钛学术_专利_一种磁化等离子体火炮.docx

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利E1(10)授权公告号CN104697397B(45)授权公告日2016.06.15(21)申请号201510137072.5(22)申请日2015.03.26(73)专利权人中国人民解放军装甲兵工程学院地址100072北京市丰台区长辛店杜家坎21号(72)发明人毛保全徐振辉杨振军杨雨迎李华钟孟春周世海李向荣冯帅李程DE19756357A1,1999.06.24,EP0733907A1,1996.09.25,US6553913B1,2003.04.29,秦实宏等.减轻轨道炮炮膛烧蚀的研究.弹道学报.2001,第13卷(第2期)，第74-78页

2、.审查员吴晨明(74)专利代理机构北京远大卓悦知识产权代理事务所(普通合伙)11369代理人史霞(51)1nt.C1F41A27/24(2006.01)(56)对比文件CN1421670A,2003.06.04,CN204574930U,2015.08.19,US4483190A,1984.11.20,权利要求书1页说明书7页附图1页US5088381A,1992.02.18,(54)发明名称一种磁化等离子体火炮(57)摘要本发明公开了一种磁化等离子体火炮,所述火炮身管内部设置有磁场,所述磁场方向沿所述身管轴线方向，指向炮口，并且所述磁场强度从身管内壁到身管轴线呈衰减分布,火炮发射时在所述磁场

3、作用下身管内的气体能够电离成等离子体并在身管内壁上形成等离子体鞘层。本发明所述的磁化等离子体火炮在身管内壁上形成的磁化等离子体鞘层呈现出压力各向异性特征,并具有隔热作用，可使火炮身管所受径向力大幅降低,又能8使弹丸的推动力大幅提高，同时还能大幅提高身与管耐热性,延长使用寿命。OQ6寺O1 .一种磁化等离子体火炮,其特征在于,所述火炮的身管设置有磁场,所述磁场方向沿所述身管轴线方向指向炮口，并且所述磁场强度从身管内壁到身管轴线呈衰减分布,火炮发射时在所述磁场作用下身管内的气体能够电离成等离子体并在身管内壁上形成等离子体鞘层。2 .根据权利要求1所述的磁化等离子体火炮,其特征在于,所述磁场的强度为

4、r(pyB(F)=BQ1-exp-1I其中,r为至身管轴线的距离,Ro为身管内半径;a为小于1的正系数;Bo为初始磁场强度。3 .根据权利要求1或2所述的磁化等离子体火炮,其特征在于,所述磁场产生方式为在所述火炮身管外壁包覆磁性材料。4 .根据权利要求1或2所述的磁化等离子体火炮，其特征在于,所述磁场产生方式为在所述火炮身管上安装磁场发生器。5 .根据权利要求1或2所述的磁化等离子体火炮,其特征在于,所述火炮身管内壁处的磁场强度为0.5T-10T。6 .根据权利要求5所述的磁化等离子体火炮,其特征在于,所述等离子体鞘层的厚度为0.9-1.5mmo7 .根据权利要求6所述的磁化等离子体火炮,其特

5、征在于,发射时火药气体的温度不小于4000K。8 .根据权利要求7所述的磁化等离子体火炮,其特征在于,发射时火药气体的最大压力不低于400MP。一种磁化等离子体火炮技术领域0001本发明涉及火炮技术领域,特别涉及一种发射时在磁场作用下在身管内壁能够形成等离子体鞘层的磁化等离子体火炮。背景技术0002身管是火炮中最重要的零部件，身管寿命是火炮武器系统的一个重要评判指标，由于火炮发射时,火药气体温度很高及弹丸导引部对身管的反复作用,使身管温度迅速升高,造成身管的烧蚀磨损,严重影响火炮的寿命,并且造成在实战中火炮不能连续长时间发射,从而影响战局。火炮发射产生的高压气体会对身管施加一个较大的径向力,对

