瞬态小尺寸等离子体的判断及光谱法表征

以等离子体为激发能量的点火方式是含能材料点火技术的一个发展方向,等离子体的基本参数如温度和电子密度对研究等离子体点火的机理是重要的参数。对于半导体桥( SCB)在一定放电条件下所产生的瞬态小尺寸等离子体,很多等离子体诊断方法不能适用。本研究利用原子发射光谱技术,同时获得SCB等离子体温度和电子密度随时间分布的诊断结果,在放电电压为16 V,充电电容为47 μF条件下,1.0 Ω的SCB等离子体温度分布在2 400—3 800 K之间,电子密度约为3.2×l014～4.2×1014个／cm3左右。同时,依据筹离子体成立的空间尺度和时间尺度条件,根据光谱诊断结果,判断不同型号的SCB的放电行为是否产生等离子体。本研究为瞬态小尺寸等离子体诊断提供了一种有效的方法,为SCB桥体的设计以及点火方式的控制提供了理论指导和参考依据,以及用于其它体系中等离子体参数的诊断及判断。     

半导体桥生成等离子体温度的测量

应用原子发射光谱双谱线测温法原理,采用高速数字存贮示波器对半导体桥生成的等离子体温度以及桥上电压、电流变化进行了实时瞬态测量,获得了等离子体温度以及半导体桥上消耗的能量随时间变化的曲线,在半导体桥两端施加21 V电压的条件下,对6.8、15、47、68、100 μF五种不同容量的钽电容对半导体桥的作用时间、消耗能量以及生成等离子体温度的影响进行了研究,结果表明: 半导体桥生成等离子体最高温度与电容呈线性关系,其最高温度由6.8 μF时的2242 K升高到100 μF时的3324 K.     

原子发射光谱双谱线法测量半导体桥（SCB）等离子体温度（英）

在原子发射光谱双谱线法的基础上,设计了含有两个干涉滤光片和光电倍增管双谱线测温系统。仪器的最高的时间分辨率为0.1μs。讨论了不同能量输入条件下SCB等离子体的温度和等离子体的存在时间。实验结果表明在电压24~32 V,电容68μF不变的情况下,等离子体的温度从2710 K升高到3880 K,等离子体存在时间从170.7μs上升到283.4μs。     

半导体桥电容放电特性研究

通过分析半导体桥(Semiconductor Bridge,SCB)在相同电容不同电压下的电压电流曲线和桥面的烧蚀情况,研究了SCB的放电特性。实验发现:在相同电容下,随着充电电压的升高,SCB从无等离子体到有等离子体产生,且桥面的烧蚀程度增大。在低电压无等离子体时,电压和电流几乎同时断开;高电压产生等离子体时,由于等离子体是导体,在电压断开后电流持续一段时间断开。小电容放电时,其时间常数较小,较小的能量就可以将药剂点燃。     

半导体桥爆发临界性实验研究

对电容放电和5min恒流激励时半导体桥换能元的爆发特性进行了实验研究,测试了半导体桥作用过程中电压、电流、电阻的变化规律,通过对电阻变化特点的详细分析,发现恒流激励时半导体桥存在临界爆发电流,电容放电激励时存在爆发和产生等离子体两个临界电压。然后利用D-最优化法测试了电阻约为0.8Ω、长度为80μm、宽度为380μm、厚度为2μm、V型角为90°的半导体桥的临界爆发电流、临界爆发电压和产生等离子体的临界电离电压等数据,通过加载不同的电压,得出了爆发时间与充电电压之间的规律。     

温度对半导体桥电爆性能影响初探

为了研究温度对半导体桥（SCB）电爆和点火的影响,采用电容放电激励的方式,研究了SCB在环境温度分别为25℃和-40℃的电爆特性,建立数学模型并探讨了环境温度对SCB电爆的影响;开展了以Al/CuO纳米铝热剂为点火药剂的SCB点火感度实验,在环境温度为25℃和-40℃测试了Al/CuO纳米铝热剂的点火温度,并采用Neyer D最优化法测试SCB点火感度。结果发现,当充电电压由30 V增加至50 V时,电爆延迟时间差值由0.47μs降低至0.25μs,电爆所需能量的差值由0.16 mJ增加至0.65 mJ,表明随着充电电压的增加,环境温度对电爆延迟时间的影响减小,对电爆所需能量的影响增大;并发现不同温度下Al/CuO纳米铝热剂点火温度没有显著差异,为740.7℃;-40℃时的SCB临界发火电压比25℃时高0.6 V。     

半导体桥起爆黑索今研究

测试了电容放电条件下用高电压激发时半导体桥的爆发特性,结果表明在高电压的情况下半导体桥爆发时也会产生两个电压峰,并经历了升温、熔化、汽化、等离子体形成等4个阶段,半导体桥爆发时的后期放电持续时间也较长。此比外,研究了充电电压和压药压力对半导体桥起爆黑索今的影响,结果表明在一定的条件下可以用半导体桥起爆黑索今。     

