李 俊， 毛保全， 白向华， 李 程， 钟孟春

(陆军装甲兵学院兵器与控制系， 北京 100072)

目前，等离子和火炮技术相融合在火炮上得到应用的仅局限于电热化学炮。电热化学炮是通过脉冲电源的电弧放电产生等离子体，并与化学工质相互作用,使其燃烧或分解释放出化学能作为驱动弹丸的能量[1- 2]。一般来说，外界需要提供相当的能量才能使原子或分子电离产生等离子体，如将空气加热到 6 000 K的高温才能发生微弱的电离，这样高的温度是普通燃烧工质远远达不到的[3- 5]。碱金属元素的电离电位较低，化学性质活泼,在高温环境下(2 000 K以上)容易发生电离，产生等离子体[6- 8]。如：在磁流体发电应用中，常常添加碱金属的盐类物质作为电离增强剂，以提高燃气的导电率[9]。但如何利用火药在密闭爆发器中燃烧的高温高压环境生成等离子体，这方面的研究国内外涉及较少。

笔者立足CsNO3在火炮发射药燃烧过程中电离生成等离子体，用光谱测试系统采集相应元素的谱线，结合相关公式计算了等离子体电子密度和电子温度，初步给出了CsNO3的质量和密闭爆发器容积对等离子体生成的影响规律，为下一步利用火药燃烧产生的等离子体来提高火炮性能的研究奠定基础。

1 相关原理

1.1 等离子体电子温度计算原理

光谱法作为一种重要的等离子体诊断方法，具有快速简便、操作简单以及不会对等离子体产生干扰等特点。其原理是原子获得能量后，受激原子由低能级向高能级跃迁，处在高能级的原子是一种不稳定的激发状态，会很快由高能级跃迁到低能级，其能量将以光的形式辐射，产生特定波长的光，在光谱中形成一条谱线。处在激发态的原子往往会经过多个能级进行跃迁，这样就会产生多条谱线。

原子谱线的强度I满足[10]：

(1)

式中:h为普朗克常数；k为玻尔兹曼常数；g为谱线上能级的统计权重；A为跃迁几率；ν为谱线频率；N为原子总数；Z为配分函数；E为谱线激发能；T为等离子体电子温度。

同种元素原子的2条激发能不同的谱线的强度之比为[11]

(2)

将式(2)进一步变换，取常用对数，并把谱线频率ν换算成波长λ，把有关的常数项代入，可得到如下更加简便实用的计算公式[12]:

(3)

式中：Ei(i=1,2)可从常用元素谱线表查得；gi和Ai可从美国国家标准与技术研究院的跃迁几率表查得；谱线强度Ii通过光谱仪测定。可以看出：只要测出2条谱线强度之比，就可以计算等离子体电子温度[13]。

1.2 电子密度测量原理

本研究产生等离子体的方法是通过火药燃烧，并添加少量碱金属化合物来实现的。整个过程在密闭爆发器也就是等离子体发生装置中产生。由于这种热电离的燃烧气体处于热平衡状态中，因此是平衡电离。在高温高压的条件下，燃烧气体中的成分，如CO2、水蒸汽与电子碰撞时均具有很大的碰撞截面，经过频繁的碰撞使电子温度大幅度降低，因此电子温度与其他粒子的温度没有明显差异。在热力学上称之为等离子体局部热力学平衡状态。

由于火药燃气中生成等离子体的方式是热电离(电离过程所需要的能量来源于燃烧反应热)，所以可以应用沙哈方程计算电子密度[14]：

(4)

式中:me为电子质量；ne为电子密度；ni为离子密度；na为原子密度；ga和gi分别为原子和离子基态的统计权重；eEi为电离势能。根据电子激发温度，即可以计算出等离子体电子密度。

2 试验系统与试验方法

2.1 试验系统

试验系统由等离子体产生装置、压力测试系统、光谱测量系统3部分组成，如图1所示。

1) 等离子体产生装置。火药在密闭爆发器内燃烧是一个复杂的过程，会产生高温高压的火药燃气并释放大量的热量。考虑到等离子体测量的便利性和安全性等因素，本研究所用的密闭爆发器经过专门的设计，由蓝宝石窗口、点火装置、堵头和燃烧室本体等组成，如图2所示。经过强度校核和试验验证，可在堵头上开出直径为6.5 mm的蓝宝石光学窗口，开口槽的深度为5 mm。配合直径相当的光纤探头，即可采集高温高压条件下产生的光谱。试验中采用硝化棉引燃火药，点火方式采用电点火，将点火丝绑在硝化棉上。

