李 俊， 毛保全， 白向華， 李 程， 鐘孟春

(陸軍裝甲兵學(xué)院兵器與控制系， 北京 100072)

目前，等離子和火炮技術(shù)相融合在火炮上得到應(yīng)用的僅局限于電熱化學(xué)炮。電熱化學(xué)炮是通過(guò)脈沖電源的電弧放電產(chǎn)生等離子體，并與化學(xué)工質(zhì)相互作用,使其燃燒或分解釋放出化學(xué)能作為驅(qū)動(dòng)彈丸的能量[1- 2]。一般來(lái)說(shuō)，外界需要提供相當(dāng)?shù)哪芰坎拍苁乖踊蚍肿与婋x產(chǎn)生等離子體，如將空氣加熱到 6 000 K的高溫才能發(fā)生微弱的電離，這樣高的溫度是普通燃燒工質(zhì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到的[3- 5]。堿金屬元素的電離電位較低，化學(xué)性質(zhì)活潑,在高溫環(huán)境下(2 000 K以上)容易發(fā)生電離，產(chǎn)生等離子體[6- 8]。如：在磁流體發(fā)電應(yīng)用中，常常添加堿金屬的鹽類物質(zhì)作為電離增強(qiáng)劑，以提高燃?xì)獾膶?dǎo)電率[9]。但如何利用火藥在密閉爆發(fā)器中燃燒的高溫高壓環(huán)境生成等離子體，這方面的研究國(guó)內(nèi)外涉及較少。

筆者立足CsNO3在火炮發(fā)射藥燃燒過(guò)程中電離生成等離子體，用光譜測(cè)試系統(tǒng)采集相應(yīng)元素的譜線，結(jié)合相關(guān)公式計(jì)算了等離子體電子密度和電子溫度，初步給出了CsNO3的質(zhì)量和密閉爆發(fā)器容積對(duì)等離子體生成的影響規(guī)律，為下一步利用火藥燃燒產(chǎn)生的等離子體來(lái)提高火炮性能的研究奠定基礎(chǔ)。

1 相關(guān)原理

1.1 等離子體電子溫度計(jì)算原理

光譜法作為一種重要的等離子體診斷方法，具有快速簡(jiǎn)便、操作簡(jiǎn)單以及不會(huì)對(duì)等離子體產(chǎn)生干擾等特點(diǎn)。其原理是原子獲得能量后，受激原子由低能級(jí)向高能級(jí)躍遷，處在高能級(jí)的原子是一種不穩(wěn)定的激發(fā)狀態(tài)，會(huì)很快由高能級(jí)躍遷到低能級(jí)，其能量將以光的形式輻射，產(chǎn)生特定波長(zhǎng)的光，在光譜中形成一條譜線。處在激發(fā)態(tài)的原子往往會(huì)經(jīng)過(guò)多個(gè)能級(jí)進(jìn)行躍遷，這樣就會(huì)產(chǎn)生多條譜線。

原子譜線的強(qiáng)度I滿足[10]：

(1)

式中:h為普朗克常數(shù)；k為玻爾茲曼常數(shù)；g為譜線上能級(jí)的統(tǒng)計(jì)權(quán)重；A為躍遷幾率；ν為譜線頻率；N為原子總數(shù)；Z為配分函數(shù)；E為譜線激發(fā)能；T為等離子體電子溫度。

同種元素原子的2條激發(fā)能不同的譜線的強(qiáng)度之比為[11]

(2)

將式(2)進(jìn)一步變換，取常用對(duì)數(shù)，并把譜線頻率ν換算成波長(zhǎng)λ，把有關(guān)的常數(shù)項(xiàng)代入，可得到如下更加簡(jiǎn)便實(shí)用的計(jì)算公式[12]:

(3)

式中：Ei(i=1,2)可從常用元素譜線表查得；gi和Ai可從美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院的躍遷幾率表查得；譜線強(qiáng)度Ii通過(guò)光譜儀測(cè)定。可以看出：只要測(cè)出2條譜線強(qiáng)度之比，就可以計(jì)算等離子體電子溫度[13]。

