本發(fā)明涉及等離子體特性試驗(yàn)
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其涉及一種火藥燃燒時(shí)炮管內(nèi)等離子體密度計(jì)算方法。
背景技術(shù)：
：等離子體生成的方式主要包括氣體放電法、射線輻照法、光電離法、激光等離子體法、熱電離法、激波等離子體等。氣體放電包括電暈放電、輝光放電、電弧放電、介質(zhì)阻擋放電等，在這一領(lǐng)域的研究比較多。熱電離是指原子在熱運(yùn)動(dòng)中與其它粒子發(fā)生非彈性碰撞獲得足夠大的能量而產(chǎn)生的電離。在這方面研究較少，只有關(guān)于化石燃料燃燒生成等離子體的研究。而等離子體在火炮中的應(yīng)用現(xiàn)在只限于電熱化學(xué)炮。電熱化學(xué)炮中的等離子體是由等離子體發(fā)生器產(chǎn)生，主要用于火藥點(diǎn)火。提高火藥燃燒時(shí)生成的等離子體密度對(duì)火炮應(yīng)用領(lǐng)域具有十分重要的意義。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種火藥燃燒時(shí)炮管內(nèi)等離子體密度計(jì)算方法，通過(guò)計(jì)算能夠得到等離子體的密度與其他參數(shù)的關(guān)系，對(duì)提高火炮內(nèi)等離子體的密度提供了理論支持。本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：一種火藥燃燒時(shí)炮管內(nèi)等離子體密度計(jì)算方法，包括如下步驟：步驟一、獲取炮膛結(jié)構(gòu)參數(shù)和裝藥參數(shù)，包括炮膛橫斷面面積S，火藥形狀特征量χ、λ和μ，燃速系數(shù)空隙率彈丸質(zhì)量m，藥室自由容積縮徑比lψ，火藥力f，裝藥量ω，比熱比θ+1，藥厚2δ1；步驟二、建立火藥燃燒模型ψ=χZ(1+λZ+μZ2)(Z<1)χSZk(1+λsZZk)(1≤Z<Zk)1(Z≥Zk)]]>dZdt=u‾1δ1pn(Z<Zk)0(Z≥Zk)]]>ν=dldt]]>其中，ψ為火藥相對(duì)已燃體積，χs和λs為碎粒燃燒階段燃?xì)馍a(chǎn)系數(shù)，Z為火藥相對(duì)已燃厚度，Zk為多孔火藥碎粒全部燃完時(shí)的燃去相對(duì)厚度，t為時(shí)間，p為壓力，v為彈丸速度，l為彈丸行程；步驟三、對(duì)火藥燃燒模型進(jìn)行求解，以時(shí)間t為自變量，獲取p、l、ψ關(guān)于t的函數(shù)；步驟四、計(jì)算燃?xì)鉁囟萒T=Sp(l+lψ)ωψR,]]>其中，R是氣體常數(shù)；步驟五、計(jì)算等離子體密度nene=n0ni(2πmekT)1.5h32gig0exp(-eEikT),]]>Ei為離子的電離電位，go為原子基態(tài)的統(tǒng)計(jì)權(quán)重，gi為離子基態(tài)的統(tǒng)計(jì)權(quán)重，me為電子質(zhì)量，ni為離子密度，no為原子密度。優(yōu)選的是，步驟三中采用四階龍格庫(kù)塔法進(jìn)行求解。本發(fā)明所述的有益效果是：本發(fā)明提供的火藥燃燒時(shí)炮管內(nèi)等離子體密度計(jì)算方法能夠準(zhǔn)確計(jì)算出炮管內(nèi)等離子體密度，對(duì)提高火炮內(nèi)等離子體的密度提供了理論支持。附圖說(shuō)明圖1為本發(fā)明所述的火藥燃燒時(shí)炮管內(nèi)等離子體密度計(jì)算方法流程圖。圖2為等離子體密度與溫度關(guān)系示意圖。圖3為不同裝藥量下火藥相對(duì)已燃體積與時(shí)間關(guān)系示意圖。圖4為不同裝藥量下等離子體密度與時(shí)間關(guān)系示意圖。