铜柱测压器在电热化学发射试验中的应用研究

2020-12-01杨春霞倪琰杰栗保明

工程与试验 2020年3期

杨春霞，金涌，刘健，倪琰杰，栗保明

(南京理工大学瞬态物理重点实验室，江苏南京 210094)

1 引言

铜柱测压器的工作原理是通过测量铜柱的轴向塑性变形推算出作用在铜柱上的最大压力。铜柱测压器因其使用简单，成本低廉，采用放入式结构，精度足以估算出峰值压力，在压电传感器应用了50多年后的今天仍然用于弹药试验中[1]。

电热化学发射技术作为一种新概念发射技术受到广泛的关注[2]，是在传统火炮发射技术的基础上引入了能改善点火及膛内燃烧的等离子体，而等离子体是通过电能产生的。电热化学发射技术是传统发射技术的一次改革，免去了底火带来的安全性问题，同时也给火炮引入了强大的脉冲电流，用来产生等离子体的脉冲电流可以达到数百千安。在电热化学发射技术研究中，不可避免地要使用各种测量手段，强大的脉冲电流对测量是否有影响，这是值得研究的课题。

国内孔德仁等对铜柱测压的动态校准机理开展了研究[3]，崔春生等人对铜柱测压器在油井和常规火炮中的应用进行了理论与试验研究[4]，而铜柱测压器在电热化学发射试验中的应用研究未见报导。本文针对电热化学炮中的脉冲电流给铜柱测压可能带来的影响进行探讨。

2 原理

图1是等离子体发生器与测压器的电流与磁场关系示意图。电流I是通过输电装置输入到等离子体发生器的脉冲电流，根据右手螺旋法则，在测压器上产生了感应磁场B。I是变化的电流，随着电流I的变化，磁场B也相应地产生变化，因而在测压器上产生了感应电流i，通过等离子体发生器的脉冲电流会使测压器受到一定的电磁力Fw。测压器主要由覆铜本体、钢质活塞和铜柱构成，不同的材料和大小使得测压器各部件受力情况有所不同[5]。

图1 等离子体发生器与测压器电流与磁场原理图

3 计算与分析

图2是根据某口径电热化学炮中药筒、等离子体发生器以及铜柱测压器位置关系建立的模型，再输入图3所提供脉冲电源波形，计算铜柱测压器上产生的涡流以及受电磁力情况。输入脉冲电流周期为4ms，幅值1MA。等离子体发生器结构与某口径电热化学炮中实际应用情况相似。

图2 等离子体发生器与铜柱测压器计算模型

图3 计算采用的脉冲电源波形

图4和图5为2ms时刻铜柱和活塞上的感应涡流密度云图，表1是t=2ms时刻测压器上主要部件的电磁力。

图4 2ms时刻铜柱的感应涡流密度云图

图5 2ms时刻测压器活塞的感应涡流密度云图

表1 测压器立式放置2ms时刻测压器主要部件电磁力

根据铜柱受力情况，这里仅考虑y方向的受力。图6是铜柱与活塞的受力图(需注明的是，测压器本体与铜柱接触，火药气体压力通过测压油作用在活塞上)，Fw是测压器本体传递给铜柱的电磁力，Ft是铜柱受到的电磁力，Fh是活塞受到的电磁力，Fp是火药气体在活塞上的作用力，因此，y方向的力大小为：

F=Fp-Fh+Ft+Fw

电磁力与火药气体压力的比值为：

假设火药气体压力：

Fp=500MPa×0.125cm2=6250N

那么：

=1.42×10-5

图6 铜柱与活塞的受力图

国军标GJB 2973A-2008要求的铜柱膛压测量最大允许误差为±4%，与η值相比仍然有3个量级的差距。因此，可以认为由感应涡流而产生的电磁力对铜柱测压的测量值没有影响。

研究还对铜柱测压器卧式放置模型(见图7)进行了计算，主要部件电磁力见表2。

图7 铜柱测压器卧式放置时的计算模型

表2 2ms时刻测压器主要部件电磁力

结合铜柱测压受力情况，这里考虑z方向的力。此时，电磁力与火药气体压力之比为：

=5.68×10-6

从上述计算结果的量级上看，测压器卧式放置情况下，因感应涡流而产生的电磁力对铜柱测压测量值不会产生影响。相对而言，铜柱测压器卧式放置比立式放置情况下影响要更小些。但考虑到国军标中建议在使用铜柱测压器时活塞孔应朝向炮口，因此在电热化学发射试验中，仍可以采用铜柱测压器进行最大膛压的测量，测压器仍应采用立式放置，活塞孔朝向炮口。