小型電熱加速器的研究

何福明，夏江南，汪偉，吳趙理，李明

（桂林理工大學理學院，廣西桂林，541004）

0　引言

電熱加速器，也叫電熱炮，是電炮家族的重要成員。電熱炮是全部或部分地利用電能加熱工質(zhì)來推進彈丸的發(fā)射裝置。本次主要針對小型電熱加速器的效率，電壓及工質(zhì)做研究，由于目前的電熱加速器主要口徑都在20mm以上，電壓在10–50kv左右，小型的電熱加速器研究較少，本次對小型電熱加速器的研究提供了小型電熱加速器的數(shù)據(jù)模型，并提供了一種便攜化的思路。

1　系統(tǒng)研制與設(shè)計

1.1　制作器材

使用纖維強化尼龍管做為加速器主體，規(guī)格為（長100mm，外徑55mm，內(nèi)徑5mm）設(shè)計承壓70mpa，使用6mm內(nèi)徑的無縫鋼管作為加速管，采用黃銅螺釘作為電極，電容組采用了1200v1260uf的薄膜電容做為儲能裝置，理論儲能907.2j。采用最大量程500m/s的光電門作為速度計量裝置（誤差±5m/s），工質(zhì)主要采用了鋁箔和水混合

1.2　加速器的設(shè)計

根據(jù)的材料強度及能達到的功率來設(shè)計，由于材料在1200v時是鋁箔發(fā)生快爆炸產(chǎn)生等離子體的較低的電壓，故采用1200v的電容組作為儲能裝置，加速器體積不宜過大，要便于加工，故采用了纖維加強的尼龍棒進行加工，并依據(jù)文獻[1]給出的等離子擴散速度和電樞在加速管內(nèi)的移動距離導(dǎo)致的壓力衰減確定設(shè)計壓力為70mpa，這樣既可以保證體積不會太大，也可以保證實驗人員的安全性。另外，由于開關(guān)接觸過程中會產(chǎn)生大量的電弧，經(jīng)查閱資料，采用了類似高壓電站的高速鍘刀開關(guān)，既便于加工，又可達到效果。

圖1　電熱化學炮工作原理圖

1.3　制作流程

主要包括:尼龍管的加工，電極的安裝，工質(zhì)的配比等，根據(jù)文獻[2]給出的水的汽化熱，及預(yù)計的能量轉(zhuǎn)化效率，使用0.5ml的水及1㎜2的鋁箔混合作為工質(zhì)，預(yù)計的電熱轉(zhuǎn)化效率為30%。根據(jù)文獻資料電能基本保持不變時,推進劑自身消耗能量過大。隨著推進劑質(zhì)量減少,發(fā)射過程中未汽化的水含量減少,并且電能密度相應(yīng)增加,因此彈丸炮口速度有所增加。

2　裝置的測試與性能研究

2.1　不同電壓下的初速測試

圖2　數(shù)據(jù)模型

雖然知道鋁箔產(chǎn)生等離子體的合適電壓為1200v，仍然測試了不同電壓下的加速器效率，從600v開始，加速器中的鋁箔能發(fā)生快爆炸，一直測試直1200v，發(fā)現(xiàn)在600v時藥室中和加速管口仍有少量鋁箔材料剩余，這說明在電壓較低時，鋁箔表面通過的電流密度較低，并不能完全形成等離子體將水汽化，導(dǎo)致有殘渣剩余，而在電壓800v時，加速管口有少量液體剩余，可見少量粒狀鋁箔殘渣，說明此時的等離子化仍不完全，在1200v時，發(fā)現(xiàn)加速管口僅剩余小水珠狀液體，無明顯可見粉末，說明電壓是影響鋁箔等離子化的重要因素，依據(jù)所得數(shù)據(jù)，建立了如圖2的數(shù)據(jù)模型。

可以發(fā)現(xiàn)在電壓較高時，效率有明顯的提高這也是大量正在研究的加速器采用高壓電容組的原因。

圖3　實物圖

2.2　工質(zhì)的設(shè)計與實驗

通過學習《電炮原理》，查閱相關(guān)論文發(fā)現(xiàn)，水等離子體即單一的氫氧原子，才是加速的主體。實驗也印證了這一點，在1.2kv，1260uf的定量條件下，分別使用鋁粉，純水，鋁箔，鋁粉與水混合物，鋁箔與水混合得到以下實驗結(jié)論。

表1　實驗結(jié)論數(shù)據(jù)

純水的效率為0，可能是由于純水導(dǎo)電差，無法有效形成等離子通道，而是單單電解了水而導(dǎo)致的，在純金屬工質(zhì)的實驗中，鋁粉效率較低，粉末間隙較大，也不利于形成等離子通道，而鋁箔接觸良好在純金屬工質(zhì)的實驗中略勝一籌.在加入水之后情況有了明顯改變，鋁粉由于接觸面積大，能更好的激發(fā)水轉(zhuǎn)化為“水等離子”，效率大大提高，也印證了文獻中，水作為主體推進劑的作用

2.3　開關(guān)的研究與制作

開關(guān)閉合速度不能有效控制，也無法測量，實驗多出了一個誤差較大的變量，對數(shù)據(jù)的測量有嚴重的影響?？諝忾_關(guān)的閉合速度較慢，在接觸過程中會產(chǎn)生大量的電弧，消耗大量能量，使系統(tǒng)整體的效率嚴重降低，通過和老師的交流，了解到工廠內(nèi)的開關(guān)通過快速閉合解決了滅弧的問題，計劃制作類似的鍘刀開關(guān)，用一導(dǎo)電良好的紫銅片做鍘刀，用彈簧牽引，使閉合端的速度穩(wěn)定在23m/s，系統(tǒng)效率穩(wěn)定在16%，減少了實驗中的無關(guān)變量。

2.4　加速器的靶版測試

實驗使用1mm，1.5mm，2mm的鋼板作為靶材，對其進行擊穿實驗利用德瑪爾公式: b*K^1.43=Vc^1.47*m^0.715/d^1.05（b和d單位常用dm(=100mm),Vc用m/s，m用Kg計算。）靶材為低碳鋼板，經(jīng)驗k值為1530，vc取最大速度460m/s，測試距離10cm。算得理論擊穿厚度為0.15cm，在實際實驗中，2mm鋼板同樣出現(xiàn)了破損，這可能是由于德瑪爾模型中采用了柱狀彈丸的緣故。

2.5　安全性和壽命

在實驗中，藥室產(chǎn)生的大量等離子體對鋼制加速管產(chǎn)生了嚴重的燒蝕，在約50次使用后，靠近加速器的一段燒蝕嚴重，無法再次使用，燒蝕帶來的另一個問題是電樞被卡住，無法順利移動，導(dǎo)致了藥室內(nèi)部壓力過高，尼龍管開裂，因此，加速管的燒蝕問題同樣制約著加速器的壽命。