電熱化學炮電熱炮

1、電熱化學炮,電熱炮(ETG)電弧炮（直熱式）全部利用電能炮膛和彈丸燒蝕嚴重低溫等離子體溫度較高電熱化學炮（間熱式）利用脈沖電源的電能和化學工質(zhì)釋放的化學能減輕對炮膛和彈丸燒蝕化學工質(zhì)吸收等離子體熱能,電熱化學炮,電熱化學炮（ETCG）電熱炮中比較成熟的一種主要研究方向電炮家族的重要成員綜合利用電能和化學能利于提高內(nèi)彈道性能利于電源小型化,電熱化學炮優(yōu)點,體積小，質(zhì)量輕，有利于實現(xiàn)小型化綜合使用電能和化學能

2、可使電能需要量減少80%與電磁炮等相比威力大炮口動能比傳統(tǒng)火炮提高約25%～45%2000～3000米/秒射程遠50km以上使用靈活改變射程無須改變射角,電熱化學炮優(yōu)點,電熱化學炮優(yōu)點,實現(xiàn)溫度補償常規(guī)火炮溫度敏感性高發(fā)射時初速與發(fā)射藥的溫度密切相關(guān)電熱化學炮大大降低溫度敏感性采用等離子體點火技術(shù)大幅度提高火炮性能,溫度補償,實現(xiàn)點火延時的改進常規(guī)火炮發(fā)射藥點火延時時間一般大于20 ms一致性不好，分布較

3、為分散初速不穩(wěn)定，影響射擊精度采用電熱點火技術(shù)的電熱化學炮縮短延時時間小于2 ms一致性很好提高初速的均勻性和射擊精度,電熱化學炮優(yōu)點,點火延時的改進,電熱化學炮作戰(zhàn)平臺,坦克炮口徑將增至135～140毫米野戰(zhàn)火炮大幅度地提高彈丸的初速和射程與目前裝備的火炮銜接性好可發(fā)射普通炮彈比電磁炮更容易作為火力支援武器用在野戰(zhàn)火炮上膛壓曲線可控、重復性好 艦炮水面火力支援計劃,電熱化學炮,美國聯(lián)合防御公司20世紀8

4、0年代開始研究電熱炮技術(shù)1993年6月交付世界上第一門60毫米電熱炮向美國海軍作戰(zhàn)中心試驗結(jié)果2.7千克30毫米1230米/秒炮口能量比固體發(fā)射藥火炮提高35%,電熱化學炮,目前，美國研制重點戰(zhàn)區(qū)導彈防御用電熱炮技術(shù)120毫米的“實驗室”電熱炮2.9千克，2500米/秒120毫米的可搬運的“座架”式電熱炮3.7千克，2200米/秒11.8千克，1700米/秒 已經(jīng)完成系統(tǒng)集成試驗接近實用要求,與電磁軌道

5、發(fā)射技術(shù)相比潛力有限炮口速度及致命性的提高沒有完全取消化學發(fā)射藥部分利用電能,電熱化學炮,組成,,,1-電極2-外套3-絕緣體4-放電管 5-金屬引爆絲6-膜片,7-噴嘴（電極）8-化學工質(zhì)9-藥室10-彈丸11-身管,脈沖電源,電儲能器磁流體發(fā)電機單極發(fā)電機補償脈沖交流發(fā)電機電容器等放電控制回路,放電管,毛細管長徑比大于10獲得穩(wěn)定的等離子體射流將電能輸入炮膛與化學能混合材料電離能較低

6、電離產(chǎn)物分子量小聚乙烯等,,第一工質(zhì)點火對化學工質(zhì)電能載體,電極,鎢合金耐高溫,絕緣體,功能絕緣作用承受等離子體的高壓材料強度較高的絕緣材料外部金屬加固,化學工質(zhì),第二工質(zhì)能量密度高生成氣體分子量低一般分類吸熱工質(zhì)低放熱工質(zhì)高放熱工質(zhì),分類,固體電熱化學炮（SPETCG）固體推進劑含發(fā)射藥流體電熱化學炮（LPETCG）流體推進劑工作流體,原理（內(nèi)彈道過程）,高電壓加在毛細放電管兩端電極上使之放

7、電5～25 kV大電流加熱放電管內(nèi)的介質(zhì)100 kA～1 MA在毛細放電管內(nèi)產(chǎn)生等離子體低原子量高溫高壓與化學工質(zhì)相互作用，提供外加能量使推進劑氣體快速膨脹做功推動彈丸沿炮管向前運動,等離子體,自然物質(zhì)存在的第四態(tài)由帶電粒子和中性粒子組成的聚集態(tài)（集合體）正離子負離子電子自由基各種活性基團電離態(tài)氣體也有液態(tài)，固態(tài),離解當溫度足夠高時構(gòu)成分子的原子獲得足夠大的動能開始彼此分離,融化,蒸發(fā),離

