绝缘漆加以涂覆。这一措施也有利于防止由于电解液泄漏导致通过外壳接地。电池单体的端子也必须加以保护以防止与其它导电表面接触,方法可为包封或加不导电的套(例如塑料膜)。电池端子伸入电池外壳的部分必须绝缘,以防止不慎与其它导体接触和通过电解液泄漏构成通路。穿过电池金属外壳的电池端子必须用绝缘套或其它有效办法与外壳绝缘。电池端子位于电池外壳外部的部分必须加以可靠保护以防止构成通路,方法可为电连接器的插孔侧、凹入的柱状端子、加有效的绝缘套等。电池外壳内部的导线必须绝缘,还应加以限位以防止与单体端子接触和加强对振动及冲击的耐受能力。

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