等离子体增强固体火药燃烧性能的实验研究
2016-09-19李兵，李媛，廖昕
李 兵，李 媛，廖 昕
(1.南京理工大学化工学院，江苏 南京 210094；2.西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099)
等离子体增强固体火药燃烧性能的实验研究
李兵1，2，李媛2，廖昕1
(1.南京理工大学化工学院，江苏 南京 210094；2.西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099)
利用300mL电热化学密闭爆发器研究了在不同输入电能、装填密度和初始温度下等离子体点火对某混合酯高能19孔花边形固体火药颗粒燃烧性能的影响；分析了上述不同条件下等离子体对该固体火药燃烧速率影响的变化规律。结果表明，输入等离子体电能从15.4kJ增大到61.6kJ后，固体火药燃速在100MPa时提高106%，200MPa时提高30%，300MPa以上燃速无明显变化；等离子体点火对低温火药燃烧初期和中期的燃速均有显著的增强作用，对高温火药点火燃烧初始燃速的增强作用较为明显。
等离子体；固体火药；密闭爆发器；燃烧性能；电热化学发射
引 言
电热化学发射技术(ETC)主要利用电能产生的等离子体来增强工质的作功能力，通过电弧等离子体与含能工质的相互作用，产生高温、高压燃气来发射弹丸，是推进技术的一种新发射原理[1-3]。国外通过等离子体点火定容燃烧实验，对等离子体与火药的传热和化学反应机理进行了广泛深入的研究[4-8]。Bourham、Lieb等[8-9]对JA2火药进行了研究，结果表明等离子体点火增强燃速效应明显，其原因为高温等离子体的辐射效应、火药侵蚀燃烧以及表面形成微孔等。Woodley和Wildegger-Gaissmaier[10-11]讨论了密闭爆发器条件下的燃速增强特性，给出了各自修正后的等离子体作用下火药燃速公式，前者得到的修正系数与等离子体电功率有关，后者给出的修正系数与等离子体温度和火焰温度有关。在电热化学发射过程中，利用7000～10000K高温等离子体增强固体火药的点火及燃烧性能，不仅可以大大减少固体火药点火的延迟时间[12-13]，提高点火一致性，还能有效消除发射装药初温的影响[14-17]。
本研究利用300mL大容积密闭爆发器实验装置，对某混合酯高能固体火药颗粒在不同装填密度、输入电能和初始温度条件下的等离子体点火燃烧进行了实验研究，探索了等离子体增强固体火药燃速效应的基本规律，尤其是高、低、常温下等离子体点火电能对固体火药燃速的不同影响，为固体火药电热化学炮应用等离子体点火与温度补偿技术提供了参考。
1 实 验
1.1样品和仪器
混合酯高能固体火药，19孔花六边形，主要成分为硝化二乙二醇、硝化甘油、硝化棉，密度为1.6kg/dm3，爆热为4600kJ/kg。
电流互感器、分压器、GL-800电位隔离放大器，南京理工大学；压阻式压力传感器，西北机电工程研究所； TDS3014数字示波器，美国泰克公司； DEWE3100数采系统，奥地利Dewetron公司。
1.2实验装置
等离子体与固体火药的点火燃烧特性实验装置如图1所示。该装置主要由等离子体发生器、高压密闭爆发器、压力传感器等组成。高压密闭爆发器体积为300mL，燃烧室内径为45mm；等离子体发生器直径为16mm，长度为120mm，表面为铜膜。
图1 实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental device
1.3实验方法
通过外部1MJ脉冲功率电源控制电容量和放电电压来调整高压放电的输入电能，使燃烧室内中心等离子体发生器的铜膜发生电离产生高温等离子体，并点燃燃烧室内的固体火药。等离子体负载电压和电流值采用电流互感器、分压器、数字示波器测试；燃烧室压力采用压阻式传感器、电位隔离放大器、DEWE3100数采系统测量。
2 结果与讨论
2.1不同输入电能对等离子体点火特性的影响
在常温18℃及装填密度0.35kg/dm3条件下，比较两种不同电能密度等离子体对19孔花边形固体火药颗粒点火燃烧特性的影响，每组2发。实验结果见表1，实测p-t曲线和处理得到的u-p曲线如图2所示。
表1 不同输入电能对点火特性的影响
注：E为输入电能；u为燃速。
图2 不同初始电能对应的p-t和u-p曲线Fig.2 p-t and u-p curves corresponding to different initial electric energies
从表1和图2可以看出，与输入电能15.4kJ相比，输入电能为61.6kJ时固体火药燃烧的最大压力明显增大(△p=53MPa)，燃烧结束时间缩短(△tm=-4.53ms)，燃速在100MPa时提高了106%，在200MPa时提高了30%，而在300、400、500MPa时燃速则基本相同。此结果表明，脉冲电源输入发生器的电能多，铜膜电爆炸产生的等离子体温度高、压力大、电子数多，单位时间内注入燃烧室的等离子体热焓增大，固体火药接收到的热流量增多，能更有效地加热固体火药表面，从而使固体火药更快着火和燃烧，实现增强固体火药初始燃烧速率的目的。随着等离子体的消失，固体火药将按照其自身的燃速继续燃烧。
