1、电热化学炮,电热炮(ETG)电弧炮（直热式）全部利用电能炮膛和弹丸烧蚀严重低温等离子体温度较高电热化学炮（间热式）利用脉冲电源的电能和化学工质释放的化学能减轻对炮膛和弹丸烧蚀化学工质吸收等离子体热能,电热化学炮,电热化学炮（ETCG）电热炮中比较成熟的一种主要研究方向电炮家族的重要成员综合利用电能和化学能利于提高内弹道性能利于电源小型化,电热化学炮优点,体积小，质量轻，有利于实现小型化综合使用电能和化学能可使电能需要量减少80%与电磁炮等相比威力大炮口动能比传统火炮提高约25%45%20003000米/秒射程远50km以上使用灵活改变射程无须改变射角,可实现性良好技术难度比电磁轨道炮低脉冲电源
2、储能量储能密度释放功率易于实现系统集成可由常规火炮改造而成发射电热化学炮弹发射普通炮弹（改装）,电热化学炮优点,电热化学炮优点,实现温度补偿常规火炮温度敏感性高发射时初速与发射药的温度密切相关电热化学炮大大降低温度敏感性采用等离子体点火技术大幅度提高火炮性能,温度补偿,实现点火延时的改进常规火炮发射药点火延时时间一般大于20 ms一致性不好，分布较为分散初速不稳定，影响射击精度采用电热点火技术的电热化学炮缩短延时时间小于2 ms一致性很好提高初速的均匀性和射击精度,电热化学炮优点,点火延时的改进,电热化学炮作战平台,坦克炮口径将增至135140毫米野战火炮大幅度地提高弹丸的初速和射程与目前装备
3、的火炮衔接性好可发射普通炮弹比电磁炮更容易作为火力支援武器用在野战火炮上膛压曲线可控、重复性好 舰炮水面火力支援计划,电热化学炮,美国联合防御公司20世纪80年代开始研究电热炮技术1993年6月交付世界上第一门60毫米电热炮向美国海军作战中心试验结果2.7千克30毫米1230米/秒炮口能量比固体发射药火炮提高35%,电热化学炮,目前，美国研制重点战区导弹防御用电热炮技术120毫米的“实验室”电热炮2.9千克，2500米/秒120毫米的可搬运的“座架”式电热炮3.7千克，2200米/秒11.8千克，1700米/秒 已经完成系统集成试验接近实用要求,与电磁轨道发射技术相比潜力有限炮口速度及致命性的
4、提高没有完全取消化学发射药部分利用电能,电热化学炮,组成,1-电极2-外套3-绝缘体4-放电管 5-金属引爆丝6-膜片,7-喷嘴（电极）8-化学工质9-药室10-弹丸11-身管,脉冲电源,电储能器磁流体发电机单极发电机补偿脉冲交流发电机电容器等放电控制回路,放电管,毛细管长径比大于10获得稳定的等离子体射流将电能输入炮膛与化学能混合材料电离能较低电离产物分子量小聚乙烯等,第一工质点火对化学工质电能载体,电极,钨合金耐高温,绝缘体,功能绝缘作用承受等离子体的高压材料强度较高的绝缘材料外部金属加固,化学工质,第二工质能量密度高生成气体分子量低一般分类吸热工质低放热工质高放热工质,分类,固体电热化学
5、炮（SPETCG）固体推进剂含发射药流体电热化学炮（LPETCG）流体推进剂工作流体,原理（内弹道过程）,高电压加在毛细放电管两端电极上使之放电525 kV大电流加热放电管内的介质100 kA1 MA在毛细放电管内产生等离子体低原子量高温高压与化学工质相互作用，提供外加能量使推进剂气体快速膨胀做功推动弹丸沿炮管向前运动,等离子体,自然物质存在的第四态由带电粒子和中性粒子组成的聚集态（集合体）正离子负离子电子自由基各种活性基团电离态气体也有液态，固态,离解当温度足够高时构成分子的原子获得足够大的动能开始彼此分离,融化,蒸发,离解,电离,电离进一步提高温度原子的外层电子摆脱原子核的束缚成为自由电子
6、失去电子的原子变成带正电的离子,等离子体,气-液-固“三态”转化只涉及分子间力的变化气体分子间不存在净电磁力等离子体“第四态”由气态转化时需要克服原子核对外层电子的束缚从整体上看是一种导电流体带电粒子间存在库仑力等离子体振荡等离子体辐射,等离子体,宏观上呈电中性正电荷和负电荷电量相等具有良好的导电性电离度接近1%的等离子体导电性接近完全电离等离子体,故称“等”离子体,受约束高压放电等离子体,高压脉冲电源电弧放电产生的等离子体受到放电管壁面的约束具有高温高压的性质103K104K几十几百Mpa低温等离子体相对于受控核聚变等过程产生的高温等离子体而言,等离子体温度108K109K,等离子体鞘层,电
