高溫高壓下CsNO3電離產(chǎn)生等離子體規(guī)律試驗研究

李 俊， 毛保全， 白向華， 李 程， 鐘孟春

(陸軍裝甲兵學院兵器與控制系， 北京 100072)

目前，等離子和火炮技術相融合在火炮上得到應用的僅局限于電熱化學炮。電熱化學炮是通過脈沖電源的電弧放電產(chǎn)生等離子體，并與化學工質(zhì)相互作用,使其燃燒或分解釋放出化學能作為驅(qū)動彈丸的能量[1- 2]。一般來說，外界需要提供相當?shù)哪芰坎拍苁乖踊蚍肿与婋x產(chǎn)生等離子體，如將空氣加熱到 6 000 K的高溫才能發(fā)生微弱的電離，這樣高的溫度是普通燃燒工質(zhì)遠遠達不到的[3- 5]。堿金屬元素的電離電位較低，化學性質(zhì)活潑,在高溫環(huán)境下(2 000 K以上)容易發(fā)生電離，產(chǎn)生等離子體[6- 8]。如：在磁流體發(fā)電應用中，常常添加堿金屬的鹽類物質(zhì)作為電離增強劑，以提高燃氣的導電率[9]。但如何利用火藥在密閉爆發(fā)器中燃燒的高溫高壓環(huán)境生成等離子體，這方面的研究國內(nèi)外涉及較少。

筆者立足CsNO3在火炮發(fā)射藥燃燒過程中電離生成等離子體，用光譜測試系統(tǒng)采集相應元素的譜線，結合相關公式計算了等離子體電子密度和電子溫度，初步給出了CsNO3的質(zhì)量和密閉爆發(fā)器容積對等離子體生成的影響規(guī)律，為下一步利用火藥燃燒產(chǎn)生的等離子體來提高火炮性能的研究奠定基礎。

1 相關原理

1.1 等離子體電子溫度計算原理

光譜法作為一種重要的等離子體診斷方法，具有快速簡便、操作簡單以及不會對等離子體產(chǎn)生干擾等特點。其原理是原子獲得能量后，受激原子由低能級向高能級躍遷，處在高能級的原子是一種不穩(wěn)定的激發(fā)狀態(tài)，會很快由高能級躍遷到低能級，其能量將以光的形式輻射，產(chǎn)生特定波長的光，在光譜中形成一條譜線。處在激發(fā)態(tài)的原子往往會經(jīng)過多個能級進行躍遷，這樣就會產(chǎn)生多條譜線。

原子譜線的強度I滿足[10]：

(1)

式中:h為普朗克常數(shù)；k為玻爾茲曼常數(shù)；g為譜線上能級的統(tǒng)計權重；A為躍遷幾率；ν為譜線頻率；N為原子總數(shù)；Z為配分函數(shù)；E為譜線激發(fā)能；T為等離子體電子溫度。

同種元素原子的2條激發(fā)能不同的譜線的強度之比為[11]

(2)

將式(2)進一步變換，取常用對數(shù)，并把譜線頻率ν換算成波長λ，把有關的常數(shù)項代入，可得到如下更加簡便實用的計算公式[12]:

(3)

式中：Ei(i=1,2)可從常用元素譜線表查得；gi和Ai可從美國國家標準與技術研究院的躍遷幾率表查得；譜線強度Ii通過光譜儀測定?？梢钥闯觯褐灰獪y出2條譜線強度之比，就可以計算等離子體電子溫度[13]。

1.2 電子密度測量原理

本研究產(chǎn)生等離子體的方法是通過火藥燃燒，并添加少量堿金屬化合物來實現(xiàn)的。整個過程在密閉爆發(fā)器也就是等離子體發(fā)生裝置中產(chǎn)生。由于這種熱電離的燃燒氣體處于熱平衡狀態(tài)中，因此是平衡電離。在高溫高壓的條件下，燃燒氣體中的成分，如CO2、水蒸汽與電子碰撞時均具有很大的碰撞截面，經(jīng)過頻繁的碰撞使電子溫度大幅度降低，因此電子溫度與其他粒子的溫度沒有明顯差異。在熱力學上稱之為等離子體局部熱力學平衡狀態(tài)。

由于火藥燃氣中生成等離子體的方式是熱電離(電離過程所需要的能量來源于燃燒反應熱)，所以可以應用沙哈方程計算電子密度[14]：

(4)

式中:me為電子質(zhì)量；ne為電子密度；ni為離子密度；na為原子密度；ga和gi分別為原子和離子基態(tài)的統(tǒng)計權重；eEi為電離勢能。根據(jù)電子激發(fā)溫度，即可以計算出等離子體電子密度。

2 試驗系統(tǒng)與試驗方法

2.1 試驗系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)由等離子體產(chǎn)生裝置、壓力測試系統(tǒng)、光譜測量系統(tǒng)3部分組成，如圖1所示。

1) 等離子體產(chǎn)生裝置?；鹚幵诿荛]爆發(fā)器內(nèi)燃燒是一個復雜的過程，會產(chǎn)生高溫高壓的火藥燃氣并釋放大量的熱量?？紤]到等離子體測量的便利性和安全性等因素，本研究所用的密閉爆發(fā)器經(jīng)過專門的設計，由藍寶石窗口、點火裝置、堵頭和燃燒室本體等組成，如圖2所示。經(jīng)過強度校核和試驗驗證，可在堵頭上開出直徑為6.5 mm的藍寶石光學窗口，開口槽的深度為5 mm。配合直徑相當?shù)墓饫w探頭，即可采集高溫高壓條件下產(chǎn)生的光譜。試驗中采用硝化棉引燃火藥，點火方式采用電點火，將點火絲綁在硝化棉上。

