不同金属粉在等离子体点火中的作用研究

张江波，梁 磊，张玉成，刘 毅，赵煜华，闫光虎，李 强，肖 霞

（西安近代化学研究所，陕西 西安，710065）

不同金属粉在等离子体点火中的作用研究

张江波，梁 磊，张玉成，刘 毅，赵煜华，闫光虎，李 强，肖 霞

（西安近代化学研究所，陕西 西安，710065）

为了研究不同金属粉在等离子体点火中的形貌特征及对发射药点火燃烧性能的影响，设计了新型的圆盘状等离子体发生器，采用铝粉和铜粉进行了敞开环境中的等离子体点火试验及密闭爆发器中的点火燃烧试验。实验结果表明：与含铝粉的等离子体相比，含铜粉的等离子体点火产生的灼热粒子物质较多，更有助于发射药的点燃；而含铝粉的等离子体点火持续时间较长，使得发射药的燃气生成速率有了较大提高，改变了发射药的燃烧渐增性。说明金属粉的存在能够对等离子体的点火效能产生影响，通过选取匹配性的金属粉及等离子体的装填控制条件，有可能对发射药的燃烧规律进行控制。

发射药；金属粉；等离子体；点火；密闭爆发器

近年来基于毛细管电弧放电的等离子体点火技术以其低点火延迟、高稳定性和对不同温度环境的高适应性，被广泛应用于电热化学发射装置中。其工作原理为：通过大容量高功率脉冲电源向等离子体发生器放电，将电能转化为等离子体的内能与等离子体内粒子及粒子团簇高速运动的动能，并喷入燃烧室点燃固体或液体发射药，燃烧产生的大量气体为弹丸发射提供动力[1-2]。众多研究机构针对等离子体与发射药的相互作用机理问题开展了研究工作，美国Thynell 等人[3-5]主要针对等离子体射流的辐射特性，得到了辐射能流峰值与注入电能峰值间的时间关系，对毛细管放电等离子体发生器中爆炸金属丝的材料和直径对发生器辐射输出特性进行了研究。英国QinetiQ 公司[6-9]则关注了等离子体发生器内的熔丝起爆过程，同时提出了一种“闪纸”等离子体发生器结构，可去除毛细管，直接采用爆炸金属丝作为等离子体发生器，认为这种设计可以显著提升辐射能量的传输效率。以色列Soreq 研究所的Alimi[1,5]将等离子体作为外加能量源，获得了等离子体对含能材料自持燃烧阶段燃速的综合影响。国内也开展了这方面的研究工作[10-14]，然而关于不同金属粒子在等离子体点火中的作用并没有相关研究工作。

本文针对不同金属粉在等离子体点火中的作用问题进行了深入研究。设计加工了新型圆盘状等离子体发生器，开展了空气中的等离子体点火试验及密闭爆发器试验研究。

1 试验部分

1.1 敞开环境的发生器试验

为了研究金属粉对等离子体点火的影响机理，设计了圆盘状等离子体发生器，在敞开环境中采用空白发生器、含不同金属粉的发生器进行点火，采用高速摄像仪在同一地点、相同拍摄参数下进行拍摄，从而获得金属粉对等离子体生成的影响。试验装置如图1所示，熔丝放置于圆盘蛇形槽两电极中间，两电极连接高功率脉冲电源，金属粉末放置于蛇形槽中，将圆盘状发生器紧固于放电螺堵上。

图1 圆盘状等离子发生器Fig.1 The disk-shaped plasma producing device

1.2 密闭爆发器试验

密闭爆发器等离子体点火系统主要由高功率脉冲电源、密闭爆发器本体、等离子体发生器、泄放螺栓组成。密闭爆发器容积145mL，电爆炸丝采用镀银铜丝。采用不同金属粉的发生器进行了等离子体点火的密闭爆发器试验，在0.12g/cm3的装填密度下进行了试验，等离子体点火的充电电压为7kV。

2 结果及讨论

2.1 敞开环境的等离子体点火试验

在发生器的蛇形槽中分别添加铝粉和铜粉各0.5g，在敞开的环境中进行了点火试验，点火电压为7kV，高速摄像仪的拍摄速率为50 000幅/s，试验结果如图2～4所示。

