一种高温等离子体射流发生装置

技术领域

本发明涉及中大口径电热化学炮内弹道稳定性控制技术领域，更具体的说，是一种新型电热化学发射技术下的高温等离子射流及两相界面控制装置。

背景技术

等离子体在军事领域的重要应用之一就是电热化学发射技术(ETC)，这是一种新概念超高速发射技术。电热化学炮是ETC发射技术在火炮上的运用，其核心过程是外部脉冲电源放电产生温度较高的等离子体，等离子体点燃含能工质后释放出大量化学能，即等离子体作为媒介将电能与化学能相结合，共同作用推动弹丸加速运动。与常规火炮相比，电热化学炮的点火延迟时间短，点火一致性较好，具有良好的兼容性，且可以通过调整外部电能输入来改善火炮的内弹道性能；与电热炮和电磁炮相比，电热化学炮加速弹丸的大部分能量仍然是来自于发射药自身的化学能，因此所需要的电能比较小，有利于电源的小型化。因此，ETC发射技术被认为是最有发展前景的新概念发射技术之一。

发射药的点火过程是火炮内弹道膛内初始压力波形成的重要因素之一，点火结构、点火能量以及点火条件达不到要求，都有可能使膛内的压力波不断增加，从而导致发射药颗粒破碎，严重时甚至发生膛炸事故。在电热化学炮中，等离子体作为点火源，就决定了火炮装药初始点火燃烧过程的稳定性和一致性。因此，电热化学发射技术对等离子体发生器有着特殊的要求，需要等离子体发生器能够在极短的时间内吸收大量的电能，然后烧蚀毛细管壁形成高压高温的等离子体射流，并稳定地喷入含有发射药的燃烧室中，点燃其中的发射药。

发明内容

本发明目的是为了解决电热化学发射技术下的装药点火可靠性和稳定性问题，提供了一种高温等离子体射流发生装置，该装置可通过调节脉冲放电电压和喷射结构形成持续稳定的等离子射流。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种高温等离子体射流发生装置，包括喷嘴、连接头、金属壳体、压力传感器、紫铜膜片、绝缘体、毛细管、电爆炸丝、金属块、金属内芯、绝缘底座、绝缘盖片、金属底座、绝缘套、阳极；

喷嘴一端和连接头一端通过螺纹连接；金属壳体一端通过外螺纹与连接头的另一端连接；同时，金属壳体的侧面开有一个测压螺纹孔，该螺纹孔内拧入压力传感器；金属壳体内部开有变直径的内孔，在变直径位置处放置紫铜膜片；绝缘体从金属壳体大直径内孔的一端插入，并压紧紫铜膜片；毛细管嵌入绝缘体的内孔中；金属块的上表面中心开有一个小孔，电爆炸丝的一端卡入该小孔内；装有电爆炸丝的金属块一端插入绝缘体的内孔中，并保证其中的电爆炸丝与紫铜膜片压紧；金属块的另一端通过外螺纹与金属内芯连接；同时，在连接处压入环形绝缘盖片；在金属底座内部放置一个凹字型的绝缘底座，并将带有绝缘底座的金属底座通过内螺纹与金属壳体的另一端紧密连接，并保证其中的绝缘底座与绝缘盖片压紧；金属内芯、绝缘底座和金属底座侧面的对应位置均有开有一个小孔，其中金属内芯侧面的小孔为螺纹孔，其余两个孔为半径稍大的直通孔；在绝缘底座和金属底座侧面的直通孔内嵌入绝缘套；阳极从绝缘套的内孔插入，并拧入金属内芯侧面的螺纹孔中。

本发明基于电热化学炮点火系统，展现了高温等离子体射流的界面演化特性，以及等离子体-气体/液体/固体的多相湍流效应，进而结合脉冲放电电压强度、喷嘴尺寸结构、以及电爆炸丝直径等参数对等离子射流界面形状的影响，可有效控制射流扩展过程中的脉动性，提高射流界面稳定性，使得电热化学装药结构的点传火过程更加安全可靠。

