常压条件下发射药燃烧产物电子密度的实验测试方法

本发明涉及电子密度实验测试，涉及到常压条件下发射药燃烧产物电子密度的实验测试方法。

背景技术：

1、相关研究表明，通过在火箭推进剂及火炮发射药中添加电离种子，可以使燃烧产物发生热电离生成等离子体，从而能够有效提高燃烧产物的电离度和电导率，这为磁场调控等离子体/磁流体技术应用提供了可能。相关衍生理论和技术在磁流体发电、火箭发动机推力矢量控制、高超声速飞行器能量旁路、高超声速飞行器磁控热防护、飞机及高速列车气动力学优化以及身管武器抗烧蚀等领域具有广阔的应用前景。在上述应用中，含电离种子的推进剂/发射药燃烧产物的电离度是评估磁场调控效果的关键，因此，发射药燃烧产物电子密度的准确获取至关重要。

2、当前针对燃烧产物电子密度的研究大多为理论计算和数值模拟，鉴于燃烧过程的高温环境及燃烧过程的不稳定性，鲜有研究能够通过实验方法对燃烧产物的电子密度进行准确测量。现有技术构建了基于密闭爆发器的发射药燃烧产物电子密度实验测试系统，但其开展的相关研究仅得到了燃烧产物中特征元素的光谱谱线，并未对发射药燃烧产物的电子密度进行准确诊断；此外，密闭爆发器工作于极高压环境，因此实验结果所能指导的应用场景有限。对于高超声速飞行领域的应用而言，燃气介质一般处于常压或低压条件下，因此开发常压条件下的实验测试系统并提出有效的电子密度测试方法对相关领域技术应用意义重大。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供常压条件下发射药燃烧产物电子密度的实验测试方法，解决了背景技术中存在的问题。

2、本发明解决其技术问题采用的技术方案是：本发明提供常压条件下发射药燃烧产物电子密度的实验测试方法，包括如下步骤：步骤一、构建基于langmuir双探针的发射药燃气电子密度测试实验系统。

3、步骤二、采用langmuir双探针法测试不同燃烧温度和不同电离种子含量下燃烧产物中的电子密度实验值。

4、步骤三、通过改变发射药及电离种子的含量进行多次点火实验，并获取热电偶测得的火焰温度相近情况下的实验数据，从而获得不同温度区间和不同电离种子含量下伏安特性曲线。

5、步骤四、根据不同温度区间和不同电离种子含量下伏安特性曲线，计算燃烧产物的电子密度计算值。

6、步骤五、将燃烧产物中的电子密度实验值与电子密度计算值进行对比，得到电子密度偏差值，进而分析不同电离种子含量下燃烧产物的电子温度以及电子密度偏差值随温度的变化。

7、优选地，所述基于langmuir双探针的发射药燃气电子密度测试实验系统由含电离种子的发射药、燃烧皿、激光点火器、langmuir双探针、探针固定与驱动机构、探针系统控制单元、热电偶、上位机组成。其中，燃烧皿由耐高温炮钢制成；激光点火器用于实现发射药的远程点火控制；两个langmuir探针采用完全相同的结构参数，探针的非测试部分由氧化铝陶瓷密封；探针固定与驱动机构由支撑架和驱动电机组成，用于固定探针并实现探针在火焰中的移动，以获取不同位置处的等离子体参数；langmuir探针通过导线与探针系统控制单元连接；将热电偶固定于靠近探针头部的位置，用于测量探针处火药燃气的宏观温度。

8、优选地，所述采用langmuir双探针法测试不同燃烧温度和不同电离种子含量下燃烧产物中的电子密度实验值，具体包括：s1、激光点火后待发射药火焰基本稳定后开始测试，设置langmuir双探针的扫描电压和扫描电压的加载时间，每次扫描完成后按照间隔扫描电压的加载时间进行连接扫描，记录各测试点对应各次电压-电流值，并求取平均值构建伏安特性曲线。

9、s2、通过改变发射药中硝酸铯的质量分数和发射药的药量并调整探针在火焰中的位置，完成多次激光点火实验并同步记录伏安特性曲线，从而得到多组不同电离种子含量和不同温度下的电子密度实验值。

