电热化学发射技术在大口径火炮上的应用前景

狄加伟,杨敏涛,张明安,赵 斌

(西北机电工程研究所,陕西咸阳 712099)

在固体火药作为化学能的电热化学炮中,同时存在着电能和火药化学能的释放,电能以电弧放电生成等离子体的形式释放到膛内,同时引燃装药;火药以化学工质的燃烧形式释放热能,电能和热能使膛内气体膨胀推动弹丸运动。两者的能量匹配及释放速率直接决定着电热化学炮的内弹道性能,使膛内气体在弹丸运动过程中足以弥补由于弹丸运动造成的压力下降,改善膛内压力变化,优化内弹道过程,从而达到提高炮口速度的目的[1-2]。

笔者从电能增强技术、等离子体点火增强火药燃烧技术两方面分析了大口径高膛压火炮采用电热化学发射技术来较大幅提高初速的可行性,并就该技术在大口径高膛压火炮上的应用前景作了阐述。

1 利用电热化学发射技术较大幅度提高大口径高膛压火炮初速的可行性

1.1 通过电能增强较大幅度提高初速的可行性

电能作为电热化学炮第一工质,其作用是弥补发射药能量的不足和产生高温高速的等离子体引燃装药并加热火药气体。输入电能的增加相当于提高了火药工质的含能密度,增加了对弹丸作功的能力,从而提高了炮口速度,亦即提高炮口动能。

对现有常规火炮来讲,提高炮口速度一般要保持火炮、弹丸及最大膛压不变。目前大口径高膛压火炮穿甲弹的炮口动能在10 M J以上,如果依靠电能的补充来提高20%的炮口动能,则必须有2 MJ的电能有效地转化为弹丸的有用功,而由于弹后气体压力的拉格朗日分布及其他次要功的消耗,对于穿甲弹而言,其弹道效率一般不会超过25%,因此实际施加于火药气体工质用来提高火药含能密度的电能为8 M J左右,而等离子体发生器的放电效率一般在50%左右,因此初始输入电能要达到16 MJ,即单从能量施加的角度来考虑,要提高2 MJ的炮口动能,其初始输入电能要达到16 M J。从目前储能装置来看,电容器的储能密度约为1 M J◦m-3,16M J储能装置的体积要达16 m3,这样庞大的体积应用于目前的陆基火炮装备是很不现实的。因此在目前技术水平条件下,要单纯依靠电能的增强来较大幅度地提高大口径高膛压火炮炮口速度的方法几乎是不可行的。

1.2 通过发射药等离子体点火燃烧增强效应较大幅度提高初速的可行性

在等离子体增强燃烧的作用下,固体火药的燃速有较大幅度的提高。实验表明[3-6],等离子体垂直作用于燃烧表面时,火药燃速提高了2倍以上,而当等离子体射流平行于火药燃烧面时,火药的燃烧速率增加了20%～40%,这就是发射药的等离子体点火燃烧增强效应。在保持火炮、弹丸及最大膛压不变的情况下,要提高炮口速度,可以选择在火炮最大压力点后再施加一次电能,高温等离子体再次作用于火药粒子,使其燃速有较大幅度的提高,那么在最大压力点后就会形成一个二次压力峰,这样能够增大火炮的示压效率,有利于提高炮口速度。对某大口径高膛压火炮穿甲弹在最大压力点后的3个不同时刻加载电能使发射药燃速增加1倍进行了内弹道模拟,并同制式参数进行了对比,计算结果见表1,p-t、p-L曲线如图1所示。

表1 发射药燃烧增强对内弹道性能的影响Tab.1 Effect of propellant burning enhancement on interior ballistic performances

计算结果表明,在最大压力点后施加电能来增强发射药的燃烧性能,使燃速增加1倍,在最大压力不超标的前提下,某大口径火炮的初速最大可提高2.6%,提高幅度虽然不大,但还是非常令人鼓舞的。但以下几个因素是利用等离子体点火技术来提高炮口速度的最大困难。

1.2.1 电能的加载

1)要使固体火药的燃速增加1倍以上,在最大压力点后第2次施加给固体发射药的电能要达数兆焦[6]。

2)施加电能于火药的同时性很困难。

火药引燃后,其颗粒及气体分布于整个弹后空间。达到最大压力时,火药燃烧量为50%左右,弹后空间的长度为1～1.5 m。要使分布于1.5m长的弹后空间火药颗粒均匀增强燃速是非常困难的,局部的过度增强将会给射击安全性带来隐患。

1.2.2 时序放电的控制

脉冲功率源能量的释放与控制可以通过设计相应的脉冲放电回路来实现,进而改变火药能量的释放规律[7],但弹道跳动的随机性给时序放电在时间上的一致性带来较大的困难。实验表明,某火炮在相同的电能条件下压力启动时间的跳动最大在0.5ms以上,到达最大压力的时间也有同样量级的差异,且这样的跳动和差异是随机的。因此若加载电能的时间提前,则最大压力会出现大幅度的增加;若加载时间滞后,则起不到增强燃烧的效果,表1和图1的数据曲线表明了这一点。因此电热化学炮上精确的时序放电控制是一个很大的技术难题。