圖5為不同藥室容積下火藥相對(duì)已燃體積與時(shí)間關(guān)系示意圖。圖6為不同藥室容積下等離子體密度與時(shí)間關(guān)系示意圖。圖7為不同火藥力下溫度與時(shí)間關(guān)系示意圖。圖8為不同火藥力下等離子體密度與時(shí)間關(guān)系示意圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，以令本領(lǐng)域技術(shù)人員參照說(shuō)明書(shū)文字能夠據(jù)以實(shí)施。如圖1所示，本發(fā)明提供了一種火藥燃燒時(shí)炮管內(nèi)等離子體密度計(jì)算方法，包括以下步驟：步驟一S110：獲取炮膛結(jié)構(gòu)參數(shù)和裝藥參數(shù)。步驟二S120：建立火藥燃燒方程組ψ=χZ(1+λZ+μZ2)(Z<1)χSZk(1+λsZZk)(1≤Z<Zk)1(Z≥Zk)]]>dZdt=u‾1δ1pn(Z<Zk)0(Z≥Zk)]]>ν=dldt]]>其中，ψ為火藥相對(duì)已燃體積，χ、λ和μ為火藥形狀特征量，χs和λs為碎粒燃燒階段燃?xì)馍a(chǎn)系數(shù)，Z為火藥相對(duì)已燃厚度，Zk為多孔火藥碎粒全部燃完時(shí)的燃去相對(duì)厚度，為燃速系數(shù)，δ1為藥厚的一半，t為時(shí)間，p為壓力，v為彈丸速度，l為彈丸行程，S為炮膛橫斷面面積，空隙率，m為彈丸質(zhì)量，lψ為藥室自由容積縮徑比，f為火藥力，ω為裝藥量，θ為比熱比減1。步驟三S130、上述模型中，共有ψ、Z、t、p、v、l六個(gè)變量，其與均為已知量。在六個(gè)變量中，令t為自變量，即可得到其他五個(gè)變量關(guān)于自變量t的函數(shù)。采用四階龍格庫(kù)塔法，對(duì)上述模型進(jìn)行求解，得到l、p、ψ關(guān)于t的函數(shù)。步驟四S140、根據(jù)燃?xì)鉁囟裙絊p(l+lψ)＝ωψR(shí)T計(jì)算燃?xì)鉁囟萒T=Sp(l+lψ)ωψR]]>其中，R是氣體常數(shù)。步驟五150、根據(jù)薩哈方程nenino=(2πmekT)1.5h32gigoexp(-eEikT)]]>計(jì)算等離子體密度nene=n0ni(2πmekT)1.5h32gig0exp(-eEikT).]]>Ei為離子的電離電位，go為原子基態(tài)的統(tǒng)計(jì)權(quán)重，gi為離子基態(tài)的統(tǒng)計(jì)權(quán)重，me為電子質(zhì)量，ni為離子密度，no為原子密度。下面通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證離子體密度計(jì)算公式的準(zhǔn)確性。首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析等離子體密度與溫度之間的關(guān)系。由于碳?xì)溲醯仍氐碾婋x電位比較高，火藥燃燒的溫度只有3000K左右，相對(duì)而言還是比較低的，難以使燃燒產(chǎn)物電離。對(duì)于空氣而言，在低于一個(gè)大氣壓的條件下，需要達(dá)到6000K以上的溫度，才能具有可觀的等離子體濃度。為了增加電離度，通常采用的方法是添加電離種子的方法，也就是在燃燒物中添加一部分電離電位比較低的物質(zhì)，使燃燒產(chǎn)物在較低的溫度下就能獲得較高密度的等離子體。與碳?xì)溲醯啾?，堿金屬具有更低的電離電位，所以一般選用堿金屬鹽(比如鉀鹽或者銫鹽等)，我們?cè)谌紵镏刑砑由倭康奶妓徕?，增加燃燒產(chǎn)物的熱電離，獲得一定濃度的等離子體。