2.2不同装填密度对等离子体点火特性的影响
在常温18℃和输入电能15.4kJ条件下，比较两种不同装填密度时等离子体对固体火药颗粒点火燃烧特性的影响，每组2发。实验结果见表2，实测p-t曲线和处理得到的u-p曲线如图3所示。
表2 不同装填密度对点火特性的影响
从表2和图3可以看出，在较小的输入电能下，两种不同装填密度的固体火药燃烧速率基本相同，说明小电能等离子体点火仅仅保障固体火药的正常燃烧，没有增强燃速的效果。
图3 不同装填密度对应的p-t和u-p曲线Fig. 3 p-t and u-p curves corresponding to different loading densities
2.3不同初始温度对等离子体点火特性的影响
在装填密度为0.27kg/cm3，考察了不同输入电能时等离子点火对固体火药颗粒在高温50℃、低温-40℃、常温18℃条件下燃烧性能的影响，并与常规硝化棉点火进行对比，每组2发，结果见表3，其常、高、低温下等离子点火燃速曲线如图4所示。
图4 不同温度下等离子体点火燃速对比Fig. 4 Comparison of burning rates by plasma ignition at different temperatures
样品编号点火方式t/℃E/kJu/(dm·s-1)50MPa100MPa150MPa200MPa1NC-400.5691.0031.3971.7682NC180.5420.9961.4211.8223NC500.5441.0281.4921.9424等离子体-40250.6081.0201.5121.8115等离子体18250.5831.0291.4861.8256等离子体18360.6191.0901.7151.9157等离子体50250.6021.0841.5281.951
由表3及图4(a)可以看出，常温下等离子体点火(样品5，样品6)与常规点火(样品2)相比，不同压力时等离子体点火的火药燃速均比常规点火的火药燃速高：输入25kJ电能时(样品5)，在50MPa时高7.5%，100MPa时高3.3%，150MPa时高4.6%，200MPa时高0.2%；输入36kJ电能时(样品6)，在50MPa时高约14%，100MPa时高9.4%，150MPa时高21%， 200MPa时高5.1%。
由表3及图4(b)可以看出，高温下输入25kJ电能时等离子体点火(样品7)与常规点火(样品3)相比，50MPa时等离子体点火的燃速比常规点火的燃速高11%，100MPa时高5.4%，150MPa时高2.4%，200MPa时仅高0.5%，其燃速增加的幅度很小。
由表3及图4(c)可以看出，低温下输入25kJ电能时等离子体点火(样品4)与常规点火(样品1)相比，燃烧压力在50MPa时等离子体点火的燃速比常规点火的燃速高约7%，100MPa时高1.7%，150MPa时高8.2%，200MPa时高2.4%。
上述结果表明，对于该混合酯高能固体火药，分别在高温、低温、常温时，等离子体点火条件下固体火药燃烧初期(50MPa内)的燃速均显著增大。常温和低温下100MPa时等离子体点火对燃速的增幅缩小，而在150MPa时燃速增幅又显著上升。尤其是常温条件下随着输入电能的增大，燃速增大的幅度最大，这充分证明了增加等离子体的输入能量可有效增加固体火药的燃烧速率。而高温条件下，等离子体点火对燃速的增幅随压力增大呈逐步缩小的趋势。
3 燃速增强机理分析
通过不同输入电能、不同装填密度和不同初始温度的固体火药颗粒等离子体点火密闭爆发器实验研究发现，等离子体点火对火药燃速的增强效果与火药初温、等离子体点火压力、等离子体温度、电子数量等多种因素相关。
常温下输入15.4kJ电能时，实测等离子体点火压力为10.5MPa，计算得等离子体爆炸温度为4987K。金属铜只发生一阶电离，产生的电子数量少，等离子体点火对固体火药颗粒辐射和对流传热的效果有限，其对火药燃速的增强作用就很小。
常温下输入25kJ电能时，实测等离子体点火压力为19.8MPa，计算得等离子体爆炸温度为5976K。金属铜不仅发生一阶电离，还有少量铜发生二阶电离，产生的电子数量增多。因此高温等离子体对固体火药颗粒表面的辐射传热和光解作用使得点火初期火药燃速产生增强，其高温高压电子对固体火药颗粒表面的侵蚀，使火药颗粒燃烧的表面积部分增大，在150MPa附近还对火药燃速有二次增强效果。
常温下输入36kJ电能时，实测等离子体点火压力为30.2MPa，计算得等离子体爆炸温度为6945K。金属铜在发生一阶电离的同时，还有更多的铜发生二阶电离，产生的电子数量更多。高温等离子体对固体火药颗粒表面的辐射传热和光解作用更强，对点火初期火药燃速增强效果明显，同时高温高压电子对固体火药颗粒表面的侵蚀效果加强，使火药颗粒燃烧的表面积继续增大，在150MPa时火药燃速存在显著的二次增强效果。