1.2 電子密度測(cè)量原理

本研究產(chǎn)生等離子體的方法是通過(guò)火藥燃燒，并添加少量堿金屬化合物來(lái)實(shí)現(xiàn)的。整個(gè)過(guò)程在密閉爆發(fā)器也就是等離子體發(fā)生裝置中產(chǎn)生。由于這種熱電離的燃燒氣體處于熱平衡狀態(tài)中，因此是平衡電離。在高溫高壓的條件下，燃燒氣體中的成分，如CO2、水蒸汽與電子碰撞時(shí)均具有很大的碰撞截面，經(jīng)過(guò)頻繁的碰撞使電子溫度大幅度降低，因此電子溫度與其他粒子的溫度沒有明顯差異。在熱力學(xué)上稱之為等離子體局部熱力學(xué)平衡狀態(tài)。

由于火藥燃?xì)庵猩傻入x子體的方式是熱電離(電離過(guò)程所需要的能量來(lái)源于燃燒反應(yīng)熱)，所以可以應(yīng)用沙哈方程計(jì)算電子密度[14]：

(4)

式中:me為電子質(zhì)量；ne為電子密度；ni為離子密度；na為原子密度；ga和gi分別為原子和離子基態(tài)的統(tǒng)計(jì)權(quán)重；eEi為電離勢(shì)能。根據(jù)電子激發(fā)溫度，即可以計(jì)算出等離子體電子密度。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)與試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)由等離子體產(chǎn)生裝置、壓力測(cè)試系統(tǒng)、光譜測(cè)量系統(tǒng)3部分組成，如圖1所示。

1) 等離子體產(chǎn)生裝置?；鹚幵诿荛]爆發(fā)器內(nèi)燃燒是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，會(huì)產(chǎn)生高溫高壓的火藥燃?xì)獠⑨尫糯罅康臒崃??？紤]到等離子體測(cè)量的便利性和安全性等因素，本研究所用的密閉爆發(fā)器經(jīng)過(guò)專門的設(shè)計(jì)，由藍(lán)寶石窗口、點(diǎn)火裝置、堵頭和燃燒室本體等組成，如圖2所示。經(jīng)過(guò)強(qiáng)度校核和試驗(yàn)驗(yàn)證，可在堵頭上開出直徑為6.5 mm的藍(lán)寶石光學(xué)窗口，開口槽的深度為5 mm。配合直徑相當(dāng)?shù)墓饫w探頭，即可采集高溫高壓條件下產(chǎn)生的光譜。試驗(yàn)中采用硝化棉引燃火藥，點(diǎn)火方式采用電點(diǎn)火，將點(diǎn)火絲綁在硝化棉上。

2) 壓力測(cè)試系統(tǒng)。本試驗(yàn)選用Ksitler壓電傳感器，它適用于測(cè)量快速變化的動(dòng)態(tài)壓力，測(cè)量范圍0～600 MPa，自然頻率>240 kHz，滿足試驗(yàn)要求。

3)光譜測(cè)量系統(tǒng)。隨著光纖技術(shù)的發(fā)展和光譜理論的不斷成熟，光譜法逐漸成為等離子體參數(shù)診斷的重要方法。本試驗(yàn)系統(tǒng)采用海洋光學(xué)定制的QE Pro型光譜儀，這是一種便攜式高靈敏度的光譜儀，能實(shí)現(xiàn)低光探測(cè),可互換狹縫，并可選擇內(nèi)部快門和多種光柵，自帶板載緩存，最多能存儲(chǔ)15 000張譜圖，滿足試驗(yàn)要求。其相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 海洋光學(xué)QE Pro型光譜儀相關(guān)參數(shù)

2.2 試驗(yàn)方法

采用控制變量的方法，對(duì)CsNO3質(zhì)量和密閉爆發(fā)器容積這2個(gè)因素進(jìn)行研究。

1) CsNO3質(zhì)量對(duì)等離子體電子溫度和密度影響試驗(yàn)

試驗(yàn)條件：100 mL(定容)密閉爆發(fā)器，電點(diǎn)火。

試驗(yàn)方法：在密閉爆發(fā)器中進(jìn)行試驗(yàn)，取15 g火藥(太根發(fā)射藥)與CsNO3混合均勻，分5次進(jìn)行試驗(yàn)，逐漸加大CsNO3的質(zhì)量(第一次不添加)，用光譜儀采集火藥燃燒過(guò)程中的譜線并計(jì)算等離子體溫度和密度。

2) 密閉爆發(fā)器容積對(duì)等離子體電子溫度和密度影響試驗(yàn)

試驗(yàn)條件：CsNO3質(zhì)量固定為3 g，電點(diǎn)火。

試驗(yàn)方法：分別在不同容積的密閉爆發(fā)器內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)中添加等量的CsNO3和火藥并混合均勻，用光譜儀采集火藥燃燒過(guò)程中的譜線并計(jì)算等離子體溫度和密度。