實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)不同溫度下等離子體的密度，如圖2所示，在溫度達(dá)到2000K以上時(shí)，電離種子碳酸鉀就會(huì)分解，生成鉀原子，鉀原子又發(fā)生熱電離，生成電子和離子。從圖中我們可以看出隨著溫度的上升，電子密度增大，而且溫度越高，電子密度增加的速率越快，也就是熱電離的程度更加劇烈。在火炮設(shè)計(jì)的過(guò)程中，由于對(duì)于膛壓和初速的要求，通常采用改變裝藥量的方法，來(lái)達(dá)到初速和膛壓的指標(biāo)。裝藥量的增加，實(shí)際上就是燃燒生成火藥燃?xì)饪偭康脑黾?，從而?huì)導(dǎo)致膛內(nèi)壓力的增加，壓力的增大就會(huì)使彈丸的推力變大，彈丸的初速也就會(huì)增加。表1列出了裝藥量的變化對(duì)膛壓和初速的影響。表1從表1中可以看出，隨著裝藥量的變化，膛壓和炮口初速都會(huì)增大，但是膛壓的增速更快。根據(jù)燃速方程，壓力增加，會(huì)導(dǎo)致火藥燃速增大，導(dǎo)致的結(jié)果就是火藥更早的燃燒結(jié)束，而當(dāng)火藥燃燒完以后，膛內(nèi)燃?xì)鉁囟茸匀痪图眲∠陆?。因此采用上述三組裝藥量參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3、圖4所示。為了便于觀察，將等離子體密度取對(duì)數(shù)。從圖中可以看出，隨著裝藥量的增加，等離子體的密度略有下降，等離子體存在的時(shí)間也逐漸減少。在裝藥量不變的情況下，藥室容積的變化也就是改變裝填密度。分別對(duì)藥室容積取132cm-3、152cm-3、172cm-3，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖5、圖6所示。從圖中可以看出隨著藥室容積的增加火藥燃燒結(jié)束時(shí)間越來(lái)越晚，這表明火藥的燃速變得越來(lái)越慢。隨著藥室容積的增大使得火藥燃燒速度降低，能夠使火藥燃?xì)獗３指L(zhǎng)時(shí)間的高溫。相應(yīng)的，由于火藥燃?xì)鉁囟认陆档臏p緩，使得等離子體密度的下降也減緩，也就是隨著藥室容積的增加，等離子體的密度也會(huì)增加。不同的火藥成分對(duì)應(yīng)不同的火藥力，火藥力的改變也就是改變火藥的種類(lèi)。分別取火藥力為900kJ/kg、950kJ/kg、1000kJ/kg，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7、圖8所示?；鹚幜Φ脑黾訒?huì)導(dǎo)致膛壓和初速的增加，而膛壓的增大會(huì)使火藥燃速更快。從圖中可以看出火藥力的增加，燃?xì)獾臏囟纫苍谠黾?。和裝藥量與藥室容積變化不同的是，火藥力的變化會(huì)導(dǎo)致燃?xì)獬跏紲囟鹊母淖?，這是因?yàn)榛鹚幜Φ母淖円簿褪腔鹚幊煞值母淖?，而燃?xì)獾谋瑴厥桥c火藥成分相關(guān)的。而火藥力的增加也就是增加燃?xì)饽芰康脑黾樱厝粫?huì)導(dǎo)致燃?xì)鉁囟鹊脑黾?。根?jù)等離子體密度方程，燃?xì)鉁囟鹊纳仙謺?huì)導(dǎo)致等離子體密度的增加。盡管本發(fā)明的實(shí)施方案已公開(kāi)如上，但其并不僅僅限于說(shuō)明書(shū)和實(shí)施方式中所列運(yùn)用，它完全可以被適用于各種適合本發(fā)明的領(lǐng)域，對(duì)于熟悉本領(lǐng)域的人員而言，可容易地實(shí)現(xiàn)另外的修改，因此在不背離權(quán)利要求及等同范圍所限定的一般概念下，本發(fā)明并不限于特定的細(xì)節(jié)和這里示出與描述的圖例。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3