（电力系统及其自动化专业论文）毛细管等离子体特性实验研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e c a p i l l a r yd i s c h a r g ep l a s m a i san e w t y p eo fh i g hp u l s e de n e r g yp a r t i c l es o t w c e c o n f i n e dc a p i l l a r yd i s c h a r g ec a np r o d u c eh i g ht e m p e r a t u r eh i 曲v e l o c i t yh i g hd e n s i t y p l a s m aj e t t h i sj e tc a nb eu s e di n n a t i o n a ld e f e n c e ，i n d u s t r ya n ds c i e n t i f i cr e s e a r c h b e c a u s eo fi t se s p e c i a lp h y s i c a lq u a l i t i e s ，t h i sp a p e ri n v e s t i g a t et h ec h a r a c t e r i s t i co ft h e c a p i l l a r yd i s c h a r g ep l a s m a , d e s i g n e d a c a p i l l a r yp l a s m ag e n e r a t o ra n d i t sp o w e r s u p p l y t h e e x p e r i m e n tr e s u l td e m o n s t r a t e d t h ef e a s i b i l i t yo ft h ep r o j e c t t h em a i nc o n t e n ta n d c o n t r i b u t i o no f t h et h e s i sa sf o l l o w s ： 1 t h eb a c k g r o u n da n dr e s e a r c hs i g n i f i c a n c eo ft h es u b j e c ti sp r e s e n t e d t h e d e v e l o p m e n t a n d a p p l i c a t i o n o f c a p i l l a r yp l a s m at e c h n o l o g y a r ei n t r o d u c e d 2 c h a p t e r2b r i e f l yi n t r o d u c e dt h eb a s i cp r i n c i p l ea n d t h e o r e t i cm o d e la b o u tt h e c a p i l l a r yp l a s m a 3 ，t h ec a p i l l a r yp l a s m ag e n e r a t o rw i t hc l o s i n gs w i t c hp r o p e r t i e si sd e s i g n e d t h e e x p e r i m e n tp r o v e dt h a tt h ec a p i l l a r yp l a s m ag e n e r a t o ri s s u i t a b l ef o re l e c t r o - t h e r m a l l a u n c h e r s t h ed e l a yo f t h es w i t c ha n dt h ec h a r a c t e r i s t i ca l ea n a l y z e d 4 an e w t y p eo fp u l s ef o r m c i r c u i tw h i c hc a n p r o v i d e t h er e q u i r e dp 1 1 l s e dc u r f e n t w a v e f o r mf o re l e c t r o t h e r m a ll a u n c h e ri sd e s i g n e da n dt h ec i x c u i tp r i n c i p l ei sa n a l y z e d 5 t h ep u l s ef o r mc i r c u i ti ss i m u l a t e db ys o f t w a r e , t h ei n f l u e n c eo ft h ec i r c u i t p a r a m e t e r s t ot h ec u r r e n tw a v e f o r mi sa n a l y z e d 6 t