毛细管放电等离子体射流对新型低敏感高能量密度发射药的点火机理研究

Electrothermal chemical gun (ETCG) is supposed to be the most competitive candidate among the new concept barrel weapon family to be first utilized in real combat. However the understanding of propellant ignition mechanisms under plasma impingement is still unclear, which is the crucial factor impeding the miniaturization and weaponization process of this technology. This research project proceeds from a new perspective, adjusting the ignition characteristics based on the comprehensive behaviors of pulse power source, plasma injector and the profile of the plasma jet, and focus on the core problem of energy coupling in the ETCG working process. Firstly, the characteristics and control techniques of capillary discharge plasma jet is to be studied. Numerical model for the plasma ignition process is to be developed and experiments are to be carried out to investigate the influence of plasma jet characteristics on the ignition and combustion features of the propellants. Then based on the closed bomb experiments, the comprehensive combustion characteristics of the novel propellants ignited by plasma jet with low stored energy are to be assessed, in order to find the minimum energy required for effective ignition, and the influence factors on this low energy threshold. Based on the studies in this project, the plasma ignition mechanisms are to be unraveled theoretically, especially the ignition characteristics of low vulnerable high energy density propellants. The results are supposed to provide proper theory basis and scientific backing for the optimization and weaponization of the ETCG technology.

电热化学炮被认为是新概念身管武器家族中可以最早应用于实战的武器，但是在等离子体对发射药的点火作用机理这一关键理论问题认识上尚不甚完善、清晰，这是制约着电热化学炮小型化、武器实用化进程的主要障碍。本项目拟从综合考虑脉冲电源、等离子体发生器、射流形态对发射药点火特性的调控作用这一新的角度，抓住其中的能量耦合传递关系这一核心问题，研究毛细管放电等离子体射流的物理特性及其调控机理，建立射流作用下发射药点火过程的数学模型，并实验研究不同特性的射流形态分布及其对发射药形态变化与起燃过程的影响，接着基于密闭爆发器研究低能量区间内新型发射药在等离子体射流作用下的综合燃烧特性，获得实现点火的最低能量阈值及其控制条件。通过研究，从理论上深入揭示并掌握发射药等离子体点火的基本物理过程，特别是等离子体射流对新型低敏感高能量密度发射药的点火机理，为新形势下电热化学炮的武器化及其性能提升提供正确的理论基础和科学依据。

电热化学炮因具有缩短并稳定发射延迟时间，提升发射药装填密度与降低温度敏感性等诸多优势，因而被认为是能满足未来军事发射需要的、可显著提高弹丸的射程、精度、威力等战技指标的一种新概念身管武器。然而，虽然电热化学炮的技术优势已为人们所熟知，但是人们对其中一些关键机理的研究尚不透彻，认识不足，因而阻碍着电热化学炮的工程化与武器化进程。因此本项目的研究内容包括以下三个部分：电弧放电等离子体及其射流动态调控机理；等离子体射流对新型低敏感高能量密度发射药的点火机理；低能量区间内新型发射药在等离子体射流作用下的综合燃烧特性。通过研究，获得了毛细管放电等离子体发生器输出参数的径向不均匀性的发展规律。烧蚀率是影响毛细管放电等离子体发生器输出参数径向均匀性的关键因素，随着烧蚀率的增加，输出参数的径向分布变得更加不均匀。毛细管放电过程可以分为三个阶段，烧蚀/沉积竞争阶段，烧蚀控制阶段和第二次烧蚀/沉积竞争阶段，更快的放电电流前沿可以带来更早的烧蚀沉积转换时刻和更均匀的输出参数径向分布。掌握了毛细管放电等离子体射流的调控规律。增大毛细管孔径会减小等离子体射流速度，而提高放电通道的长度则会产生出更高的射流压强。更大的充电电压会带来了放电时间的增加和射流压强的升高。通过研究，深入掌握了起燃前阶段等离子体对发射药的烧蚀机理。等离子体辐射主导了起燃前阶段等离子体对发射药的作用，80%的输入能流由等离子体辐射引起。微坑是这一阶段等离子体作用在发射药表面的主要表征，微坑的产生是因为等离子体高温使得发射药表面发生升华作用，而由于发射药组分的沸点不一致，从而产生了大小不一的微坑。获得了等离子体点火燃烧规律。相对于常规点火模式，等离子体点火大幅度降低了点火延时，并提高了燃烧速度。在等离子体作用下，环境温度对于点火延时几乎没有影响。