电热化学炮由高功率脉冲成形网络、等离子体发生器和火炮身管以及触发器件等组成.
它以展宽膛压曲线为手段,获得传统火炮无法达到的炮口动能.膛压测量对研究电热炮的等离子体点火、增强作用至关重要.电热化学炮的膛压在400~550 MPa范围内,在此范围内采用高阻抗输出的压电式压力传感器较合适.膛压测量用的测压孔分布在药室周围.测压孔接近身管内表面的腔体一般有阶梯腔和直通腔2种,这2种空腔起到一定的滤波作用.
测压用的低噪声电缆在现场穿过.电热炮发射实验时,将产生多处强电磁噪声源,这些干扰信号以电场、磁场、电磁场多种途径耦合进测压线路,形成干扰.同时炮位的电位浮动问题一直是对后端信号调理、数据采集、记录模块的威胁.目前,国内外主要采用光电隔离技术测量电热化学炮的膛压.在长期探索的过程中,本文提出了现场存储型压力测量技术,以解决测量的准确性和测试设备的安全性问题.
电磁发射环境电热化学炮发射实验时,电磁噪声源有以下几类:
工频噪声.工频噪声由照明设备、线路,强电充放电控制设备、线路,及弱电采集设备、线路产生,通过电源线与信号线之间的杂散电容、电感感应耦合.一般而言,它的干扰贡献很小.在强弱电线路的布线上十分注意这点,可以最大限度地减小这种干扰.
高压脉冲发生器.高压脉冲发生器是真空触发开关(TVS)必不可少的设备,它按照设定的时间顺序发送触发信号给TVS.触发信号电压是5 kV,触发极导通时的电流为1 kA左右,脉冲宽度3μs.触发信号高频同轴电缆传输,同轴电缆场约10 m,最长近20 m.高压脉冲发生器是一个很强烈的脉冲干扰源.因干扰源频率在300 kHz,电磁波波长为1000 m,所有测试线路都在附近,所以测试信号线及敏感设备都处于近区感应场范围内.高压脉冲发生器输出端在TVS触发极相连并导通时可视作小环天线.
触发真空开关.触发真空开关通流和截流的过程,实际上是电弧燃烧和熄弧的过程.但是触发真空开关的屏蔽很好,泄漏的电磁能量很少.
等离子体发生器电爆炸.等离子体发生器电爆炸的宽度在几十μs,此时电流不大,但是电压突变很大,可达0.1 kV/μs.由电场变化引起的辐射干扰也比较大.
负载电流.电热化学炮发射实验时,电流值可达100~200 kA,但是持续时间有2 ms左右,电流变化率最大在1 ~ 2 kA/s,对压力信号的影响可以不考虑.
等离子体发生器熄弧.等离子体发生器毛细管内电压不能维持电弧燃烧时,电弧将熄灭,由此引起电压突降.这个速率比电爆炸的过程要快,其影响相对较大.
等离子体发生器地电位浮动等离子体发生器地等效阻抗为几十mΩ,它的峰值电流可达150 kA.连接等离子体发生器阴极的电缆上将产生压降,导致等离子体发生器地电位浮动.实验中如果等离子体发生器电弧燃烧不稳定,等效阻抗很小,那么地电位浮动幅度将更大.压力传感器直接与等离子体发生器阴极材料相连.浮动的地电位直接对后面的电荷放大器及调理电路产生危害.
光纤传输测量技术及膛压测量结果电热化学炮膛压测试技术与常规火炮的膛压测试技术的区别在于测试的环境不一样.
前端的传感器都相同,只是传输路径不同,如图2.常规火炮的测试信号进入电荷放大器后直接进数据记录设备,而电热化学炮的压力传感器输出电荷经电荷放大器转成电压信号后,需要经过光纤隔离或隔离变压器,然后才能进入数据记录设备.
光纤隔离传输方法,有高频调制传输,也有模拟电流调制传输.笔者以前用模拟调制71第4期袁伟群等 电磁环境下电热化学炮膛压测量技术传输,采用光纤隔离传输技术能实现安全测量,但是如果要改善信号质量,就必需拉长光纤,同时对电光转换和光传送部分进行良好电磁屏蔽,但是实际中很难做好.
压电传感器Ksitler6215固定在火炮身管测压孔中,通过低噪声电缆与存储型测压器相连,存储型传感器直接固定在身管上.存储型测压器中,电荷信号转换、采集、处理、存储集中在一块电路板上,并提供并行通讯口,用小型高能3.6 V电池供电,电路部分用环氧树脂加固.整个测压器处于一个48 mm×60 mm的钢壳内.存储型测压器采用循环采样存储技术.实验时,存储型测压器上电后,处理器判断压力传感器上的压力,压力高于触发电平时就记录整个完整压力波形.实验后,打开测压器端盖,用个人计算机将数据从并口读入.存储型测压器不存在外接电缆,且跟身管同电位,完全切断了强电磁干扰耦合进膛压信号的途径,同时也避免了身管电位浮动对测压器里电子元件的危害.
结论电热化学炮膛压测试主要问题集中在压力传感器输出信号后传输线路的强电磁耦合上.脉冲功率源高压部分及等离子体发生器电弧点燃和熄灭是主要电磁干扰源,以往的膛压测试技术无法解决电磁干扰问题,也无法彻底消除地电位浮动的危害.存储型测压技术从根本上解决了电磁耦合问题,确保了测量设备的安全性,实现了膛压信号的无干扰测量.
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