23mm电热化学发射装置研究

1 引 言
作为新型高速发射技术和革新传统火炮的主要技术候选者, 电磁发射技术, 尤其是电 热化学发射技术近几年来取得了重大进展。它主要表现在: ( 1) 能源系统, 5～11M J 电容 器组能源已可用拖车运载, 具有了一定的机动能力[ 1] ; ( 2) 基本解决了快速连续发射的自 动装弹机构, 美国海军用 60m m 电热化学炮进行了连发演示实验[ 1] ; ( 3) 固体推进剂电热 化学( SPET C) 发射研究取得了重大进展。以色列 Sor eq 核研究中心( NRC) 与美国陆军研 究室( ARL ) 和空间战略防御司令部( USA, SSDC) 联合研究小组, 于 1993 年夏季在 Eg lin A ir For ce Base in Flor ida 进行了第一次野外发射实验[ 2] 。用 105mm 电热化学发射装置和 标准三基固体推进剂进行了 49 次发射实验, 无一失败。弹丸质量为 3. 8～5. 2kg, 炮口速 度为 1800～2030m/ s。炮膛压力在 450～550MP a 范围, 取得了可控的压力-时间曲线, 弹 丸初速度也取得了很好的重复性。 电热化学发射技术除了在先进的常规火炮应用方面显示出很好的前景外, 同时还是 高速碰撞动力学研究领域的有效工具。它可用碰撞速度 2000～3000m / s 范围的动力学破 坏和侵彻现象研究。虽然二级轻气炮容易把弹丸加速到上述速度范围甚至更高。但是二 级轻气炮实验操作较复杂, 费用高且实验频率低。而电热化学发射装置操作简单。费用低。 本文介绍了 23m m 电热化学发射系统的基本构成、液体推进剂的研究和实验结果。
国内市场出售的辛烷浓度 90% , 而过氧化氢的浓度只有 30% 。按照 25∶75 成分比的 混合物, 由于过氧化氢浓度太低, 不能使辛烷完全反应, 释放出的热量很少。例如 100g 混 合物中, 75g 浓度 30% 的 H2O 2 中, 水占 52. 5g, H2O 2 只有 22. 5g 。22. 5g H 2O 2 只能与 8g C8H18反 应, 释 放的热量只有51. 7kJ。汽化 52. 5g 水 ( 变 成100℃水蒸汽, 水的汽 化热为 2. 5kJ/ g ) , 所需热量为 131. 3kJ。因此反应释放的热量还不够使过氧化氢溶液中的水完全 汽化。实验中发现, 如果电能加得少, 发射后在药室和炮口处发现有液体存在, 说明混合物 中的水没有完全汽化。从表 1 还可看出, 填装质量减少时, 弹丸炮口速度有所提高。初步 分析认为, 填装质量/ 弹丸质量比太大。填装质量越大, 其中含水量越大。电能基本保持不 变时, 发射过程未汽化的水含量大。这样在加速弹丸过程中, 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。
表 1 C8H18与 H2O2 混 合物推进剂实验结果 Table 1 Experimental results of C8H18/ H2O2 Propellant
N o.
9 11 22 4 9 20 11 4 9 20 21 7 9 20 40 2 9 20 40 8
Char ge / ( g)
95 95 86 63 63
我们用 Rog ow ski 线圈测量各
支路和输入给等离子体的总电流。 由于 这是一种 非接触式 的感应 测
图 2 光电转换原理图 F ig . 2 Electr o-o ptical tra nsfer schematic dr awing
量, 空间杂散磁场对测量信号影响
小。根据我们的经验, 可不用光电转换及光纤传输。
EC
Pr opellant ing redient/ ( g )
Pr oj. mass v e
No.
/ ( kJ)
DA P C8H18 DM F M N DOX BA N
/ (g)
/ ( m/ s)
1
21 6
5
10
15
23. 5
15
30. 7
1 13 0
2
21 6
5
10
15
34. 8
15
30. 7
1 32 0
2 实验发射系统
电热化学发射系统由脉冲电源、控制系统、发射装置和测试等部分组成。 2. 1 脉冲电源系统
1996-06-19 收到原稿, 1996-10-07 收到修改稿。
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高压物理 学报
第 11 卷
23mm 电热化学发射系统的脉 冲电源由 400 台电容器组成。电容
器最 高工 作电压 25kV, 总电容 量
从上述分析, 我们认为必须提高这种混合物中氧化剂的有效成分。 3. 2 添加剂的研究 为了利用现有的低浓度的 H2O 2 , 又使较多的 C8H18 参加反应, 我们在 C8H18 与 H2O 2 混合物中 添加 硝酸 铵进 行初 步研 究。作 法 是在 C8H18 与 H2O 2 混 合 物中 加入 硝酸 铵
EC No .