h ee x p e r i m e n tp r o v e dt h ew a v es h a p i n gp r o p e r t y t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa r e c o m p a r e d w i t hs o f t w a l t ts i m u l a t i o nr e s u l t s t h ep o w e rs u p p l ya n dc a p i l l a r yp l a s m ag e n e r a t o rw h i c ha r ei n t r o d u c e di nt h i s p a p e r h a v es e v e r a la d v a n t a g e s i ti st h ei d e a s c h e m ew h i c h c a l lb eu s e di ni n d u s t r ya n d s c i e n t i f i cr e s e a r c h k e y w o r d s ：c a p i l l a r yd i s c h a r g ep l a s m a e l e c t r o - t h e r m a ll a u n c h e r p u l s ef o r m c i r c u i t c a p i l l a r yp l a a n mg e n e r a t o r 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = 。= ；= ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = i i 毛细管等离子体概述 1 绪论 等离子体是由气体部分电离而形成的物质的第四态，是一种总体呈电中性，由 i f 离子，自由电子和中性原子组成的电离气体。宇宙中绝大部分物质都是以等离 子体状态存在，如所有的恒星、地球上空的电离层、电弧等等。 毛细管放电等离子体是八十年代以来发展起来的一种新型脉冲高能粒子源。这 种等离子体是在一种“毛细管”结构的装置里面产生的，毛细管是一个径长比很 小c o 1 ) 的细长管子，毛细管长度通常为几个厘米到十几厘米，内径2 6 毫米， 管壁通常采用碳氢分子如聚乙烯等材料，两端装有电极，其中开口中空的环形阴 极为发射极。通过在毛细管的两端施加脉冲高压电弧放电，在毫秒范围内通过电 流数i o k a ，电弧产生的等离子体烧蚀毛细管管壁，形成更多的高温高压高速等离 子体。这些等离子体温度通常为几个e v ，密度在1 0 2 0 c m 。以上，射速达l o k m s 以 上，压力为l o o m p a 以上，等离子体的参数特性近似于黑体特征。与其他等离子 体发生器相比，其特点是结构简单，无需真空环境和防爆措施，在大气条件下就 可以产生。在物理特性方面也具有优势，温度高，密度大，射速快，因而具有广 泛的应用前景。 由于毛细管等离子体具有的独特优势，以及它在科学研究、工业和军事等领域 的广泛应用价值，近年来受到各国科学界的重视，目前美、英、法、德、俄等国 研究机构都在积极从事这一领域的研究，提出相应的理论摸型，正在开拓新的应 用领域。毛细管放电等离子体是电热化学发射中的关键技术之一，可以作为高速 发射器用来发射高速粒子，也可以用于推进器推进小物体，高温高密度等离子体 射流可以用于材科表面处理，还可以作为点火装置，引燃其他媒质。在航天领域， 毛细管等离子体发生器可以作为新型航天推进器，利用放电时产生的强大推动作 用，提供飞行器的推力，改变运动方向运行轨迹，它的优点在于可以控制电能的 华中科技大学硕士学位论文 = = = ；= = = = = = = = = ；_ _ = = = = = = = ；= = = 一： 输入，更灵活的控制飞行器的运动。适当改变毛细管内的填料成分，可以满足不 同的需要，实现更为广泛的用途。超短脉冲毛细管放电等离子体在软x 射线，激 光驱动粒子加速器等领域也都有重要应用价值。 1 2 毛细管等离子体技术的研究进展 毛细管放电等离子体包含复杂的物理过程，涉及物理学诸多领域，如流体力学、 磁流体力学、热力学、等离子体物理、辐射光学等等，需要测量的参数包括电参 数、热力学参数、动力学参数、等离子体参数等等。近2 0 年来国外研究了这种毛 细管放电现象，提出了多种理论来描述消融电弧等离子体发生器的工作过程，它 们从不同角度和侧重点描述了毛细管放电等离子体发生器的工作过程f 2 】。 目前美、俄、英、法、德、以色列、日本等发达国家都已在这一技术领域进行 了深入的研究，国内的研究机构有华中科技大学、南京理工大学和中国工程物理 研究院。美国联合防御公司从2 0 世纪8 0 年代就开始研究电热化学炮技术，并于 1 9 9 3 年6 月，向美国海军作战中心交付了世界上第- - i - j6 0 毫米电热炮，用于试验。 试验结果表明，它可使重2 7 公斤的3 0 毫米弹丸达到1 2 3 0 米秒的初速度，炮口 能量比固体发射药火炮提高3 5 1 3 1 。