基于密闭爆发器的等离子体诊断系统研究

宋 鹏，钟孟春，毛保全



基于密闭爆发器的等离子体诊断系统研究

宋 鹏，钟孟春，毛保全

（装甲兵工程学院兵器工程系，北京，100072）

为了快速有效地诊断火药燃烧时生成的等离子体密度，设计了一套基于密闭爆发器的等离子体诊断系统，并采用光谱法对等离子体进行诊断。诊断结果表明：通过设计的等离子体诊断系统可以诊断出火药燃烧时的发射光谱，从而获得相应的等离子体密度。

发射药；等离子体密度；密闭爆发器；光谱诊断

等离子体在火炮中的应用现在只限于电热化学炮。电热化学炮是通过脉冲电源的电弧放电产生等离子体，并与化学物质相互作用使其燃烧或分解释放出化学能作为共同驱动弹丸的能量[1]。相关的研究有等离子体与火药相互作用过程的研究[2]，以及等离子体发生器密封性能的研究等[3]。电热化学炮中的等离子体是由等离子体发生器产生，主要用于火药点火。但是，在火炮发射时，炮膛内高温高压的环境会使火药燃气发生电离，产生等离子体，目前，对于这部分等离子体的性能研究以及利用火药燃气产生的等离子体改善火炮性能的研究却未见报道。

本文设计了一套基于密闭爆发器的等离子体诊断系统，对火药燃烧时产生的等离子体进行研究。传统密闭爆发器的结构为密闭圆筒，无法进行等离子体的诊断。本研究在密闭爆发器壳体上开了一对透视窗口，采用光谱法对等离子体进行诊断。通过分析等离子体的发射光谱，获得等离子体的电子温度、电子密度等参数，为等离子体在提高火炮性能方面的应用研究提供了一定的依据。

1 等离子体诊断试验系统总体结构

等离子体诊断系统由密闭爆发器、信号采集、数据处理3大部分组成。其中密闭爆发器部分包括点火装置、透视窗口和泄压装置，信号采集部分包括压电传感器和光谱仪，数据处理部分包括电子温度和电子密度的计算。等离子体诊断系统总体结构如图1所示。

图1 等离子体诊断试验系统结构框图

2 等离子体诊断试验系统设计

2.1 等离子体诊断专用密闭爆发器

内弹道试验中使用的定容密闭容器称为密闭爆发器，其本体为由炮钢制成的圆状筒形结构，两端开口处内表面带有螺纹，一端使点火塞旋入并定位，另一端配备有用来卸载的排气装置[4]。本文的等离子体诊断专用密闭爆发器由一对宝石窗、一个压力传感器、点火装置、堵头以及燃烧室本体等组成，如图2所示。

图2 等离子体诊断专用密闭爆发器及光学窗示意图

一对宝石光学窗为光学系统提供高温高压条件下观测等离子体特性的通道，通过光谱仪获得燃烧室内等离子体场的分布。一个压力传感器测试燃烧室内压力变化情况。燃烧室本体两端使用堵头密封以研究火药燃烧室内等离子体的形成及其特性。点火装置及等离子体发生器用于引燃材料并产生等离子体。

燃烧室内径60mm，由于在火药燃烧室本体上开窗口，外径根据弹性强度极限确定的理论外形半径公式（1）并适当增大，取260mm，火药燃烧室本体长度550mm，根据加工工艺及强度要求，宝石窗口直径不能过大，宝石窗口直径26mm，宝石窗厚度25mm。宝石选用人造蓝宝石晶体，以保障在极高温度条件下光的透射性[5]。采用螺纹联接对宝石窗进行固定与密封。设计最大压力400MPa，压力余量为80MPa。

宝石材料力学性能：耐压强度2.1×104MPa；抗张强度1.9×103MPa。

式（1）中：σ为径向应力；1，2分别为内径和外径；1为内壁承受的压强。

以挤压面为最大危险面计算时，以两倍冲击压力作为静压力并以静载荷校核宝石窗口片：

式（2）中：[]为许用压应力，[]=1 080MPa；p为宝石窗口所承受的最大压强（数值为设计最大压强与压强余量之和），p=480MPa；为安全系数，=2。

以剪切面为最大危险面计算时，以两倍冲击压力作为静压力并以静载荷校核宝石窗口片：

式（3）中：p为宝石窗口所承受的最大压力（数值为设计最大压力与压力余量之和），p=480MPa；为剪切圆面直径，=6mm；为宝石窗厚度，=20mm。

式（4）中：[]为许用切应力，安全系数=2。

其中，许用切应力按脆性材料[]与许用拉应力的关系确定。

[]=（0.8~1.0）[]

取系数为0.9，[]=171MPa。

由计算结果可知，无论以挤压面为危险受力面，还是以剪切面为危险受力面，该尺寸结构的宝石窗强度符合要求。

2.2 压力测试系统

压电测压传感器主要适用于测量快速变化的动态压力。内燃机燃烧室的压力测量，各种爆炸冲击波压力测量，各种高压容器、管道内腔压力的动态测量(包括枪、炮膛内的压力测量)等，都广泛采用压电式测压传感器。本研究在火药燃烧室宝石窗的垂直侧面安装Ksitler压电传感器作为压力测试系统前端传感器，如图3所示，通过电荷放大器将采集到的信号传输到计算机。压力传感器测量范围0~600MPa，自然频率大于240kHz。

图3 Ksitler压电传感器

2.3 等离子体光谱测量系统

光谱法是基于物质与辐射能作用时，通过诊断由物质内部发生量子化的能级之间的跃迁而产生的发射、吸收或散射辐射的波长和强度进行分析的方法。光谱诊断法已经成为诊断等离子体的重要方法，不仅可以获得等离子体成分及其分布、电子密度和温度，还可以获得离子密度及温度、磁场分布等重要数据[6]。本试验系统采用海洋光学HR2000型光谱仪（如图4所示），测量波长范围是200~1 100nm，采样时间为毫秒级，本试验所测量的光谱均在此范围以内。

