CN106841530A - 基于化学气氛传感器的固体发动机状态监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于化学气氛传感器的固体发动机状态监测装置，能够定期监测推进剂正常贮存时释放的特定气体成分（氮氧化物）。本发明还提供通过这种装置进行监测的方法，与现有技术相比，本发明在不影响固体火箭发动机工作性能的条件下，将采用化学气氛传感器的状态监测仪定期监测产生的气体的浓度变化可以建立化学老化模型，从而取得监测的气体含量与发动机推进剂状态的对应关系，既可用于新研制的固体火箭发动机中，也可用于延寿工作中的模拟发动机中，从而起到监测发动机健康状态，预估发动机寿命的目的。

Description

基于化学气氛传感器的固体发动机状态监测装置

技术领域

本发明涉及固体发动机健康状态检测，具体是一种基于化学气氛传感器的固体发动机状态监测装置。

背景技术

采用固体发动机作为动力装置的飞行器，对固体发动机的寿命预估是一项重要课题。如果预估的寿命长于实际寿命，已经失效的发动机在飞行器发射过程中会导致发射的失败，甚至发生灾难性的事件。如果预估的时间过短，会使大批可继续服役的发动机被报废销毁，不但造成经济损失，还会造成巨大的资源浪费。因此，固体火箭发动机的寿命研究一直是国内外研究的热点问题之一。

近几十年来，随着化学气氛传感器技术的研究和发展，化学气氛传感器已在科研、环境的保护和监控等方面得到了越来越广泛的应用。化学气氛传感器(chemical sensor)是通过某化学反应以选择性方式对特定的待分析物质产生响应从而对分析物质进行定性或定量测定，用于检测及测量特定的某种或多种化学物质。含有硝酸酯的某推进剂在常温贮存下，会分解放出氮的氧化物。传统监测NO_x的方法有Saltzman法、化学发光法、色谱法等，这类测定方法灵敏度高、检出限低，但不能实现NO_x的现场连续监测，且装置复杂、价格昂贵。相比而言，NOx化学气氛传感器则能满足简便、快速、现场检测等要求。根据测量原理的不同，NOx化学气氛传感器主要有声表面波NOx化学气氛传感器、NOx光纤化学气氛传感器、半导体NOx化学气氛传感器和NOx电化学气氛传感器等。国内检测氮氧化物的传感器技术已经发展的比较成熟，但把化学气氛传感器应用于推进剂的性能监测、安全评价方面，需要解决众多的技术难题，还需要进行深入的研究。

发明内容

本发明的目的在于通过定期监测气体的成分和含量，掌握推进剂化学老化规律，进而明确发动机的健康状态，最大限度的提高发动机的寿命，并大大提高发动机的安全性、可靠性和经费效益。所采取的技术方案是：

本发明首先提出了一种基于电化学气氛传感器的固体发动机推进剂健康状态的监测装置，能够定期监测推进剂正常贮存时释放的特定气体成分（氮氧化物）。所采取的技术方案是：

这种基于化学气氛传感器的固体发动机状态监测装置，其特征在于：包括容纳有少量固体发动机推进剂试样的密闭袋，与密闭袋相通的管道，管道上依次串接截止阀和气泵后与市售固定式氮氧化物检测仪的进气口相通，市售固定式氮氧化物检测仪的信号输出口通过数据线与数据采集系统相连。

进一步地，市售固定式氮氧化物检测仪的进气口加装将其口径变细的转化接头。

具体地，所述的市售固定式氮氧化物检测仪为北京北信未来电子仪器有限公司生产的型号为BX13-NOX-A固定式氮氧化物检测仪或北京天地首和科技发展有限公司生产的型号为TD0103-NOX-A固定式氮氧化物检测仪，量程为0-10ppm，分辨率为0.01ppm，温度范围为-20℃～50℃；气泵的流量为：0.8L/min。

本发明还提供通过这种装置进行检测的方法，所采取的技术方案包括如下步骤：

（1）将基于化学气氛传感器的固体发动机状态监测装置与待检测的固体发动机放置于同一环境当中；

（2）定期监测化学气氛传感器的监测数据，根据监测数据绘制或自动生成气体浓度随时间的变化曲线；

（3）当气体浓度处于稳定区时，表明固体发动机的推进剂释放出的气体很微量，力学性能变化较小，推进剂及发动机处于健康状态；当气体浓度处于快速变化期，表明固体发动机的推进剂释放出的气体量极具增加，力学性能极具变差，推进剂及发动机寿命即将结束，需要实施相关处理措施。

