密闭爆发器等离子体点火一致性实验研究

杨春霞，金 涌，李海元，李贞晓，栗保明

（南京理工大学 瞬态物理国家重点实验室，南京210094）

在火炮发射过程中，固体发射药的点火和瞬态燃烧做功是内弹道过程的重要研究内容。等离子体参与固体发射药的点火和燃烧过程是电热化学炮（ETCG）与常规火炮的本质区别。等离子体的介入使得固体发射药的点火和燃烧具备了全新的特性。

已有的研究［1－6］表明，等离子体对多种火药的点火和燃烧均有改善。在合适的点火能量下，等离子体点火可以有效缩短固体发射药点火延迟时间和实际燃烧时间，增大压力峰值。固体发射药等离子体点火的一致性是影响电热化学发射技术工程应用的一个重要因素，因此有必要开展相关的研究工作。国内外研究固体发射药等离子体点火一致性的文献很少，也未见有具体的一致性量化研究报道。

本文提出了一致性因子，开展固体发射药等离子体点火和常规点火一致性实验研究，从一致性的角度验证固体发射药等离子体点火技术的优越性。

1 实验系统及原理

1.1 实验系统

图1所示是固体发射药等离子体点火的密闭爆发器实验系统示意图。该系统主要由脉冲能源系统、等离子体发生器、固体发射药电热／常规点火密闭爆发器定容燃烧装置和综合测控系统4个子系统组成。

图1 固体发射药电热／常规点火密闭爆发器实验系统示意图

脉冲能源系统采用模块化电容储能型脉冲成形网络（PFN）系统，由4个相同的放电模块组成，每个模块电容量为1 290μF，每个模块的电感值有20μH，40μH，80μH几档可调；放电模块数、充电电压及放电延时可根据实验要求选择调节，提供不同电流峰值、上升速率和脉冲宽度的电流脉冲。

等离子体发生器是电热能量转换装置。由于密闭爆发器实验中火药的装填密度相对较小，实验中采用底喷式等离子体发生器。其核心部件是由非金属材料制成的毛细管，内径为6mm，长度为60mm，其一端装有杆形密封电极，另一端装有敞开式环形电极，两极之间由爆炸金属丝连接。爆炸金属丝采用特殊铜合金，直径为0.3mm，质量为0.3g。实际工作时，等离子体发生器历经金属丝电爆炸、形成金属等离子体、毛细管消融、形成等离子体射流及扩散冷却等过程。

实验采用的固体发射药等离子体点火密闭爆发器容积为145cm3，可耐500MPa高压，采用通用的常规电点火装置接口。通过更换等离子体发生器螺栓可以进行常规电底火密闭爆发器实验。

综合测控系统主要用于控制整个实验过程并获取实验数据。为避免电磁干扰和地回路的影响，采用了光电隔离传输技术提供高带宽和稳定的直流信号传输通路，对密闭爆发器内压力以及负载电流、电压实时采集，同时可根据需要监测放电模块或关键器件的电流、电压情况。

电流测量采用PEARSON电流圈传感器，电压测量采用Tektronix高压探针，膛压测量采用Kistler压力传感器，光纤隔离传输设备为Nicolet ISOBE5500光纤隔离放大器，数据采集采用Tektronix示波器。

1.2 实验原理

固体发射药等离子体点火密闭爆发器实验的基本原理为：电容储能型高功率脉冲电源向等离子体发生器进行高压脉冲放电，产生高数密度的低温（1～5eV）热等离子体并注入密闭爆发器。这种等离子体热焓值高，辐射性能好，在高压气体环境中动量扩散性强并且其热力学参数直接受控于脉冲电源的功率释放波形，可以实现在固体颗粒药床中真正意义的点火一致性、全面性和均匀性，实现对发射药化学能释放过程的有效调节与控制，从而大幅度提高固体发射药的点火和燃烧性能［7－10］。

1.3 分析方法

根据数据统计和处理理论［11］，平均值和标准差能够反映一个数据集的离散程度和一致性，为了横向比较同一组实验不同参数的一致性以及不同组实验同一参数的一致性，本文在平均值和标准差的基础上，提出了描述密闭爆发器固体发射药点火燃烧一致性的通用方法，即一致性因子，其定义为

