李　兵，李　媛，廖　昕

(1.南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京 210094；2.西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

?

等離子體增強(qiáng)固體火藥燃燒性能的實驗研究

李兵1，2，李媛2，廖昕1

(1.南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京 210094；2.西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

利用300mL電熱化學(xué)密閉爆發(fā)器研究了在不同輸入電能、裝填密度和初始溫度下等離子體點火對某混合酯高能19孔花邊形固體火藥顆粒燃燒性能的影響；分析了上述不同條件下等離子體對該固體火藥燃燒速率影響的變化規(guī)律。結(jié)果表明，輸入等離子體電能從15.4kJ增大到61.6kJ后，固體火藥燃速在100MPa時提高106%，200MPa時提高30%，300MPa以上燃速無明顯變化；等離子體點火對低溫火藥燃燒初期和中期的燃速均有顯著的增強(qiáng)作用，對高溫火藥點火燃燒初始燃速的增強(qiáng)作用較為明顯。

等離子體；固體火藥；密閉爆發(fā)器；燃燒性能；電熱化學(xué)發(fā)射

引　言

電熱化學(xué)發(fā)射技術(shù)(ETC)主要利用電能產(chǎn)生的等離子體來增強(qiáng)工質(zhì)的作功能力，通過電弧等離子體與含能工質(zhì)的相互作用，產(chǎn)生高溫、高壓燃?xì)鈦戆l(fā)射彈丸，是推進(jìn)技術(shù)的一種新發(fā)射原理[1-3]。國外通過等離子體點火定容燃燒實驗，對等離子體與火藥的傳熱和化學(xué)反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了廣泛深入的研究[4-8]。Bourham、Lieb等[8-9]對JA2火藥進(jìn)行了研究，結(jié)果表明等離子體點火增強(qiáng)燃速效應(yīng)明顯，其原因為高溫等離子體的輻射效應(yīng)、火藥侵蝕燃燒以及表面形成微孔等。Woodley和Wildegger-Gaissmaier[10-11]討論了密閉爆發(fā)器條件下的燃速增強(qiáng)特性，給出了各自修正后的等離子體作用下火藥燃速公式，前者得到的修正系數(shù)與等離子體電功率有關(guān)，后者給出的修正系數(shù)與等離子體溫度和火焰溫度有關(guān)。在電熱化學(xué)發(fā)射過程中，利用7000～10000K高溫等離子體增強(qiáng)固體火藥的點火及燃燒性能，不僅可以大大減少固體火藥點火的延遲時間[12-13]，提高點火一致性，還能有效消除發(fā)射裝藥初溫的影響[14-17]。

本研究利用300mL大容積密閉爆發(fā)器實驗裝置，對某混合酯高能固體火藥顆粒在不同裝填密度、輸入電能和初始溫度條件下的等離子體點火燃燒進(jìn)行了實驗研究，探索了等離子體增強(qiáng)固體火藥燃速效應(yīng)的基本規(guī)律，尤其是高、低、常溫下等離子體點火電能對固體火藥燃速的不同影響，為固體火藥電熱化學(xué)炮應(yīng)用等離子體點火與溫度補償技術(shù)提供了參考。

1　實　驗

1.1樣品和儀器

混合酯高能固體火藥，19孔花六邊形，主要成分為硝化二乙二醇、硝化甘油、硝化棉，密度為1.6kg/dm3，爆熱為4600kJ/kg。

電流互感器、分壓器、GL-800電位隔離放大器，南京理工大學(xué)；壓阻式壓力傳感器，西北機(jī)電工程研究所； TDS3014數(shù)字示波器，美國泰克公司； DEWE3100數(shù)采系統(tǒng)，奧地利Dewetron公司。

1.2實驗裝置

等離子體與固體火藥的點火燃燒特性實驗裝置如圖1所示。該裝置主要由等離子體發(fā)生器、高壓密閉爆發(fā)器、壓力傳感器等組成。高壓密閉爆發(fā)器體積為300mL，燃燒室內(nèi)徑為45mm；等離子體發(fā)生器直徑為16mm，長度為120mm，表面為銅膜。

圖1　實驗裝置示意圖Fig.1　Schematic diagram of experimental device

1.3實驗方法

通過外部1MJ脈沖功率電源控制電容量和放電電壓來調(diào)整高壓放電的輸入電能，使燃燒室內(nèi)中心等離子體發(fā)生器的銅膜發(fā)生電離產(chǎn)生高溫等離子體，并點燃燃燒室內(nèi)的固體火藥。等離子體負(fù)載電壓和電流值采用電流互感器、分壓器、數(shù)字示波器測試；燃燒室壓力采用壓阻式傳感器、電位隔離放大器、DEWE3100數(shù)采系統(tǒng)測量。