图2 空白发生器等离子体点火Fig.2 Plasma ignition of blank producing device

图3 含铝粉的发生器等离子体点火Fig.3 Plasma ignition of producing device filling aluminium powder

从图2中看到无金属粉的等离子体形态图片中火焰周边光滑，没有粒子状物质存在；图3含铝粉的等离子体形态图片中火焰周边有较少斑点存在，因此有较少的粒子状物质存在；图4含铜粉的等离子体形态图片中，火焰及火焰周边均有较多的斑点存在，说明有大量的粒子状物质存在。高温粒子的存在能够作用于发射药表面，对发射药进行烧蚀加热，从而形成热点并点燃发射药，大量粒子的存在有助于发射药点火的全面性、同时性、瞬间性。

对等离子体点火的持续时间进行了测量，如表1所示。从表1可见，无金属粉的等离子体持续时间明显低于有金属粉的等离子体，含铝粉的等离子体持续时间最长。这说明含铝粉的等离子体点火使得铝粉大部分已经点燃并持续燃烧，因此含铝粉的等离子体中粒子状物质较少，含铜粉的等离子体点火将大部分铜粉加热成高温的粒子状物质，铜粉燃烧时间较短，因此含铜粉的等离子体持续时间远小于含铝粉的等离子体。等离子体点火的持续时间越长越有助于对发射药的点火，但是当发射药全面燃烧后，持续的点火就没有意义，应当根据发射药的点火性能选取合适的点火时间，达到使发射药全面燃烧即可。

表1 不同条件下等离子体点火持续时间Tab.1 The continuance time of plasma ignition on different condition

2.2 密闭爆发器等离子体点火试验

采用RGD7发射药，对不同金属粉的等离子体点火进行了密闭爆发器试验，试验结果如表2所示。

表2 密闭爆发器的试验结果Tab.2 The closed bomb experiment results

对实验的p——t曲线进行了处理，获得了u——p曲线和L——B曲线，给出了常规点火压力10MPa下的起始段p——t曲线，如图5～8所示。在相同的装药量和充电电压下进行了试验，由表2可见，在金属粉均装填0.5g的条件下，含铝粉的等离子体点火最大压力为166MPa，发射药燃烧时间为10ms，由图6可见，达到10MPa的时间为4.51ms；由表2可见含铜粉的等离子体点火最大压力为167MPa，发射药燃烧时间为9ms，由图6可见，达到10MPa的时间为3.15ms，较含铝粉的等离子体点火时间短了1.36ms。

从图5可见，含铜粉的p——t曲线位于含铝粉的p——t曲线左面，提前1ms左右。含铜粉的等离子体在较短的时间（3.15ms）内使得压力上升到了10MPa，结合图4可知由于含铜粉的等离子体产生了大量的灼热颗粒物质，使得发射药能够更全面、瞬间地被点燃。这说明不同金属粉的等离子体对发射药的点火有较大的影响，能够产生较多颗粒物的金属粉有助于发射药的起始点燃，本文条件下，含铜粉的等离子体较含铝粉的等离子体更有助于发射药的点燃。

由图7可见，含铝粉的u——p曲线略高于含铜粉的u——p曲线，这说明铝粉的存在使得发射药在燃烧过程中的燃速略微增加，由图8可见，含铝粉的L——B曲线在0.6之前要高于含铜粉的L——B曲线，这说明铝粉使得发射药在最大压力前半部分（L——B曲线的0.6之前）的燃气生成速率有了较大增加，改变了发射药的燃烧渐增性。这可能由于铝粉在等离子体点火中燃烧更充分，持续时间更长，从而在较大程度上参与了发射药的燃烧过程，使得发射药的燃烧规律发生了改变。金属粉的存在不但对等离子体的点火效能有影响，还能够在一定程度上改变发射药的燃烧规律，通过选取匹配性的金属粉及等离子体的装填控制条件，有可能对发射药的燃烧规律进行控制。

图5 密闭爆发器试验p——t曲线Fig.5 The p——t curves of closed bomb experiment

图6 密闭爆发器试验起始段p——t曲线Fig.6 The beginning p——t curves of closed bomb experiment

图7 密闭爆发器试验u——p曲线Fig.7 The u——p curves of closed bomb experiment

图8 密闭爆发器试验L——B曲线Fig.8 The L——B curves of closed bomb experiment

3 结论

（1）含铜粉的等离子体点火能够产生较多的灼热颗粒物质，不同的金属粉在等离子体点火中的形貌特征差距较大，含铜粉的等离子体较含铝粉的等离子体更有助于发射药的点燃。

（2）含铝粉的等离子体点火在较大程度上参与了发射药的燃烧过程，提高了发射药的燃速，改变了发射药的燃烧渐增性，通过选取匹配性的金属粉及等离子体的装填控制条件，有可能对发射药的燃烧规律进行控制。

[1]Li XW, Li R, Sun H, et al. Ferromagnetic material effects on air arc behavior[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2009, 37(3): 463-469.