其值越小表明数据的一致性越好。

对一组N发密闭爆发器实验，若x为某一测试参数，每发实验测试值为xi，则其算术平均值可表示为

标准差估计值为

在比较不同条件下同一参数测试数据一致性时要求每种条件的实验次数一致。结合考虑电热环境试验条件的复杂性，本文的一致性研究的实验次数为3～5发。

2 实验结果与分析

点火延迟时间是衡量点火过程的一个重要参量，可以考察火药点火的瞬时性。本实验研究中，将测定的压力曲线上对应压力值为20MPa的相应时间定义为点火延迟时间，用tig表示。这一定义考虑了火药实现稳定点火、发生可靠燃烧所反映的热力学特征，可以消除实验随机误差的影响。燃烧结束时刻指最大膛压时刻即dp／dt值归0时刻，用tfi表示。全面燃烧时间定义为从膛压20MPa到最大膛压所需的时间，即最大膛压时刻与点火延迟时间的差值，用tbu表示。最大膛压值用pmax表示。

2.1 常规点火一致性实验

进行了一组5发常规点火的密闭爆发器实验，实验中的固体发射药采用4／7高氮单基药，装填密度为0.25g／cm3，采用2号电底火。实验测得的压力和压力梯度曲线如图2所示，一致性实验结果如表1所示，其中，第3发试验因触发问题未获得有效数据。

图2 密闭爆发器常规点火一致性实验压力和压力梯度曲线

表1 4／7高氮单基发射药密闭爆发器常规点火一致性实验结果

分析表1数据，一组4发密闭爆发器常规点火一致性实验的点火延迟时间和最大膛压对应的κ值分别为8.70和3.07，可以看出最大膛压的κ值比时间数据的κ值要小得多，表明膛压具有更好的一致性。

2.2 等离子体点火一致性实验

同样对4／7高氮单基药进行了一组5发等离子体点火的密闭爆发器定容燃烧实验。实验的装填密度仍然为0.25g／cm3，采用单个电源模块放电，模块电感为40μH，充电电压为9.65kV。

由于常规点火试验只有4发有效数据，为了使数据具有可对比性，选取前4发试验数据。实验测得的压力和压力梯度曲线如图3所示，一致性实验结果如表2所示。

图3 密闭爆发器等离子体点火一致性实验压力和压力梯度曲线

表2 4／7高氮单基发射药密闭爆发器等离子体点火一致性实验结果

分析表2数据，一组4发密闭爆发器等离子体点火一致性实验的点火延迟时间、燃烧结束时刻、全面燃烧时间和最大膛压对应的κ值分别为5.63和2.12。可以看出，等离子体点火条件下最大膛压的κ值比时间数据的κ值要小得多，表明膛压具有更好的一致性，这一规律与常规点火一致性实验结果相似。

与常规点火相比，等离子体点火延迟时间算术平均值只有常规的11.6%，等离子体点火一致性实验的点火延迟κ值小了35.3%；等离子体点火的燃烧结束时刻比常规提前了56.0%，全面燃烧时间是常规情况下的57.1%；等离子体点火试验的最大膛压值比常规点火大10.4%，最大膛压的κ值是常规点火的69.1%。

根据以上数据可以得出，等离子体点火在点火延迟时间和全面燃烧时间上都较常规点火要短，膛压比常规点火高。等离子体点火实验中点火延迟时间和膛压的一致性要好于常规点火试验。

3 结束语

本文提出了基于平均值和标准差的一致性因子来表征密闭爆发器固体发射药点火燃烧的一致性，通过将密闭爆发器固体发射药点火燃烧主要参数的一致性量化，用量化的一致性因子值来对比研究密闭爆发器等离子体点火和常规点火的一致性。研究表明，该一致性因子可有效表征密闭爆发器固体发射药点火燃烧的一致性。等离子体点火的一致性优于常规点火的一致性。影响等离子体点火一致性的主要因素将在进一步的研究中探讨。

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