楊春霞，金 涌，李海元，李貞曉，栗保明

（南京理工大學(xué) 瞬態(tài)物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210094）

在火炮發(fā)射過程中，固體發(fā)射藥的點(diǎn)火和瞬態(tài)燃燒做功是內(nèi)彈道過程的重要研究內(nèi)容。等離子體參與固體發(fā)射藥的點(diǎn)火和燃燒過程是電熱化學(xué)炮（ETCG）與常規(guī)火炮的本質(zhì)區(qū)別。等離子體的介入使得固體發(fā)射藥的點(diǎn)火和燃燒具備了全新的特性。

已有的研究［1－6］表明，等離子體對多種火藥的點(diǎn)火和燃燒均有改善。在合適的點(diǎn)火能量下，等離子體點(diǎn)火可以有效縮短固體發(fā)射藥點(diǎn)火延遲時(shí)間和實(shí)際燃燒時(shí)間，增大壓力峰值。固體發(fā)射藥等離子體點(diǎn)火的一致性是影響電熱化學(xué)發(fā)射技術(shù)工程應(yīng)用的一個(gè)重要因素，因此有必要開展相關(guān)的研究工作。國內(nèi)外研究固體發(fā)射藥等離子體點(diǎn)火一致性的文獻(xiàn)很少，也未見有具體的一致性量化研究報(bào)道。

本文提出了一致性因子，開展固體發(fā)射藥等離子體點(diǎn)火和常規(guī)點(diǎn)火一致性實(shí)驗(yàn)研究，從一致性的角度驗(yàn)證固體發(fā)射藥等離子體點(diǎn)火技術(shù)的優(yōu)越性。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及原理

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖1所示是固體發(fā)射藥等離子體點(diǎn)火的密閉爆發(fā)器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖。該系統(tǒng)主要由脈沖能源系統(tǒng)、等離子體發(fā)生器、固體發(fā)射藥電熱／常規(guī)點(diǎn)火密閉爆發(fā)器定容燃燒裝置和綜合測控系統(tǒng)4個(gè)子系統(tǒng)組成。

圖1 固體發(fā)射藥電熱／常規(guī)點(diǎn)火密閉爆發(fā)器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

脈沖能源系統(tǒng)采用模塊化電容儲能型脈沖成形網(wǎng)絡(luò)（PFN）系統(tǒng)，由4個(gè)相同的放電模塊組成，每個(gè)模塊電容量為1 290μF，每個(gè)模塊的電感值有20μH，40μH，80μH幾檔可調(diào)；放電模塊數(shù)、充電電壓及放電延時(shí)可根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求選擇調(diào)節(jié)，提供不同電流峰值、上升速率和脈沖寬度的電流脈沖。

等離子體發(fā)生器是電熱能量轉(zhuǎn)換裝置。由于密閉爆發(fā)器實(shí)驗(yàn)中火藥的裝填密度相對較小，實(shí)驗(yàn)中采用底噴式等離子體發(fā)生器。其核心部件是由非金屬材料制成的毛細(xì)管，內(nèi)徑為6mm，長度為60mm，其一端裝有桿形密封電極，另一端裝有敞開式環(huán)形電極，兩極之間由爆炸金屬絲連接。爆炸金屬絲采用特殊銅合金，直徑為0.3mm，質(zhì)量為0.3g。實(shí)際工作時(shí)，等離子體發(fā)生器歷經(jīng)金屬絲電爆炸、形成金屬等離子體、毛細(xì)管消融、形成等離子體射流及擴(kuò)散冷卻等過程。

實(shí)驗(yàn)采用的固體發(fā)射藥等離子體點(diǎn)火密閉爆發(fā)器容積為145cm3，可耐500MPa高壓，采用通用的常規(guī)電點(diǎn)火裝置接口。通過更換等離子體發(fā)生器螺栓可以進(jìn)行常規(guī)電底火密閉爆發(fā)器實(shí)驗(yàn)。

綜合測控系統(tǒng)主要用于控制整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程并獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。為避免電磁干擾和地回路的影響，采用了光電隔離傳輸技術(shù)提供高帶寬和穩(wěn)定的直流信號傳輸通路，對密閉爆發(fā)器內(nèi)壓力以及負(fù)載電流、電壓實(shí)時(shí)采集，同時(shí)可根據(jù)需要監(jiān)測放電模塊或關(guān)鍵器件的電流、電壓情況。