7、中性被破坏了的空间电荷层离子鞘由于电子附着，基板形成负电位在其表面附近的正离子的空间电荷密度增大所有的等离子体与固体接触时都会在固体表面的交界处形成带负电位的薄层区,等离子体的鞘层厚度的数量级接近Debye长度,受约束高压放电等离子体,电子的热力学平均温度,离子的热力学平均温度,受约束高压放电等离子体,等离子体的鞘层温度越高，鞘层厚度越大导致电荷分离的粒子热运动动能大粒子数密度越大，鞘层越薄对于受约束放电产生的等离子体粒子密度较稠密，鞘层的厚度远小于约束管半径放电管内等离子体主要为电中性等离子体,受约束高压放电等离子体,Debye屏蔽等离子体中每个带电粒子的附近都存在电场当该电场被周围的粒子完
8、全屏蔽时在一定的空间区域外等离子体处于电中性Debye长度屏蔽粒子场所在的空间尺度在小于Debye长度的微观尺度内电中性概念无效,受约束高压放电等离子体,Debye长度,真空介电常数,Boltzmann常数,等离子体温度,电子数密度,离子数密度,对于宏观中性等离子体电子和粒子在空间均匀分布,电荷电量,受约束高压放电等离子体,等离子体存在的三个基本条件Debye长度大于粒子间的平均距离Debye屏蔽是大量粒子的统计效应要求Debye屏蔽球内有足够数量的粒子Debye长度远小于等离子体所在系统的特征长度Debye屏蔽球内粒子不能看做电中性的等离子体Debye屏蔽球内不满足电中性要求电弧等离子体的放
9、电管直径远大于Debye长度等离子体的振荡频率大于粒子间的碰撞频率维持等离子体的振荡,弱电离度的等离子体在理想气体状态方程基础上引入偏离系数高温高压下Noble Abel方程,偏离系数,等离子体状态方程,理想等离子体状态方程单原子气体一次电离生成高温下气体离解或电离改变粒子数量偏离理想状态Dalton 定律粒子数变化对压力的影响,等离子体状态方程,该种气体原子成分的气体常数,粒子的电离度,等离子体状态方程,部分电离的等离子体状态方程等离子体电离度、压力、温度继续增大带电粒子的密度增高等离子体处于部分电离状态粒子间的Coulomb 相互作用对状态方程影响加大Coulomb引力降低等离子体压力,理
10、想等离子体压力Boltzmann统计理论,压力修正Debye-Huckle理论,部分电离的等离子体状态方程电热炮适用电子数密度,等离子体状态方程,理想状态，忽略修正项,不可忽略修正项,第i种成分的粒子数密度,第i种粒子和j种粒子间热波长,等离子体状态方程,接近于完全电离的等离子体的状态方程电子数密度或温度相当高粒子的量子效应十分显著FermiDirac量子统计法,部分电离,受约束高压放电等离子体,等离子体宏观方程放电管内的等离子体可按连续流体处理同时考虑带电粒子在电磁场中的电磁效应连续方程动量方程能量方程,连续方程,与经典流体连续方程相同质量守恒与作用力（电磁力）无关补充第i种组分的连续方程粒
11、子的组成和密度受电磁场作用及离子的电离和复合过程影响,i组分由于化学反应单位时间单位体积内的净变化率,动量方程（NS方程）,与一般流体表达式一致,体积力,压力梯度,流体流动引起变形的粘性应力,引起体积变化的粘性应力,粘性系数,应变率张量,动量方程（NS方程）,体积力重力体积力电磁体积力,重力体积力,电场力体积力,电场强度矢量,磁场力体积力,电流密度矢量,磁场强度矢量,电荷密度,动量方程（NS方程）,等离子体宏观上呈电中性忽略重力及粘性力,可以忽略,当电热炮放电管中与放电电流方向垂直的磁场强度较低时,能量方程,考虑粒子电离与复合过程的化学反应热和辐射热损失包含带电粒子且相对温度较高的等离子体考虑