目前，美国的研制重点是战区导弹防御用的电 热炮技术。一种是1 2 0 毫米的“实验室”电热炮，能将2 9 公斤的炮弹以2 5 0 0 米秒 的初速发射【4 】：另一种是1 2 0 毫米的可搬运的“座架”式电热炮，既可以2 2 0 0 米秒 的初速发射3 7 公斤的炮弹，也可以1 7 0 0 米，秒的初速发射1 1 8 公斤的炮弹【5 1 。以 色列、德国、法国和比利时正在开发毛细管等离子体技术用来处理有害化合物【6 】a 以色列和俄罗斯等国还利用毛细管等离子体技术用来热喷涂和材料表面处理【7 】。 美国的奥斯丁大学技术学院利用毛细管等离子体发生器来产生金属和碳等离子体 射流，这中等离子体射入到常温常压气体中去，与大量的冷气体接触，反应生成 物迅速冷却，可以形成新的材料嘲。 随着毛细管等离子体的广泛应用，其结构也相应变化，如可用于重复放电的多 投放电结构的出现【l i 】，理论模型也需要随之改变以适应新的应用。 2 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = _ = = ；= = = ；= = = = = = = = ；= = = 一= = 1 3 毛细管放电等离子体的应用前景 毛细管等离子体研究的不断进步主要是由电热发射技术的推动，自8 0 年代以 来电热发射作为一种新概念武器提出来，受到各国军事部门的高度重视，玻认为 是突破常规火炮的重要途径【9 】a 毛细管放电等离子体是电热化学炮的关键技术，因 而得以进行广泛研究，成为研究热点。由于它的独特的物理特性，随着研究的不 断深入，其应用范围也不断拓展，在其它领域如有害化合物的处理，热喷涂和材 料表面处理以及纳米新材料制备等应用也越来越广泛。 1 3 1 电热和电热化学发射 电热发射具有超越常规火炮2 k m s 的出膛速度极限的潜力，它利用毛细管等离 子体发生器产生的高温高压高速的等离子体射流，来加速弹丸，可以达到3 k m s 的发射速度【l “，纯电热发射需要提供数十兆焦耳电能才能实现实战，因此需要极 高的电储能密度，电源小型化是关键技术。但在电储能密度不是很高时，可以用 它来加速小质量物体，毛细管等离子体射流具有1 0 k m s 的射速，其放电电能效率 可以达到9 0 ，它可以将毫克重的微粒加速到数k n l s 【i l l 。在空间探测试验中，可 以用来发射微粒子进入空间，模拟空间物体和微尘埃的互相作用【1 2 】。在热核聚变 托克马克试验装置中，它是一种理想的小球发射器，用于冰球加料【1 3 】。 电热化学发射结合了纯电热发射和化学发射的优点，它利用等离子体发生器产 生的高温高能的等离子体射流，点燃燃烧室内的化学药剂，并控制其燃烧过程。 通过电源控制电功率的输入可以调节产生等离子体数量和持续时间，从而优化等 离子体与化学药剂的互相作用，提高化学药剂的燃烧效率，获得恒定的炮膛压力， 增大弹头的出膛速度，实现大于2 k i l l $ 的发射速度，与纯电热相比它需要的电储 能密度可以大大减小。采用等离子体射流点燃方式有着普通点燃方式不能比拟的 优越性。由于等离子体进入燃烧室时其温度高达2 0 0 0 k ，热传递以辐射方式进行， 对辐射的深入吸收导致化学药剂的起燃温度高。大量试验证明，燃料的燃烧效率 随着初始温度的增高而加大。另外等离子体对燃料的机械力作用使得燃剂产生微 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = ；= = = ；= = = = = ；= = = = = = = = j = ；= = = = ；= = 一= 裂缝，加大了燃烧表面积。因而采用等离子体点燃方式具有燃烧快、效率高、燃 气起压时延短的特点。在燃气压强达到最大时，再一次注入等离子体射流，以这 部分额外能量加宽压强时间曲线，增大曲线下方的面积，获得更大的出膛速度( 提 升。试验验证这种技术可以产生2 0 以上的速度提升。 美国、以色列、俄罗斯等国再电热化学发射领域起步比较早，在1 9 9 6 年美国 和以色列就开始进行电热化学炮的靶场试验f 1 4 j 。目前世界许多国家都在积极进行 电热化学炮的研究工作。 l - 3 2 有害化合物的处理【1 5 | 石油化工、塑料、油漆、杀虫剂等制造工业都要产生一定的有害化合物。处理 它们比较困难，而且会产生一定的环境污染。利用毛细管等离子体喷枪产生高能 脉冲等离子体射流，对这些有害化合物流体进行处理是一种新的技术，以色列、 德国、法国和比利时四国正在共同开发这项新的技术。由于这种高密度、高速度 的等离子体射流携带极为可观的动量，它在被处理流体中处于流体的不稳定态， 因而使它们之间的接触面积很大，辐射热传递的效率一般比其缝同类技术要提高 几个数量级。这项新技术的关键在于毛细管喷枪的设计。由于分解的需要，要求 它产生的等离子体的射流具有高密度( 1 0 一1 0 - 4 c m 3 ) 、大功率( 1 0 - - 1 0 0 0 m w ) 、 高能量( 1 0 一1 0 0 0 k i ) 和高速度( 1 0 - - 2 0 k i n s ) 。要达到实用的标准，等离子体喷 枪需要每秒钟喷射一次，每次放电能量为3 0 k 2 ，放电时间为0 3 m s ，使用寿命要 达到连续喷射1 0 5 次。