不同金屬粉在等離子體點(diǎn)火中的作用研究

張江波，梁 磊，張玉成，劉 毅，趙煜華，閆光虎，李 強(qiáng)，肖 霞

（西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安，710065）

不同金屬粉在等離子體點(diǎn)火中的作用研究

張江波，梁 磊，張玉成，劉 毅，趙煜華，閆光虎，李 強(qiáng)，肖 霞

（西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安，710065）

為了研究不同金屬粉在等離子體點(diǎn)火中的形貌特征及對(duì)發(fā)射藥點(diǎn)火燃燒性能的影響，設(shè)計(jì)了新型的圓盤(pán)狀等離子體發(fā)生器，采用鋁粉和銅粉進(jìn)行了敞開(kāi)環(huán)境中的等離子體點(diǎn)火試驗(yàn)及密閉爆發(fā)器中的點(diǎn)火燃燒試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：與含鋁粉的等離子體相比，含銅粉的等離子體點(diǎn)火產(chǎn)生的灼熱粒子物質(zhì)較多，更有助于發(fā)射藥的點(diǎn)燃；而含鋁粉的等離子體點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，使得發(fā)射藥的燃?xì)馍伤俾视辛溯^大提高，改變了發(fā)射藥的燃燒漸增性。說(shuō)明金屬粉的存在能夠?qū)Φ入x子體的點(diǎn)火效能產(chǎn)生影響，通過(guò)選取匹配性的金屬粉及等離子體的裝填控制條件，有可能對(duì)發(fā)射藥的燃燒規(guī)律進(jìn)行控制。

發(fā)射藥；金屬粉；等離子體；點(diǎn)火；密閉爆發(fā)器

近年來(lái)基于毛細(xì)管電弧放電的等離子體點(diǎn)火技術(shù)以其低點(diǎn)火延遲、高穩(wěn)定性和對(duì)不同溫度環(huán)境的高適應(yīng)性，被廣泛應(yīng)用于電熱化學(xué)發(fā)射裝置中。其工作原理為：通過(guò)大容量高功率脈沖電源向等離子體發(fā)生器放電，將電能轉(zhuǎn)化為等離子體的內(nèi)能與等離子體內(nèi)粒子及粒子團(tuán)簇高速運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，并噴入燃燒室點(diǎn)燃固體或液體發(fā)射藥，燃燒產(chǎn)生的大量氣體為彈丸發(fā)射提供動(dòng)力[1-2]。眾多研究機(jī)構(gòu)針對(duì)等離子體與發(fā)射藥的相互作用機(jī)理問(wèn)題開(kāi)展了研究工作，美國(guó)Thynell 等人[3-5]主要針對(duì)等離子體射流的輻射特性，得到了輻射能流峰值與注入電能峰值間的時(shí)間關(guān)系，對(duì)毛細(xì)管放電等離子體發(fā)生器中爆炸金屬絲的材料和直徑對(duì)發(fā)生器輻射輸出特性進(jìn)行了研究。英國(guó)QinetiQ 公司[6-9]則關(guān)注了等離子體發(fā)生器內(nèi)的熔絲起爆過(guò)程，同時(shí)提出了一種“閃紙”等離子體發(fā)生器結(jié)構(gòu)，可去除毛細(xì)管，直接采用爆炸金屬絲作為等離子體發(fā)生器，認(rèn)為這種設(shè)計(jì)可以顯著提升輻射能量的傳輸效率。以色列Soreq 研究所的Alimi[1,5]將等離子體作為外加能量源，獲得了等離子體對(duì)含能材料自持燃燒階段燃速的綜合影響。國(guó)內(nèi)也開(kāi)展了這方面的研究工作[10-14]，然而關(guān)于不同金屬粒子在等離子體點(diǎn)火中的作用并沒(méi)有相關(guān)研究工作。

本文針對(duì)不同金屬粉在等離子體點(diǎn)火中的作用問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。設(shè)計(jì)加工了新型圓盤(pán)狀等離子體發(fā)生器，開(kāi)展了空氣中的等離子體點(diǎn)火試驗(yàn)及密閉爆發(fā)器試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)部分

1.1 敞開(kāi)環(huán)境的發(fā)生器試驗(yàn)

為了研究金屬粉對(duì)等離子體點(diǎn)火的影響機(jī)理，設(shè)計(jì)了圓盤(pán)狀等離子體發(fā)生器，在敞開(kāi)環(huán)境中采用空白發(fā)生器、含不同金屬粉的發(fā)生器進(jìn)行點(diǎn)火，采用高速攝像儀在同一地點(diǎn)、相同拍攝參數(shù)下進(jìn)行拍攝，從而獲得金屬粉對(duì)等離子體生成的影響。試驗(yàn)裝置如圖1所示，熔絲放置于圓盤(pán)蛇形槽兩電極中間，兩電極連接高功率脈沖電源，金屬粉末放置于蛇形槽中，將圓盤(pán)狀發(fā)生器緊固于放電螺堵上。