12、电流产生的Joule热电弧放电产生的等离子体,导热引起的流体内能增加,粘性应力做功（耗散功）,压力压缩流体做功,i种化学成分相对于流体的焓扩散流，液体的内热源,辐射热散失,Joule热,化学工质的热化学性质,化学工质第二工质种类较多超出一般意义上的火炮发射药,化学工质,按工质初始状态分类固体工质液体工质气体工质按含能量分类（混合工质）吸热工质低放热工质高放热工质,固体工质,常规固体发射药JA2M30等富氢化合物氢化钛（TiH2）等,液体工质,含能或吸热工质水（H2O）过氧化氢（H2O2）辛烷（C8H18）LP1845（液体发射药）等,气体工质,低分子量气体氢气（H2）氦气（He ）,吸热工质,
13、化学反应热为负值化学工质本身不含化学能或化学能为负需要消耗电能生成气体膨胀做功利用其反应产物气体平均分子量较低的性质50%铝50%水氢化锂氢5%氢化锂95%甲醇50%氢化钛50%水水,低放热工质,反应过程中释放的化学能的能量密度低于外加电能密度的20%甲醇辛烷过氧化氢40%氢硼化锂60%水45%氢化锂55%水12.5%氢化钛37.5%铝50%水氧化钛保护火炮内壁免受烧蚀,高放热工质,反应过程中释放的化学能的能量密度高于外加电能密度的20%LP1845JA220%氢化锂80%过氧化氢25%辛烷75%过氧化氢产物分子量中等20%煤油80%过氧化氢,工作流体的火药力温度关系,高温高火药力,3400K
14、,低温高火药力,高温低火药力,低温低火药力,1143J/g,常规JA2发射药,工作流体的火药力温度关系,低温高火药力区最理想高温高火药力区无明显的烧蚀效应可能是液体工质有部分未汽化覆盖于火炮膛壁起保护作用可用,工作流体的火药力温度关系,低温低火药力区对应于输入电能密度较低的吸热和低放热工质高温低火药力区不适用,工作流体的火药力温度关系,火药力变化趋势电能输入密度的增加使所有工质的火药力和温度增大加入相同的电能密度不同工质的火药力和温度增加的幅度不同与化学反应过程和反应产物性质有关,化学工质的选用,40%氢硼化锂60%水低温、高火药力缺点氢硼化锂与水强烈地反应放出氢气对驱动弹丸极为有利但是氢气出
15、炮口后将与大气中氧气反应发生爆炸出现较大的炮口闪光防止等离子体进入燃烧室之前氢硼化锂与水反应必须分开装填在工作时需要较大的电能输入密度,似乎是一种最好的化学工质,无色粉末,化学工质的选用,氢硼化锂遇水燃烧潮湿空气、酸类、氧化剂、高热及明火燃烧(分解)产物：氧化硼、氢气强烈刺激性粘膜、上呼吸道、眼睛及皮肤中毒表现烧灼感、咳嗽、喘息、喉炎、气短、头痛、恶心和呕吐致死喉和支气管的痉挛、炎症和水肿，化学性肺炎和肺水肿,化学工质的选用,高放热工质除了常规发射药外其他几种配比都含有很高比分的过氧化氢常规条件下高纯度的过氧化氢极不稳定目前大多采用常规固体或液体发射药,等离子体与化学工质的相互作用,理想的电能
16、和化学能释放速率相互匹配、互补膛内气体在弹丸的运动过程中热能的增加足以弥补由于弹丸运动造成的压力下降,等离子体与化学工质的相互作用,改善膛内压力变化过程， 优化内弹道特性对电能和化学能的释放速率加以控制脉冲电源电能释放的控制可通过设计相应的脉冲放电回路来实现这方面的技术已比较成熟化学工质所含化学能的释放改善燃烧性能结构形状等离子体与化学工质的物理化学作用控制化学工质的燃烧或分解速率,等离子体与化学工质的相互作用,影响化学工质反应速率的因素,等离子体射流温度组分射流速度等离子体与化学工质的作用面,影响化学工质反应速率的因素,液体工质的化学反应速率较难确定固体发射药化学反应速率实验研究等离子体直接
17、作用于燃烧面的条件下固体发射药 的燃烧速率大约增加了 倍压力约为 时,等离子体与化学工质的相互作用,等离子体增强燃烧速率,等离子体增强火药燃烧效应不仅和压力有关而且和火药的形状和位置有关等离子体垂直作用于燃烧面时火药的燃速提高倍或更高等离子体射流平行于火药燃烧面时火药燃烧速率比常规情况仅提高 可能是由于此时等离子体仅以辐射方式加热火药表面等离子体与发射药的相互作用不充分,等离子体与化学工质的相互作用,设计高装填密度的电热化学炮时必须考虑火药在膛内几何形状的影响在实际的电热化学炮中只要火药有足够高的装填密度等离子体射流的绝大部分垂直于火药的平均燃烧面可以大幅度地提高火药的燃烧速度,等离子体与化学