半导体桥电爆过程的能量转换测量与计算

对电容激励模式下半导体桥(SCB)的电流、电压以及光的变化进行了测试,从能量的角度对半导体桥电爆换能过程进行了分析,并对电爆换能过程中硅桥物质形态的变化进行了量化分析,在电容为22μF、充电电压为45 V的情况下,SCB上电压为最低时(2.18μs,10 V)有61.1%的桥区熔化,SCB上电压为最高时(3.48μs,43 V)桥区有14.5%气化,在SCB发火光强最亮时(17.60μs)有70.3%的半导体硅桥电离。     

SCB传热模型及点火能量验证

以电容放电的方式研究了半导体桥(SCB)点火过程与药剂之问可能存在的能量作用形式.设计了不同的点火实验,有针对性地验证了等离子体对药剂的冲击作用和渗透热作用.从等离子体存在形式出发,利用等离子体传热理论,初步建立了等离子体传热模型.对斯蒂芬酸铅(LTNR)、叠氮肼镍(NHA)和硝酸肼镍(NHN)进行单颗粒球形传热模型的Fourier分析和数值模拟,并对三种药剂进行了SCB点火实验.LTNR、NHA、NHN三种药剂的最低点火电压分别为11,15,39 V.点火实验结果表明,药剂的导热系数影响SCB点火属性,导热系数小的药剂对应的最低点火电压也小.结合模拟的结果得到了SCB等离子体点火中,渗透热作用为主要能量作用形式的结论.     

消融控制电弧等离子体电导率模型的初步研究

分析了消融控制电弧等离子体的非理想性质,提出了新的电导率模型,并用于计算电热炮放电毛细管中等离子体的电导率,模型中考虑了中性柱子碰撞和量子机理.将计算结果和其它模型作了比较.结果表明,该模型更适用于脉冲放电等离子体电导率的计算.给出了一个简化的计算公式,在20 000～50 000 K的温度范围内,简化公式和该模型的计算结果相差不到10%.     

Experimental Study on Plasma Temperature of Semiconductor Bridge

The plasma temperature of the semiconductor bridge (SCB) was measured in real-time according to relative intensity ratio of dual lines of atomic emission spectrum.The plasma temperature under different discharge pulses and the influence of discharge pulse energy on it were studied.The results show that the plasma peak temperature rises gradually with the increase of initial discharging voltage and charging capacitance.For the capacitance of 22 μF,if the initial discharging voltage increases from 21 V to 63 V,the plasma peak temperature rises from 2 000 K to 6 200 K.For the discharging voltage of 39 V,the peak temperature rises from 2 200 K to 3 800 K when the capacitance increases from 6.8 μF to 100 μF.The change of pulse discharge has a very small effect on the plasma temperature at the late time discharge (LTD).In view of the change of plasma temperature with the pulse energy,the discharging voltage has a greater effect on the plasma temperature than the capacitance.The results provide some experimental basis for the further research on SCB ignition and detonation mechanisms.     

30mm电热化学炮膛内压力波数值模拟研究

使用包含瞬态燃速公式的一维内弹道模型模拟30 mm电热化学发射过程,通过与发射实验结果相比较,验证了该模型的精确性。对比常规发射和电热化学发射膛内压力波曲线可知,电热化学发射技术可以有效降低膛内压力波。进一步分析输入电能、放电时序、发射药弧厚、装填密度等参数变化对膛内压力波的影响。研究表明：同步放电的条件下,电能比不大于0.042时,压力波峰值变化很小;电能比大于0.042时,压力波峰值随着电能比的增加迅速增大;首个负波幅值随着电能比线性递增,但受电能比影响小于压力波峰值;采用时序放电时,在控制压力波的前提下,电能比与放电电流的脉宽呈正比;在较高电能比下,压力波峰值与放电电流的脉宽呈反比;随着发射药装填密度的增加,膛内压力波增大;但在控制压力波的前提下,可输入的电能比无明显变化,首个负波幅值随着电能比的变化趋势不变;弧厚的变化对压力波的影响可忽略不计。     

Al/CuO肖特基结换能元芯片的非线性电爆换能特性

依据肖特基势垒理论,设计并制备了Al/CuO肖特基结换能元芯片。用击穿电压仪研究了换能元芯片的电击穿性能,用电容放电的激发方式研究了芯片的电爆特性。结果表明,对前者,芯片存在发火阈值,具有整流特性,击穿电压与肖特基结的个数无关,击穿电压为8 V;对后者,芯片也存在发火阈值,发火阈值与肖特基结数呈正相关,芯片还具有发火延迟特性。延迟时间的长短与肖特基结数也呈正相关。同时芯片还具有多次激发而连续发火的特性。显示Al/CuO肖特基结换能元芯片是一种具有非线性电爆换能特性的新型电爆换能元。     