为了延长毛细管喷抢的使用寿命，采用高密度的聚乙烯材料， 并且每次放电前利用活塞式阳极向毛细管内补偿其质量损失，圈1 1 是这类装置的 结构图。每次放电前抽气机2 2 通过阀v 6 将毛细管4 和反应腔6 抽成真空。有害 化合物由伺抖系统2 0 经阀v 1 和中空的阳极9 送入毛细管和反应腔。反应添加剂 和氯气经阀v 2 和阳极送入，添加剂用于控制最终的反应生成物以获得希望的副产 品，充氩则为了诱发放电，反应的气体由气体处理系统2 6 经v 9 收集、检测和离 线处理。压强计p 1 - - p 3 用于监控反应过程。 华中科技大学硕士学位论文 = = = ；= = ；= = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = 一2 图1 1 电热消融毛细管处理有害化合物的装置结构图 利用毛细管等离子体喷枪处理有害有机化合物是一种有效的易于控制的光解 技术。与其他同类技术相比，处理费用要少4 0 - - 5 0 。被处理材料可以是卤素化 合物、亚磷化合物以及放射性废物等。 1 3 3 热喷涂和材料表面处理 毛细管等离子体喷枪作为高性能喷涂设备，已经在以色列【1 6 】和俄罗斯f 1 7 1 开始 研究。其结构类似于电热化学枪，有一个毛细管等离子体喷枪作为脉冲等离子体 引燃系统，药筒内则装有推进药剂和涂料粉末。一旦推进药齐j 被点燃，产生的燃 气将携带涂斟粉沿枪管向喷涂基底喷射。一般的喷枪燃气压强曲线上升时间长， 燃气速率场分布宽，难以获得高质量的喷涂。而电热化学喷枪有很好的可控性， 毛细管等离子体喷枪产生的等离子体的速度、密度、温度都可以很方便控制，能 在极短的几百微秒时间内使燃气压强上升到几百个兆拍，从而获得燃气的高速度； 适当的选取枪管的长度可以得到适当的加速时间。理论和试验都可以证明被加速 的粉末最终可以达到l k m s 的高速度。因而能形成硬度大、附着力大的高质量均 匀涂层。由于燃气的高密度，一次喷射可以加速3 到5 倍同类技术的涂料粉数量， 吞吐率很高。一股来说，点燃推进剂的等离子体射漉携带的能量只需几个千焦， 其温度为3 0 0 0 0 0 c ，速度为7 k m $ 。试验证明，一次喷射可产生的厚度为2 0 0 t m a 的 涂层，其硬度和附着力均达到相当高的水平。 华中科技大学硕士学位论文 = = = = ；= = = = = = = = = = 自= = = = = = = = = = = = = = = = 一： 脉冲高能高密度的等离子体射流还可以直接作用在金属表面，并与材料表面 互相作用，使得表面形成一种与基底性质和结构不同的薄膜材料，改变金属表面 的性质。消融放电毛细管是这种等离子体的理想发生器，德国m r o t t 等人用来处 理金属和合金【l ”，采用的毛细管内径为4 m m ，长4 0 r a m ，开口端是一内径6 m m 长 6 0 r a m 的钢制枪管，其外部电源是专门为表面处理优化设计的脉冲功率模块，毛细 管示意图如图1 2 所示。由于离的能量沉积，是样品表面层温度在极短的时间内( 几 个微秒范围) 上升到很高甚至熔化，又迅速冷却凝固。极高的冷却速度( 1 0 6 k s ) 形成硬化薄膜。这种薄膜具有极高的硬度和耐磨度。相对于其他的表面处理技术， 采用消融毛细管放电技术设备简单，无需真空环境，操作方便。在等离子体中参 合一些特定的材料，薄膜成分就可以改变。 图1 2用于材料表面处理的等离子体发生器 1 3 1 电热化学合成技术 枪管 电热化学合成技术是指用毛细管等离子体发生器产生的高温等离子体射流， 射入大气压下的室温气体，使得射流中的等离子体和过量的冷气体混和，生成物 很快的降温，形成纳米微粒。这是生成新物质特别是纳米结构的新物质的理想极 端条件。电热化学合成的毛细管等离子体发生器的结构和电热枪类似，其几何结 构、组成材科和工作条件的选取都是以提高阴极材料的汽化而尽量抑止管壁的消 融为目的。放电时电弧将集中在阴极的尖端，阴极内部被加热到接近熔化温度， 管壁材料是耐消融的如陶瓷等，并且毛细管半径稍微大一点，长度比较小。通常 6 华中科技大学硕士学位论文 = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；一= 因生成的材料不同，要求采用不同的消融电极，若电极是金属材料如铝、钛等可 生成纳米结晶的陶瓷；石墨电极可生成一系列新的碳素材料。 石墨电极较软、易碎、电阻率较大而且可以抗消融，所以需要严格控制其工 怍条件才能成功的生成碳等离子体射流。图i 3 是一种成功生成碳等离子体毛细 管a 试验显示若控制石墨电极的温度不高于8 0 0 k ，可避免因非均匀受热引起的破 裂现象。因此每次放电能量仅为十几千焦。而生成纳米陶瓷一般有几十到几百干 售。 图i 3 碳等离子体毛细管抢 纳米材斟和碳素多面体原予簇已显示出重大的应用前景。利用毛细管等离子 体发生器进行电热化学合成为这些新材料的制造提供的有效途径，而且其结构简 单，反应物生成率高。 1 1 本论文的研究内容和章节安排 毛细管等离子体特性及其应用研究是国家自然科学基金课题，本论文的研究 内容紧紧围绕这一课题任务。