附图说明

图1是本发明高温等离子体射流发生装置结构图。

具体实施方式

本发明的装置主要包括喷嘴、连接头、金属壳体、压力传感器、绝缘体、聚乙烯毛细管、紫铜膜片(阴极)、电爆炸丝、阳极、以及金属底座。整个装置的最上端为特种钢制的等离子体射流喷嘴，喷嘴开口根据实际要求可朝向发射药或者大气。同时，该喷嘴通过特种钢制连接头与发射装置的特种钢制金属壳体连接，连接头具有导流的作用，用以确保等离子体形成后，能够以高速而稳定的射流形式从钢制喷嘴喷出。金属壳体侧面开有测压螺纹孔，并安装有压力传感器，用来测量等离子体形成过程中毛细管内的压力变化特性。金属壳体与金属底座通过螺纹连接，并接地。两者内部都嵌有聚四氟乙烯制成的绝缘体，且金属壳体内的绝缘体出口处放置一个薄的紫铜膜片。该紫铜膜片与金属壳体在电传导上是连通的，并共同作为等离子体发生装置的阴极。金属壳体中的环形绝缘体内部放置一根长度为73mm且内径为4mm的聚乙烯毛细管，毛细管内孔中心处放有一根金属电爆炸丝，该电爆炸丝由细长型的铝箔片制成，并贯穿整个毛细管。金属底座的一端开有螺纹孔，用来与发生装置的阳极连接，阳极由钢材料制成。试验时，阳极连接脉冲功率电源的高压输出端，当脉冲功率电源的电能加载于发生装置两极时，装置内的电爆炸丝作为初始电能负载，开始爆炸形成高温的金属等离子体，并烧蚀四周的聚乙烯毛细管壁面，进而形成等离子体混合物，当毛细管内的压力超过其出口处紫铜膜片的破膜压力后，等离子体冲破膜片，从毛细管内喷出，并经过连接头后从喷嘴喷出形成高温等离子射流。

下面结合说明书附图对本发明作进一步的说明。

结合图1，一种高温等离子体射流发生装置，包括喷嘴1；连接头2；金属壳体3；压力传感器4；紫铜膜片阴极5；绝缘体6；毛细管7；电爆炸丝8；金属块9；金属内芯10；绝缘底座11；绝缘盖片12；金属底座13；绝缘套14；阳极15。

根据图纸制作所述发生装置各个部件，并选定合适的喷嘴1及连接头2内外径尺寸，将喷嘴1一端和连接头2一端通过螺纹连接；金属壳体3一端通过外螺纹与连接头2的另一端连接；同时，金属壳体3的侧面开有一个测压螺纹孔，并将压力传感器4拧入该螺纹孔内；金属壳体3内部开有变直径的内孔，在变直径位置处放置紫铜膜片5；将绝缘体6从金属壳体3大直径内孔的一端插入，并压紧紫铜膜片5；随后，将毛细管7嵌入绝缘体6的内孔中。金属块9的上表面中心开有一个小孔，将电爆炸丝8的一端卡入该小孔内；进而，将装有电爆炸丝8的金属块9一端插入绝缘体6的内孔中，并保证其中的电爆炸丝8与紫铜膜片5压紧；金属块9的另一端通过外螺纹与金属内芯10连接。同时，在连接处压入环形绝缘盖片12；在金属底座13内部放置一个凹字型的绝缘底座11，并将带有绝缘底座11的金属底座13通过内螺纹与金属壳体3紧密连接，并保证其中的绝缘底座11与绝缘盖片12压紧，不漏电。金属内芯10、绝缘底座11和金属底座13侧面的对应位置均有开有一个小孔，其中金属内芯10侧面的小孔为螺纹孔，其余两个孔为半径稍大的直通孔。在绝缘底座11和金属底座13侧面的直通孔内嵌入绝缘套14。最后将阳极15从绝缘套14的内孔插入，并拧入金属内芯10侧面的螺纹孔中，从而完成安装。

高温等离子体射流发生过程如下：通过对所述发生装置的阳极15和阴极5两端加载电能，电爆炸丝8开始爆炸形成高温金属等离子体，并不断烧蚀，融化四周的毛细管7内壁面，从而使毛细管7内部不断电离，产生高温毛细管等离子体混合物。当毛细管7内的压力超过紫铜膜片5的破膜压力，高温等离子冲破紫铜膜片5，经过连接头2，从发生装置的喷嘴1喷出，进而形成高温高压高速的等离子射流。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。