2　結(jié)果與討論

2.1不同輸入電能對等離子體點火特性的影響

在常溫18℃及裝填密度0.35kg/dm3條件下，比較兩種不同電能密度等離子體對19孔花邊形固體火藥顆粒點火燃燒特性的影響，每組2發(fā)。實驗結(jié)果見表1，實測p-t曲線和處理得到的u-p曲線如圖2所示。

表1　不同輸入電能對點火特性的影響

注：E為輸入電能；u為燃速。

圖2　不同初始電能對應(yīng)的p-t和u-p曲線Fig.2　p-t and u-p curves corresponding to different initial electric energies

從表1和圖2可以看出，與輸入電能15.4kJ相比，輸入電能為61.6kJ時固體火藥燃燒的最大壓力明顯增大(△p=53MPa)，燃燒結(jié)束時間縮短(△tm=-4.53ms)，燃速在100MPa時提高了106%，在200MPa時提高了30%，而在300、400、500MPa時燃速則基本相同。此結(jié)果表明，脈沖電源輸入發(fā)生器的電能多，銅膜電爆炸產(chǎn)生的等離子體溫度高、壓力大、電子數(shù)多，單位時間內(nèi)注入燃燒室的等離子體熱焓增大，固體火藥接收到的熱流量增多，能更有效地加熱固體火藥表面，從而使固體火藥更快著火和燃燒，實現(xiàn)增強(qiáng)固體火藥初始燃燒速率的目的。隨著等離子體的消失，固體火藥將按照其自身的燃速繼續(xù)燃燒。

2.2不同裝填密度對等離子體點火特性的影響

在常溫18℃和輸入電能15.4kJ條件下，比較兩種不同裝填密度時等離子體對固體火藥顆粒點火燃燒特性的影響，每組2發(fā)。實驗結(jié)果見表2，實測p-t曲線和處理得到的u-p曲線如圖3所示。

表2　不同裝填密度對點火特性的影響

從表2和圖3可以看出，在較小的輸入電能下，兩種不同裝填密度的固體火藥燃燒速率基本相同，說明小電能等離子體點火僅僅保障固體火藥的正常燃燒，沒有增強(qiáng)燃速的效果。

圖3　不同裝填密度對應(yīng)的p-t和u-p曲線Fig. 3　p-t and u-p curves corresponding to different loading densities

2.3不同初始溫度對等離子體點火特性的影響

在裝填密度為0.27kg/cm3，考察了不同輸入電能時等離子點火對固體火藥顆粒在高溫50℃、低溫-40℃、常溫18℃條件下燃燒性能的影響，并與常規(guī)硝化棉點火進(jìn)行對比，每組2發(fā)，結(jié)果見表3，其常、高、低溫下等離子點火燃速曲線如圖4所示。

圖4　不同溫度下等離子體點火燃速對比Fig. 4　Comparison of burning rates by plasma ignition at different temperatures

樣品編號點火方式t/℃E/kJu/(dm·s-1)50MPa100MPa150MPa200MPa1NC-400.5691.0031.3971.7682NC180.5420.9961.4211.8223NC500.5441.0281.4921.9424等離子體-40250.6081.0201.5121.8115等離子體18250.5831.0291.4861.8256等離子體18360.6191.0901.7151.9157等離子體50250.6021.0841.5281.951

由表3及圖4(a)可以看出，常溫下等離子體點火(樣品5，樣品6)與常規(guī)點火(樣品2)相比，不同壓力時等離子體點火的火藥燃速均比常規(guī)點火的火藥燃速高：輸入25kJ電能時(樣品5)，在50MPa時高7.5%，100MPa時高3.3%，150MPa時高4.6%，200MPa時高0.2%；輸入36kJ電能時(樣品6)，在50MPa時高約14%，100MPa時高9.4%，150MPa時高21%， 200MPa時高5.1%。

由表3及圖4(b)可以看出，高溫下輸入25kJ電能時等離子體點火(樣品7)與常規(guī)點火(樣品3)相比，50MPa時等離子體點火的燃速比常規(guī)點火的燃速高11%，100MPa時高5.4%，150MPa時高2.4%，200MPa時僅高0.5%，其燃速增加的幅度很小。

由表3及圖4(c)可以看出，低溫下輸入25kJ電能時等離子體點火(樣品4)與常規(guī)點火(樣品1)相比，燃燒壓力在50MPa時等離子體點火的燃速比常規(guī)點火的燃速高約7%，100MPa時高1.7%，150MPa時高8.2%，200MPa時高2.4%。