首先对毛细管放电等离子体的国内外研究现状和应 用前景进行了广泛的调研，对本课题有了一个全面的认识。对毛细管等离子体发 7 华中科技大学项士学位论文 生器的工作物理过程进行了理论分析，针对毛细管负载对电源提出的技术问题， 设计了一套能应用于毛细管等离子体发生器的电源系统，进行了试验验证和分析。 本文具体章节安排如下： 毛细管等离子体技术的研究现状和研究意义 论文第一章介绍了毛细管等离子体技术的历史发展，前人所建立的理论模型； 展望了消融毛细管放电等离子体在各个方面的应用前景，并指出了它应用的优点。 毛细管等离子体在电热化学发射中的应用 第二章对毛细管放电等离子体理论模型进行了分析，研究了毛细管等离子体 放电的主要物理过程。 消融毛细管放电特性研究 第三章提出了新型的毛细管等离子体发生器，取消了原来需要爆炸熔丝引燃 等离子体的发生机制，由电极触发结构替代熔爆。研究了毛细管的放电特性，包 括伏安特性、触发电能、波形对主放电的影响，触发时延、毛细管几何结构对伏 安特性的影响，由此加深对毛细管放电特性的认识。 毛细管等离子体发生器的电源系统 第四章针对毛细管发生器的电源的要求，提出了一套能可靠的提供双脉冲电 流的电源系统，对其电路原理进行了分析，并拓展了这种电路在电磁发射等其他 方面的应用。 毛细管放电电路模拟仿真 第五章采用p s p i c e 软件对毛细管放电电路进行了电路模拟，分析了电路中各 参数对放电波形的影响，包括主电容电压、电容量、耦舍电感的大小、耦合系数 等， 试验与结果分析 第六章通过试验验证了以耦合电感为主要调波元件的脉冲成形电路对毛细管 放电的电源方案，对实验结果和电路模拟计算进行了比较，分折了实验中各个电 路参数对放电波形的影响。 全文总结 华中科技大学硕士学位论文 第七章对整个论文研究工作进行了总结，并拓展了毛细管放电等离子体技术 的应用范围，提出了需要进一步开展的工作。 一。一 9 华中科技大学硕士学位论文 ；= = ；= = 自= t = ；= = = = = = = = 一 2 毛细管等离子体技术在电热化学发射中的理论 毛细管等离子体技术的进步主要是由电热化学发射的需要推动的，因此进行的 研究工作大部分是应用于电热化学发射的。电热化学发射技术使用脉冲功率设备 作为电源，将电能转化成高温高压高密度的等离子体射流中的热能，在聚乙烯材 料的毛细管中进行消融放电，放电电弧烧蚀毛细管管壁，形成更多的适合电热发 射需要的等离子体射流，等离子体射流再喷射到电热炮膛中去，点燃和控制弹药 的燃烧过程，以此来提高火炮的性能， 2 1 电热化学发射的基本理论 电热化学发射技术从八十年代开始原理论证研究，九十年代开始，其研究有了 较大的发展，被认为是改造常规武器，提高发射速度的有效途径。常规火炮由于 诸多因素限制，发射速度一般不高于2 k i i l s ，超过极限速度十分困难。随着战略武 器的不断发展，传统火炮推进技术难以满足未来战术需求，电热化学炮 ( e l e c t r o - t h e r m a lc h e m i c a lg u n e t c g ) 概念的提出适应了这一战略要求，而得 以迅速发展。它利用输入电能在毛细管中产生高速等离子体射流，控制和优化化 学工质的燃烧过程，利用与化学工质作用产生的高温高压气体推进发射体，不需 要改造传统炮膛，调整电能输入即可获得膛内压力平台，可实现低膛压高初速。 因而提高了发射体的速度和射程，大幅度的提高了武器系统的战术性能。 据有关专家分析，电热化学发射技术具有广泛的战术应用前景，包括舰上反导、 野战炮兵、反装甲、坦克炮、防空武器。火炮是未来舰上反导系统中应用的主要 武器之一，电热化学发射技术应用于传统火炮可以使弹丸初速和火炮射程大幅度 提高。此外电热化学发射技术与常规化学发射药火炮技术差别不大，与现装备火 炮的衔接较为好，因而有可能比电磁炮更容易作为火力支持武器在野战火炮上实 现。而且电热化学发射技术应用于野战火炮，可以透过调整电能输入，从而利用 1 0 华中科技大学硕士学位论文 = = ；= = = = = = = = = = = = = ；自= = = = = = = = 日= = 一= 一 单一装药覆盖所有装药范围，以满足不同的射程要求。通过电能控制，无须改变 射角即可改变射程，能在很短的时间内连续发射多发炮弹，对付不同距离的多个 目标。如果将电热化学炮用于反导，可使3 - - 4 k g 弹丸至少达到2 5 k m s 的初速， 这样的初速可使射程增大，弹丸飞行时间减少，撞击目标的动能更大。因此各国 在舰上反导的应用十分关注。对于反坦克动能穿甲，在一定的穿甲威力条件下， 可大幅度增大有效射程，在一定的射距上，可大幅度提高威力，缩短飞行时间， 提高射击精度和对目标的命中概率。 鉴于电热化学炮具有广泛的战略意义，很多国家都在进行电热化学炮的研究工 作。1 9 9 5 年美因和以色列联合进行了1 0 5 m m 口径坦克电热化学炮的靶场试验，发 射体重为3 8 5 2 k g ，速度达到1 8 0 0 - - 2 3 0 0 m s ，提供电能1 s m j 以内，试验结果 比常规火炮有较大提高，电能增强因子5 8 ，证实了电热化学炮的战术优势。