基于密閉爆發(fā)器的等離子體診斷系統(tǒng)研究

宋 鵬，鐘孟春，毛保全

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基于密閉爆發(fā)器的等離子體診斷系統(tǒng)研究

宋 鵬，鐘孟春，毛保全

（裝甲兵工程學(xué)院兵器工程系，北京，100072）

為了快速有效地診斷火藥燃燒時(shí)生成的等離子體密度，設(shè)計(jì)了一套基于密閉爆發(fā)器的等離子體診斷系統(tǒng)，并采用光譜法對(duì)等離子體進(jìn)行診斷。診斷結(jié)果表明：通過設(shè)計(jì)的等離子體診斷系統(tǒng)可以診斷出火藥燃燒時(shí)的發(fā)射光譜，從而獲得相應(yīng)的等離子體密度。

發(fā)射藥；等離子體密度；密閉爆發(fā)器；光譜診斷

等離子體在火炮中的應(yīng)用現(xiàn)在只限于電熱化學(xué)炮。電熱化學(xué)炮是通過脈沖電源的電弧放電產(chǎn)生等離子體，并與化學(xué)物質(zhì)相互作用使其燃燒或分解釋放出化學(xué)能作為共同驅(qū)動(dòng)彈丸的能量[1]。相關(guān)的研究有等離子體與火藥相互作用過程的研究[2]，以及等離子體發(fā)生器密封性能的研究等[3]。電熱化學(xué)炮中的等離子體是由等離子體發(fā)生器產(chǎn)生，主要用于火藥點(diǎn)火。但是，在火炮發(fā)射時(shí)，炮膛內(nèi)高溫高壓的環(huán)境會(huì)使火藥燃?xì)獍l(fā)生電離，產(chǎn)生等離子體，目前，對(duì)于這部分等離子體的性能研究以及利用火藥燃?xì)猱a(chǎn)生的等離子體改善火炮性能的研究卻未見報(bào)道。

本文設(shè)計(jì)了一套基于密閉爆發(fā)器的等離子體診斷系統(tǒng)，對(duì)火藥燃燒時(shí)產(chǎn)生的等離子體進(jìn)行研究。傳統(tǒng)密閉爆發(fā)器的結(jié)構(gòu)為密閉圓筒，無法進(jìn)行等離子體的診斷。本研究在密閉爆發(fā)器殼體上開了一對(duì)透視窗口，采用光譜法對(duì)等離子體進(jìn)行診斷。通過分析等離子體的發(fā)射光譜，獲得等離子體的電子溫度、電子密度等參數(shù)，為等離子體在提高火炮性能方面的應(yīng)用研究提供了一定的依據(jù)。

1 等離子體診斷試驗(yàn)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

等離子體診斷系統(tǒng)由密閉爆發(fā)器、信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理3大部分組成。其中密閉爆發(fā)器部分包括點(diǎn)火裝置、透視窗口和泄壓裝置，信號(hào)采集部分包括壓電傳感器和光譜儀，數(shù)據(jù)處理部分包括電子溫度和電子密度的計(jì)算。等離子體診斷系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 等離子體診斷試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 等離子體診斷試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 等離子體診斷專用密閉爆發(fā)器

內(nèi)彈道試驗(yàn)中使用的定容密閉容器稱為密閉爆發(fā)器，其本體為由炮鋼制成的圓狀筒形結(jié)構(gòu)，兩端開口處內(nèi)表面帶有螺紋，一端使點(diǎn)火塞旋入并定位，另一端配備有用來卸載的排氣裝置[4]。本文的等離子體診斷專用密閉爆發(fā)器由一對(duì)寶石窗、一個(gè)壓力傳感器、點(diǎn)火裝置、堵頭以及燃燒室本體等組成，如圖2所示。

圖2 等離子體診斷專用密閉爆發(fā)器及光學(xué)窗示意圖

一對(duì)寶石光學(xué)窗為光學(xué)系統(tǒng)提供高溫高壓條件下觀測等離子體特性的通道，通過光譜儀獲得燃燒室內(nèi)等離子體場的分布。一個(gè)壓力傳感器測試燃燒室內(nèi)壓力變化情況。燃燒室本體兩端使用堵頭密封以研究火藥燃燒室內(nèi)等離子體的形成及其特性。點(diǎn)火裝置及等離子體發(fā)生器用于引燃材料并產(chǎn)生等離子體。

燃燒室內(nèi)徑60mm，由于在火藥燃燒室本體上開窗口，外徑根據(jù)彈性強(qiáng)度極限確定的理論外形半徑公式（1）并適當(dāng)增大，取260mm，火藥燃燒室本體長度550mm，根據(jù)加工工藝及強(qiáng)度要求，寶石窗口直徑不能過大，寶石窗口直徑26mm，寶石窗厚度25mm。寶石選用人造藍(lán)寶石晶體，以保障在極高溫度條件下光的透射性[5]。采用螺紋聯(lián)接對(duì)寶石窗進(jìn)行固定與密封。設(shè)計(jì)最大壓力400MPa，壓力余量為80MPa。

