我国专业火炮研究所对大口径电热炮前途判断: 无法大幅度 ...

电热化学发射技术在大口径火炮上的应用前景

火炮发射与控制学报,
Journal of Gun Launch & Control,编辑部邮箱,2010年02期

【作者】狄加伟；杨敏涛；张明安；赵斌；【Author】 DI Jia-wei,YANG Min-tao,ZHANG Ming-an,ZHANO Bin(Northwest Institute of Mechanical & Electrical Engineering,Xianyang 712099,Shaanxi,China)【机构】
西北机电工程研究所；

【摘要】电能增强技术和等离子体点火技术是电热化学发射技术的两个重要研究方向。在目前技术水平条件下,利用电能增强技术来较大幅度提高大口径火炮炮口初速的方法是不可行的;利用等离子体点火技术增强火药燃烧性能可提高某大口径火炮2.6%的炮口初速,但该方式在电能的加载、时序放电的控制和火药气体的状态平衡方面存在很大的技术困难。等离子体点火技术较常规火炮的技术优势主要体现在提高火炮的弹道一致性及射击精度、弹道性能补偿和引燃更高密度发射药等方面,并预测了在将来高能高密度装药方面等离子体点火技术对提高炮口初速所具有的潜在优势
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全文

利用电热化学发射技术较大幅度提 高大口径高膛压火炮初速的可行性 Ｉ．

１ 通过电能增强较大幅度提高初速的可行性 电能作为电热化学炮第一工质，其作用是弥补 发射药能量的不足和产生高温高速的等离子体引 燃装药并加热火药气体。输入电能的增加相当于 提高了火药工质的含能密度，增加了对弹丸作功的 能力，从而提高了炮口速度，亦即提高炮口动能。 对现有常规火炮来讲，提高炮口速度一般要保 持火炮、弹丸及最大膛压不变。目前大口径高膛压 火炮穿甲弹的炮口动能在１０ ＭＪ以上，如果依靠电 能的补充来提高２０％的炮口动能，则必须有２ ＭＪ 的电能有效地转化为弹丸的有用功，而由于弹后气 体压力的拉格朗日分布及其他次要功的消耗，对于 穿甲弹而言，其弹道效率一般不会超过２５％，因此 实际施加于火药气体工质用来提高火药含能密度 的电能为８ ＭＪ左右，而等离子体发生器的放电效 率一般在５０％左右，因此初始输入电能要达到１６ ＭＪ，即单从能量施加的角度来考虑，要提高２ ＭＪ 的炮口动能，其初始输入电能要达到１６ ＭＪ。从目 前储能装置来看，电容器的储能密度约为１ ＭＪ ｍ一，１６ ＭＪ储能装置的体积要达１６ ｍ３，这样庞大 的体积应用于目前的陆基火炮装备是很不现实的。 因此在目前技术水平条件下，要单纯依靠电能的增 强来较大幅度地提高大口径高膛压火炮炮口速度 的方法几乎是不可行的

１．２通过发射药等离子体点火燃烧增强效应较大 幅度提高初速的可行性 在等离子体增强燃烧的作用下，固体火药的燃 速有较大幅度的提高。实验表明Ｅ３－ｅ〕，等离子体垂 直作用于燃烧表面时，火药燃速提高了２倍以上， 而当等离子体射流平行于火药燃烧面时，火药的燃 烧速率增加了２０％～４０ ｏＡ，这就是发射药的等离子 体点火燃烧增强效应。在保持火炮、弹丸及最大膛 压不变的情况下，要提高炮口速度，可以选择在火 炮最大压力点后再施加一次电能，高温等离子体再 次作用于火药粒子，使其燃速有较大幅度的提高， 那么在最大压力点后就会形成一个二次压力峰，这 样能够增大火炮的示压效率，有利于提高炮口速 度。对某大口径高膛压火炮穿甲弹在最大压力点 后的３个不同时刻加载电能使发射药燃速增加１ 倍进行了内弹道模拟，并同制式参数进行了对比
。