圖1 圓盤(pán)狀等離子發(fā)生器Fig.1 The disk-shaped plasma producing device

1.2 密閉爆發(fā)器試驗(yàn)

密閉爆發(fā)器等離子體點(diǎn)火系統(tǒng)主要由高功率脈沖電源、密閉爆發(fā)器本體、等離子體發(fā)生器、泄放螺栓組成。密閉爆發(fā)器容積145mL，電爆炸絲采用鍍銀銅絲。采用不同金屬粉的發(fā)生器進(jìn)行了等離子體點(diǎn)火的密閉爆發(fā)器試驗(yàn)，在0.12g/cm3的裝填密度下進(jìn)行了試驗(yàn)，等離子體點(diǎn)火的充電電壓為7kV。

2 結(jié)果及討論

2.1 敞開(kāi)環(huán)境的等離子體點(diǎn)火試驗(yàn)

在發(fā)生器的蛇形槽中分別添加鋁粉和銅粉各0.5g，在敞開(kāi)的環(huán)境中進(jìn)行了點(diǎn)火試驗(yàn)，點(diǎn)火電壓為7kV，高速攝像儀的拍攝速率為50 000幅/s，試驗(yàn)結(jié)果如圖2～4所示。

圖2 空白發(fā)生器等離子體點(diǎn)火Fig.2 Plasma ignition of blank producing device

圖3 含鋁粉的發(fā)生器等離子體點(diǎn)火Fig.3 Plasma ignition of producing device filling aluminium powder

從圖2中看到無(wú)金屬粉的等離子體形態(tài)圖片中火焰周邊光滑，沒(méi)有粒子狀物質(zhì)存在；圖3含鋁粉的等離子體形態(tài)圖片中火焰周邊有較少斑點(diǎn)存在，因此有較少的粒子狀物質(zhì)存在；圖4含銅粉的等離子體形態(tài)圖片中，火焰及火焰周邊均有較多的斑點(diǎn)存在，說(shuō)明有大量的粒子狀物質(zhì)存在。高溫粒子的存在能夠作用于發(fā)射藥表面，對(duì)發(fā)射藥進(jìn)行燒蝕加熱，從而形成熱點(diǎn)并點(diǎn)燃發(fā)射藥，大量粒子的存在有助于發(fā)射藥點(diǎn)火的全面性、同時(shí)性、瞬間性。

對(duì)等離子體點(diǎn)火的持續(xù)時(shí)間進(jìn)行了測(cè)量，如表1所示。從表1可見(jiàn)，無(wú)金屬粉的等離子體持續(xù)時(shí)間明顯低于有金屬粉的等離子體，含鋁粉的等離子體持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)。這說(shuō)明含鋁粉的等離子體點(diǎn)火使得鋁粉大部分已經(jīng)點(diǎn)燃并持續(xù)燃燒，因此含鋁粉的等離子體中粒子狀物質(zhì)較少，含銅粉的等離子體點(diǎn)火將大部分銅粉加熱成高溫的粒子狀物質(zhì)，銅粉燃燒時(shí)間較短，因此含銅粉的等離子體持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)小于含鋁粉的等離子體。等離子體點(diǎn)火的持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)越有助于對(duì)發(fā)射藥的點(diǎn)火，但是當(dāng)發(fā)射藥全面燃燒后，持續(xù)的點(diǎn)火就沒(méi)有意義，應(yīng)當(dāng)根據(jù)發(fā)射藥的點(diǎn)火性能選取合適的點(diǎn)火時(shí)間，達(dá)到使發(fā)射藥全面燃燒即可。

表1 不同條件下等離子體點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間Tab.1 The continuance time of plasma ignition on different condition

2.2 密閉爆發(fā)器等離子體點(diǎn)火試驗(yàn)

采用RGD7發(fā)射藥，對(duì)不同金屬粉的等離子體點(diǎn)火進(jìn)行了密閉爆發(fā)器試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 密閉爆發(fā)器的試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 The closed bomb experiment results

對(duì)實(shí)驗(yàn)的p——t曲線進(jìn)行了處理，獲得了u——p曲線和L——B曲線，給出了常規(guī)點(diǎn)火壓力10MPa下的起始段p——t曲線，如圖5～8所示。在相同的裝藥量和充電電壓下進(jìn)行了試驗(yàn)，由表2可見(jiàn)，在金屬粉均裝填0.5g的條件下，含鋁粉的等離子體點(diǎn)火最大壓力為166MPa，發(fā)射藥燃燒時(shí)間為10ms，由圖6可見(jiàn)，達(dá)到10MPa的時(shí)間為4.51ms；由表2可見(jiàn)含銅粉的等離子體點(diǎn)火最大壓力為167MPa，發(fā)射藥燃燒時(shí)間為9ms，由圖6可見(jiàn)，達(dá)到10MPa的時(shí)間為3.15ms，較含鋁粉的等離子體點(diǎn)火時(shí)間短了1.36ms。