寶石材料力學(xué)性能：耐壓強(qiáng)度2.1×104MPa；抗張強(qiáng)度1.9×103MPa。

式（1）中：σ為徑向應(yīng)力；1，2分別為內(nèi)徑和外徑；1為內(nèi)壁承受的壓強(qiáng)。

以擠壓面為最大危險(xiǎn)面計(jì)算時(shí)，以兩倍沖擊壓力作為靜壓力并以靜載荷校核寶石窗口片：

式（2）中：[]為許用壓應(yīng)力，[]=1 080MPa；p為寶石窗口所承受的最大壓強(qiáng)（數(shù)值為設(shè)計(jì)最大壓強(qiáng)與壓強(qiáng)余量之和），p=480MPa；為安全系數(shù)，=2。

以剪切面為最大危險(xiǎn)面計(jì)算時(shí)，以兩倍沖擊壓力作為靜壓力并以靜載荷校核寶石窗口片：

式（3）中：p為寶石窗口所承受的最大壓力（數(shù)值為設(shè)計(jì)最大壓力與壓力余量之和），p=480MPa；為剪切圓面直徑，=6mm；為寶石窗厚度，=20mm。

式（4）中：[]為許用切應(yīng)力，安全系數(shù)=2。

其中，許用切應(yīng)力按脆性材料[]與許用拉應(yīng)力的關(guān)系確定。

[]=（0.8~1.0）[]

取系數(shù)為0.9，[]=171MPa。

由計(jì)算結(jié)果可知，無論以擠壓面為危險(xiǎn)受力面，還是以剪切面為危險(xiǎn)受力面，該尺寸結(jié)構(gòu)的寶石窗強(qiáng)度符合要求。

2.2 壓力測試系統(tǒng)

壓電測壓傳感器主要適用于測量快速變化的動(dòng)態(tài)壓力。內(nèi)燃機(jī)燃燒室的壓力測量，各種爆炸沖擊波壓力測量，各種高壓容器、管道內(nèi)腔壓力的動(dòng)態(tài)測量(包括槍、炮膛內(nèi)的壓力測量)等，都廣泛采用壓電式測壓傳感器。本研究在火藥燃燒室寶石窗的垂直側(cè)面安裝Ksitler壓電傳感器作為壓力測試系統(tǒng)前端傳感器，如圖3所示，通過電荷放大器將采集到的信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。壓力傳感器測量范圍0~600MPa，自然頻率大于240kHz。

圖3 Ksitler壓電傳感器

2.3 等離子體光譜測量系統(tǒng)

光譜法是基于物質(zhì)與輻射能作用時(shí)，通過診斷由物質(zhì)內(nèi)部發(fā)生量子化的能級(jí)之間的躍遷而產(chǎn)生的發(fā)射、吸收或散射輻射的波長和強(qiáng)度進(jìn)行分析的方法。光譜診斷法已經(jīng)成為診斷等離子體的重要方法，不僅可以獲得等離子體成分及其分布、電子密度和溫度，還可以獲得離子密度及溫度、磁場分布等重要數(shù)據(jù)[6]。本試驗(yàn)系統(tǒng)采用海洋光學(xué)HR2000型光譜儀（如圖4所示），測量波長范圍是200~1 100nm，采樣時(shí)間為毫秒級(jí)，本試驗(yàn)所測量的光譜均在此范圍以內(nèi)。

圖4 海洋光學(xué)HR2000型光譜儀

3 等離子體診斷試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)藥型

以現(xiàn)役大口徑火炮發(fā)射藥為背景，選用太根發(fā)射藥（18/19）為研究裝藥類型，以400MPa的壓強(qiáng)進(jìn)行試驗(yàn)，加入除銅劑、消焰劑、護(hù)膛劑等附加劑研究火藥燃燒時(shí)等離子體產(chǎn)生情況。

