一种等离子体在密闭圆筒结构中运动规律测试系统的制作方法

本发明涉及一种等离子体在密闭圆筒结构中运动规律测试系统，属于火炮技术领域。

背景技术：

等离子体是由带正、负电荷的离子和电子，还有一些中性的原子和分子所组成的集合体。在宏观上一般呈电中性。等离子体可以是固态、液态和气态，电离气体就是一种气态等离子体。等离子体中的基本过程是在电场和磁场的作用下，各种带电粒子间相互作用，引起多种效应。

近年来，电热炮以其弹丸的初速度大，射程远，炮口的动能比传统火炮动能高等特点，作为一种能大幅提高火炮发射性能的新概念武器，受到了国外许多国家的广泛关注。由于等离子体的温度高、压力大、携带能量多等特点，被广泛应用于各种电热炮中。其原理是利用放电产生的等离子体点燃火药，并增强与控制发射火药的燃烧，提高火药燃烧做功的功率，从而实现火炮初速度和炮口动能的提高。

由于等离子体的性质常取决于等离子体所处的环境，如电场强度、磁场强度、电极结构、气流、放电容器以及各种粒子的温度、密度等因素，而等离子体发生器是电能向热能转换的关键部件和环节，因此，为研究等离子体运动规律对火炮发射效率的影响，提高火炮的发射性能，需要设计一种装置，能够产生等离子体并模拟火炮发射系统，测量等离子体在不同条件下的运动规律。

技术实现要素：

本发明设计开发了一种等离子体在密闭圆筒结构中运动规律测试系统，能够模拟火炮身管，测量等离子体在不同环境条件下的运动规律，提高火炮的发射性能。

本发明提供的技术方案为：

一种等离子体在密闭圆筒结构中运动规律测试系统，包括：

高压电极，其分别固定于筒体两端，并与所述筒体同轴；

进气口，其与所述筒体一端的密封装置连通，且连接有流速计，能够测量不同流速的气体对等离子体运动的影响；

出气口，其与所述筒体另一端的密封装置连通，并与气压计连接，所述气压计下端连接有抽气装置，能够控制所述筒体内部的压强，测量不同压强对等离子体分布及运动的影响；

多片应变片，其贴于所述筒体外壁，能够测量所述筒体外壁不同部位的压力；

数据采集装置，其通过设置在所述筒体下部的光谱测试系统采集数据。

优选的是，所述流速计下部分别连接有固体颗粒添加装置和充气装置，能够控制固体颗粒添加的浓度和调节气体流速。

优选的是，其特征在于，所述高压电极的材质为钨丝。

优选的是，其特征在于，所述筒体材质为石英，且外壁套设有钢丝网，作为接地电极。

优选的是，所述数据采集装置还包括设置在所述筒体外壁的径向压力传感器和设置在所述筒体一端的轴向压力传感器，以及设置在所述筒体内部的内部温度传感器和设置在所述筒体外部的外部温度传感器。

优选的是，通过所述应变片的切向应力σ_t，能够计算出所述筒体承受的内压p₁，其中，筒体内半径为r₁，外半径为r₂，筒体承受的内压为p₁，σ_t为测量处切向应力。

优选的是，所述充气装置主要用于气体的加载，所述气体包括高压氧气和惰性气体气瓶组。

优选的是，所述筒体内部还设置有加温装置，能够测量不同环境温度对等离子体运动规律的影响。

本发明所述的有益效果：采用介质阻挡和辉光放电的方式来产生等离子体，在放电管中配置两个对向金属电极且极间电场均匀，能形成较大体积的等离子体放电区，且放电现象稳定均匀，便于测量等离子体在圆筒结构中的运动特性。采用气固两相流测控装置，能够模拟火炮身管中火药和颗粒等因素对等离子体运动规律的影响，并通过流速计对气体流量进行控制，测量不同流速的气体对等离子体运动的影响，同时通过气压计来控制筒体内的压强，从而测量不同压强对等离子体分布及运动的影响。在筒体外部多处设置压电应变片，能够测量低频压力信号，进而对筒体不同部分进行压力测试。采用等离子体运动规律测试系统，能够测量等离子体在不同环境下的运动规律，并模拟火炮身管，研究等离子体在火炮身管中的运动规律，进而提高火炮的发射性能。

附图说明

图1为本发明所述的等离子产生装置示意图。

图2为本发明所述的气固两相流测控装置示意图。

图3为本发明所述的数据采集装置示意图。

图4为本发明所述的测压系统功能框图。

图5为本发明所述的厚壁圆筒示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1、图2、图3所示，本发明提供一种等离子体在密闭圆筒结构中运动规律测试系统，包括等离子体产生装置100，电源110，筒体130，其材质为石英，所述筒体130两端还固定有高压电极，其与所述筒体130同轴；所述筒体130外部套设有钢丝网160，其作为接地电极使用；进气口170，其与所述筒体一端的密封装置140连通，且连接有流速计171，所述流速计171还分别连接有固体颗粒添加装置172和充气装置173，能够测量不同流速的气体以及不同颗粒浓度对等离子体运动的影响，所述充气装置173主要用于气体的加载，所述气体包括高压氧气和惰性气体气瓶组；出气口150，其与所述筒体130另一端的密封装置140连通，并与气压计151连接，所述气压计151下端连接有抽气装置150，能够控制所述筒体内部的压强，测量不同压强对等离子体分布及运动的影响。

