发射药燃烧产生等离子体规律研究方法技术

本发明专利技术公开了发射药燃烧产生等离子体规律研究方法，包括以下步骤：S1：发射药燃烧生成等离子体参数的计算；S2：用平衡常数法计算燃气的化学成份；S3：结果分析，根据上面的计算方法，将方程组在MATLAB中编程，可以计算出等离子体参数之间的关系；S4：物理过程分析；S5：模型构建；S6：模型验证得出结论。本发明专利技术的研究方法能够得出电子密度和电离度都随着温度的增加而增大；相同温度下压力越大，电子密度越大，电离度越小，装药量和药室容积的不同改变燃气温度变化速率，相应的影响了等离子体电子密度的变化速率，火药力的不同改变了燃气最高温度，相应的改变了等离子体电子密度的最大值。

Research Method of Propellant Combustion Producing Plasmas

【技术实现步骤摘要】
发射药燃烧产生等离子体规律研究方法
本专利技术涉及等离子体领域，具体为发射药燃烧产生等离子体规律研究方法。
技术介绍
等离子体经过几十年的发展，已经发展成为包含天体等离子体、核聚变等离子体、低温等离子体等分支的独立学科，等离子体也被广泛应用于受控核聚变、磁流体发电、材料表面工程等领域，然而，在火炮方面，仅有外加等离子体被应用于电热化学炮的研究，对于发射药燃烧产生的等离子体用于提高火炮性能的研究还未涉及；发射药燃烧生成等离子体的规律，是研究利用发射药生成等离子体提高火炮性能的基础。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供发射药燃烧产生等离子体规律研究方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：发射药燃烧产生等离子体规律研究方法，包括以下步骤：S1：发射药燃烧产生等离子体规律研究方法，对于化学反应中反应物A和B生成产物C和D，a、b、c、d分别是相应物质的物质的量；其正向和逆向反应速度分别为：V1＝K1[A]a[B]b,V2＝K2[C]c[D]d2其中，[A]、[B]、[C]、[D]分别表示各物质的浓度，当反应达到平衡状态时，即正逆反应的速率达到相等，即：K1[A]a[B]b＝K2[C]c[D]d3推导后可以得到该反应的化学平衡常数K:根据质量守恒定律，任何参与反应的元素在反应中任何时刻的原子数目是不变的；化学平衡常数法是以化学反应平衡和质量守恒定律为基础，通过联立各个反应的方程，组成方程组，求解各个组分，它的一个优点是能够直观的反映出化学反应的真实状态，另一个优点是方便调节，可以根据目标需要，改变反应体系中的不同反应；S2：用平衡常数法计算燃气的化学成份，根据平衡常数法原理，做出几点假设：燃烧产物混合均匀；燃气组分处于化学平衡状态下；燃气等离子体服从理想气体状态方程，为了获得更高的等离子体密度，在发射药中加入碳酸钾，发射药和添加剂中一共含有C、H、O、N、K五种元素，对于燃烧的化学反应过程，可以用以下15个方程表示：以上公式中Ki是各成份的化学平衡常数，K6K7K8K9K10K11的值可以通过以下公式计算得到；发射药燃气生成等离子体的燃气成份计算中，一共考虑了21种成份，分别为CO2、CO、H2O、OH、O2、O、H2、H、N2、NO、N、N2O、NO2、K2CO3、K2O、KO、KOH、K、K+、OH-、e电子，按照上面的顺序相应的摩尔分数xi的下表依次为1,2，…21；根据四个质量守恒定律，可以得到以下四个方程：上面公式当中的MCMHMOMNMK分别表示反应物当中五种元素C、H、O、N、K的质量，它们的数值可以通过发射药当中添加剂的比例计算得到，如x千克发射药当中添加了质量百分比为n的种子，则MC＝12×(25.5243+1000×n/((1-x)×138))31MH＝33.127732MO＝16×(33.0757+3×1000×n/((1-x)×138))33MN＝14×9.339534MK＝78×1000×n/((1-x)×138)35根据道尔顿分压定律：由于xi是摩尔分数，所以有：pi＝xip37由式37可以获得：另外，对于带电粒子，由于电中性，假设第i组分带电量qi，则有：这样，获得21个方程，组成了可以求解21种燃烧产