8、解,電離,電離進一步提高溫度原子的外層電子擺脫原子核的束縛成為自由電子失去電子的原子變成帶正電的離子,等離子體,氣-液-固“三態(tài)”轉(zhuǎn)化只涉及分子間力的變化氣體分子間不存在凈電磁力等離子體“第四態(tài)”由氣態(tài)轉(zhuǎn)化時需要克服原子核對外層電子的束縛從整體上看是一種導電流體帶電粒子間存在庫侖力等離子體振蕩等離子體輻射,等離子體,宏觀上呈電中性正電荷和負電荷電量相等具有良好的導電性電離度接近1%的等離子體導電性

9、接近完全電離等離子體,故稱“等”離子體,受約束高壓放電等離子體,高壓脈沖電源電弧放電產(chǎn)生的等離子體受到放電管壁面的約束具有高溫高壓的性質(zhì)103K~104K幾十~幾百Mpa低溫等離子體相對于受控核聚變等過程產(chǎn)生的高溫等離子體而言,等離子體溫度108K~109K,等離子體鞘層,電中性被破壞了的空間電荷層離子鞘由于電子附著，基板形成負電位在其表面附近的正離子的空間電荷密度增大所有的等離子體與固體接觸時都會在固體表面的交

10、界處形成帶負電位的薄層區(qū),等離子體的鞘層厚度的數(shù)量級接近Debye長度,受約束高壓放電等離子體,電子的熱力學平均溫度,離子的熱力學平均溫度,受約束高壓放電等離子體,等離子體的鞘層溫度越高，鞘層厚度越大導致電荷分離的粒子熱運動動能大粒子數(shù)密度越大，鞘層越薄對于受約束放電產(chǎn)生的等離子體粒子密度較稠密，鞘層的厚度遠小于約束管半徑放電管內(nèi)等離子體主要為電中性等離子體,受約束高壓放電等離子體,Debye屏蔽等離子體中每個帶電粒子

11、的附近都存在電場當該電場被周圍的粒子完全屏蔽時在一定的空間區(qū)域外等離子體處于電中性Debye長度屏蔽粒子場所在的空間尺度在小于Debye長度的微觀尺度內(nèi)電中性概念無效,受約束高壓放電等離子體,Debye長度,真空介電常數(shù),Boltzmann常數(shù),等離子體溫度,電子數(shù)密度,離子數(shù)密度,對于宏觀中性等離子體電子和粒子在空間均勻分布,電荷電量,,受約束高壓放電等離子體,等離子體存在的三個基本條件Debye長度大于粒子間的平均距

12、離Debye屏蔽是大量粒子的統(tǒng)計效應要求Debye屏蔽球內(nèi)有足夠數(shù)量的粒子Debye長度遠小于等離子體所在系統(tǒng)的特征長度Debye屏蔽球內(nèi)粒子不能看做電中性的等離子體Debye屏蔽球內(nèi)不滿足電中性要求電弧等離子體的放電管直徑遠大于Debye長度等離子體的振蕩頻率大于粒子間的碰撞頻率維持等離子體的振蕩,弱電離度的等離子體在理想氣體狀態(tài)方程基礎上引入偏離系數(shù)高溫高壓下Noble －Abel方程,偏離系數(shù),等離子體狀

13、態(tài)方程,理想等離子體狀態(tài)方程單原子氣體一次電離生成高溫下氣體離解或電離改變粒子數(shù)量偏離理想狀態(tài)Dalton 定律粒子數(shù)變化對壓力的影響,等離子體狀態(tài)方程,該種氣體原子成分的氣體常數(shù),粒子的電離度,等離子體狀態(tài)方程,部分電離的等離子體狀態(tài)方程等離子體電離度、壓力、溫度繼續(xù)增大帶電粒子的密度增高等離子體處于部分電離狀態(tài)粒子間的Coulomb 相互作用對狀態(tài)方程影響加大Coulomb引力降低等離子體壓力,理想等離子體壓力