脉冲等离子射流在空气中扩展特性的测量与分析

为了分析脉冲等离子射流在空气中的扩展特性,采用压电式压力传感器及数字高速录像系统,研究了等离子发生器产生的脉冲等离子射流的扩展过程。用Photoshop等软件处理获得了不同放电电压及喷射破膜压力下,脉冲等离子射流在大气中扩展的体积、轴向位移、径向位移随时间的变化关系。结果表明,脉冲等离子射流扩展时,其形状由初始的类椭球形状逐渐伸展成一个类圆锥头部加细长的类柱形尾部。射流轴向扩展位移始终大于径向位移。扩展的体积随时间呈单峰分布。增大放电电压和喷射破膜压力均可提高射流的扩展能力,且放电电压越大,等离子射流扩展时的湍流掺混越剧烈。     

脉冲等离子射流在液体介质中扩展特性的测量与分析

为了深入了解液体工质电热化学炮的燃烧推进机理,设计了模拟实验装置。采用高速录像系统,观察了脉冲等离子射流喷入液体介质中的扩展过程。测量了脉冲等离子射流在液体介质中形成Taylor空腔的轴向位移和体积变化。得到了Taylor空腔体积随时间变化的定量扩展规律。讨论了贮液室边界形状、放电电压和喷嘴直径对等离子射流扩展的影响。结果表明,两相交界处由于湍流掺混形成皱褶不光滑的交界面。Taylor空腔扩展过程中出现了明显的振荡现象。渐扩结构因子由0.6减小到0.4,轴向位移第一峰值和体积第一峰值分别增大16.6%和12.4%。放电电压由3000 V减小到2100 V,轴向位移第一峰值和体积第一峰值分别减小36.1%和60.7%。喷嘴直径由2 mm减小到1.5 mm,轴向位移第一峰值和体积第一峰值分别减小27.2%和56.7%。     

强冲击下PZT-5H压电陶瓷的动力响应及电输出特性研究

为了揭示冲击压力对PZT-5H压电陶瓷电输出特性的影响,利用自行建立的聚偏氟乙烯冲击压力测试系统和压电陶瓷电输出性能测试系统,以一级轻气炮作为加载手段,开展了柱状铝合金弹丸分别以195 m/s、487 m/s、532 m/s和613 m/s的速度垂直撞击复合靶板（钢片-压电陶瓷-有机玻璃）的实验。利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA进行弹靶碰撞的有限元分析,分析了不同速度下PZT-5H的冲击压力时程。根据实验系统建立了弹靶接触时应力波传播的简化模型,并通过模型计算出复合结构中PZT-5H压电陶瓷承受的冲击压力峰值。运用实验得到的冲击压力时程、压电陶瓷输出电压时程和储能电容充电电压时程,分析了不同峰值压力脉冲作用下PZT-5H压电陶瓷电输出特性的变化规律。研究结果表明：冲击压力峰值的计算结果与仿真结果、实验测量结果趋势吻合;冲击压力峰值在200~700 MPa范围内时,PZT-5H压电陶瓷输出电压峰值随着冲击应力峰值的增加而增大,且近似呈线性关系;在高速撞击PZT-5H压电陶瓷过程中动能与电能的能量转化效率较低,当储能电容量与PZT-5H压电陶瓷电容量比值为5.9∶1时,压电陶瓷的能量转化率为1.1%.     

基于IGCT的单级磁阻型线圈发射器的效率研究

为了提高磁阻型线圈发射的发射效率,实现其参数的最优化配置,推进磁阻型线圈发射的工程化应用,基于磁阻型线圈发射的物理模型,采用Matlab和Maxwell软件建立了单级磁阻型线圈发射装置的仿真模型并进行仿真分析。在此基础上,在放电系统中加入了半导体断路开关集成门极换流晶闸管,实现了电枢承受反向电磁力条件下对驱动线圈电流的切断。研究了优化前后发射效率的变化以及初始位置和电枢初速度对模型发射效率的影响。仿真结果表明:在电压型脉冲源初始电压为2 500 V,电容为4 mF以及给定的发射器参数的条件下,模型优化后发射效率提高了2.24%;模型优化导致最佳初始位置前移,而电枢初速的增加会导致最佳初始距离增大。     

HAN基液体发射药电点火参数的实验研究

在两级电点火装置上，和高压脉冲电源进行了ＨＡＮ基液体发射药的电点火实验，实验研究了实现无电弧点火，限制电弧放电所需的电源特性参数及点火结构参数，其结果为液体发射药电点火器设计提供了依据。