上述結(jié)果表明，對于該混合酯高能固體火藥，分別在高溫、低溫、常溫時，等離子體點火條件下固體火藥燃燒初期(50MPa內(nèi))的燃速均顯著增大。常溫和低溫下100MPa時等離子體點火對燃速的增幅縮小，而在150MPa時燃速增幅又顯著上升。尤其是常溫條件下隨著輸入電能的增大，燃速增大的幅度最大，這充分證明了增加等離子體的輸入能量可有效增加固體火藥的燃燒速率。而高溫條件下，等離子體點火對燃速的增幅隨壓力增大呈逐步縮小的趨勢。

3　燃速增強(qiáng)機(jī)理分析

通過不同輸入電能、不同裝填密度和不同初始溫度的固體火藥顆粒等離子體點火密閉爆發(fā)器實驗研究發(fā)現(xiàn)，等離子體點火對火藥燃速的增強(qiáng)效果與火藥初溫、等離子體點火壓力、等離子體溫度、電子數(shù)量等多種因素相關(guān)。

常溫下輸入15.4kJ電能時，實測等離子體點火壓力為10.5MPa，計算得等離子體爆炸溫度為4987K。金屬銅只發(fā)生一階電離，產(chǎn)生的電子數(shù)量少，等離子體點火對固體火藥顆粒輻射和對流傳熱的效果有限，其對火藥燃速的增強(qiáng)作用就很小。

常溫下輸入25kJ電能時，實測等離子體點火壓力為19.8MPa，計算得等離子體爆炸溫度為5976K。金屬銅不僅發(fā)生一階電離，還有少量銅發(fā)生二階電離，產(chǎn)生的電子數(shù)量增多。因此高溫等離子體對固體火藥顆粒表面的輻射傳熱和光解作用使得點火初期火藥燃速產(chǎn)生增強(qiáng)，其高溫高壓電子對固體火藥顆粒表面的侵蝕，使火藥顆粒燃燒的表面積部分增大，在150MPa附近還對火藥燃速有二次增強(qiáng)效果。

常溫下輸入36kJ電能時，實測等離子體點火壓力為30.2MPa，計算得等離子體爆炸溫度為6945K。金屬銅在發(fā)生一階電離的同時，還有更多的銅發(fā)生二階電離，產(chǎn)生的電子數(shù)量更多。高溫等離子體對固體火藥顆粒表面的輻射傳熱和光解作用更強(qiáng)，對點火初期火藥燃速增強(qiáng)效果明顯，同時高溫高壓電子對固體火藥顆粒表面的侵蝕效果加強(qiáng)，使火藥顆粒燃燒的表面積繼續(xù)增大，在150MPa時火藥燃速存在顯著的二次增強(qiáng)效果。

常溫下輸入61.6kJ電能時，實測等離子體點火壓力為49.6MPa，計算得等離子體爆炸溫度為8012K。金屬銅全部發(fā)生二階電離，產(chǎn)生的電子數(shù)量最多。高溫等離子體對固體火藥顆粒表面的輻射傳熱和光解作用最強(qiáng)，同時高溫高壓電子對固體火藥顆粒表面的侵蝕也最為迅速，火藥顆粒燃燒的表面積增幅最大，故而對火藥點火初期燃速增強(qiáng)作用尤為顯著，其后隨著壓力的升高火藥燃速的增強(qiáng)幅度逐漸減弱。

低溫下火藥表面冷硬，同樣輸入25kJ電能時，高溫等離子體對固體火藥顆粒表面的輻射傳熱作用使得點火初期火藥燃速產(chǎn)生增強(qiáng)，同時高溫高壓電子對固體火藥顆粒表面的侵蝕，使火藥顆粒燃燒的表面積增大，在150MPa時產(chǎn)生燃速二次大幅增強(qiáng)。

高溫下火藥表面軟黏，同樣輸入25kJ電能時，高溫等離子體對火藥表面的熱分解速率顯著增加，火藥點火初期燃速增強(qiáng)作用大，而其高溫電子侵入火藥顆粒表面發(fā)生燃燒面增大的作用則不明顯。

4　結(jié)　論

(1)常溫下輸入15.4kJ電能時，等離子體點火壓力與溫度較低，對火藥燃速基本沒有增強(qiáng)作用，而且與裝填密度關(guān)系不大。

(2)常溫下分別輸入25、36、61.6kJ電能時，等離子體點火均可以有效增強(qiáng)固體火藥的燃速，且輸入電能越大，固體火藥燃速增幅越大，因此可通過調(diào)節(jié)輸入電能控制固體火藥的燃速。

(3)高溫和低溫下同樣輸入25kJ電能時，等離子體點火對低溫火藥燃燒初期燃速和燃燒中期燃速均有顯著的增強(qiáng)作用，而對高溫火藥初始燃速有較大的增強(qiáng)。

[1]Weise T H G G, Maag J,Zimmermann G, et al. Derich. National overview of the German ETC program[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2003, 39(1):35-38.

[2]Wald S, Alimi R, Bakshi L,et al.Electrothermal chemical research at soreq nuclear research center, isreal[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2005, 41(1):165-170.