/ ( kJ)
P ro pellant ingr edient / ( g)
C 8H 18
H 2O2
N H4NO 3
Pr oj. mass /( g)
ve / ( m / s)
1
216
15. 87
38. 59
21
2
216
14. 12
36. 7
21
3
216
14. 6
37. 2
21
30
9 50
出 4 路信号, 1 路用于触发记录仪器, 其余 3 路分别经各路延迟机输出延时信号, 这些信
号触发高压脉冲发生器, 其输出的高压脉冲触发开关。
2. 3 电热化学发射装置 23m m 电热化学发射装置, 发射管口径 23mm, 发射管长 2. 0m , 药室容积在较大范围 内 可 调。等 离子 体发 生器 的毛细 管由 聚乙 烯等 电介 质材料 制成 。毛细 管内 径8. 0～
Pr oj. mass / (g)
10. 38 10. 4 12. 7 18. 9 19. 33
EC / ( kJ)
16 2 16 2 16 2 17 4 22 1
ve / ( m/ s)
100 0 120 0 156 0 180 0 185 0
EK / EC (%)
3. 2 4. 6 9. 5 17. 6 15
10. 0mm , 长度 100～200mm 。关于发射装置和等离子体发生器结构在文 测试技术
2. 4. 1 电学参数测量
电热化学发射过程中, 电流和
电压是必须测量的两个电学参数。
通过这两个参数, 我们能够计算等
离子体瞬时电阻、输入给等离子体
发生器的电功率和能量。
2560 F, 最大储能 800kJ。电容器被
分 成 3 个 模 块, 其 中一 个 模 块 有 200 台电容器, 其余两个模块各 100
台, 每个模块与主放电开关、输出电
感器和负载组成一个支路, 等效电 路如图 1 所示。3 个模块可以单独
放电或可以按预先设定的顺序和延
迟时间放电, 这种多模块脉冲成形
3
21 6
25
25
32. 4
1 91 0
表 4 2# 配方工质的实验结果 Table 4 Experimental results of the No. 2 ingredient
Charg e Char ge density Pr oj. mass
No . / ( g)
/ ( g/ cm 3)
/ (g)
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高压物理 学报
第 11 卷
比为 25∶75 时, 效果较好。这种比例混合物的反应热为 6. 458kJ/ g , 比冲量 1. 694kJ/ g , 产 物分子量为 16. 841g / mol 。尽管这种混合物作为推进剂存在许多问题, 但由于这种混合物 价格便宜, 材料来源广, 作为原理性研究阶段还是可用的。我们也选择这种混合物作为推 进剂, 作了初步研究, 实验结果列于表 1。 从表 1 数据可看出, 弹丸炮口速度 ve 比较低。弹丸动能 EK 与电容器储能 E C 比( 电效 率) 最高只有 17. 6% , 经过分析认为发射性能低的主要原因是 H2O 2 的浓度太低。为了说 明这个问题, 我们首先校核了文献[ 4] 的数据。这种分析假定辛烷与过氧化氢是分析纯的。 按照 25∶75 的成分比, 我们可以写出反应平衡方程
Ec / ( kJ)
ve / ( km/ s)
EK/ EC (%)
E K / E Ce 1) (%)
30. 5
1 20 0
30. 5
3. 3 新配方推进剂研究 为了提高发射性能, 我们又研究了两种新配方系列。表 3 列出了 1# 配方系列的主要 成分和发射实验结果。表 4 列出了 2# 配方的实验结果。
表 3 1# 配方系列及实验结果
Table 3 No. 1 series ingredients and results
C8H 18+ 10H2O 2 = 19H 2O + 0. 5CO2 + 7. 5C 得到产物分子量为 16. 82, 反应热为 5. 928kJ/ g 。产物分子量与文献值完全符合。由于只查 到气态反应产物的生成热, 反应热比文献值低 8% , 也应看作基本符合, 说明上述反应平 衡方程是正确的。
示。
2. 4. 2 弹丸速度测量
弹丸出口速度用丝靶网测量。它由三块
丝网组成, 丝网间距为 400m m, 第一块丝网
离炮口 1. 5m 。由三者的间距和两个时间间隔
计算出弹丸出炮口的速度。
测试信号由示波器和动态分析仪记录,
典型的信号如图 3 和图 4 所示。图 5、图 6 是
依据图 3、图 4 数据计算的功率和能量曲线。 图 7 为丝网记录信号。