銅柱測(cè)壓器在電熱化學(xué)發(fā)射試驗(yàn)中的應(yīng)用研究

楊春霞，金 涌，劉 健，倪琰杰，栗保明

(南京理工大學(xué)瞬態(tài)物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210094)

1 引 言

銅柱測(cè)壓器的工作原理是通過測(cè)量銅柱的軸向塑性變形推算出作用在銅柱上的最大壓力。銅柱測(cè)壓器因其使用簡(jiǎn)單，成本低廉，采用放入式結(jié)構(gòu)，精度足以估算出峰值壓力，在壓電傳感器應(yīng)用了50多年后的今天仍然用于彈藥試驗(yàn)中[1]。

電熱化學(xué)發(fā)射技術(shù)作為一種新概念發(fā)射技術(shù)受到廣泛的關(guān)注[2]，是在傳統(tǒng)火炮發(fā)射技術(shù)的基礎(chǔ)上引入了能改善點(diǎn)火及膛內(nèi)燃燒的等離子體，而等離子體是通過電能產(chǎn)生的。電熱化學(xué)發(fā)射技術(shù)是傳統(tǒng)發(fā)射技術(shù)的一次改革，免去了底火帶來的安全性問題，同時(shí)也給火炮引入了強(qiáng)大的脈沖電流，用來產(chǎn)生等離子體的脈沖電流可以達(dá)到數(shù)百千安。在電熱化學(xué)發(fā)射技術(shù)研究中，不可避免地要使用各種測(cè)量手段，強(qiáng)大的脈沖電流對(duì)測(cè)量是否有影響，這是值得研究的課題。

國(guó)內(nèi)孔德仁等對(duì)銅柱測(cè)壓的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)機(jī)理開展了研究[3]，崔春生等人對(duì)銅柱測(cè)壓器在油井和常規(guī)火炮中的應(yīng)用進(jìn)行了理論與試驗(yàn)研究[4]，而銅柱測(cè)壓器在電熱化學(xué)發(fā)射試驗(yàn)中的應(yīng)用研究未見報(bào)導(dǎo)。本文針對(duì)電熱化學(xué)炮中的脈沖電流給銅柱測(cè)壓可能帶來的影響進(jìn)行探討。

2 原 理

圖1是等離子體發(fā)生器與測(cè)壓器的電流與磁場(chǎng)關(guān)系示意圖。電流I是通過輸電裝置輸入到等離子體發(fā)生器的脈沖電流，根據(jù)右手螺旋法則，在測(cè)壓器上產(chǎn)生了感應(yīng)磁場(chǎng)B。I是變化的電流，隨著電流I的變化，磁場(chǎng)B也相應(yīng)地產(chǎn)生變化，因而在測(cè)壓器上產(chǎn)生了感應(yīng)電流i，通過等離子體發(fā)生器的脈沖電流會(huì)使測(cè)壓器受到一定的電磁力Fw。測(cè)壓器主要由覆銅本體、鋼質(zhì)活塞和銅柱構(gòu)成，不同的材料和大小使得測(cè)壓器各部件受力情況有所不同[5]。

圖1 等離子體發(fā)生器與測(cè)壓器電流與磁場(chǎng)原理圖

3 計(jì)算與分析

圖2是根據(jù)某口徑電熱化學(xué)炮中藥筒、等離子體發(fā)生器以及銅柱測(cè)壓器位置關(guān)系建立的模型，再輸入圖3所提供脈沖電源波形，計(jì)算銅柱測(cè)壓器上產(chǎn)生的渦流以及受電磁力情況。輸入脈沖電流周期為4ms，幅值1MA。等離子體發(fā)生器結(jié)構(gòu)與某口徑電熱化學(xué)炮中實(shí)際應(yīng)用情況相似。