[3]嚴(yán)文榮，張玉成，趙曉梅，等.等離子體對發(fā)射藥燒蝕作用的機(jī)理研究[J].火炸藥學(xué)報，2012，35(1)：77-82.

YAN Wen-rong,ZHANG Yu-cheng,ZHAO Xiao-mei,et al.Study on the mechanism of ablation effect of plasma upon gun propellant[J].Chinese Journal of Explosives & Propellants(Huozhayao Xuebao),2012,35(1):77-82.

[4]Kaste P, Birk A, Kinkennon A,et al. Analysis of burning rate phenomena and extinguished solid propellants from an interrupted closed bomb with plasma igniter[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2001, 37(1):173-177.

[5]Fifer R A, Sagan E S, Beyer A. Chemical effects in plasma ignition[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2003, 39(1):218-222.

[6]Andreasson S, Bemm E, Nyholm S E. ETC closed-vessel experiments with alkali-doped propellants[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2003, 39(1):202-206.

[7]Katulka G L, White K J, Oberle W F,et al. Experimental characterization of plasma effects on energetic materials for electrothermal-chemical launch applications[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 1999, 35(1):197-200.

[8]Bourham M A, Gilligan J G, Oberle W F. Analysis of solid propellant combustion behavior under electrothermal plasma injection for ETC launchers[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 1997, 33(1):278-283.

[9]Lieb R J, Gillich C J. Morphology of extinguished monolithic JA2 grains fired in a 30-mm solid propellant electrothermal-chemical(SPETC) gun,ARL-TR-606[R].Adelphi:Army Research Laboratorys,1994, 1-15.

[10] Woodley C. R, Billert S. J. Modeling enhanced gas generation rates in a 155-mm ETC gun[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2001, 37(1):207-210.

[11] Wildegger-Gaissmaier A E, Wren G P, Hosangadi A. Modeling flame spread in plasma ignited gun charges[C]∥Proceedings of the 16th International Symposium on Ballistics.San Francisco:[s.n.],1996，123-133.

[12] Haak H K, Schaffers P, Weise T H G G,et al. Basic investigations in a 70-mm firing simulator[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2003, 39(1):231-234.

[13] Weise T H G G, Schaffers P S O,Svanberg L P,et al. ETC-investigation the upper medium caliber range[C]∥13th Electromagnetic Launch Technology Symposium.Berlin:[s.n.],2006，527-533.

[14] Alimi R, Bakshi L, Kot E,et al. Temperature compensation and improved ballistic performance in a solid-propellant electrothermal-chemical (SPETC) 40-mm gun[C]∥13th Electromagnetic Launch Technology Symposium. Berlin:[s.n.],2006，508-517.

[15] Zoler D, Shafir N, Forte D,et al. Study of plasma jet capabilities to produce uniform ignition of propellants, ballistic grain, and significant decrease of the “temperature gradient” effect[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2007, 43(1):322-328.

[16] Taylor M J. Measurement of organic plasma temperature for 155-mm ETC gun ignition[C]∥13th Electromagnetic Launch Technology Symposium.Berlin:[s.n.],2006，470-479.

[17] Shafir N, Zoler D, Waldet S,et al. Reliable, highly reproducible plasma injectors for electrothermal and electrothermal chemical lauchers[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2005, 41(1):355-359.

Experimental Study on the Enhancement Effect of the Combustion Performance of Solid Powder with Plasma

LI Bing1,2, LI Yuan2, LIAO Xin1

(1.School of Chemical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nangjing 210094, China; 2.The Northwest Institute of Mechanical and Electrical Engineering, Xianyang Shaanxi 712099,China)

The effect of plasma ignition at different input power, different loading densities and different initial temperatures on the combustion performance of a 19-hole petal mixed-ester high-energy solid propellant grain was studied by a 300mL electrothermal chemical closed bomb. The variation rule affecting the burning rate of the solid propellant by plasma under above-mentioned different conditions was analyzed. The results show that when the input electric energy increases from 15.4kJ to 61.6kJ, the burning rate of the solid powder enhances by 106% at 100MPa, and by 30% at 200MPa, but the burning rate has no obvious change at above 300MPa. The burning rate in the initial and the middle combustion of the powder at low temperature can be obviously enhanced by plasma ignition, while the initial burning rate enhancement for powder at high temperature becomes more significant.

plasma;solid powder;closed bomb;combustion performance;electrothermal-chemical launch

10.14077/j.issn.1007-7812.2016.04.017

2015-11-27；

2016-05-30

李兵(1964-)，男，研究員級高級工程師，從事火炮內(nèi)彈道及發(fā)射裝藥技術(shù)研究。E-mail：libing20205@163.com

TJ55;O643.2

A

1007-7812(2016)04-0087-05