常温下输入61.6kJ电能时，实测等离子体点火压力为49.6MPa，计算得等离子体爆炸温度为8012K。金属铜全部发生二阶电离，产生的电子数量最多。高温等离子体对固体火药颗粒表面的辐射传热和光解作用最强，同时高温高压电子对固体火药颗粒表面的侵蚀也最为迅速，火药颗粒燃烧的表面积增幅最大，故而对火药点火初期燃速增强作用尤为显著，其后随着压力的升高火药燃速的增强幅度逐渐减弱。
低温下火药表面冷硬，同样输入25kJ电能时，高温等离子体对固体火药颗粒表面的辐射传热作用使得点火初期火药燃速产生增强，同时高温高压电子对固体火药颗粒表面的侵蚀，使火药颗粒燃烧的表面积增大，在150MPa时产生燃速二次大幅增强。
高温下火药表面软黏，同样输入25kJ电能时，高温等离子体对火药表面的热分解速率显著增加，火药点火初期燃速增强作用大，而其高温电子侵入火药颗粒表面发生燃烧面增大的作用则不明显。
4 结 论
(1)常温下输入15.4kJ电能时，等离子体点火压力与温度较低，对火药燃速基本没有增强作用，而且与装填密度关系不大。
(2)常温下分别输入25、36、61.6kJ电能时，等离子体点火均可以有效增强固体火药的燃速，且输入电能越大，固体火药燃速增幅越大，因此可通过调节输入电能控制固体火药的燃速。
(3)高温和低温下同样输入25kJ电能时，等离子体点火对低温火药燃烧初期燃速和燃烧中期燃速均有显著的增强作用，而对高温火药初始燃速有较大的增强。
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Experimental Study on the Enhancement Effect of the Combustion Performance of Solid Powder with Plasma
LI Bing1,2, LI Yuan2, LIAO Xin1
(1.School of Chemical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nangjing 210094, China; 2.The Northwest Institute of Mechanical and Electrical Engineering, Xianyang Shaanxi 712099,China)
The effect of plasma ignition at different input power, different loading densities and different initial temperatures on the combustion performance of a 19-hole petal mixed-ester high-energy solid propellant grain was studied by a 300mL electrothermal chemical closed bomb. The variation rule affecting the burning rate of the solid propellant by plasma under above-mentioned different conditions was analyzed. The results show that when the input electric energy increases from 15.4kJ to 61.6kJ, the burning rate of the solid powder enhances by 106% at 100MPa, and by 30% at 200MPa, but the burning rate has no obvious change at above 300MPa. The burning rate in the initial and the middle combustion of the powder at low temperature can be obviously enhanced by plasma ignition, while the initial burning rate enhancement for powder at high temperature becomes more significant.
plasma;solid powder;closed bomb;combustion performance;electrothermal-chemical launch
10.14077/j.issn.1007-7812.2016.04.017
2015-11-27；
2016-05-30
李兵(1964-)，男，研究员级高级工程师，从事火炮内弹道及发射装药技术研究。E-mail：libing20205@163.com
TJ55;O643.2
A
1007-7812(2016)04-0087-05