１．２通过发射药等离子体点火燃烧增强效应较大 幅度提高初速的可行性 在等离子体增强燃烧的作用下，固体火药的燃 速有较大幅度的提高。实验表明Ｅ３－ｅ〕，等离子体垂 直作用于燃烧表面时，火药燃速提高了２倍以上， 而当等离子体射流平行于火药燃烧面时，火药的燃 烧速率增加了２０％～４０ ｏＡ，这就是发射药的等离子 体点火燃烧增强效应。在保持火炮、弹丸及最大膛 压不变的情况下，要提高炮口速度，可以选择在火 炮最大压力点后再施加一次电能，高温等离子体再 次作用于火药粒子，使其燃速有较大幅度的提高， 那么在最大压力点后就会形成一个二次压力峰，这 样能够增大火炮的示压效率，有利于提高炮口速 度。对某大口径高膛压火炮穿甲弹在最大压力点 后的３个不同时刻加载电能使发射药燃速增加１ 倍进行了内弹道模拟，并同制式参数进行了对比
实验表明，某火炮 在相同的电能条件下压力启动时间的跳动最大在 Ｏ．５ ｍｓ以上，到达最大压力的时间也有同样量级的 差异，且这样的跳动和差异是随机的。因此若加载 电能的时间提前，则最大压力会出现大幅度的增 加；若加载时间滞后，则起不到增强燃烧的效果，表 １和图１的数据曲线表明了这一点。因此电热化学 炮上精确的时序放电控制是一个很大的技术难题。

火药气体状态的平衡问题 时序放电的作用一是控制火药能量释放规律， 二是增加火药气体的含能密度。最大压力点后时 序放电产生约１０ ０００ Ｋ温度的等离子体，其当地声 速为ｌ ５００～２ ０００ ｍ Ｓ～。等离子体发生器安装 在药筒内，大口径高膛压火炮的药筒长度约为１ ｍ， 最大压力点时的弹丸行程在０．５ ｍ以上，此时弹丸 速度约１ ０００ ｍ Ｓ～。可以看出，时序放电产生的 等离子体即使不经过任何能量损耗从药筒底部赶 上弹丸，所需的时间也要３ ｍｓ以上，此时弹丸已接 近炮口。所以弹后气体状态接近平衡的时间已接 近内弹道过程的结束，达不到等离子体加热弹后火 药气体、提高弹底压力进而提高弹丸速度的目的。 上述分析表明，在大口径高膛压火炮上利用电 能增强技术来较大幅度提高炮口速度的方法在目前 技术水平条件下是不可行的。而等离子体点火技术 可以小幅提高炮口速度，但存在着较多的技术困难







电热化学发射技术在大口径火炮上的应用前景

火炮发射与控制学报,
Journal of Gun Launch & Control,编辑部邮箱,2010年02期

【作者】狄加伟；杨敏涛；张明安；赵斌；【Author】 DI Jia-wei,YANG Min-tao,ZHANG Ming-an,ZHANO Bin(Northwest Institute of Mechanical & Electrical Engineering,Xianyang 712099,Shaanxi,China)【机构】
西北机电工程研究所；

【摘要】电能增强技术和等离子体点火技术是电热化学发射技术的两个重要研究方向。在目前技术水平条件下,利用电能增强技术来较大幅度提高大口径火炮炮口初速的方法是不可行的;利用等离子体点火技术增强火药燃烧性能可提高某大口径火炮2.6%的炮口初速,但该方式在电能的加载、时序放电的控制和火药气体的状态平衡方面存在很大的技术困难。等离子体点火技术较常规火炮的技术优势主要体现在提高火炮的弹道一致性及射击精度、弹道性能补偿和引燃更高密度发射药等方面,并预测了在将来高能高密度装药方面等离子体点火技术对提高炮口初速所具有的潜在优势
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全文

利用电热化学发射技术较大幅度提 高大口径高膛压火炮初速的可行性 Ｉ．

１ 通过电能增强较大幅度提高初速的可行性 电能作为电热化学炮第一工质，其作用是弥补 发射药能量的不足和产生高温高速的等离子体引 燃装药并加热火药气体。输入电能的增加相当于 提高了火药工质的含能密度，增加了对弹丸作功的 能力，从而提高了炮口速度，亦即提高炮口动能。 对现有常规火炮来讲，提高炮口速度一般要保 持火炮、弹丸及最大膛压不变。目前大口径高膛压 火炮穿甲弹的炮口动能在１０ ＭＪ以上，如果依靠电 能的补充来提高２０％的炮口动能，则必须有２ ＭＪ 的电能有效地转化为弹丸的有用功，而由于弹后气 体压力的拉格朗日分布及其他次要功的消耗，对于 穿甲弹而言，其弹道效率一般不会超过２５％，因此 实际施加于火药气体工质用来提高火药含能密度 的电能为８ ＭＪ左右，而等离子体发生器的放电效 率一般在５０％左右，因此初始输入电能要达到１６ ＭＪ，即单从能量施加的角度来考虑，要提高２ ＭＪ 的炮口动能，其初始输入电能要达到１６ ＭＪ。从目 前储能装置来看，电容器的储能密度约为１ ＭＪ ｍ一，１６ ＭＪ储能装置的体积要达１６ ｍ３，这样庞大 的体积应用于目前的陆基火炮装备是很不现实的。 因此在目前技术水平条件下，要单纯依靠电能的增 强来较大幅度地提高大口径高膛压火炮炮口速度 的方法几乎是不可行的