10、优选地，所述步骤三具体内容包括：由不同温度区间和不同电离种子含量下伏安特性曲线可知，通过各次实验的平均值绘制而成的伏安特性曲线在正向电压段和负向电压段具有良好的对称性。

11、此外可知，随着温度的升高，虽然电流值的标准差逐渐增大，但标准差系数逐渐减小，表明燃烧产物中的电离反应随着温度的升高越来越稳定，实验数据的偏差也越小。

12、优选地，所述计算燃烧产物的电子密度计算值，具体包括：根据不同温度区间和不同电离种子含量下伏安特性曲线，得到探针1和探针2的饱和离子电流，分别为i1+和i2+，当两探针结构相同时，一般有i+＝i1+＝-i2+，分析电子温度te，其计算公式为为两探针间电位差为0时伏安特性曲线的斜率，e为电子电荷，k为玻耳兹曼常数。

13、计算燃烧产物的电子密度计算值ne-计算值，其计算公式为ap＝πdplp，式中ap为探头的表面积，π为圆周率，mi为cs离子的质量，dp为探针的探头直径，lp为探头长度。

14、优选地，所述电子密度偏差值分析方式为其中ne-实验值为燃烧产物的电子密度实验值。

15、优选地，所述不同电离种子含量下燃烧产物的电子温度以及电子密度偏差值随温度的变化分析内容包括：当电离种子含量αcs＝2％时，计算得到的不同燃烧温度下的等离子体参数，由此可知，由langmuir双探针测得的燃烧产物的电子温度高于由热电偶测得的中性粒子的温度，即常压下燃烧产物并非完全处于热力学平衡态；但与放电反应产生的非平衡态等离子体不同的是，二者温度的差值不明显，因此常压下含电离种子发射药的燃烧产物为弱非等温等离子体。

16、此外，当燃烧产物温度较低时，ne的实验值与计算值存在较大的偏差；同时，受限于langmuir探针法的电子密度测量范围和测量精度，低温下电子密度测量结果有较大的偶然误差；随着温度的升高，电子密度实验值和计算值之间的偏差逐渐减小。

17、优选地，所述不同电离种子含量下燃烧产物的电子温度以及电子密度偏差值随温度的变化分析内容还包括：统计得到不同电离种子含量下燃烧产物的te值以及值随温度的变化，构建不同电离种子含量下燃烧产物的te值以及值随温度的变化曲线图，由图可知，对于某一特定的电离种子含量，te值随燃烧产物温度的升高而增大，且在设定温度范围内，te的值与t的值近似呈线性对应关系；当温度相近而电离种子含量不同时，te的值变化不明显。

18、在不同的燃烧产物温度下，电子密度实验值与计算值之间的偏差随燃烧产物温度的增加而减小；进而得知随着温度的进一步升高，电子密度实验结果与计算结果将更趋于一致。

19、相对于现有技术，本发明所述的常压条件下发射药燃烧产物电子密度的实验测试方法具有以下有益效果：(1)本发明通过构建基于langmuir双探针的发射药燃气电子密度测试实验系统，从而能够拓展实验结果所能指导的应用场景，进而对电子密度实验测试技术领域技术应用意义重大。

20、(2)本发明通过采用langmuir双探针法测试不同燃烧温度和不同电离种子含量下燃烧产物中的电子密度实验值，并根据不同温度区间和不同电离种子含量下伏安特性曲线，计算燃烧产物的电子密度计算值，从而实现对发射药燃烧产物的电子密度进行准确诊断，提高发射药燃烧产物的电子密度实验结果的精准性和可靠性，进而分析电子密度偏差值，进一步明确实验结果与计算结果存在偏差的原因，同时分析不同电离种子含量下燃烧产物的电子温度以及电子密度偏差值随温度的变化，进而反映电子温度以及电子密度偏差值随温度的变化规律，对于设计和优化等离子体应用具有重要意义。

21、附图说明

22、为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

23、图1为本发明的方法流程示意图。

24、图2为基于langmuir双探针的发射药燃气电子密度测试实验系统原理图。

25、图3为朗缪尔双探针伏安特性曲线图。

26、图4为不同温度区间和不同电离种子含量下的伏安特性曲线图。

27、图5为不同电离种子含量下燃烧产物的te值以及值随温度的变化曲线图。