小型电热加速器的研究

2018-07-11何福明夏江南汪伟吴赵理李明

电子测试 2018年12期

何福明，夏江南，汪伟，吴赵理，李明

（桂林理工大学理学院，广西桂林，541004）

0　引言

电热加速器，也叫电热炮，是电炮家族的重要成员。电热炮是全部或部分地利用电能加热工质来推进弹丸的发射装置。本次主要针对小型电热加速器的效率，电压及工质做研究，由于目前的电热加速器主要口径都在20mm以上，电压在10–50kv左右，小型的电热加速器研究较少，本次对小型电热加速器的研究提供了小型电热加速器的数据模型，并提供了一种便携化的思路。

1　系统研制与设计

1.1　制作器材

使用纤维强化尼龙管做为加速器主体，规格为（长100mm，外径55mm，内径5mm）设计承压70mpa，使用6mm内径的无缝钢管作为加速管，采用黄铜螺钉作为电极，电容组采用了1200v1260uf的薄膜电容做为储能装置，理论储能907.2j。采用最大量程500m/s的光电门作为速度计量装置（误差±5m/s），工质主要采用了铝箔和水混合

1.2　加速器的设计

根据的材料强度及能达到的功率来设计，由于材料在1200v时是铝箔发生快爆炸产生等离子体的较低的电压，故采用1200v的电容组作为储能装置，加速器体积不宜过大，要便于加工，故采用了纤维加强的尼龙棒进行加工，并依据文献[1]给出的等离子扩散速度和电枢在加速管内的移动距离导致的压力衰减确定设计压力为70mpa，这样既可以保证体积不会太大，也可以保证实验人员的安全性。另外，由于开关接触过程中会产生大量的电弧，经查阅资料，采用了类似高压电站的高速铡刀开关，既便于加工，又可达到效果。

图1　电热化学炮工作原理图

1.3　制作流程

主要包括:尼龙管的加工，电极的安装，工质的配比等，根据文献[2]给出的水的汽化热，及预计的能量转化效率，使用0.5ml的水及1㎜²的铝箔混合作为工质，预计的电热转化效率为30%。根据文献资料电能基本保持不变时,推进剂自身消耗能量过大。随着推进剂质量减少,发射过程中未汽化的水含量减少,并且电能密度相应增加,因此弹丸炮口速度有所增加。

2　装置的测试与性能研究

2.1　不同电压下的初速测试

图2　数据模型

虽然知道铝箔产生等离子体的合适电压为1200v，仍然测试了不同电压下的加速器效率，从600v开始，加速器中的铝箔能发生快爆炸，一直测试直1200v，发现在600v时药室中和加速管口仍有少量铝箔材料剩余，这说明在电压较低时，铝箔表面通过的电流密度较低，并不能完全形成等离子体将水汽化，导致有残渣剩余，而在电压800v时，加速管口有少量液体剩余，可见少量粒状铝箔残渣，说明此时的等离子化仍不完全，在1200v时，发现加速管口仅剩余小水珠状液体，无明显可见粉末，说明电压是影响铝箔等离子化的重要因素，依据所得数据，建立了如图2的数据模型。

可以发现在电压较高时，效率有明显的提高这也是大量正在研究的加速器采用高压电容组的原因。

图3　实物图

2.2　工质的设计与实验

通过学习《电炮原理》，查阅相关论文发现，水等离子体即单一的氢氧原子，才是加速的主体。实验也印证了这一点，在1.2kv，1260uf的定量条件下，分别使用铝粉，纯水，铝箔，铝粉与水混合物，铝箔与水混合得到以下实验结论。

表1　实验结论数据

纯水的效率为0，可能是由于纯水导电差，无法有效形成等离子通道，而是单单电解了水而导致的，在纯金属工质的实验中，铝粉效率较低，粉末间隙较大，也不利于形成等离子通道，而铝箔接触良好在纯金属工质的实验中略胜一筹.在加入水之后情况有了明显改变，铝粉由于接触面积大，能更好的激发水转化为“水等离子”，效率大大提高，也印证了文献中，水作为主体推进剂的作用

2.3　开关的研究与制作

开关闭合速度不能有效控制，也无法测量，实验多出了一个误差较大的变量，对数据的测量有严重的影响。空气开关的闭合速度较慢，在接触过程中会产生大量的电弧，消耗大量能量，使系统整体的效率严重降低，通过和老师的交流，了解到工厂内的开关通过快速闭合解决了灭弧的问题，计划制作类似的铡刀开关，用一导电良好的紫铜片做铡刀，用弹簧牵引，使闭合端的速度稳定在23m/s，系统效率稳定在16%，减少了实验中的无关变量。

2.4　加速器的靶版测试

实验使用1mm，1.5mm，2mm的钢板作为靶材，对其进行击穿实验利用德玛尔公式: b*K^1.43=Vc^1.47*m^0.715/d^1.05（b和d单位常用dm(=100mm),Vc用m/s，m用Kg计算。）靶材为低碳钢板，经验k值为1530，vc取最大速度460m/s，测试距离10cm。算得理论击穿厚度为0.15cm，在实际实验中，2mm钢板同样出现了破损，这可能是由于德玛尔模型中采用了柱状弹丸的缘故。