此 外德国、法国、荷兰、俄罗斯、英国都在积极开展这一项目的研究，并取得很多 成果 3 l 。 2 2 毛细管放电等离子体是电热化学发射的关键技术 电热化学炮采用高温等离子体射流与液体或固体推进剂互相作用驱动弹丸达 到较高的速度，其工作过程可分为三个连续的阶段【2 0 1 。第一是脉冲成形网络放电： 第二是等离子体发生器工作，产生高温高压的等离子体射流：第三是等离子体与 推进剂混和并互相作用，使推进剂气化并发生化学反应，释放出能量，推进弹丸 做功。其中等离子体发生器作为电一热能量转换中间环节，具有非常重要的意义， 它将电能转化成电弧的焦耳热，并形成等离子体注入到充满化学推进剂的药室中 去，它的工作状况直接影响到电热化学炮发射的性能。高温高压的等离子体不仅 要起点火的作用，还希望它在推进剂的化学反应阶段能起到控制作用，就是控制 推进剂的化学反应速率，出现希望的药室压力曲线。 毛细管放电等离子体发生器的工作又可分为两个阶段：( 1 ) 电弧形成阶段，在 放电开关闭合后，脉冲电源击穿毛细管中的气体，形成电弧等离子体( 若毛细管 两端用金属熔丝连接，则金属丝在欧姆效应作用下，迅速加热熔化并形成等离子 华中科技大学硕士学位论文 体) 。( 2 ) 形成等离子体喷射，第一阶段形成的高温等离子体向毛细管管壁辐射能 量，消融聚乙烯材料形成更多的等离子体，同时毛细管内的温度、密度、压力迅 速增大，等离子体向开口一端喷射，形成等离子体射流，经历一段时间后，形成 稳定喷射。 2 2 1 电弧形成阶段 在过去十几年，各国科学界对毛细管放电问题做了相当多的研究，形成了各 种不同的理论模型。如果毛细管两极没有金属熔丝连接，则电弧的形成主要靠毛 细管内的气体击穿放电。如果毛细管有金属熔丝连接两端，则熔丝在电流的加热 作用下，其电阻率开始随温度升高而上升，到了一定温度开始熔化，直到液态再 加热，由液态气化，电阻率迅速上升数十倍，然后开始形成金属丝电弧，电阻率 迅速降低，随着电能的不断输入，金属丝电弧将转化成毛细管电弧。理论分析显 示，在金属丝熔爆阶段，电阻率变化作为电流密度平方对时间积分的函数表达式 ( 被称为“作用积分”) ，由固态到液态到气化的相变，表达式可分两段： “积分作用”表达式为： g = l 2 疵 ( 2 1 ) 由固态到液态结束阶段，电阻率由po 上升到pl ， 呈m 旦 p = p o p 2 1 凡( p o p p 1 ，o - g - g i ) ( 2 - 2 ) 由液态到气态结束阶段，电阻率由p1 上升到p2 p = 1 ：丝：手一 j 卜警言 ( p is p p 2 ，g t | ，l 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一：一 4 0 1 0 0 t ，l l s 图3 1 6 毛细管吸收功率曲线图 3 3 2 电源充电电压对放电特性的影响 表1 中5 8 为其他参数一定时，改变电容c 的充电电压得到的实验数据。从表 中可以看出，在毛细管的几何尺寸相同时，随着u 。h 的增加，i ，和p 。增加，其中充 电6 k v 时的i p 较充电5 k v 时增大了约4 k v ，p 。增大了1 2 m w 。5 - 8 项的u 。和 比较见图3 1 7 ( 因# 7 和# 6 非常接近，故图中未标示) 和图3 1 8 。随着u c h 的升 高，r a 相应的变小，并且保持稳定值的时间( 即放电处于准稳态的时间) 略有延 长。u a 在放电过程中随时间呈下降的趋势，u c h 越高则其下降的程度越大。u c h 为8 k v 时的u a 波形叫u c h 为5 k v 和4 k v 时有明显的振荡，这种后续的反向放电 在许多实用场合不利，应该予以限制。 华中科技大学硕士学位论文 8 6 4 2 0 o3 0 2 0 1 o0 o5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 t ，l l s 图3 1 7 不同u 。h 时u 的波形 2 04 06 08 01 0 01 2 0 t ，让s 图3 1 8 不同u 时r 的波形 l 、) 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 2 一： 3 3 3 重复放电实验研究 这种毛细管结构具有重复放电的能力，但由于毛细管放电具有消融特性，管壁 材料随着放电次数的增加而不断消耗，且消融过程在空间上通常是不均匀的，管 径也随之出现非均匀增大现象，因而放电还需要考惫其稳定性。图3 1 9 和图3 2 0 为1 2 3 0 m m 、d = 5 m m 的毛细管在8 8pf 主电容被充电至5 k v 不变条件下连续放电5 次的u a - - t ，i a - - t 波形。可见除第一次放电u a 稍微大、i a 稍微d , 9 1 , ，放电特性基 本保持不变，故可认为连续放电次数不太大时毛细管消融等离子体的参数基本稳 定。 从上述试验和分析可以得到以下结论 ( 1 ) 放电电容初始充电电压相同时，毛细管尺寸的变化对放电功率影响很 小。但毛细管长度增大、直径减小均使得放电电流减小、电弧电压增大， 故电弧电阻增大。 ( ：) 毛细管尺寸相同时，随着充电电压的增大，放电电流、功率均明显增大， 而电弧电阻相应减小，放电中电弧电压随时间而下降的趋势增大，充电 电压为8 k v 时出现明显的振荡放电现象。 ( 3 ) 与大能量放电时不同，小能量下的消融控制电弧毛细管放电未表现出较 强的非定常流动特征。实验还发现放电处于准稳态的时间随毛细管长度 增大、充电电压降低而减小，其趋势在直径较小时更明显。 ( 4 ) 重复放电时因放电能量较小，故在放电次数不是很大时各放电特性基本 一致。 华中科技大学硕士学位论文 - 苫 6 d 2 0 - 2 5 0 02 0 4 06 08 01 t ，坫s 图3 1 9 重复放电电压波形 “l l s 图3 2 0 重复放电电流波形 3 l * 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = ；= = = = = = = ；= = = = ；= 目= = = = = = = = = = = 4 毛细管等离子体发生器的脉冲电源 4 1 电热化学发射对脉冲功率技术的要求 在本世纪7 0 年代后期，随着核物理技术、电子柬、加速器、激光、放电理论 和等离子体技术等的研究和日益广泛的应用，脉；中功率得到重视和迅速发展。利 用脉冲功率技术能在很短的时间内，使脉冲功率发生装置释放出一定的能量，也 就是说，脉冲功率装置是能量密度很高的脉：中能源1 2 8 1 。 从一定意义上讲，脉冲功率技术的发展与高电压技术是分不开的。高电压技术 是咏冲功率技术的基础之一。然而，与高电压技术相比，脉冲功率技术又有以下 特点： ( 1 ) 在许多情况下，脉冲的幅值更高； ( 2 ) 输出脉冲功率大； ( 3 ) 脉冲上升时间短，脉宽更小： ( 4 ) 在许多情况下，需要输出重复脉冲； ( 5 ) 回路元件多，加工工艺要求高，总体结构复杂； 脉冲功率系统一般包括以下几个部分：初始能源、功率调整系统、能量储存 单元、脉冲成形回路、开关和负载，如图4 1 所示。 图4 1脉冲功率系统示意框图 初始能源可以是化学能、电能或其他形式的能源。功率调整系统是用来将 初始功率转换成能量储存单元要求的具有特定形成的功率。能量储存单元在一定 时间内储存能量，然后很快将能量释放至脉冲成形回路中去，脉宽一般在微秒量 级，脉冲成形回路将脉冲攘形后输送到负载。开关是脉冲功率技术中的关键元件， 华中科技大学硕士学位论文 歼关性能的好坏，最直接影响输出脉冲的技术参数2 9 1 。 高功率咏冲电源根据它的储能方式3 i n ，可以分为电压型和电流型两种1 3 0 1 。第 一种主要由高能电容器作为储能单元，电能以静电场方式存贮，电能与电源系统 中的电容量和电容器初始电压的平方成正比。第二种主要由大电感作为储能单元， 在大电感中通大电流，电能以磁场能方式存储，电能与电路中的电感和流过电感 中电流的平方成正比。相对而言，第一种电源电能存储时间可以更长一点，而且 电源的闭合开关也容易设计，因此，目前常用的是第一种一电容储能高功率脉冲 电源。 在电热、电磁发射技术中，脉冲功率电源占据非常重要的位置，它给负载提供 需要的脉冲波形，将存储的电能按照预期的脉冲波形传递给负载，是整个电热、 电磁发射装置的储能部分。电热化学发射过程中，电源在毛细管两端施加电压， 毛细管中进行等离子体放电，产生的等离子体以热辐射效应烧蚀毛细管的管壁， 形成更多的等离子体，这些等离子体通过环形电极射入推进室，点燃和控制弹丸 内部的燃烧过程。为了使弹头获得更大的出膛速度，炮膛内压力应该保持常数 3 1 1 ， 对于绝热常熟为y 的理想气体，获取常压需要的能量为： ( ，) ：j ；g v ( t ) ( 4 1 ) y i v 为气体膨胀后的体积，其表达式为： v ( t ) = a l x z ( t ) ( 4 2 ) 其中a 为炮建的横截面积，x ( t ) 为弹头的位移，x ( t ) = i , t 2 a o t ：，a , = p o a m ，m 为弹 头的质量。代入上式，可以得到 y ( f ) ：1 业 ( 4 3 ) 由此得到 w ( t ，= 南华，2 a ， 此时的瞬时功率为 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = 目= = = = ；# = = = = = = = = = = = = = = = 一= 1 d w _ ( t ) = i 万r 可_ ( e o - a ) ：r ( 4 5 ) 曲 4 ( ，一1 ) m 、7 对于纯电热发射而言，功率都由脉冲电源提供，假定毛细管负载电阻为r ，其电流 为i ( t ) 矗r = 1 d w 厂( t ) ( 4 6 ) 因此 f ( f 1 ：= ，f i - j 卞p o a 矗 ( 4 7 ) f ( r ，2 j l f 万丽 所以理想情况下电流应该与时间的l 2 次方成正比，但是由于实际过程中部分能 量的损失( 包括等离子体的冷却，炮膛的漏气等等) ，实际的电流应该比计算结果 上升的更快。对于电热化学发射来说，其能量由电源的电能和弹药的化学能提供， 在燃气压强达到最大时，弹药提供的化学能很有限，需要电源增加一部分能量。 