[2]Zhang Qi, Yu Yong-gang, Lu Xin, et al. Experiment on plasma-liquid interaction in a stepped-wall chamber[J]. Explosion and Shock Waves, 2011,31(3):311-316.

[3]Taylor MJ, Woodley CR. Comparison from modelling and experiment of electrothermal plasma temperature and pressure within granular propellant beds[C]//12th Symposium on Electromagnetic Launch Technology. New York: Fair HD Editor, 2004.

[4]Z. G. Xiao, A. W. Xue, S. J. Ying, et al, Experimental studies of propellant loading parameters and plasma flow-field interactions[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2009, 45(4):514-517.

[5]Li R, Li XW, Jia S L, et al. Study of different models of the wall ablation process in capillary discharge[J].IEEE Transactions on Plasma Science, 2010, 38(4): 1 033-1 041.

[6]Woodley CR. Mixing processes of plasmas in electrothermalchemical guns[C]//12th Symposium on Electromagnetic Launch Technology. New York:Fair H D, 2004.

[7]Zhenggang X, Aowei X, Sanjiu Y, et al. Experimental studies of propellant loading parameters and plasma flow-field interactions[J].IEEE Transactions on Magnetics,2009,45(1): 514-517.

[8]Yong J, Baoming L. Calculation of plasma radiation in electrothermal-chemical launcher [J]. Plasma Science and Technology, 2014, 16(1): 50-52.

[9]Li X, Li R, Jia S, et al. Interaction features of different propellants under plasma impingement[J]. Journal of Applied Physics, 2012,112(6): 214-219.

[10]张玉成,李强,张江波,等. Sf-3发射药的等离子体点火中止燃烧试验[J].火炸药学报,2009,32(03):75-78.

[11]张玉成,赵晓梅,严文荣,等.空气电弧等离子体作用下发射药的燃烧特性[J].火炸药学报,2010,33(02):65-68.

[12]张玉成,严文荣,张江波,等.用于电热化学炮的放电毛细管烧蚀模型研究[J].火炸药学报,2013,36(4):57-60.

[13]张琦,余永刚,刘东尧,等.脉冲等离子射流与液体工质相互作用特性实验研究及数值模拟[J].兵工学报,2012,33(5): 518-524.

[14]Hang Y, Li X, Wu J, et al. Study of the pitting effects during the pre-ignition plasma–propellant interaction process [J]. Journal of physics D: Applied physics, 2016, 49(16):7-10.

Research on the Effect of Plasma Ignition with Different Metal Powder

ZHANG Jiang-bo，LIANG Lei，ZHANG Yu-cheng，LIU Yi，ZHAO Yu-hua，YAN Guang-hu，LI Qiang，XIAO Xia
(Xi’an Modern Chemistry Research Institute, Xi’an ,710065)

In order to research the appearance characteristics of different metal powder in plasma ignition, and the effect on ignition and combustion properties of gun propellant, the new-type disk-shaped plasma producing device was designed, and the plasma ignition experiment using aluminium and copper powder were carried out, under the opening and closed bomb environment. The results showed that comparing with the aluminium powder, copper powder in plasma ignition generated more ardor granules and helped to ignite gun propellant. Meanwhile, aluminium powder in plasma ignition had a longer combustion time, so that the gun propellant gas producing ratio was increased, and the progressive burning was changed. As a result, the metal powder have an influence on the plasma ignition efficiency. Through choosing the matching metal powder and the loading controlling condition of plasma, the gun propellant burning rule could be controlled.

Gun propellant；Metal powder；Plasma; Ignition；Closed bomb

TQ562

A

1003-1480（2016）06-0032-04

2016-09-27

张江波（1982 -），男，副研究员，主要从事发射药及装药技术研究。