还可以是，将步骤（1）的基于化学气氛传感器的固体发动机状态监测装置直接加装在原有贮存状态下全尺寸固体火箭发动机上。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：在不影响固体火箭发动机工作性能的条件下，将采用化学气氛传感器的状态监测仪定期监测产生的气体的浓度变化可以建立化学老化模型，从而取得监测的气体含量与发动机推进剂状态的对应关系，既可用于新研制的固体火箭发动机中，也可用于延寿工作中的模拟发动机中，从而起到监测发动机健康状态，预估发动机寿命的目的。

附图说明

图1是本发明基于化学气氛传感器的固体发动机状态监测装置的一种结构示意图。

图2是本发明基于化学气氛传感器的固体发动机状态监测装置的另一种结构示意图。

图3是某推进剂密封袋中气体红外光谱图。

图4是某推进剂气体释放量随贮存时间的变化规律。

图5是某推进剂释放气体压力随贮存时间的变化规律。

图6是某推进剂在100℃下气体释放量随贮存时间的变化规律。

图7是某推进剂在100℃下释放气体压力随贮存时间的变化规律。

图8是不同贮存时间某推进剂气体释放量的变化规律。

图9是不同贮存时间某推进剂压力的变化规律。

图10是根据比色法测试的氮氧化物含量绘制的标准曲线。

图11是推进剂贮存中释放气体量随贮存时间的变化规律（比色法）。

图12是某推进剂贮存在70℃条件下化学气氛传感器监测到的氮氧化物气体浓度随时间的变化曲线。

图13是某推进剂贮存中σm与释放出气体浓度随时间变化曲线（化学传感器法）。

图14是某推进剂贮存中σm与释放出气体量随时间的变化曲线（真空安定性法）。、

图15是某推进剂贮存中σm与释放出气体量随时间的变化曲线（比色法）。

具体实施方式

实施例1，市售的用于监测气体的固定式氮氧化物检测仪灵敏度较高，从理论上能够满足测试要求，但由于其体积较大，无法直接放在贮存环境中，因此，需要解决气体采集、气体传输等问题。

为此这种基于化学气氛传感器的固体发动机状态监测装置，包括与固体发动机1浇筑有推进剂的内腔相通的管道7，管道7上依次串接截止阀3和气泵4后与市售固定式氮氧化物检测仪5的进气口相通，市售固定式氮氧化物检测仪5的信号输出口通过数据线8与数据采集系统6相连，市售固定式氮氧化物检测仪5的进气口加装将其口径变细的转化接头51。所述的市售固定式氮氧化物检测仪5为北京北信未来电子仪器有限公司生产的型号为BX13-NOX-A固定式氮氧化物检测仪，量程为0-10ppm，分辨率为0.01ppm，温度范围为-20℃～50℃。气泵的流量为：0.8L/min。

实施例2，其他同实施例1，不同的是固体发动机1的推进剂试样1’容纳在密闭袋2内，密闭袋2与管道7相通，另外所述的市售固定式氮氧化物检测仪5为北京天地首和科技发展有限公司生产的型号为TD0103-NOX-A固定式氮氧化物检测仪。

推进剂贮存中有微量气体释放出来，尤其是某推进剂老化进程中，氮氧化物含量变化被认为是推进剂降解的“指示剂”。如果能采用技术手段，监测到释放出的气体浓度的变化，对评估推进剂的健康状态和寿命将是十分有用的，基于这种考虑，在下面的研究中针对贮存中释放的气体进行监测。

为监测某推进剂的健康状态，利用释放气体（如氮氧化物）的反应特性，结合气体分子的扩散原理和化学吸收原理，采用多种手段（如维也里试验、阿贝尔试验、比色法、压力法试验、真空安定性法和化学气氛传感器法等），定性和定量的监测推进剂气体释放量，通过获得贮存中推进剂产生的气体浓度、压力等变化，与推进剂力学性能、安全性能等进行关联，以评判某推进剂贮存过程中的健康情况，为发动机寿命评估提供方法和技术。