物组分的闭合方程组，通过计算可以求解相关组分的参数；燃气当中发生部分电离，其电子密度的计算公式为：S3：结果分析，根据上面的计算方法，将方程组在MATLAB中编程，可以计算出等离子体参数之间的关系；S4：物理过程分析，经典内弹道学是以热力学为理论依据，研究高压状态下各个火炮内弹道参数平均值的理论，经典内弹道学的数学模型是一阶常微分方程，由火药形状函数方程、能量方程、火药燃速方程、弹丸运动速度方程和弹丸速度与行程方程五个方程组成的方程组；根据高压状态下火药燃烧情况的特点，做出以下假设：假设无论主装药还是点火药都符合几何燃烧规律；火药燃烧采用燃速指数公式，即假定发射药燃烧和弹丸运动都是在平均压力下进行的；射击时热散失比较复杂，而且难以描述，通常使用减小火药力或增大比热的方法进行修正，实际上是减少发射药量；所有的次要功用系数来计算，由于射击过程中次要功主要是与动能有关，所有的次要功都可以用系数来加以考虑；以弹丸挤进弹带的压力作为弹丸启动的条件；膛内燃气符合诺贝尔——阿贝尔状态方程；弹带密封良好，不存在漏气现象；对于某种特定的火药来说，它的爆温是一定的，这和火药的性质有关，是一个常量，因此，定容状态下的气体状态方程如式41所示：其中，Vψ为自由容积，随压力一起变化，使用火药力和装填密度表示的定容状态下的气体状态方程如式42所示：从公式当中可以看出，压力随着火药燃烧百分比而逐渐变化，但是，燃烧温度一直是火药的爆温；为了增加燃烧产物的热电离，本专利技术中在发射药里添加少量的碳酸钾，根据热电离理论，做出如下假设：碳酸钾在高温环境中完全分解；假定燃烧产物是均匀的；不考虑热电离过程中出现概率极小的二次电离或者多重电离的情况；S5：模型构建，火药形状函数方程如式43所示：其中，χ、λ为火药分裂之前的形状特征量；Zk为燃烧结束时火药相对已燃厚度；χs、λs为火药分裂后的形状特征量；燃烧速度方程如式44所示：根据火药燃烧内弹道的基本假设，同时考虑次要功的影响，可由牛顿定律获得：根据能量守恒定律，得到火药燃烧的能量方程如式47所示：根据以上方程得到高压状态下内弹道方程组如式48所示：由于火药燃气不断推动弹丸做功而损失能量，所以燃气温度不断降低，火药气体温度与体积的变化关系如式49所示：p(Vψ+Sl)＝ωψRT49通常以弹丸行程表示：Sp(l+lψ)＝ωψRT50温度是与压力p、弹丸行程l、火药已燃百分比ψ有关的函数，这些数据可以通过内弹道方程组求得；通过燃气温度方程，可以获得火药燃气的燃温，由于火药燃气中生成等离子体的方式是热电离，所以可以应用萨哈方程计算燃气中电子密度；高压状态下生成等离子体密度方程组由三部分组成：内弹道方程组、燃气温度方程和电子密度方程，仿真过程分为三步，首先根据内弹道方程计算出燃气压力、弹丸行程等与火药燃烧质量的关系，然后根据内弹道的计算结果，通过燃气温度方程计算出火药燃气的温度，最后再根据电子密度方程计算等离子体中电子密度；S6：模型验证，由数值仿真获得的数据和试验数据进行对比，在弹丸质量m＝0.39kg，装药量ω＝0.136kg，药室容积V0＝1.32×10-4m3的情况下，求得膛压最大值在374MPa，弹丸初速898m/s，与试验结果基本吻合，图像基本相近，验证了所建模型的正确性。优选的，所述S1中参数aikajk分别表示1mol气相物质和固相物质中某元素的原子数目，nginsj分别表示单位物质中气相组分和固相组分的摩尔数，Nk则表示某种元素的原子总数。优选的，所述S2中K1K2K3K4K5K12K13K14K15的数值均为已知常数。优选的，所述S3中电子密度和温度是正相关的关系，随着温度的增加，电子密度也在增加，而且当温度一样的时候，压力越大电子密度越大，这是因为随着温度的增加，电子获得的能量越多，电子越容易挣脱原子的束缚而成为自由电子。优选的，所述S4中S是弹丸最大横截面积；p是火药燃气平均压力；m是弹丸的质量；l是弹丸行程；v是弹丸速本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.发射药燃烧产生等离子体规律研究方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：发射药燃烧生成等离子体参数的计算，对于化学反应中反应物A和B生成产物C和D，a、b、c、d分别是相应物质的物质的量，