2) 壓力測試系統(tǒng)。本試驗選用Ksitler壓電傳感器，它適用于測量快速變化的動態(tài)壓力，測量范圍0～600 MPa，自然頻率>240 kHz，滿足試驗要求。

3)光譜測量系統(tǒng)。隨著光纖技術的發(fā)展和光譜理論的不斷成熟，光譜法逐漸成為等離子體參數(shù)診斷的重要方法。本試驗系統(tǒng)采用海洋光學定制的QE Pro型光譜儀，這是一種便攜式高靈敏度的光譜儀，能實現(xiàn)低光探測,可互換狹縫，并可選擇內(nèi)部快門和多種光柵，自帶板載緩存，最多能存儲15 000張譜圖，滿足試驗要求。其相關參數(shù)如表1所示。

表1 海洋光學QE Pro型光譜儀相關參數(shù)

2.2 試驗方法

采用控制變量的方法，對CsNO3質(zhì)量和密閉爆發(fā)器容積這2個因素進行研究。

1) CsNO3質(zhì)量對等離子體電子溫度和密度影響試驗

試驗條件：100 mL(定容)密閉爆發(fā)器，電點火。

試驗方法：在密閉爆發(fā)器中進行試驗，取15 g火藥(太根發(fā)射藥)與CsNO3混合均勻，分5次進行試驗，逐漸加大CsNO3的質(zhì)量(第一次不添加)，用光譜儀采集火藥燃燒過程中的譜線并計算等離子體溫度和密度。

2) 密閉爆發(fā)器容積對等離子體電子溫度和密度影響試驗

試驗條件：CsNO3質(zhì)量固定為3 g，電點火。

試驗方法：分別在不同容積的密閉爆發(fā)器內(nèi)進行試驗，試驗中添加等量的CsNO3和火藥并混合均勻，用光譜儀采集火藥燃燒過程中的譜線并計算等離子體溫度和密度。

由于密閉爆發(fā)器試驗的特殊性，按照相關要求，必須在防爆實驗室完成。試驗步驟如下：

1) 檢查試驗裝置各個部件有無異常,是否滿足試驗要求；

2) 將爆發(fā)器本體安裝在試驗臺架上，裝配點火堵頭和測壓堵頭；

3) 使用歐姆表對點火堵頭裝配后的阻值進行測量,確?；芈方油ǎ?/p>

4) 將火藥和CsNO3放在爆發(fā)器中，在點火端安裝點火堵頭,將堵頭擰至特定扭矩值,同時擰緊放氣塞頭；

5)安裝測壓堵頭,將堵頭擰至特定扭矩值，利用專用扳手擰緊測壓堵頭；

6)連接傳感器信號線和點火線,人員撤離,關閉防爆門，現(xiàn)場指揮發(fā)出點火指令,點火人員完成點火操作。

3 結果與分析

3.1 CsNO3質(zhì)量對等離子體電子密度和溫度的影響

K和Cs的光譜如圖3所示。

由圖3可以看出，光譜圖包括了Cs和K元素的譜線：Cs原子主要是894.350 nm和852.110 nm兩條特征譜線，K原子主要是769.898 nm和766.491 nm兩條特征譜線,相關參數(shù)如表2所示；Cs譜線的相對強度比K譜線強，原因是Cs比K的電離能要低，更加容易發(fā)生電離[15]。雖然CsNO3在一定程度上可以促進電離，但是含量并不是越多越好。CsNO3的含量過多，會影響火藥的燃燒，不利于等離子的生成。當m(CsNO3)>3 g時，等離子體電子溫度和密度隨著CsNO3的增加而下降，如表3所示。

表2 Cs原子和K原子光譜參數(shù)

表3 CsNO3質(zhì)量與電子密度、電子溫度的關系

3.2 密閉爆發(fā)器容積對等離子體密度和溫度的影響

不同容積條件下的光譜圖如圖4所示。

由圖4可以看出：當密閉爆發(fā)器容積在60～100 mL時，光譜強度隨著容積的增大而增大;容積超過100 mL時，光譜強度隨著容積的增大而減小。表4為密閉爆發(fā)器容積與電子密度、電子溫度的關系，可以看出：密閉爆發(fā)器的容積為100 mL時，電子密度和溫度達到最大。因為在60～100 mL內(nèi)，隨著容積的增大，火藥的燃速降低，高溫環(huán)境的持續(xù)時間也加長，有利于等離子的產(chǎn)生；當容積超過100 mL時，雖然燃燒時間變長了，但單位體積內(nèi)的電子數(shù)也下降了。

表4 密閉爆發(fā)器容積與電子密度、電子溫度關系

4 結論

筆者基于改進型密閉爆發(fā)器的等離子體測試試驗系統(tǒng)，研究了CsNO3在火藥燃燒的高溫高壓環(huán)境下電離生成等離子體的規(guī)律。結果表明：CsNO3在火藥燃氣的作用下可以電離產(chǎn)生等離子體，當添加CsNO3的質(zhì)量為3 g、密閉爆發(fā)器容積為100 mL時，等離子體電子密度達到最大值0.85×1020m-3，溫度達到最大值0.3 eV。初步為利用火藥燃燒產(chǎn)生的等離子體提高火炮性能的研究奠定了基礎。等離子體電子密度和電子溫度的影響因素較多，下一步可以從不同種類的火藥和電離種子等方面進行研究。