6、身管强度造成严重影响,这就需要身管采用高强度的材料并具有相对较厚的壁厚,这对火炮的经济性和机动性带来不利影响。0003火炮身管寿命问题是伴随着火炮发展而一直存在的一个难题。目前普遍采用的提高身管寿命方法包括使用缓蚀剂、对身管内膛进行表面处理、使用复合材料等。缓蚀剂在高温高压下分解,分解产物与火药燃气发生化学反应,反应物沉积于内膛表面,形成一层保护膜,阻碍火药在高温燃气中的碳、氢等元素向膛面扩渗和火药燃气对内膛表面的直接化学作用,起到保护身管的作用。对身管内膛进行表面处理为在内膛表面制备耐磨、耐烧蚀的涂层，和使用缓蚀剂具有相似的效果。使用这两种方式虽然都能起到一定延长身管寿命的作用,但将缓蚀剂或

7、涂层附着到内表面的工艺复杂,并且缓蚀剂或涂层也会被不断磨损。复合材料身管由于其具有较高的比强度、比刚度,适合在大威力火炮中使用，并能减轻身管重量,增强机动性。但复合材料身管制造工艺复杂,生产周期长、成本高,不易推广使用。因此需要设计一种新型的火炮,以克服上述的缺陷。发明内容0004为解决上述问题,本发明提供了一种磁化等离子体火炮,在发射时能够在身管内壁形成磁化等离子体鞘层,从而降低身管吸热量及径向压力,并提高对弹丸的推力。0005本发明提供的技术方案为：0006一种磁化等离子体火炮,所述火炮身管设置有磁场,所述磁场方向沿所述身管轴线方向，指向炮口，并且所述磁场强度从身管内壁到身管轴线呈衰减分布

8、,火炮发射时在所述磁场作用下身管内的气体能够电离成等离子体并在身管内壁上形成等离子体鞘层。0007优选的是,所述磁场的强度为0008B(r)=1-exp0009其中，r为至身管轴线的距离,Ro为身管内半径;a为小于1的正系数。Bo为初始磁场强度。0010优选的是,所述磁场产生方式为在所述火炮身管外壁包覆磁性材料。0011优选的是,所述磁场产生方式为在所述火炮身管上安装磁场发生器。0012优选的是,所述火炮身管内壁处的磁场强度为0.5T-10T。0013优选的是,所述等离子体鞘层的厚度为0.9-1.5mmo0014优选的是,发射时火药气体的温度不小于4000K。0015优选的是,发射时火药气体的

9、最大压力不低于400MP。0016本发明的有益效果是:本发明提供了一种磁化等离子体火炮,在火炮身管内加一磁场,火炮发射时产生的部分等离子体被磁化,从而在身管内壁形成磁化等离子体鞘层,该磁化等离子体鞘层呈现出压力各向异性特征,并具有隔热作用,可对火炮产生如下作用：1、使火炮身管的吸热量大大降低，从而减少身管的热烧蚀;2、降低发射时火炮身管所受的径向力，延长身管寿命,并能够使身管适当的减小壁厚,增强机动性;3、增加发射时火药气体对弹丸的推力，由于火炮身管的吸热量的减少,火药气体的热损失较少,从而向外的做功增加，另外磁流体的磁马赫数比一般马赫数小，身管中不易产生激波,火药气体热化效率降低,气体动能相

10、对增加,从而使对弹丸的推力增加,增大了弹丸的出口速度。附图说明0017图1为本发明所述的磁化等离子体火炮身管内磁场强度分布示意图。0018图2为本发明所述的磁化等离子体火炮结构示意图。具体实施方式0019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。0020如图1、图2所示,本发明提供了一种磁化等离子体火炮,在身管内部设置有磁场。该磁场的方向沿身管轴线方向，指向炮口，并且磁场强度从身管内壁到身管轴线呈衰减分布。本发明所述磁化等离子体火炮发射时,在该磁场的作用下身管内的气体能够电离成等离子体,并在身管内壁上形成磁化等离子体鞘层。0021由于磁化等离子体鞘层