18、工质的相互作用,反应速率对内弹道性能的影响,吸热,放热,SINE型方案初期汽化或燃烧的工质较少对吸热工质初期压力较大对放热工质相反内弹道后期弹丸的运动使弹后空间增大反应速率的增大有利于弥补弹后的压力降,反应速率对内弹道性能的影响,2 汽化过程中要吸收热量2#反应速率在内弹道过程早期要消耗大部电能使气体压力降低弹丸运动使弹后空间变大后半段输入的电能对压力的影响不显著,反应速率对内弹道性能的影响,25%818-75%222增大反应速率时(2#)在内弹道循环前半段释放更多的化学能此时弹后空间较小使弹后空间压力有较大上升5#反应速率对内弹道性能的影响相反,反应速率对内弹道性能的影响,电热化学炮内弹道经
19、典模型,放电管等离子体模型燃烧室内弹道模型,放电管等离子体模型基本假设,放电管内等离子体处于热力学平衡状态压力、温度、密度均匀分布放电管处于绝热状态放电管内壁材料的烧蚀由等离子体的辐射传热引起放电管内等离子体热物性参数为常量电离度由Saha方程确定等离子体混合物所有粒子以原子、离子、电子形式存在所有离子由原子一次电离产生当金属引爆丝温度超过某临界温度时完全电离,放电管等离子体模型基本方程,等离子体质量平衡毛细管烧蚀速率喷口流量能量平衡状态方程放电回路方程辅助方程等离子体电离度等离子体混合物的电阻率,等离子体质量平衡,毛细管内的等离子体混合物质量,喷口流出的等离子体混合物质量,毛细管的半径、长度
20、、材料密度,毛细管壁面线烧蚀速率,StefanBoltzmann常数,等离子体的平均温度,烧蚀材料的键焓,喷口流量,喷口半径,等离子体混合物的比热比,等离子体混合物的气体常数,能量平衡,从毛细管壁面裂解出来的主要是CH2分子进入主流后进一步裂解为C、H原子部分电离为等离子体所有原子只进行一次电离,状态方程,放电回路方程,等离子体负载电阻,放电回路杂散电阻,放电回路的波形调整电感值,储能电容器组的电容值,电容器初始电压,等离子体电离度等离子体混合物的电阻率,辅助方程,等离子体混合物中自由电子的数量密度,燃烧室内弹道模型基本方程,燃气质量平衡方程液体发射药燃烧速率燃气能量方程燃气状态方程膛内压力梯
21、度方程弹丸运动方程,燃烧室内弹道模型基本假设,液体发射药沿轴向环形装填弹丸运动后液体药均匀分布于身管和药室内表面液体发射药的反应速率由经验公式确定类似于固体火药燃速的指数关系式等离子体射流输入仅影响燃气压力和温度增强液体药的燃烧,燃烧室内弹道模型基本假设,液体发射药不可压火药力、比热比等参数视为常量膛内压力梯度服从Chambrage关系式忽略热散失、弹丸挤进功等与常规火炮相同,燃烧室内燃气质量平衡方程,燃烧室内燃气质量变化速率,放电管输入的等离子体质量变化速率,燃气生成速率（发射药燃烧速率）,液体发射药的燃烧速率,液体发射药密度,燃烧系数,发射药有效燃烧面积,燃速压力指数,液体发射药的燃烧速率
22、,气液界面上气体速度,燃烧室初容,空腔长度,空腔初始半径,几何燃烧面积,弹底面积弹丸行程,燃气能量平衡方程,液体发射燃烧释放的能量,等离子体射流带入的能量,弹丸动能,燃气内能,燃烧室内弹道模型,燃气状态方程（NobleAbel方程）,膛内气体密度,气体余容,燃烧室内弹道模型,膛内气体压力梯度,弹底压力,膛底压力,平均压力,膛内气体压力梯度,弹前激波压力,大气压力,膛底至弹底距离,火药燃烧百分比,未燃工质运动耦合系数,膛内气体压力梯度,膛内气体轴向坐标,16个方程，17个变量计算例,电热炮内弹道模型,电热炮内弹道计算例,初始条件(放电开关闭合瞬间),电热化学炮关键技术,电源小型化化学推进剂高能量密度低分子量化学反应可控性好安全无毒耐贮存化学反应的稳定性、重复性和可调性,电热化学炮关键技术,点火技术新型发射药新型电极材料及形式等离子体点火的机理及过程系统集成技术系统集成技术未来实战条件下的系统性能实用性、可靠性、适配性、安全性、电磁兼容性,