電流測量采用PEARSON電流圈傳感器，電壓測量采用Tektronix高壓探針，膛壓測量采用Kistler壓力傳感器，光纖隔離傳輸設(shè)備為Nicolet ISOBE5500光纖隔離放大器，數(shù)據(jù)采集采用Tektronix示波器。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

固體發(fā)射藥等離子體點(diǎn)火密閉爆發(fā)器實(shí)驗(yàn)的基本原理為：電容儲能型高功率脈沖電源向等離子體發(fā)生器進(jìn)行高壓脈沖放電，產(chǎn)生高數(shù)密度的低溫（1～5eV）熱等離子體并注入密閉爆發(fā)器。這種等離子體熱焓值高，輻射性能好，在高壓氣體環(huán)境中動(dòng)量擴(kuò)散性強(qiáng)并且其熱力學(xué)參數(shù)直接受控于脈沖電源的功率釋放波形，可以實(shí)現(xiàn)在固體顆粒藥床中真正意義的點(diǎn)火一致性、全面性和均勻性，實(shí)現(xiàn)對發(fā)射藥化學(xué)能釋放過程的有效調(diào)節(jié)與控制，從而大幅度提高固體發(fā)射藥的點(diǎn)火和燃燒性能［7－10］。

1.3 分析方法

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和處理理論［11］，平均值和標(biāo)準(zhǔn)差能夠反映一個(gè)數(shù)據(jù)集的離散程度和一致性，為了橫向比較同一組實(shí)驗(yàn)不同參數(shù)的一致性以及不同組實(shí)驗(yàn)同一參數(shù)的一致性，本文在平均值和標(biāo)準(zhǔn)差的基礎(chǔ)上，提出了描述密閉爆發(fā)器固體發(fā)射藥點(diǎn)火燃燒一致性的通用方法，即一致性因子，其定義為

其值越小表明數(shù)據(jù)的一致性越好。

對一組N發(fā)密閉爆發(fā)器實(shí)驗(yàn)，若x為某一測試參數(shù)，每發(fā)實(shí)驗(yàn)測試值為xi，則其算術(shù)平均值可表示為

標(biāo)準(zhǔn)差估計(jì)值為

在比較不同條件下同一參數(shù)測試數(shù)據(jù)一致性時(shí)要求每種條件的實(shí)驗(yàn)次數(shù)一致。結(jié)合考慮電熱環(huán)境試驗(yàn)條件的復(fù)雜性，本文的一致性研究的實(shí)驗(yàn)次數(shù)為3～5發(fā)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

點(diǎn)火延遲時(shí)間是衡量點(diǎn)火過程的一個(gè)重要參量，可以考察火藥點(diǎn)火的瞬時(shí)性。本實(shí)驗(yàn)研究中，將測定的壓力曲線上對應(yīng)壓力值為20MPa的相應(yīng)時(shí)間定義為點(diǎn)火延遲時(shí)間，用tig表示。這一定義考慮了火藥實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定點(diǎn)火、發(fā)生可靠燃燒所反映的熱力學(xué)特征，可以消除實(shí)驗(yàn)隨機(jī)誤差的影響。燃燒結(jié)束時(shí)刻指最大膛壓時(shí)刻即dp／dt值歸0時(shí)刻，用tfi表示。全面燃燒時(shí)間定義為從膛壓20MPa到最大膛壓所需的時(shí)間，即最大膛壓時(shí)刻與點(diǎn)火延遲時(shí)間的差值，用tbu表示。最大膛壓值用pmax表示。

2.1 常規(guī)點(diǎn)火一致性實(shí)驗(yàn)

進(jìn)行了一組5發(fā)常規(guī)點(diǎn)火的密閉爆發(fā)器實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中的固體發(fā)射藥采用4／7高氮單基藥，裝填密度為0.25g／cm3，采用2號電底火。實(shí)驗(yàn)測得的壓力和壓力梯度曲線如圖2所示，一致性實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，其中，第3發(fā)試驗(yàn)因觸發(fā)問題未獲得有效數(shù)據(jù)。