某推进剂在高温贮存条件下，密封袋鼓胀，说明贮存中有气体释放出来，另外，理论上分析，某推进剂贮存中应有氮氧化物产生。为了确定某推进剂高温贮存中释放气体的成分，利用美国热电Nicolet 5700红外光谱仪，，对某推进剂高温贮存后密封袋中的气体进行了监测。图3为某推进剂密封袋中气体的红外光谱。资料报道，二氧化碳（CO₂）红外吸收光谱在波数在2342 cm^-1处有强吸收峰，氮氧化物的红外吸收光谱在2236 cm^-1、2210 cm^-1处有强吸收峰。由此可以判断，某推进剂加速老化过程中释放的气体，除了二氧化碳以外还有氮氧化物。

某推进剂贮存中释放气体量的测定，真空安定性试验是测试定容、真空、加热条件下推进剂气体释放量的方法，以此评价推进剂的安定性。利用真空安定性试验方法，研究不同贮存时间推进剂、不同贮存温度推进剂的释放气体的情况，从而评价推进剂的性能。

将待测试样装入一定容积、玻璃材质的测试管中，抽真空后放入加热炉内按照设定程序进行加热测试，试样受温度影响分解释放气体，在定容体系中引起体系的压力变化，通过内置式传感器直接测得压力P随贮存时间的变化情况，利用P—t曲线可对试样贮存中产生的气体进行定性与定量分析，获得试样在定容、真空和加热条件下分解的反应趋势，并评估试样的安定性。

推进剂真空热安定性试验程序为：

a)把约1.0g的推进剂在55℃条件下真空干燥2h后放入加热试管中；

b)在加热试管的真空活塞处，涂高真空密封脂加以密封；

c)将加热试管接到真空测量装置上抽真空5分钟；

d)将抽好真空的加热试管置于规定温度的恒温空气浴中加热进行试验；标准规定的试验温度为100℃，连续加热48h；试验中参照标准进行试验；

e)试验结束后，取出试管，打开真空测量系统进行测试，获得试管中的压力，并通过计算得到释放出的气体量。

用真空安定性试验评价某推进剂的健康状态

利用真空热安定性试验，对自然贮存2个月的某推进剂进行真空安定性试验。

试验条件如下：

样品状态：自然贮存2个月的某推进剂

样品量：~1.0g

试验温度：100℃和70℃

试验时间：48h

把装有约1.0g的试管放置在恒温空气浴中进行加热，下表、图4、图5给出了推进剂在100℃、70℃下贮存的真空热安定性的试验结果。

表5 某推进剂气体释放量

从图4、图5可以看出：

（a）真空安定性试验方法能够监测到推进剂释放出的气体，试验温度对释放出的气体量及压力有非常明显的影响；

（b）某推进剂气体量释放量随贮存时间的延长逐渐增加；且某推进剂在100℃下存放48h，释放出来的气体约为2ml（样品量约为1g），满足合格标准要求。

因此，可以用真空安定性试验作为微量取样监测某推进剂健康状态的方法。

为了研究贮存后推进剂的安定性及气体释放量，对老化前后的推进剂样品进行真空安定性试验。试验条件如下：

某推进剂贮存时间：自然贮存2个月及70℃加速老化60天。

样品量：~1.0g

试验温度：100℃

试验时间：48h

图6、图7比较了推进剂贮存后的气体释放量随贮存时间的变化规律。

得出如下结论：

（a）某推进剂贮存前后真空安定性试验的结果差异较大，如70℃贮存60天的推进剂在试验至30h时发生了燃烧，导致产生大量气体，使试管中压力增大，试管上的真空活塞喷出，而未加速老化的某推进剂气体量释放量和气体的压力在48h时达到2ml、12KPa；

（b）某推进剂气体量释放量和压力随贮存时间的延长逐渐增加，说明贮存中释放出的气体量逐渐增多；

（c）贮存后的某推进剂产生的气体较初始推进剂大的多（约30h左右），说明其稳定性变差，已经不能满足使用的要求；

（d）寿命研究中或健康监测中，应考虑某推进剂贮存中气体出释放的量对性能和寿命的影响。

为进一步考察推进剂在70℃条件下贮存后的安定性和气体释放量，按照一定的取样时间取样，考察系列贮存时间条件下推进剂真空安定性。推进剂气体释放量随时间的变化如下表、不同贮存时间推进剂气体释放量的变化规律见图8，不同贮存时间推进剂压力的变化规律见图9。