14、Boltzmann統(tǒng)計理論,壓力修正Debye-Huckle理論,部分電離的等離子體狀態(tài)方程電熱炮適用電子數(shù)密度,等離子體狀態(tài)方程,理想狀態(tài)，忽略修正項,不可忽略修正項,第i種成分的粒子數(shù)密度,第i種粒子和j種粒子間熱波長,等離子體狀態(tài)方程,接近于完全電離的等離子體的狀態(tài)方程電子數(shù)密度或溫度相當高粒子的量子效應十分顯著Fermi－Dirac量子統(tǒng)計法,部分電離,受約束高壓放電等離子體,等離子體宏觀方程放電管內(nèi)的等離

15、子體可按連續(xù)流體處理同時考慮帶電粒子在電磁場中的電磁效應連續(xù)方程動量方程能量方程,連續(xù)方程,與經(jīng)典流體連續(xù)方程相同質(zhì)量守恒與作用力（電磁力）無關(guān)補充第i種組分的連續(xù)方程粒子的組成和密度受電磁場作用及離子的電離和復合過程影響,i組分由于化學反應單位時間單位體積內(nèi)的凈變化率,動量方程（N－S方程）,與一般流體表達式一致,體積力,壓力梯度,流體流動引起變形的粘性應力,引起體積變化的粘性應力,粘性系數(shù),應變率張量,

16、動量方程（N－S方程）,體積力重力體積力電磁體積力,重力體積力,電場力體積力,電場強度矢量,磁場力體積力,電流密度矢量,磁場強度矢量,電荷密度,動量方程（N－S方程）,等離子體宏觀上呈電中性忽略重力及粘性力,可以忽略,當電熱炮放電管中與放電電流方向垂直的磁場強度較低時,能量方程,考慮粒子電離與復合過程的化學反應熱和輻射熱損失包含帶電粒子且相對溫度較高的等離子體考慮電流產(chǎn)生的Joule熱電弧放電產(chǎn)生的等離子體,導熱引起的流體

17、內(nèi)能增加,粘性應力做功（耗散功）,壓力壓縮流體做功,i種化學成分相對于流體的焓擴散流，液體的內(nèi)熱源,輻射熱散失,Joule熱,化學工質(zhì)的熱化學性質(zhì),化學工質(zhì)第二工質(zhì)種類較多超出一般意義上的火炮發(fā)射藥,化學工質(zhì),按工質(zhì)初始狀態(tài)分類固體工質(zhì)液體工質(zhì)氣體工質(zhì)按含能量分類（混合工質(zhì)）吸熱工質(zhì)低放熱工質(zhì)高放熱工質(zhì),固體工質(zhì),常規(guī)固體發(fā)射藥JA2M30等富氫化合物氫化鈦（TiH2）等,液體工質(zhì),含能或吸熱工質(zhì)

18、水（H2O）過氧化氫（H2O2）辛烷（C8H18）LP1845（液體發(fā)射藥）等,氣體工質(zhì),低分子量氣體氫氣（H2）氦氣（He ）,吸熱工質(zhì),化學反應熱為負值化學工質(zhì)本身不含化學能或化學能為負需要消耗電能生成氣體膨脹做功利用其反應產(chǎn)物氣體平均分子量較低的性質(zhì)50%鋁－50%水氫化鋰氫5%氫化鋰－95%甲醇50%氫化鈦－50%水水,低放熱工質(zhì),反應過程中釋放的化學能的能量密度低于外加電能密度的20%甲醇辛烷

19、過氧化氫40%氫硼化鋰－60%水45%氫化鋰－55%水12.5%氫化鈦－37.5%鋁－50%水氧化鈦保護火炮內(nèi)壁免受燒蝕,高放熱工質(zhì),反應過程中釋放的化學能的能量密度高于外加電能密度的20%LP1845JA220%氫化鋰－80%過氧化氫25%辛烷－75%過氧化氫產(chǎn)物分子量中等20%煤油－80%過氧化氫,工作流體的火藥力－溫度關(guān)系,高溫高火藥力,3400K,低溫高火藥力,高溫低火藥力,低溫低火藥力,1143J/g,常

20、規(guī)JA2發(fā)射藥,工作流體的火藥力－溫度關(guān)系,低溫高火藥力區(qū)最理想高溫高火藥力區(qū)無明顯的燒蝕效應可能是液體工質(zhì)有部分未汽化覆蓋于火炮膛壁起保護作用可用,工作流體的火藥力－溫度關(guān)系,低溫低火藥力區(qū)對應于輸入電能密度較低的吸熱和低放熱工質(zhì)高溫低火藥力區(qū)不適用,工作流體的火藥力－溫度關(guān)系,火藥力變化趨勢電能輸入密度的增加使所有工質(zhì)的火藥力和溫度增大加入相同的電能密度不同工質(zhì)的火藥力和溫度增加的幅度不同與化學反應過程和

