密閉爆發器等離子體點火一致性實驗研究

楊春霞，金 涌，李海元，李貞曉，栗保明

（南京理工大學 瞬態物理國家重點實驗室，南京210094）

在火炮發射過程中，固體發射藥的點火和瞬態燃燒做功是內彈道過程的重要研究內容。等離子體參與固體發射藥的點火和燃燒過程是電熱化學炮（ETCG）與常規火炮的本質區別。等離子體的介入使得固體發射藥的點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火和燃燒均有改善。在合適的點火能量下，等離子體點火可以有效縮短固體發射藥點火延遲時間和實際燃燒時間，增大壓力峰值。固體發射藥等離子體點火的一致性是影響電熱化學發射技術工程應用的一個重要因素，因此有必要開展相關的研究工作。國內外研究固體發射藥等離子體點火一致性的文獻很少，也未見有具體的一致性量化研究報道。

本文提出了一致性因子，開展固體發射藥等離子體點火和常規點火一致性實驗研究，從一致性的角度驗證固體發射藥等離子體點火技術的優越性。

1 實驗系統及原理

1.1 實驗系統

圖1所示是固體發射藥等離子體點火的密閉爆發器實驗系統示意圖。該系統主要由脈沖能源系統、等離子體發生器、固體發射藥電熱／常規點火密閉爆發器定容燃燒裝置和綜合測控系統4個子系統組成。

圖1 固體發射藥電熱／常規點火密閉爆發器實驗系統示意圖

脈沖能源系統采用模塊化電容儲能型脈沖成形網絡（PFN）系統，由4個相同的放電模塊組成，每個模塊電容量為1 290μF，每個模塊的電感值有20μH，40μH，80μH幾檔可調；放電模塊數、充電電壓及放電延時可根據實驗要求選擇調節，提供不同電流峰值、上升速率和脈沖寬度的電流脈沖。

等離子體發生器是電熱能量轉換裝置。由于密閉爆發器實驗中火藥的裝填密度相對較小，實驗中采用底噴式等離子體發生器。其核心部件是由非金屬材料制成的毛細管，內徑為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，質量為0.3g。實際工作時，等離子體發生器歷經金屬絲電爆炸、形成金屬等離子體、毛細管消融、形成等離子體射流及擴散冷卻等過程。

實驗采用的固體發射藥等離子體點火密閉爆發器容積為145cm3，可耐500MPa高壓，采用通用的常規電點火裝置接口。通過更換等離子體發生器螺栓可以進行常規電底火密閉爆發器實驗。

綜合測控系統主要用于控制整個實驗過程并獲取實驗數據。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提供高帶寬和穩定的直流信號傳輸通路，對密閉爆發器內壓力以及負載電流、電壓實時采集，同時可根據需要監測放電模塊或關鍵器件的電流、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，光纖隔離傳輸設備為Nicolet ISOBE5500光纖隔離放大器，數據采集采用Tektronix示波器。

1.2 實驗原理

固體發射藥等離子體點火密閉爆發器實驗的基本原理為：電容儲能型高功率脈沖電源向等離子體發生器進行高壓脈沖放電，產生高數密度的低溫（1～5eV）熱等離子體并注入密閉爆發器。這種等離子體熱焓值高，輻射性能好，在高壓氣體環境中動量擴散性強并且其熱力學參數直接受控于脈沖電源的功率釋放波形，可以實現在固體顆粒藥床中真正意義的點火一致性、全面性和均勻性，實現對發射藥化學能釋放過程的有效調節與控制，從而大幅度提高固體發射藥的點火和燃燒性能［7－10］。

1.3 分析方法

根據數據統計和處理理論［11］，平均值和標準差能夠反映一個數據集的離散程度和一致性，為了橫向比較同一組實驗不同參數的一致性以及不同組實驗同一參數的一致性，本文在平均值和標準差的基礎上，提出了描述密閉爆發器固體發射藥點火燃燒一致性的通用方法，即一致性因子，其定義為