表6 推进剂气体释放量随时间的变化

从图可以看出，在70℃下贮存45天后，某推进剂真空安定性变差，在100℃、40h下，推进剂发生了燃烧，释放出的气体量＞2ml，说明推进剂的健康状态已经不满足使用要求。

利用真空安定性分析仪能够监测到推进剂释放气体量，且样品量少（约1g），具有非破坏检测推进剂贮存中安全性能的健康监测的评价方法。

GBZ/T 160.29-2004 工作场所空气有毒物质测定无机含氮化合物中，规定了工作场所氮氧化物的浓度的监测方法，为了监测某推进剂贮存中释放出氮氧化物的量，参考该标准进行测量。

（a）试验原理

测试原理为：氮氧化物吸收在溶液中形成亚硝酸，与对氨基苯磺酸起重氮反应，再与盐酸萘乙二胺偶合，生产玫瑰红色偶氮化合物，根据颜色深浅，用比色法定量。利用日本岛津公司生产的UV-3150紫外/近红外分光光度仪进行测试，

（b）贮存试验

把约260g的某推进剂密封后放入烘箱中（密封袋体积为800ml），存放一定时间后取样，并进行测试。

把取出的推进剂利用采样器把密封袋中的气体抽入吸收液中，吸收液变为玫红色。把吸收液放入比色皿中，利用分光光度仪测试。

（c）吸收液的配置

将50mL冰乙酸（优级纯）加入900mL水中，摇匀；加入5g对氨基苯磺酸，搅拌溶解后，加入0.05g盐酸萘乙二胺[C₁₀H₇NH(CH₂)NH₂·2HCl]，溶解后，用水稀释至1000mL，为贮备液。置于棕色瓶中于冰箱内保存，可稳定1个月。临用前取4份此液与1份水混合。吸收液在使用过程中应避免日光直接照射。

（d）标准曲线的绘制

用比色法测试氮氧化物含量，需要绘制标准曲线，下表给出了配置的标准色系，图10给出了标准曲线。

（e）样品的测定

采样后放置15min，将样品溶液移入比色皿中，用测定标准系列的操作条件测定样品溶液和空白对照溶液，样品的吸光度减去空白对照的吸光度后，由标准曲线测得氧化氮的含量（μg）。采用比色法，利用分光光度仪，对某推进剂70℃条件下贮存过程中释放出的气体量进行监测，根据试管中吸收液颜色的变化，试验结果见下表、推进剂贮存中释放气体量随贮存时间的变化规律（比色法）见图11。

表9 高温贮存中某推进剂气体释放量随时间的变化（比色法）

从图11和上表可以看出，利用分光光度仪，能够定量的检测到某推进剂贮存中气体浓度的变化；随着贮存时间的增加，吸收液的颜色逐渐变深，释放出的气体量也逐渐增多。

用比色法能够监测到某推进剂贮存中释放出的气体，而且不需要对贮存后的推进剂进行取样，该方法可以作为推进剂健康监测的方法。

化学气氛传感器监测某推进剂贮存中的健康状态：

传感器技术是现代科学的前沿技术，是新技术革命和信息社会的重要技术基础。利用传感器监测推进剂贮存中性能的变化，是未来发展的趋势，这种方法主要是将具有特定功能的传感器埋入推进剂中，从对材料力学性能和化学结构进行实施准确的监测，在监测过程中不会造成对材料的破化。目前传感器主要包括气体传感器、应力传感器。与力学性能测试传感器相比，化学气氛传感器在导弹检测体系中仍然处在起始发展阶段，它主要用来测试材料表面由含能材料降解所放出特定的气体。对复合推进剂而言，需要测定一些化学物质（氧气， 氮氧化物等）的存在和分布。有了这些数据就可以判断那种物理化学变化占优势，在特定的条件下，老化过程是否能够加速。这些数据也是对力学性能数据的补充，提高了对推进剂老化过程的认识。