21、反應產(chǎn)物性質(zhì)有關(guān),化學工質(zhì)的選用,40%氫硼化鋰－60%水低溫、高火藥力缺點氫硼化鋰與水強烈地反應放出氫氣對驅(qū)動彈丸極為有利但是氫氣出炮口后將與大氣中氧氣反應發(fā)生爆炸出現(xiàn)較大的炮口閃光防止等離子體進入燃燒室之前氫硼化鋰與水反應必須分開裝填在工作時需要較大的電能輸入密度,似乎是一種最好的化學工質(zhì),無色粉末,化學工質(zhì)的選用,氫硼化鋰遇水燃燒潮濕空氣、酸類、氧化劑、高熱及明火燃燒(分解)產(chǎn)物：氧化硼、氫氣強烈刺激性

22、粘膜、上呼吸道、眼睛及皮膚中毒表現(xiàn)燒灼感、咳嗽、喘息、喉炎、氣短、頭痛、惡心和嘔吐致死喉和支氣管的痙攣、炎癥和水腫，化學性肺炎和肺水腫,化學工質(zhì)的選用,高放熱工質(zhì)除了常規(guī)發(fā)射藥外其他幾種配比都含有很高比分的過氧化氫常規(guī)條件下高純度的過氧化氫極不穩(wěn)定目前大多采用常規(guī)固體或液體發(fā)射藥,等離子體與化學工質(zhì)的相互作用,理想的電能和化學能釋放速率相互匹配、互補膛內(nèi)氣體在彈丸的運動過程中熱能的增加足以彌補由于彈丸運動造成的壓力

23、下降,等離子體與化學工質(zhì)的相互作用,改善膛內(nèi)壓力變化過程， 優(yōu)化內(nèi)彈道特性對電能和化學能的釋放速率加以控制脈沖電源電能釋放的控制可通過設計相應的脈沖放電回路來實現(xiàn)這方面的技術(shù)已比較成熟化學工質(zhì)所含化學能的釋放改善燃燒性能結(jié)構(gòu)形狀等離子體與化學工質(zhì)的物理化學作用控制化學工質(zhì)的燃燒或分解速率,等離子體與化學工質(zhì)的相互作用,影響化學工質(zhì)反應速率的因素,等離子體射流溫度組分射流速度等離子體與化學工質(zhì)的作用面,影響化學工

24、質(zhì)反應速率的因素,液體工質(zhì)的化學反應速率較難確定固體發(fā)射藥化學反應速率實驗研究等離子體直接作用于燃燒面的條件下固體發(fā)射藥 ＪＡ２ 的燃燒速率大約增加了 ３ 倍壓力約為 ７０ ＭＰａ 時,等離子體與化學工質(zhì)的相互作用,等離子體增強燃燒速率,等離子體增強火藥燃燒效應不僅和壓力有關(guān)而且和火藥的形狀和位置有關(guān)等離子體垂直作用于燃燒面時火藥的燃速提高３倍或更高等離子體射流平行于火藥燃燒面時火藥燃燒速率比常規(guī)情況僅提高 ２０％

25、 ～ ４０％可能是由于此時等離子體僅以輻射方式加熱火藥表面等離子體與發(fā)射藥的相互作用不充分,等離子體與化學工質(zhì)的相互作用,設計高裝填密度的電熱化學炮時必須考慮火藥在膛內(nèi)幾何形狀的影響在實際的電熱化學炮中只要火藥有足夠高的裝填密度等離子體射流的絕大部分垂直于火藥的平均燃燒面可以大幅度地提高火藥的燃燒速度,等離子體與化學工質(zhì)的相互作用,反應速率對內(nèi)彈道性能的影響,吸熱,放熱,SINE型方案初期汽化或燃燒的工質(zhì)較少對吸熱工質(zhì)

26、初期壓力較大對放熱工質(zhì)相反內(nèi)彈道后期彈丸的運動使彈后空間增大反應速率的增大有利于彌補彈后的壓力降,反應速率對內(nèi)彈道性能的影響,Ｈ2Ｏ 汽化過程中要吸收熱量2#反應速率在內(nèi)彈道過程早期要消耗大部電能使氣體壓力降低彈丸運動使彈后空間變大后半段輸入的電能對壓力的影響不顯著,反應速率對內(nèi)彈道性能的影響,25%Ｃ8Ｈ18-75%Ｈ2Ｏ22增大反應速率時(2#)在內(nèi)彈道循環(huán)前半段釋放更多的化學能此時彈后空間較小使彈后空