2) 压力测试系统。本试验选用Ksitler压电传感器，它适用于测量快速变化的动态压力，测量范围0～600 MPa，自然频率>240 kHz，满足试验要求。

3)光谱测量系统。随着光纤技术的发展和光谱理论的不断成熟，光谱法逐渐成为等离子体参数诊断的重要方法。本试验系统采用海洋光学定制的QE Pro型光谱仪，这是一种便携式高灵敏度的光谱仪，能实现低光探测,可互换狭缝，并可选择内部快门和多种光栅，自带板载缓存，最多能存储15 000张谱图，满足试验要求。其相关参数如表1所示。

表1 海洋光学QE Pro型光谱仪相关参数

2.2 试验方法

采用控制变量的方法，对CsNO3质量和密闭爆发器容积这2个因素进行研究。

1) CsNO3质量对等离子体电子温度和密度影响试验

试验条件：100 mL(定容)密闭爆发器，电点火。

试验方法：在密闭爆发器中进行试验，取15 g火药(太根发射药)与CsNO3混合均匀，分5次进行试验，逐渐加大CsNO3的质量(第一次不添加)，用光谱仪采集火药燃烧过程中的谱线并计算等离子体温度和密度。

2) 密闭爆发器容积对等离子体电子温度和密度影响试验

试验条件：CsNO3质量固定为3 g，电点火。

试验方法：分别在不同容积的密闭爆发器内进行试验，试验中添加等量的CsNO3和火药并混合均匀，用光谱仪采集火药燃烧过程中的谱线并计算等离子体温度和密度。

由于密闭爆发器试验的特殊性，按照相关要求，必须在防爆实验室完成。试验步骤如下：

1) 检查试验装置各个部件有无异常,是否满足试验要求；

2) 将爆发器本体安装在试验台架上，装配点火堵头和测压堵头；

3) 使用欧姆表对点火堵头装配后的阻值进行测量,确保回路接通；

4) 将火药和CsNO3放在爆发器中，在点火端安装点火堵头,将堵头拧至特定扭矩值,同时拧紧放气塞头；

5)安装测压堵头,将堵头拧至特定扭矩值，利用专用扳手拧紧测压堵头；

6)连接传感器信号线和点火线,人员撤离,关闭防爆门，现场指挥发出点火指令,点火人员完成点火操作。

3 结果与分析

3.1 CsNO3质量对等离子体电子密度和温度的影响

K和Cs的光谱如图3所示。

由图3可以看出，光谱图包括了Cs和K元素的谱线：Cs原子主要是894.350 nm和852.110 nm两条特征谱线，K原子主要是769.898 nm和766.491 nm两条特征谱线,相关参数如表2所示；Cs谱线的相对强度比K谱线强，原因是Cs比K的电离能要低，更加容易发生电离[15]。虽然CsNO3在一定程度上可以促进电离，但是含量并不是越多越好。CsNO3的含量过多，会影响火药的燃烧，不利于等离子的生成。当m(CsNO3)>3 g时，等离子体电子温度和密度随着CsNO3的增加而下降，如表3所示。

表2 Cs原子和K原子光谱参数

表3 CsNO3质量与电子密度、电子温度的关系

3.2 密闭爆发器容积对等离子体密度和温度的影响

不同容积条件下的光谱图如图4所示。

由图4可以看出：当密闭爆发器容积在60～100 mL时，光谱强度随着容积的增大而增大;容积超过100 mL时，光谱强度随着容积的增大而减小。表4为密闭爆发器容积与电子密度、电子温度的关系，可以看出：密闭爆发器的容积为100 mL时，电子密度和温度达到最大。因为在60～100 mL内，随着容积的增大，火药的燃速降低，高温环境的持续时间也加长，有利于等离子的产生；当容积超过100 mL时，虽然燃烧时间变长了，但单位体积内的电子数也下降了。

表4 密闭爆发器容积与电子密度、电子温度关系

4 结论

笔者基于改进型密闭爆发器的等离子体测试试验系统，研究了CsNO3在火药燃烧的高温高压环境下电离生成等离子体的规律。结果表明：CsNO3在火药燃气的作用下可以电离产生等离子体，当添加CsNO3的质量为3 g、密闭爆发器容积为100 mL时，等离子体电子密度达到最大值0.85×1020m-3，温度达到最大值0.3 eV。初步为利用火药燃烧产生的等离子体提高火炮性能的研究奠定了基础。等离子体电子密度和电子温度的影响因素较多，下一步可以从不同种类的火药和电离种子等方面进行研究。