所述筒体130外壁设置有径向压力传感器131和筒外温度传感器132，所述筒体130内部内部设置有筒内温度传感器133，能够测量筒体130内部和外部的温度，所述筒体130一端设置有轴向压力传感器134，其与所述筒体同轴，所述筒体130下方设置有光谱测试系统180，其包括光纤探头和与其连接的光谱仪，以及数据处理终端，能够采集并处理信号，所述筒体130内还设置有加温装置135，其固定在所述筒体130的一端，能够加热，保持电源功率不变，通过所述加温装置135调节筒体内部温度，采用筒内温度传感器133测量筒内温度。

如图4所示，由于压力信号属于低频信号，且需要进行多点测试。针对这一特点，设计一个多通道数据采集系统，使用压电式应变片，对筒体130不同部位的压力进行测试。由于应变片是贴在圆筒外壁，所以获得的是外壁的应力，根据厚壁圆筒理论可以推导出内壁的压力。

如图5所示，设筒体130内半径为r₁，外半径为r₂，它承受的内压为p₁，σ_t为测量处切向应力。根据计算公式：由测量处的应力可以计算得到内壁的压力p₁。

本装置采用低温低压工作环境：压力10Pa～3000Pa，温度300K～500K，等离子体产生装置采用管式结构，筒体130采用石英管，尺寸为内电极选用钨丝，作为高压电极120；外电极选用致密钢丝网160，紧紧环绕于介电管的外壁，作为接地电极。当采用高频电源时，外加电压周期性变化使得电子运动的速度和方向发生变化，这样电子与气体原子碰撞次数大大增加，其电离能力也大大提高。因此我们采用频率为20kHz，功率为1000W的高频电源作为等离子体产生电源。

为模拟火炮身管中的火药燃气和颗粒对等离子体运动的影响，采用气固两相流测控装置为放电管即筒体130中添加气流和固体颗粒。其中充气装置173主要用于气体的加载，包括高压氧气和惰性气体气瓶组。将固体颗粒与气体混合，再由气体进口170导入筒体130内，通过流速计171对气体流量进行控制，测量不同流速的气体对等离子体运动的影响。抽气装置152主要用于调节管内压强，由于介质阻挡放电处于低压工作环境，因此采用气压计151来控制石英管内的压强，从而研究不同压强对等离子体分布及运动的影响。

使用压电式应变片，对筒体130不同部位的压力进行测试。由于应变片是贴在圆筒外壁，所以获得的是外壁的应力，根据厚壁圆筒理论可以推导出内壁的压力。如设筒体130内半径为r₁，外半径为r₂，它承受的内压为p₁，σ_t为测量处切向应力。根据计算公式：由测量处的应力可以计算得到内壁的压力p₁。

通过模拟火炮发射系统，改变不同参数，测量等离子体在圆筒结构中的运动规律，具体包括以下几个方面：

(1)电源功率对等离子体运动规律影响

将功率分别设置为700W、1000W、1300W、1600W、1900W。测量不同电源功率对等离子体产生和分布规律的影响；

(2)气体流速对等离子体运动规律影响

气体由充气装置经过流速计171后进入管路，可实现气体流速的调节。分别测量气体流速在2ml/min、4ml/min、6ml/min、8ml/min、10ml/min时圆管内等离子体的运动规律；

(3)固体颗粒对等离子体运动规律影响

通过固体颗粒添加装置172和充气装置173将微小的固体颗粒与气体混合，再由气体进口170导入筒体130内，测量固体颗粒浓度在10mg/m³、20mg/m³、30mg/m³、40mg/m³、50mg/m³下对等离子体运动规律的影响；

(4)环境压力对等离子体运动规律影响

通过抽气装置151调节筒体130内压强，测量气体压强在500Pa、1000Pa、1500Pa、2000Pa、2500Pa下筒内等离子体分布及运动规律；

(5)环境温度对对等离子体运动规律影响

保持电源110功率不变，通过加温装置135调节筒体130内的温度，测量等离子体在管内温度为300K、350K、400K、450K、500K下的运动规律。

采用介质阻挡和辉光放电的方式来产生等离子体，在放电管中配置两个对向金属电极且极间电场均匀，能形成较大体积的等离子体放电区，且放电现象稳定均匀，便于测量等离子体在圆筒结构中的运动特性。采用气固两相流测控装置，能够模拟火炮身管中火药和颗粒等因素对等离子体运动规律的影响，并通过流速计对气体流量进行控制，测量不同流速的气体对等离子体运动的影响，同时通过气压计来控制筒体内的压强，从而测量不同压强对等离子体分布及运动的影响。在筒体外部多处设置压电应变片，能够测量低频压力信号，进而对筒体不同部分进行压力测试。采用等离子体运动规律测试系统，能够测量等离子体在不同环境下的运动规律，并模拟火炮身管，研究等离子体在火炮身管中的运动规律，进而提高火炮的发射性能。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。