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(xué)理學(xué)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(lái)推進(jìn)彈丸的發(fā)射裝置。本次主要針對(duì)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(duì)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(jì)

1.1　制作器材

使用纖維強(qiáng)化尼龍管做為加速器主體，規(guī)格為（長(zhǎng)100mm，外徑55mm，內(nèi)徑5mm）設(shè)計(jì)承壓70mpa，使用6mm內(nèi)徑的無(wú)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(chǔ)能裝置，理論儲(chǔ)能907.2j。采用最大量程500m/s的光電門(mén)作為速度計(jì)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(jì)

根據(jù)的材料強(qiáng)度及能達(dá)到的功率來(lái)設(shè)計(jì)，由于材料在1200v時(shí)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(chǔ)能裝置，加速器體積不宜過(guò)大，要便于加工，故采用了纖維加強(qiáng)的尼龍棒進(jìn)行加工，并依據(jù)文獻(xiàn)[1]給出的等離子擴(kuò)散速度和電樞在加速管內(nèi)的移動(dòng)距離導(dǎo)致的壓力衰減確定設(shè)計(jì)壓力為70mpa，這樣既可以保證體積不會(huì)太大，也可以保證實(shí)驗(yàn)人員的安全性。另外，由于開(kāi)關(guān)接觸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的電弧，經(jīng)查閱資料，采用了類(lèi)似高壓電站的高速鍘刀開(kāi)關(guān)，既便于加工，又可達(dá)到效果。

圖1　電熱化學(xué)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(xiàn)[2]給出的水的汽化熱，及預(yù)計(jì)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(jì)的電熱轉(zhuǎn)化效率為30%。根據(jù)文獻(xiàn)資料電能基本保持不變時(shí),推進(jìn)劑自身消耗能量過(guò)大。隨著推進(jìn)劑質(zhì)量減少,發(fā)射過(guò)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(cè)試與性能研究

2.1　不同電壓下的初速測(cè)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(cè)試了不同電壓下的加速器效率，從600v開(kāi)始，加速器中的鋁箔能發(fā)生快爆炸，一直測(cè)試直1200v，發(fā)現(xiàn)在600v時(shí)藥室中和加速管口仍有少量鋁箔材料剩余，這說(shuō)明在電壓較低時(shí)，鋁箔表面通過(guò)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?jiān)Ｓ?，而在電?00v時(shí)，加速管口有少量液體剩余，可見(jiàn)少量粒狀鋁箔殘?jiān)?，說(shuō)明此時(shí)的等離子化仍不完全，在1200v時(shí)，發(fā)現(xiàn)加速管口僅剩余小水珠狀液體，無(wú)明顯可見(jiàn)粉末，說(shuō)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(shí)，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(shí)物圖

2.2　工質(zhì)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

通過(guò)學(xué)習(xí)《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(shí)驗(yàn)也印證了這一點(diǎn)，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(shí)驗(yàn)結(jié)論。

表1　實(shí)驗(yàn)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(wú)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(xiàn)中，水作為主體推進(jìn)劑的作用

2.3　開(kāi)關(guān)的研究與制作

開(kāi)關(guān)閉合速度不能有效控制，也無(wú)法測(cè)量，實(shí)驗(yàn)多出了一個(gè)誤差較大的變量，對(duì)數(shù)據(jù)的測(cè)量有嚴(yán)重的影響。空氣開(kāi)關(guān)的閉合速度較慢，在接觸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的電弧，消耗大量能量，使系統(tǒng)整體的效率嚴(yán)重降低，通過(guò)和老師的交流，了解到工廠內(nèi)的開(kāi)關(guān)通過(guò)快速閉合解決了滅弧的問(wèn)題，計(jì)劃制作類(lèi)似的鍘刀開(kāi)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(shí)驗(yàn)中的無(wú)關(guān)變量。

2.4　加速器的靶版測(cè)試

實(shí)驗(yàn)使用1mm，1.5mm，2mm的鋼板作為靶材，對(duì)其進(jìn)行擊穿實(shí)驗(yàn)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(jì)算。）靶材為低碳鋼板，經(jīng)驗(yàn)k值為1530，vc取最大速度460m/s，測(cè)試距離10cm。算得理論擊穿厚度為0.15cm，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中，藥室產(chǎn)生的大量等離子體對(duì)鋼制加速管產(chǎn)生了嚴(yán)重的燒蝕，在約50次使用后，靠近加速器的一段燒蝕嚴(yán)重，無(wú)法再次使用，燒蝕帶來(lái)的另一個(gè)問(wèn)題是電樞被卡住，無(wú)法順利移動(dòng)，導(dǎo)致了藥室內(nèi)部壓力過(guò)高，尼龍管開(kāi)裂，因此，加速管的燒蝕問(wèn)題同樣制約著加速器的壽命。