11、呈现出压力各向异性特征，并具有隔热作用，可使火炮身管所受径向力大幅降低,又能使弹丸的推动力大幅提高,同时还能大幅提高身管耐热性,延长火炮使用寿命。0022该磁场可表示为如下公式：0023即)=综1-exp-b)0024其中，r为至身管轴线的距离,Ro为身管内半径;a为小于1的正系数。BO为初始磁场强度。0025如上式可知,磁场强度呈指数函数分布,在身管轴线处磁场强度最小,在身管内壁处磁场强度最大,磁场强度从身管内壁到身管轴线逐渐衰减。0026通过在身管外壁包覆磁性材料的方式为身管内添加磁场,该磁性材料能够使身管内产生符合上式的磁感应强度。0027磁性材料是指由过度元素铁、钻、银及其合金等能够直

12、接或间接产生磁性的物质，磁性材料已经广泛的用在日常生活之中，例如将永磁材料用作马达,应用于变压器中的铁心材料,作为存储器使用的磁光盘,计算机用磁记录软盘等。0028在身管2外壁上附着一层磁性材料1之后,该磁性材料1能够使身管2内产生磁场,发射时在所述磁场作用下身管2内的气体能够电离成等离子体并在身管内壁上形成等离子体鞘层3。等离子体鞘层3是等离子体在有限空间中由于边界效应而形成的，因此，只要等离子体具有不均匀性,就会出现等离子体鞘层3。0029在火炮发射时，由于火药气体的作用在身管2内产生高温高压的环境,火药气体在该环境中会电离成等离子体，当在火炮身管2外壁施加一个平行于身管轴向的强度不均匀分

13、布的磁场时，由于磁场的存在,使得等离子体电子、带电离子被约束在身管2内壁,从而形成一个非电中性区域,这个区域就是磁化等离子体鞘层3。磁化等离子体鞘层3就是由于磁场的不均匀性造成的等离子体浓度的不均匀区。只要火炮身管2内存在等离子体并有磁场分布,就会形成磁化等离子体鞘层。因此,由于在身管内具有方向沿所述身管2轴线方向，指向炮口的磁场,并且该磁场强度从身管1内壁到身管轴线呈衰减分布,故在身管内壁上会形成等离子体鞘层3。0030根据等离子体物理学理论,若气体的温度达到4000k以上,部分气体就会通过碰撞而产生电离,火炮发射时,火药燃烧产生高温、高压气体,温度可达4000k以上,可以形成等离子体。初步

14、假设高温、高压气体处于热平衡状态,则气体分子的速度呈现麦克斯韦分布：0031/(M)=%)%exp(一含)0032式中，f(m)为分子处于速度V上的粒子数,ma为分子的平均质量,To为气体的温度,k为玻尔兹曼常数,no为高温高压火药气体的密度00330034003500370036一般气体电离所需的电离能约为：k=16eV=161.61019(J)=2.561018(J)对于能够产生电离的分子,其热速度为：钎个不二二2装二膝f0IxSSX0卷*专燃、&aJ一团分子相互碰撞,各自都具有一定的速度。假设有两个分子分别以速度V和-V相对碰撞,根据等离子体物理学理论,若这个速度达到2500ms,其碰撞

15、过程的动能就可以使分子产生电离。因此,单位体积内高温高压火药气体中速度超过2500ms的分子数约为：0039上式表明，火炮发射时若气体的温度达到4000k,火药燃烧产生的高温高压火药气体中有18%的气体分子电离成等离子体。0040由于磁场的存在,使得等离子体中的电子、带电离子被约束在身管内壁,从而形成一个非电中性区域,这个区域就是磁化等离子体鞘层。0041鞘层厚度取决于离子的回旋半径。离子的回旋半径约为：0043其中，u为等离子的平均质量,Vi为等离子体速度,e为元电荷电量。B为在身管内壁处的磁场强度,本实施例中B=0.5T,则rci=0.3mm00044磁化等离子体鞘层一般约为离子回旋半径的35倍。因此,磁化等离子体鞘层的厚度约为0045磁化等离子体鞘层呈现出压力各向异性特征,并具有隔热作用,可使火炮身管所受径向力大幅降低,又能使弹丸的推动力大幅提高,同时还能大幅提高身管耐热性。0046本实施例中，火炮发射时身管内产生的高温高压气体压力P为400MPa,温度To为400OK,则气体密度no为：004