3.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)室的溫度應(yīng)保持20℃左右，相對(duì)濕度不得大于85%。使用的等離子體測量專用密閉爆發(fā)器容積約為1.40L，結(jié)構(gòu)上包括外殼、電極、螺旋塞、透視窗口等。外殼上開有傳感器孔，用于安裝傳感器；螺旋塞上有兩個(gè)小孔，電極塞插入其中，并且用AB膠絕緣與固定；螺旋塞旋入外殼中。在外殼中部穿孔，放入寶石光學(xué)窗，并用鈦合金壓螺壓緊。測試過程中準(zhǔn)確稱量火藥，并與點(diǎn)火藥一起放入等離子體測量專用密閉爆發(fā)器內(nèi)。爆發(fā)器組裝密閉后，在外部通過發(fā)爆器引燃點(diǎn)火藥以及火藥。火藥燃燒后，產(chǎn)生的高溫高壓燃?xì)庾饔糜趬毫鞲衅鳎蓚鞲衅鳟a(chǎn)生的壓電信號(hào)通過電荷放大器放大后，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行記錄。高溫高壓環(huán)境會(huì)使氣體發(fā)生電離，探頭通過透視窗口收集等離子體發(fā)出的光譜，經(jīng)光譜儀處理以后將光譜圖傳到計(jì)算機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。

4 試驗(yàn)結(jié)果與處理

4.1 等離子體發(fā)射光譜圖

由光譜儀獲得的等離子體發(fā)射光譜圖如圖5所示，從圖5中可以看出譜線主要包括了銅和鐵的譜線。為了測量等離子體的電子密度和電子溫度，選擇銅的原子線和離子線。依據(jù)等離子體測量原理，可以得到等離子體的溫度和密度。

圖5 等離子體發(fā)射光譜圖

4.2 數(shù)據(jù)處理

4.2.1等離子體溫度診斷原理

以上原子發(fā)射光譜理論可知，激發(fā)溫度與譜線強(qiáng)度I有如下關(guān)系：

式（5）中：A為從態(tài)到態(tài)的躍遷概率；g為能級(jí)的統(tǒng)計(jì)權(quán)重；I為譜線強(qiáng)度；E為能級(jí)能量；為處于各種狀態(tài)的原子數(shù)；為原子所處能級(jí)的狀態(tài)和；為等離子體溫度；為普朗克常數(shù)；為光速；為玻爾茲曼常數(shù)。

表1 銅原子光譜線參數(shù)

Tab.1 Spectral line parameters of copper atom

4.2.2 等離子體密度診斷原理

該試驗(yàn)中，等離子體主要是由高溫?zé)犭婋x產(chǎn)生的，且滿足局部熱力學(xué)平衡條件，因而薩哈方程是適用的。根據(jù)原子發(fā)射光譜理論，受激原子由高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)，其能量將以光的形式輻射，產(chǎn)生特定的原子發(fā)射光譜[7]。在局部熱力學(xué)平衡狀態(tài)下，同種原子或離子兩條發(fā)射光譜線的輻射強(qiáng)度比滿足式（6）：

當(dāng)?shù)入x子體在熱力學(xué)平衡狀態(tài)時(shí)，其電子、離子和中性原子的密度滿足薩哈（Saha）方程：

若只考慮等離子體中原子單次電離對(duì)電子密度的貢獻(xiàn)，結(jié)合式（6）和式（7）得到原子和一價(jià)離子譜線輻射強(qiáng)度滿足式（8）：

（8）

式（8）中：n為電子密度；為光譜線波長；為原子線的強(qiáng)度；+為離子線的強(qiáng)度；m是電子的質(zhì)量；為原子的一次電離電位；E為離子線激發(fā)電位；為原子線激發(fā)電位。

因此，在已知溫度的情況下，只要測得同一元素的離子線和原子線強(qiáng)度比就可以算得電子密度n。通過計(jì)算可得等離子體密度為1.21×1011m-3。

5 結(jié)束語

本研究利用原子發(fā)射光譜方法，通過對(duì)傳統(tǒng)密閉爆發(fā)器進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種基于密閉爆發(fā)器的等離子體診斷方法。該方法能夠同時(shí)診斷等離子體的溫度和電子密度。通過試驗(yàn)診斷火炮發(fā)射時(shí)等離子體的溫度和電子密度，驗(yàn)證了該方法的可行性，該研究可以為等離子體在火炮方面的應(yīng)用提供一定的基礎(chǔ)。

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The Study of Plasma Diagnosis System Based on Closed Bomb

SONG Peng，ZHONG Meng-chun，MAO Bao-quan

(Academy of Armored Forces Engineering，Beijing，100072)

In order to quickly and efficiently diagnose the plasma density generated from gunpowder combustion, a set of plasma diagnostic system based on closed bomb was designed, and the plasma was diagnosed by spectral method. The diagnosis results show that the emission spectrum generated from gunpowder combustion can be diagnosed through the plasma diagnosis system, then the corresponding plasma density can be obtained.

Propelling charge；Plasma density；Closed bomb；Spectrum diagnosis

1003-1480（2016）04-0054-04

TQ562

A

2016-04-01

宋鵬（1990 -），男，在讀碩士研究生，主要從事武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。

武器裝備軍內(nèi)科研項(xiàng)目（2014ZB03）。