27、間壓力有較大上升5#反應速率對內(nèi)彈道性能的影響相反,反應速率對內(nèi)彈道性能的影響,電熱化學炮內(nèi)彈道經(jīng)典模型,放電管等離子體模型燃燒室內(nèi)彈道模型,放電管等離子體模型基本假設,放電管內(nèi)等離子體處于熱力學平衡狀態(tài)壓力、溫度、密度均勻分布放電管處于絕熱狀態(tài)放電管內(nèi)壁材料的燒蝕由等離子體的輻射傳熱引起放電管內(nèi)等離子體熱物性參數(shù)為常量電離度由Saha方程確定等離子體混合物所有粒子以原子、離子、電子形式存在所有離子由原子一次電離產(chǎn)

28、生當金屬引爆絲溫度超過某臨界溫度時完全電離,放電管等離子體模型基本方程,等離子體質(zhì)量平衡毛細管燒蝕速率噴口流量能量平衡狀態(tài)方程放電回路方程輔助方程等離子體電離度等離子體混合物的電阻率,等離子體質(zhì)量平衡,毛細管內(nèi)的等離子體混合物質(zhì)量,噴口流出的等離子體混合物質(zhì)量,毛細管的半徑、長度、材料密度,,毛細管壁面線燒蝕速率,Stefan－Boltzmann常數(shù),等離子體的平均溫度,燒蝕材料的鍵焓,噴口流量,噴口半徑,等離子體

29、混合物的比熱比,等離子體混合物的氣體常數(shù),能量平衡,從毛細管壁面裂解出來的主要是CH2分子進入主流后進一步裂解為C、H原子部分電離為等離子體所有原子只進行一次電離,狀態(tài)方程,放電回路方程,等離子體負載電阻,放電回路雜散電阻,放電回路的波形調(diào)整電感值,儲能電容器組的電容值,電容器初始電壓,等離子體電離度等離子體混合物的電阻率,輔助方程,等離子體混合物中自由電子的數(shù)量密度,燃燒室內(nèi)彈道模型基本方程,燃氣質(zhì)量平衡方程液體發(fā)射藥

30、燃燒速率燃氣能量方程燃氣狀態(tài)方程膛內(nèi)壓力梯度方程彈丸運動方程,燃燒室內(nèi)彈道模型基本假設,液體發(fā)射藥沿軸向環(huán)形裝填彈丸運動后液體藥均勻分布于身管和藥室內(nèi)表面液體發(fā)射藥的反應速率由經(jīng)驗公式確定類似于固體火藥燃速的指數(shù)關(guān)系式等離子體射流輸入僅影響燃氣壓力和溫度增強液體藥的燃燒,燃燒室內(nèi)彈道模型基本假設,液體發(fā)射藥不可壓火藥力、比熱比等參數(shù)視為常量膛內(nèi)壓力梯度服從Chambrage關(guān)系式忽略熱散失、彈丸擠進功等與常規(guī)

31、火炮相同,燃燒室內(nèi)燃氣質(zhì)量平衡方程,燃燒室內(nèi)燃氣質(zhì)量變化速率,放電管輸入的等離子體質(zhì)量變化速率,燃氣生成速率（發(fā)射藥燃燒速率）,液體發(fā)射藥的燃燒速率,液體發(fā)射藥密度,燃燒系數(shù),發(fā)射藥有效燃燒面積,燃速壓力指數(shù),液體發(fā)射藥的燃燒速率,氣液界面上氣體速度,燃燒室初容,空腔長度,空腔初始半徑,幾何燃燒面積,彈底面積彈丸行程,燃氣能量平衡方程,液體發(fā)射燃燒釋放的能量,等離子體射流帶入的能量,彈丸動能,燃氣內(nèi)能,燃燒室內(nèi)彈道模型,燃氣

32、狀態(tài)方程（Noble－Abel方程）,膛內(nèi)氣體密度,氣體余容,燃燒室內(nèi)彈道模型,膛內(nèi)氣體壓力梯度,彈底壓力,膛底壓力,平均壓力,膛內(nèi)氣體壓力梯度,彈前激波壓力,大氣壓力,膛底至彈底距離,火藥燃燒百分比,未燃工質(zhì)運動耦合系數(shù),膛內(nèi)氣體壓力梯度,膛內(nèi)氣體軸向坐標,16個方程，17個變量計算例,電熱炮內(nèi)彈道模型,電熱炮內(nèi)彈道計算例,初始條件(放電開關(guān)閉合瞬間),電熱化學炮關(guān)鍵技術(shù),電源小型化化學推進劑高能量密度低分子量化學反應可控