圖2 密閉爆發(fā)器常規(guī)點(diǎn)火一致性實(shí)驗(yàn)壓力和壓力梯度曲線

表1 4／7高氮單基發(fā)射藥密閉爆發(fā)器常規(guī)點(diǎn)火一致性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分析表1數(shù)據(jù)，一組4發(fā)密閉爆發(fā)器常規(guī)點(diǎn)火一致性實(shí)驗(yàn)的點(diǎn)火延遲時(shí)間和最大膛壓對應(yīng)的κ值分別為8.70和3.07，可以看出最大膛壓的κ值比時(shí)間數(shù)據(jù)的κ值要小得多，表明膛壓具有更好的一致性。

2.2 等離子體點(diǎn)火一致性實(shí)驗(yàn)

同樣對4／7高氮單基藥進(jìn)行了一組5發(fā)等離子體點(diǎn)火的密閉爆發(fā)器定容燃燒實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)的裝填密度仍然為0.25g／cm3，采用單個(gè)電源模塊放電，模塊電感為40μH，充電電壓為9.65kV。

由于常規(guī)點(diǎn)火試驗(yàn)只有4發(fā)有效數(shù)據(jù)，為了使數(shù)據(jù)具有可對比性，選取前4發(fā)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)測得的壓力和壓力梯度曲線如圖3所示，一致性實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

圖3 密閉爆發(fā)器等離子體點(diǎn)火一致性實(shí)驗(yàn)壓力和壓力梯度曲線

表2 4／7高氮單基發(fā)射藥密閉爆發(fā)器等離子體點(diǎn)火一致性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分析表2數(shù)據(jù)，一組4發(fā)密閉爆發(fā)器等離子體點(diǎn)火一致性實(shí)驗(yàn)的點(diǎn)火延遲時(shí)間、燃燒結(jié)束時(shí)刻、全面燃燒時(shí)間和最大膛壓對應(yīng)的κ值分別為5.63和2.12。可以看出，等離子體點(diǎn)火條件下最大膛壓的κ值比時(shí)間數(shù)據(jù)的κ值要小得多，表明膛壓具有更好的一致性，這一規(guī)律與常規(guī)點(diǎn)火一致性實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似。

與常規(guī)點(diǎn)火相比，等離子體點(diǎn)火延遲時(shí)間算術(shù)平均值只有常規(guī)的11.6%，等離子體點(diǎn)火一致性實(shí)驗(yàn)的點(diǎn)火延遲κ值小了35.3%；等離子體點(diǎn)火的燃燒結(jié)束時(shí)刻比常規(guī)提前了56.0%，全面燃燒時(shí)間是常規(guī)情況下的57.1%；等離子體點(diǎn)火試驗(yàn)的最大膛壓值比常規(guī)點(diǎn)火大10.4%，最大膛壓的κ值是常規(guī)點(diǎn)火的69.1%。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以得出，等離子體點(diǎn)火在點(diǎn)火延遲時(shí)間和全面燃燒時(shí)間上都較常規(guī)點(diǎn)火要短，膛壓比常規(guī)點(diǎn)火高。等離子體點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)中點(diǎn)火延遲時(shí)間和膛壓的一致性要好于常規(guī)點(diǎn)火試驗(yàn)。

3 結(jié)束語

本文提出了基于平均值和標(biāo)準(zhǔn)差的一致性因子來表征密閉爆發(fā)器固體發(fā)射藥點(diǎn)火燃燒的一致性，通過將密閉爆發(fā)器固體發(fā)射藥點(diǎn)火燃燒主要參數(shù)的一致性量化，用量化的一致性因子值來對比研究密閉爆發(fā)器等離子體點(diǎn)火和常規(guī)點(diǎn)火的一致性。研究表明，該一致性因子可有效表征密閉爆發(fā)器固體發(fā)射藥點(diǎn)火燃燒的一致性。等離子體點(diǎn)火的一致性優(yōu)于常規(guī)點(diǎn)火的一致性。影響等離子體點(diǎn)火一致性的主要因素將在進(jìn)一步的研究中探討。

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