其值越小表明數據的一致性越好。

對一組N發密閉爆發器實驗，若x為某一測試參數，每發實驗測試值為xi，則其算術平均值可表示為

標準差估計值為

在比較不同條件下同一參數測試數據一致性時要求每種條件的實驗次數一致。結合考慮電熱環境試驗條件的復雜性，本文的一致性研究的實驗次數為3～5發。

2 實驗結果與分析

點火延遲時間是衡量點火過程的一個重要參量，可以考察火藥點火的瞬時性。本實驗研究中，將測定的壓力曲線上對應壓力值為20MPa的相應時間定義為點火延遲時間，用tig表示。這一定義考慮了火藥實現穩定點火、發生可靠燃燒所反映的熱力學特征，可以消除實驗隨機誤差的影響。燃燒結束時刻指最大膛壓時刻即dp／dt值歸0時刻，用tfi表示。全面燃燒時間定義為從膛壓20MPa到最大膛壓所需的時間，即最大膛壓時刻與點火延遲時間的差值，用tbu表示。最大膛壓值用pmax表示。

2.1 常規點火一致性實驗

進行了一組5發常規點火的密閉爆發器實驗，實驗中的固體發射藥采用4／7高氮單基藥，裝填密度為0.25g／cm3，采用2號電底火。實驗測得的壓力和壓力梯度曲線如圖2所示，一致性實驗結果如表1所示，其中，第3發試驗因觸發問題未獲得有效數據。

圖2 密閉爆發器常規點火一致性實驗壓力和壓力梯度曲線

表1 4／7高氮單基發射藥密閉爆發器常規點火一致性實驗結果

分析表1數據，一組4發密閉爆發器常規點火一致性實驗的點火延遲時間和最大膛壓對應的κ值分別為8.70和3.07，可以看出最大膛壓的κ值比時間數據的κ值要小得多，表明膛壓具有更好的一致性。

2.2 等離子體點火一致性實驗

同樣對4／7高氮單基藥進行了一組5發等離子體點火的密閉爆發器定容燃燒實驗。實驗的裝填密度仍然為0.25g／cm3，采用單個電源模塊放電，模塊電感為40μH，充電電壓為9.65kV。

由于常規點火試驗只有4發有效數據，為了使數據具有可對比性，選取前4發試驗數據。實驗測得的壓力和壓力梯度曲線如圖3所示，一致性實驗結果如表2所示。

圖3 密閉爆發器等離子體點火一致性實驗壓力和壓力梯度曲線

表2 4／7高氮單基發射藥密閉爆發器等離子體點火一致性實驗結果

分析表2數據，一組4發密閉爆發器等離子體點火一致性實驗的點火延遲時間、燃燒結束時刻、全面燃燒時間和最大膛壓對應的κ值分別為5.63和2.12。可以看出，等離子體點火條件下最大膛壓的κ值比時間數據的κ值要小得多，表明膛壓具有更好的一致性，這一規律與常規點火一致性實驗結果相似。

與常規點火相比，等離子體點火延遲時間算術平均值只有常規的11.6%，等離子體點火一致性實驗的點火延遲κ值小了35.3%；等離子體點火的燃燒結束時刻比常規提前了56.0%，全面燃燒時間是常規情況下的57.1%；等離子體點火試驗的最大膛壓值比常規點火大10.4%，最大膛壓的κ值是常規點火的69.1%。

根據以上數據可以得出，等離子體點火在點火延遲時間和全面燃燒時間上都較常規點火要短，膛壓比常規點火高。等離子體點火實驗中點火延遲時間和膛壓的一致性要好于常規點火試驗。

3 結束語

本文提出了基于平均值和標準差的一致性因子來表征密閉爆發器固體發射藥點火燃燒的一致性，通過將密閉爆發器固體發射藥點火燃燒主要參數的一致性量化，用量化的一致性因子值來對比研究密閉爆發器等離子體點火和常規點火的一致性。研究表明，該一致性因子可有效表征密閉爆發器固體發射藥點火燃燒的一致性。等離子體點火的一致性優于常規點火的一致性。影響等離子體點火一致性的主要因素將在進一步的研究中探討。

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