【技术特征摘要】
1.发射药燃烧产生等离子体规律研究方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：发射药燃烧生成等离子体参数的计算，对于化学反应中反应物A和B生成产物C和D，a、b、c、d分别是相应物质的物质的量，其正向和逆向反应速度分别为：V1＝K1[A]a[B]b,V2＝K2[C]c[D]d2其中，[A]、[B]、[C]、[D]分别表示各物质的浓度，当反应达到平衡状态时，即正逆反应的速率达到相等，即：K1[A]a[B]b＝K2[C]c[D]d3推导后可以得到该反应的化学平衡常数K:根据质量守恒定律，任何参与反应的元素在反应中任何时刻的原子数目是不变的，化学平衡常数法是以化学反应平衡和质量守恒定律为基础，通过联立各个反应的方程，组成方程组，求解各个组分，它的一个优点是能够直观的反映出化学反应的真实状态，另一个优点是方便调节，可以根据目标需要，改变反应体系中的不同反应；S2：用平衡常数法计算燃气的化学成份，根据平衡常数法原理，做出几点假设：燃烧产物混合均匀；燃气组分处于化学平衡状态下；燃气等离子体服从理想气体状态方程，为了获得更高的等离子体密度，在发射药中加入碳酸钾，发射药和添加剂中一共含有C、H、O、N、K五种元素，对于燃烧的化学反应过程，可以用以下15个方程表示：以上公式中Ki是各成份的化学平衡常数，K6K7K8K9K10K11的值可以通过以下公式计算得到；发射药燃气生成等离子体的燃气成份计算中，一共考虑了21种成份，分别为CO2、CO、H2O、OH、O2、O、H2、H、N2、NO、N、N2O、NO2、K2CO3、K2O、KO、KOH、K、K+、OH-、e电子，按照上面的顺序相应的摩尔分数xi的下表依次为1,2，…21；根据四个质量守恒定律，可以得到以下四个方程：上面公式当中的MCMHMOMNMK分别表示反应物当中五种元素C、H、O、N、K的质量，它们的数值可以通过发射药当中添加剂的比例计算得到，如x千克发射药当中添加了质量百分比为n的种子，则MC＝12×(25.5243+1000×n/((1-x)×138))31MH＝33.127732MO＝16×(33.0757+3×1000×n/((1-x)×138))33MN＝14×9.339534MK＝78×1000×n/((1-x)×138)35根据道尔顿分压定律：由于xi是摩尔分数，所以有：pi＝xip37由式37可以获得：另外，对于带电粒子，由于电中性，假设第i组分带电量qi，则有：这样，获得21个方程，组成了可以求解21种燃烧产物组分的闭合方程组，通过计算可以求解相关组分的参数；燃气当中发生部分电离，其电子密度的计算公式为：；S3：结果分析，根据上面的计算方法，将方程组在MATLAB中编程，可以计算出等离子体参数之间的关系；S4：物理过程分析，经典内弹道学是以热力学为理论依据，研究高压状态下各个火炮内弹道参数平均值的理论，经典内弹道学的数学模型是一阶常微分方程，由火药形状函数方程、能量方程、火药燃速方程、弹丸运动速度方程和弹丸速度与行程方程五个方程组成的方程组；根据高压状态下火药燃烧情况的特点，做出以下假设：假设无论主装药还是点火药都符合几何燃烧规律；火药燃烧采用燃速指数公式，即假定发射药燃烧和弹丸运动都是在平均压力下进行的；射击时热散失比较复杂，而且难以描述，通常使用减小火药力或增大比热的方法进行修正，实际上是减少发射药量；所有的次要功用系数来计算，由于射击过程中次要功主要是与动能有关，所有的次要功都可以用系数来加以考虑；以弹丸挤进弹带的压力作为弹丸启动的条件；膛内燃气符合诺贝尔——阿贝尔状态方程；弹带密封良好，不存在漏气现象；对于某种特定的火药来说，它的爆温是一定的，这和火药的性质有关，是一个常量，因此，定容状态下的气体状态方程如式41所示：其中，V...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛保全，宋瑞亮，白向华，刘宏祥，李程，赵其进，兰图，张天意，
申请(专利权)人：中国人民解放军陆军装甲兵学院，
类型：发明
国别省市：北京,11