由于密閉爆發(fā)器試驗(yàn)的特殊性，按照相關(guān)要求，必須在防爆實(shí)驗(yàn)室完成。試驗(yàn)步驟如下：

1) 檢查試驗(yàn)裝置各個(gè)部件有無(wú)異常,是否滿足試驗(yàn)要求；

2) 將爆發(fā)器本體安裝在試驗(yàn)臺(tái)架上，裝配點(diǎn)火堵頭和測(cè)壓堵頭；

3) 使用歐姆表對(duì)點(diǎn)火堵頭裝配后的阻值進(jìn)行測(cè)量,確?；芈方油?；

4) 將火藥和CsNO3放在爆發(fā)器中，在點(diǎn)火端安裝點(diǎn)火堵頭,將堵頭擰至特定扭矩值,同時(shí)擰緊放氣塞頭；

5)安裝測(cè)壓堵頭,將堵頭擰至特定扭矩值，利用專用扳手?jǐn)Q緊測(cè)壓堵頭；

6)連接傳感器信號(hào)線和點(diǎn)火線,人員撤離,關(guān)閉防爆門，現(xiàn)場(chǎng)指揮發(fā)出點(diǎn)火指令,點(diǎn)火人員完成點(diǎn)火操作。

3 結(jié)果與分析

3.1 CsNO3質(zhì)量對(duì)等離子體電子密度和溫度的影響

K和Cs的光譜如圖3所示。

由圖3可以看出，光譜圖包括了Cs和K元素的譜線：Cs原子主要是894.350 nm和852.110 nm兩條特征譜線，K原子主要是769.898 nm和766.491 nm兩條特征譜線,相關(guān)參數(shù)如表2所示；Cs譜線的相對(duì)強(qiáng)度比K譜線強(qiáng)，原因是Cs比K的電離能要低，更加容易發(fā)生電離[15]。雖然CsNO3在一定程度上可以促進(jìn)電離，但是含量并不是越多越好。CsNO3的含量過(guò)多，會(huì)影響火藥的燃燒，不利于等離子的生成。當(dāng)m(CsNO3)>3 g時(shí)，等離子體電子溫度和密度隨著CsNO3的增加而下降，如表3所示。

表2 Cs原子和K原子光譜參數(shù)

表3 CsNO3質(zhì)量與電子密度、電子溫度的關(guān)系

3.2 密閉爆發(fā)器容積對(duì)等離子體密度和溫度的影響

不同容積條件下的光譜圖如圖4所示。

由圖4可以看出：當(dāng)密閉爆發(fā)器容積在60～100 mL時(shí)，光譜強(qiáng)度隨著容積的增大而增大;容積超過(guò)100 mL時(shí)，光譜強(qiáng)度隨著容積的增大而減小。表4為密閉爆發(fā)器容積與電子密度、電子溫度的關(guān)系，可以看出：密閉爆發(fā)器的容積為100 mL時(shí)，電子密度和溫度達(dá)到最大。因?yàn)樵?0～100 mL內(nèi)，隨著容積的增大，火藥的燃速降低，高溫環(huán)境的持續(xù)時(shí)間也加長(zhǎng)，有利于等離子的產(chǎn)生；當(dāng)容積超過(guò)100 mL時(shí)，雖然燃燒時(shí)間變長(zhǎng)了，但單位體積內(nèi)的電子數(shù)也下降了。

表4 密閉爆發(fā)器容積與電子密度、電子溫度關(guān)系

4 結(jié)論

筆者基于改進(jìn)型密閉爆發(fā)器的等離子體測(cè)試試驗(yàn)系統(tǒng)，研究了CsNO3在火藥燃燒的高溫高壓環(huán)境下電離生成等離子體的規(guī)律。結(jié)果表明：CsNO3在火藥燃?xì)獾淖饔孟驴梢噪婋x產(chǎn)生等離子體，當(dāng)添加CsNO3的質(zhì)量為3 g、密閉爆發(fā)器容積為100 mL時(shí)，等離子體電子密度達(dá)到最大值0.85×1020m-3，溫度達(dá)到最大值0.3 eV。初步為利用火藥燃燒產(chǎn)生的等離子體提高火炮性能的研究奠定了基礎(chǔ)。等離子體電子密度和電子溫度的影響因素較多，下一步可以從不同種類的火藥和電離種子等方面進(jìn)行研究。