從圖5可見(jiàn)，含銅粉的p——t曲線位于含鋁粉的p——t曲線左面，提前1ms左右。含銅粉的等離子體在較短的時(shí)間（3.15ms）內(nèi)使得壓力上升到了10MPa，結(jié)合圖4可知由于含銅粉的等離子體產(chǎn)生了大量的灼熱顆粒物質(zhì)，使得發(fā)射藥能夠更全面、瞬間地被點(diǎn)燃。這說(shuō)明不同金屬粉的等離子體對(duì)發(fā)射藥的點(diǎn)火有較大的影響，能夠產(chǎn)生較多顆粒物的金屬粉有助于發(fā)射藥的起始點(diǎn)燃，本文條件下，含銅粉的等離子體較含鋁粉的等離子體更有助于發(fā)射藥的點(diǎn)燃。

由圖7可見(jiàn)，含鋁粉的u——p曲線略高于含銅粉的u——p曲線，這說(shuō)明鋁粉的存在使得發(fā)射藥在燃燒過(guò)程中的燃速略微增加，由圖8可見(jiàn)，含鋁粉的L——B曲線在0.6之前要高于含銅粉的L——B曲線，這說(shuō)明鋁粉使得發(fā)射藥在最大壓力前半部分（L——B曲線的0.6之前）的燃?xì)馍伤俾视辛溯^大增加，改變了發(fā)射藥的燃燒漸增性。這可能由于鋁粉在等離子體點(diǎn)火中燃燒更充分，持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，從而在較大程度上參與了發(fā)射藥的燃燒過(guò)程，使得發(fā)射藥的燃燒規(guī)律發(fā)生了改變。金屬粉的存在不但對(duì)等離子體的點(diǎn)火效能有影響，還能夠在一定程度上改變發(fā)射藥的燃燒規(guī)律，通過(guò)選取匹配性的金屬粉及等離子體的裝填控制條件，有可能對(duì)發(fā)射藥的燃燒規(guī)律進(jìn)行控制。

圖5 密閉爆發(fā)器試驗(yàn)p——t曲線Fig.5 The p——t curves of closed bomb experiment

圖6 密閉爆發(fā)器試驗(yàn)起始段p——t曲線Fig.6 The beginning p——t curves of closed bomb experiment

圖7 密閉爆發(fā)器試驗(yàn)u——p曲線Fig.7 The u——p curves of closed bomb experiment

圖8 密閉爆發(fā)器試驗(yàn)L——B曲線Fig.8 The L——B curves of closed bomb experiment

3 結(jié)論

（1）含銅粉的等離子體點(diǎn)火能夠產(chǎn)生較多的灼熱顆粒物質(zhì)，不同的金屬粉在等離子體點(diǎn)火中的形貌特征差距較大，含銅粉的等離子體較含鋁粉的等離子體更有助于發(fā)射藥的點(diǎn)燃。

（2）含鋁粉的等離子體點(diǎn)火在較大程度上參與了發(fā)射藥的燃燒過(guò)程，提高了發(fā)射藥的燃速，改變了發(fā)射藥的燃燒漸增性，通過(guò)選取匹配性的金屬粉及等離子體的裝填控制條件，有可能對(duì)發(fā)射藥的燃燒規(guī)律進(jìn)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]張玉成,李強(qiáng),張江波,等. Sf-3發(fā)射藥的等離子體點(diǎn)火中止燃燒試驗(yàn)[J].火炸藥學(xué)報(bào),2009,32(03):75-78.

[11]張玉成,趙曉梅,嚴(yán)文榮,等.空氣電弧等離子體作用下發(fā)射藥的燃燒特性[J].火炸藥學(xué)報(bào),2010,33(02):65-68.

[12]張玉成,嚴(yán)文榮,張江波,等.用于電熱化學(xué)炮的放電毛細(xì)管燒蝕模型研究[J].火炸藥學(xué)報(bào),2013,36(4):57-60.

[13]張琦,余永剛,劉東堯,等.脈沖等離子射流與液體工質(zhì)相互作用特性實(shí)驗(yàn)研究及數(shù)值模擬[J].兵工學(xué)報(bào),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

張江波（1982 -），男，副研究員，主要從事發(fā)射藥及裝藥技術(shù)研究。