１．２通过发射药等离子体点火燃烧增强效应较大 幅度提高初速的可行性 在等离子体增强燃烧的作用下，固体火药的燃 速有较大幅度的提高。实验表明Ｅ３－ｅ〕，等离子体垂 直作用于燃烧表面时，火药燃速提高了２倍以上， 而当等离子体射流平行于火药燃烧面时，火药的燃 烧速率增加了２０％～４０ ｏＡ，这就是发射药的等离子 体点火燃烧增强效应。在保持火炮、弹丸及最大膛 压不变的情况下，要提高炮口速度，可以选择在火 炮最大压力点后再施加一次电能，高温等离子体再 次作用于火药粒子，使其燃速有较大幅度的提高， 那么在最大压力点后就会形成一个二次压力峰，这 样能够增大火炮的示压效率，有利于提高炮口速 度。对某大口径高膛压火炮穿甲弹在最大压力点 后的３个不同时刻加载电能使发射药燃速增加１ 倍进行了内弹道模拟，并同制式参数进行了对比
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１．２通过发射药等离子体点火燃烧增强效应较大 幅度提高初速的可行性 在等离子体增强燃烧的作用下，固体火药的燃 速有较大幅度的提高。实验表明Ｅ３－ｅ〕，等离子体垂 直作用于燃烧表面时，火药燃速提高了２倍以上， 而当等离子体射流平行于火药燃烧面时，火药的燃 烧速率增加了２０％～４０ ｏＡ，这就是发射药的等离子 体点火燃烧增强效应。在保持火炮、弹丸及最大膛 压不变的情况下，要提高炮口速度，可以选择在火 炮最大压力点后再施加一次电能，高温等离子体再 次作用于火药粒子，使其燃速有较大幅度的提高， 那么在最大压力点后就会形成一个二次压力峰，这 样能够增大火炮的示压效率，有利于提高炮口速 度。对某大口径高膛压火炮穿甲弹在最大压力点 后的３个不同时刻加载电能使发射药燃速增加１ 倍进行了内弹道模拟，并同制式参数进行了对比
实验表明，某火炮 在相同的电能条件下压力启动时间的跳动最大在 Ｏ．５ ｍｓ以上，到达最大压力的时间也有同样量级的 差异，且这样的跳动和差异是随机的。因此若加载 电能的时间提前，则最大压力会出现大幅度的增 加；若加载时间滞后，则起不到增强燃烧的效果，表 １和图１的数据曲线表明了这一点。因此电热化学 炮上精确的时序放电控制是一个很大的技术难题。

火药气体状态的平衡问题 时序放电的作用一是控制火药能量释放规律， 二是增加火药气体的含能密度。最大压力点后时 序放电产生约１０ ０００ Ｋ温度的等离子体，其当地声 速为ｌ ５００～２ ０００ ｍ Ｓ～。等离子体发生器安装 在药筒内，大口径高膛压火炮的药筒长度约为１ ｍ， 最大压力点时的弹丸行程在０．５ ｍ以上，此时弹丸 速度约１ ０００ ｍ Ｓ～。可以看出，时序放电产生的 等离子体即使不经过任何能量损耗从药筒底部赶 上弹丸，所需的时间也要３ ｍｓ以上，此时弹丸已接 近炮口。所以弹后气体状态接近平衡的时间已接 近内弹道过程的结束，达不到等离子体加热弹后火 药气体、提高弹底压力进而提高弹丸速度的目的。 上述分析表明，在大口径高膛压火炮上利用电 能增强技术来较大幅度提高炮口速度的方法在目前 技术水平条件下是不可行的。而等离子体点火技术 可以小幅提高炮口速度，但存在着较多的技术困难