图4 海洋光学HR2000型光谱仪

3 等离子体诊断试验

3.1 试验药型

以现役大口径火炮发射药为背景，选用太根发射药（18/19）为研究装药类型，以400MPa的压强进行试验，加入除铜剂、消焰剂、护膛剂等附加剂研究火药燃烧时等离子体产生情况。

3.2 试验过程

试验室的温度应保持20℃左右，相对湿度不得大于85%。使用的等离子体测量专用密闭爆发器容积约为1.40L，结构上包括外壳、电极、螺旋塞、透视窗口等。外壳上开有传感器孔，用于安装传感器；螺旋塞上有两个小孔，电极塞插入其中，并且用AB胶绝缘与固定；螺旋塞旋入外壳中。在外壳中部穿孔，放入宝石光学窗，并用钛合金压螺压紧。测试过程中准确称量火药，并与点火药一起放入等离子体测量专用密闭爆发器内。爆发器组装密闭后，在外部通过发爆器引燃点火药以及火药。火药燃烧后，产生的高温高压燃气作用于压力传感器，由传感器产生的压电信号通过电荷放大器放大后，由计算机进行记录。高温高压环境会使气体发生电离，探头通过透视窗口收集等离子体发出的光谱，经光谱仪处理以后将光谱图传到计算机，进行数据处理与分析。

4 试验结果与处理

4.1 等离子体发射光谱图

由光谱仪获得的等离子体发射光谱图如图5所示，从图5中可以看出谱线主要包括了铜和铁的谱线。为了测量等离子体的电子密度和电子温度，选择铜的原子线和离子线。依据等离子体测量原理，可以得到等离子体的温度和密度。

图5 等离子体发射光谱图

4.2 数据处理

4.2.1等离子体温度诊断原理

以上原子发射光谱理论可知，激发温度与谱线强度I有如下关系：

式（5）中：A为从态到态的跃迁概率；g为能级的统计权重；I为谱线强度；E为能级能量；为处于各种状态的原子数；为原子所处能级的状态和；为等离子体温度；为普朗克常数；为光速；为玻尔兹曼常数。

表1 铜原子光谱线参数

Tab.1 Spectral line parameters of copper atom

4.2.2 等离子体密度诊断原理

该试验中，等离子体主要是由高温热电离产生的，且满足局部热力学平衡条件，因而萨哈方程是适用的。根据原子发射光谱理论，受激原子由高能级向低能级跃迁时，其能量将以光的形式辐射，产生特定的原子发射光谱[7]。在局部热力学平衡状态下，同种原子或离子两条发射光谱线的辐射强度比满足式（6）：

当等离子体在热力学平衡状态时，其电子、离子和中性原子的密度满足萨哈（Saha）方程：

若只考虑等离子体中原子单次电离对电子密度的贡献，结合式（6）和式（7）得到原子和一价离子谱线辐射强度满足式（8）：

（8）

式（8）中：n为电子密度；为光谱线波长；为原子线的强度；+为离子线的强度；m是电子的质量；为原子的一次电离电位；E为离子线激发电位；为原子线激发电位。

因此，在已知温度的情况下，只要测得同一元素的离子线和原子线强度比就可以算得电子密度n。通过计算可得等离子体密度为1.21×1011m-3。

5 结束语

本研究利用原子发射光谱方法，通过对传统密闭爆发器进行改进，提出了一种基于密闭爆发器的等离子体诊断方法。该方法能够同时诊断等离子体的温度和电子密度。通过试验诊断火炮发射时等离子体的温度和电子密度，验证了该方法的可行性，该研究可以为等离子体在火炮方面的应用提供一定的基础。

参考文献：

[1] 张小兵,袁亚雄,谢玉树. 等离子体点火密闭爆发器实验研究[J].火炸药学报, 2003(2):24-26,31.

[2] 谢玉树.等离子体与火药相互作用的研究[D].南京:南京理工大学,2005.

[3] 刘强,刘毅,张玉成,张江波.等离子体发生器密封性优化设计研究[J].火工品,2015(3):46-49.

[4] 毕文辉,严楠,付永杰.基于同时测试火工品输出多参量的爆发器设计[ J].火工品,2009(1):44-45.

[5] 杨保娇.介质阻挡放电等离子体中氧原子密度的发射光谱测量[D].大连:大连理工大学,2011.

[6] 周西林,李启华,胡德声.实用等离子体发射光谱分析技术[M].北京:国防工业出版社,2012.

[7] 谢会乔.SUNIST等离子体电子温度与密度的原子发射光谱诊断[D].北京:清华大学,2014.

The Study of Plasma Diagnosis System Based on Closed Bomb

SONG Peng，ZHONG Meng-chun，MAO Bao-quan

(Academy of Armored Forces Engineering，Beijing，100072)

In order to quickly and efficiently diagnose the plasma density generated from gunpowder combustion, a set of plasma diagnostic system based on closed bomb was designed, and the plasma was diagnosed by spectral method. The diagnosis results show that the emission spectrum generated from gunpowder combustion can be diagnosed through the plasma diagnosis system, then the corresponding plasma density can be obtained.

Propelling charge；Plasma density；Closed bomb；Spectrum diagnosis

1003-1480（2016）04-0054-04

TQ562

A

2016-04-01

宋鹏（1990 -），男，在读硕士研究生，主要从事武器系统设计研究。

武器装备军内科研项目（2014ZB03）。