因此，电源应该提供一个双脉冲电流，第一个脉冲的作用是产生等离子体点燃化 学药媒质，第二个脉冲是在燃气压强达到最大时，再一次产生等离子体注入到燃 烧室，提供化学工质的充分燃烧，以加宽最大压强时间曲线，获取更大的出膛速 度，双脉冲电流后一峰值是前一峰值的1 2 1 4 倍左右1 3 2 1 。 4 2 各种脉冲功率调波电路介绍 目前常用的脉冲成形回路包括部鲁姆莱恩( b l u m l e i n ) 电路、叠积式传输线等 等，有多种脉冲成形电路可以对电热发射负载提供稳定的双脉冲电流，如文献 3 0 】【3 3 】中介绍的5 级调波电路，电路如图4 2 所示。 该电路由5 个并列的模块构成，每个模块可以独立触发，对毛细管放电，电路 中的截位二极管是用来保护电容嚣的，以免它反向充电。分别选择不同的时间触 发各个模块就可以调出复杂的电流波形，5 个模块分5 级触发，根据负载需要的脉 冲波形，每个模块选择一定的触发时间。该脉冲成形电路输出的电流波形如图4 3 所示。其中虚线部分为各个模块输出的脉冲波形，实线为总的输出电流，每个模 华中科技大学硕士学位论文 块的电流在l “个周期到达最大值，可以由下式得出 r 。= ( 丌2 ) 以虿( 4 8 ) 其中l 和c 分别为其中一个模块中的电感和电容，模块的阻抗为： z = 以万( 4 9 ) 决定脉冲电流波形的因素主要是电容、电感、负载电阻和模块触发的时间。 l 1 图4 2五级调波电路原理图 t 认s 图4 3五级调渡电路负载电流波形 这种电源系统有复杂的脉冲成形网络，包括电容器、大功率二极管、多路大功 率开关及其控制单元、高压充电单元。尽管它们可以为电热化学发射提供需要的 华中科技大学硕士学位论文 脉冲电流，但是这种电源系统过于复杂和昂贵【3 4 i 。 除此之外，还有带耦合电感的脉冲成形电路 3 5 1 1 3 6 】，可以作为电磁发射中的调 波电路。图4 4 为该电路示意图。由于电路由很多个小电感组成，图中只显示了电 感的一部分，每个电感互相祸合，电路中的_ l ，以及二极管是为了保持负载 电流恒定。 l a - i r n - 1 l np , n 图4 4 多级耦合电感串联电路示意图 在电磁发射中，负载需要的是平顶脉冲波，当负载电流到波峰时，电流开始下 降，此时从电源端的电感开始依次导通二极管，这样一部分电感从放电回路切断 出去，因为互感的作用，它的电流变化在放电回路中产生电压，互感引起的电压 来维持负载电流为恒定值【3 7 1 ，而脉冲持续的宽度可以由耦合电感的大小和多少来 调节，图4 5 是七级耦合电感串联电路输出的电流波形的波峰及下降沿部分。 1 2 ，0 8 萋6 4 2 0 t ，u s 图4 5 负载电流 3 6 华中科技大学硕士学位论文 = j i = = = ；= = = ；= ；= = ；= = = = = = = = = = ；= ；一= 4 j 带耦合电感的脉冲成形电路在电热化学发射中的应用 在电热化学发射中，由于负载需要的是双脉冲电流，这样可以只取上面所述耦 合电感调波电路中的一部分，其电路图如图4 6 ，它只有2 个电感互相耦合，结构 简单，不需要大电流开关，是自动双脉冲成形，所以不需要复杂的控制开关和调 波模块，同样可以给负载提供需要的电流波形【3 8 1 【3 9 1 。 c l 图1 - 6采用耦合电感的脉冲成形网络 其中，c i 、l r 、d 1 、c 2 是充电回路，c ：是主电容器，放电时c 2 的电能经过 l 1 、l 2 传替到负载中去。l l 、l 2 为耦合电感，是主要的调波元件，它在第一个 波峰的时候储存能量，在第二个波峰时提供能量。调波电路由二极管d 和耦合电 感l l 、l 2 组成，与普通的毛细管等离子体发生器不一样，这里提出的毛细管的阴 极和阳极之间没有金属熔丝，电路的开关由个触发脉冲控制，触发电流很小， 它的作用是产生等离子体接通主电路。d 3 、c 3 、1 3 4 、t i 是触发电路c 3 是续流 电容器，t l 是个高压线包，t 1 的电压有2 0 k v 左右，它可以击穿毛细管的触发间 隙，但是能量不够来产生足够的等离子体喷射到前面的电极上去。因此，在高压 线包端并联了个续流电容器，当间隙被击穿时，c 3 开始续流，产生的等离子体 喷射到前面的电极上，毛细管的两个电极就击穿了，c 3 电容不能太小，否则不能 产生足够多的等离子体来击穿电极。首先电路预充电到设定值，当电路触发后，主 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = 一： 间隙击穿，毛细管开始放电，此时的主电路原理如图4 7 所示，主放电电路仅仅包 括电容器c ，两个祸合电感l a 、l 2 和一个功率二极管d 。图4 8 是该电路输出的 典型电流波形。从图可知，在t = 1 3 m s 时，电感l l 和l 2 释放了大部分电能。 l l c 图4 7放电回路原理图 1 5 一， u u s 图4 8典型放电波形 主电路导通后，放电分两个阶段，第一个阶段二极管d 没有导通，因为毛细 管导通后电阻变化不大，为了便于分析，假定导通后毛细管电阻为常数r ( 实际上 毛细管电阻跟通过它的电流大小有