圖2 等離子體發(fā)生器與銅柱測(cè)壓器計(jì)算模型

圖3 計(jì)算采用的脈沖電源波形

圖4和圖5為2ms時(shí)刻銅柱和活塞上的感應(yīng)渦流密度云圖，表1是t=2ms時(shí)刻測(cè)壓器上主要部件的電磁力。

圖4 2ms時(shí)刻銅柱的感應(yīng)渦流密度云圖

圖5 2ms時(shí)刻測(cè)壓器活塞的感應(yīng)渦流密度云圖

表1 測(cè)壓器立式放置2ms時(shí)刻測(cè)壓器主要部件電磁力

根據(jù)銅柱受力情況，這里僅考慮y方向的受力。圖6是銅柱與活塞的受力圖(需注明的是，測(cè)壓器本體與銅柱接觸，火藥氣體壓力通過測(cè)壓油作用在活塞上)，F(xiàn)w是測(cè)壓器本體傳遞給銅柱的電磁力，F(xiàn)t是銅柱受到的電磁力，F(xiàn)h是活塞受到的電磁力，F(xiàn)p是火藥氣體在活塞上的作用力，因此，y方向的力大小為：

F=Fp-Fh+Ft+Fw

電磁力與火藥氣體壓力的比值為：

假設(shè)火藥氣體壓力：

Fp=500MPa×0.125cm2=6250N

那么：

=1.42×10-5

圖6 銅柱與活塞的受力圖

國(guó)軍標(biāo)GJB 2973A-2008要求的銅柱膛壓測(cè)量最大允許誤差為±4%，與η值相比仍然有3個(gè)量級(jí)的差距。因此，可以認(rèn)為由感應(yīng)渦流而產(chǎn)生的電磁力對(duì)銅柱測(cè)壓的測(cè)量值沒有影響。

研究還對(duì)銅柱測(cè)壓器臥式放置模型(見圖7)進(jìn)行了計(jì)算，主要部件電磁力見表2。

圖7 銅柱測(cè)壓器臥式放置時(shí)的計(jì)算模型

表2 2ms時(shí)刻測(cè)壓器主要部件電磁力

結(jié)合銅柱測(cè)壓受力情況，這里考慮z方向的力。此時(shí)，電磁力與火藥氣體壓力之比為：

=5.68×10-6

從上述計(jì)算結(jié)果的量級(jí)上看，測(cè)壓器臥式放置情況下，因感應(yīng)渦流而產(chǎn)生的電磁力對(duì)銅柱測(cè)壓測(cè)量值不會(huì)產(chǎn)生影響。相對(duì)而言，銅柱測(cè)壓器臥式放置比立式放置情況下影響要更小些。但考慮到國(guó)軍標(biāo)中建議在使用銅柱測(cè)壓器時(shí)活塞孔應(yīng)朝向炮口，因此在電熱化學(xué)發(fā)射試驗(yàn)中，仍可以采用銅柱測(cè)壓器進(jìn)行最大膛壓的測(cè)量，測(cè)壓器仍應(yīng)采用立式放置，活塞孔朝向炮口。

4 討 論

在電熱化學(xué)發(fā)射試驗(yàn)中，最大電流時(shí)刻和最大電流變化率時(shí)刻與最大膛壓時(shí)刻有偏差，本文忽略時(shí)間偏差進(jìn)行了計(jì)算。文中計(jì)算采用的脈沖電流峰值和dI/dt都非常大，實(shí)際

電熱化學(xué)發(fā)射試驗(yàn)中根據(jù)火藥化學(xué)能的能量不同、電熱增強(qiáng)效果的不同而輸入不同的電流，目前都沒有達(dá)到計(jì)算所用到的量級(jí)。根據(jù)計(jì)算，電流的引入不影響銅柱的測(cè)壓值。因此，在等離子體發(fā)生器采用同軸式結(jié)構(gòu)情況下，銅柱測(cè)壓器可用于對(duì)電熱化學(xué)炮膛內(nèi)最大膛壓的測(cè)量。