1.2.3 火药气体状态的平衡问题

时序放电的作用一是控制火药能量释放规律,二是增加火药气体的含能密度。最大压力点后时序放电产生约10 000 K温度的等离子体,其当地声速为1 500～2 000 m◦s-1。等离子体发生器安装在药筒内,大口径高膛压火炮的药筒长度约为1m,最大压力点时的弹丸行程在0.5 m以上,此时弹丸速度约1000 m◦s-1。可以看出,时序放电产生的等离子体即使不经过任何能量损耗从药筒底部赶上弹丸,所需的时间也要3m s以上,此时弹丸已接近炮口。所以弹后气体状态接近平衡的时间已接近内弹道过程的结束,达不到等离子体加热弹后火药气体、提高弹底压力进而提高弹丸速度的目的。

上述分析表明,在大口径高膛压火炮上利用电能增强技术来较大幅度提高炮口速度的方法在目前技术水平条件下是不可行的。而等离子体点火技术可以小幅提高炮口速度,但存在着较多的技术困难。

2 电热化学发射技术在大口径火炮上的应用前景

由于电传导的瞬时性及等离子体良好的热物理性能,等离子体点火技术在目前大口径高膛压火炮上有着良好的应用前景[8],主要表现在以下几个方面。

2.1 提高弹道一致性及射击精度

常规点火是通过击发底火来点燃传火药,然后再引燃装药,进而完成内弹道过程的。其点火的瞬时性及一致性会因点传火过程中的随机因素而有所跳动,射击循环时间也较长。而等离子体点火技术是由脉冲功率源电弧放电产生的等离子体来引燃火药的,其点火的瞬时性、一致性和同时性因电传导的瞬时性和等离子体高于火药气体1倍的能量传播速度而明显的优于常规点火。

在某大口径火炮上进行的两种点传火方式的对比实验表明,等离子体点火的点火延迟时间和射击循环时间大大小于常规点火。常规点火从点火至压力起动延迟时间为10～18.5 m s,射击循环时间为18～24.5 m s,而等离子体点火分别为0.8～1.3ms和4.3～4.9 ms,击发时间与内弹道p-t过程对比如图2所示。这有利于提高火炮的弹道一致性及射击精度。

2.2 弹道性能补偿

不同的输入电能所产生的等离子体热能总量是不同的,与火药相互作用的充分性亦即增强燃烧效应也会有所差异,内弹道性能因此也会不同。在某大口径火炮上进行的实验结果表明:在装药不变的情况下,当输入电能由 50 k J增大到 70 k J时,初速增加了17 m◦s-1,炮口动能增加了163 k J。这表明,可以通过调节输入电能的大小来调节火炮的内弹道性能,这对高低温弹道补偿及榴弹炮变射程射击等具有重要意义。

2.3 引燃高能高密度火药

目前火药的密度约为1.6 kg◦dm-3,当装药接近最大装填密度时,在有限的装药空间中通过增加装药量来提高炮口速度的方法是不可行的。据报导,目前已研制了密度达2.0～2.3 kg◦dm-3的新型高能高密度火药。由于点火药气体穿透力的限制,常规的点传火方式不能有效的引燃这种新型的高密度火药,它会导致点传火困难、迟发火及点火的不稳定乃至内弹道性能的不稳定。而等离子体具有极强的穿透性,能够很容易地引燃这种更高密度的发射药。因此等离子体点火技术将会代替传统的点传火方式应用于未来新型高能高密度及高装填密度的发射装药。

表2所示的是对某大口径火炮在保持最大压力一致的情况下,在不同的火药密度及其对应的最有利装填密度时的内弹道性能预测。

表2 不同密度的火药内弹道性能预测Tab.2 Forecast of interior ballistic performances of propellant in different densities

预测表明,当装药量保持不变时,随着火药密度的增大,初速会有所提高;当因火药密度增大使得装药量增加时,初速也有很大的增量,甚至超过前者。

3 结 论

通过分析计算,并根据目前电热化学发射技术特别是脉冲功率源小型化技术及火药技术的现状,可以认为,在目前技术水平条件下在大口径高膛压火炮上依靠电能增强技术来较大幅度地提高炮口速度的方法是不可行的;等离子体点火技术能够小幅提高炮口初速,但存在很大的技术困难。电热化学发射技术应用在大口径火炮上,其优势主要体现在等离子体点火的作用上面。等离子体良好的热物理特性使电热化学炮在火炮弹道一致性及射击精度、弹道性能补偿方面有着常规火炮无法比拟的优势,并在未来的新型高能高密度发射装药的点传火上起到常规点火不能替代的作用。

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