为了探索利用化学气氛传感器监测推进剂贮存中气体释放情况，调研了多个传感器生产的厂家，并购置了量程为0~10ppm的化学气氛传感器。从调研情况看，市售的用于监测气体的传感器检测灵敏度较高，从理论上能够满足测试要求，但由于其体积较大，无法直接放在贮存环境中，因此，需要解决气体采集、气体传输等问题。

为实现化学气氛传感器在监测推进剂贮存中释放气体的监测，对化学气氛传感器进行了改造。空气质量监测的化学气氛传感器核心检测技术主要为电化学气体传感器的信号的放大、滤波处理以及信号采集与补偿（如温度补偿等）和计算浓度，根据调研情况，购置了固定式氮氧化物检测报警仪，下表给出了传感器的技术指标。

购置的传感器有两个电缆进线口、和一个进气口，依靠24VDC±12VDC电源供电。电缆进线口与24VDC电源连接，电缆出线口与数据采集系统连接；通过进气口对传输过来的气体进行监测。

把推进剂密封后放入70℃烘箱中，利用化学气氛传感器，定时监测取样后推进剂产生的气体浓度。

密封袋体积为：800ml；

推进剂样品为：260g；

样品尺寸：120 mm×120 mm×10mm

泵的流量为：0.8L/min

从化学气氛传感器监测某推进剂贮存中释放气体的结果可以看出：

（a）某推进剂在高温下贮存，释放出的气体随贮存时间的延长而逐渐增多，而且呈分段式的变化；

（b）某推进剂在贮存初期，释放出的气体很微量，在贮存至约35天时释放的气体约为2.2PPM；在35天以后，释放的气体有一突变， 48天时气体浓度达到10PPM以上，呈快速上升的趋势。

化学气氛传感器输出与固体推进剂性能的相关性

（1）某推进剂力学性能与气体浓度的相关性

图13、图14、图15分别给出了某推进剂贮存中最大抗拉强度σm与气体浓度随时间的变化曲线。其中，图13中的气体浓度是利用化学传感器进行测试；图14中气体浓度是用真空热安定法进行测试；图15中气体浓度是用比色法进行测试。

从图可以看出，无论化学传感器监测某推进剂贮存中释放的气体浓度，还是真空安定性的方法监测某推进剂贮存中释放的气体浓度，当推进剂的σm呈快速下降的趋势时，释放出的气体呈快速上升的趋势。

某推进剂贮存中存在着两个主要的区域：稳定区和快速变化区。处于稳定区的某推进剂，释放出的气体很微量，力学性能变化较小，而处于快速变化区的推进剂，气体释放量增大，力学性能变的极差。用气体释放的浓度预示推进剂贮存中的力学性能，为评价推进剂的健康状况、预估推进剂及发动机寿命提供技术支撑。

Claims (5)

1.基于化学气氛传感器的固体发动机状态监测装置，其特征在于：包括容纳有少量固体发动机推进剂试样的密闭袋，与密闭袋相通的管道，管道上依次串接截止阀和气泵后与市售固定式氮氧化物检测仪的进气口相通，市售固定式氮氧化物检测仪的信号输出口通过数据线与数据采集系统相连。

2.根据权利要求1所述的基于化学气氛传感器的固体发动机状态监测装置，其特征在于：市售固定式氮氧化物检测仪的进气口加装将其口径变细的转化接头。

3.根据权利要求1所述的基于化学气氛传感器的固体发动机状态监测装置，其特征在于：所述的市售固定式氮氧化物检测仪为北京北信未来电子仪器有限公司生产的型号为BX13-NOX-A固定式氮氧化物检测仪或北京天地首和科技发展有限公司生产的型号为TD0103-NOX-A固定式氮氧化物检测仪，量程为0-10ppm，分辨率为0.01ppm，温度范围为-20℃～50℃；气泵的流量为：0.8L/min。

4.权利要求1-3任一所述的基于化学气氛传感器的固体发动机状态监测装置的监测方法方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）将基于化学气氛传感器的固体发动机状态监测装置与待检测的固体发动机放置于同一环境当中；

（2）定期监测化学气氛传感器的监测数据，根据监测数据绘制或自动生成气体浓度随时间的变化曲线；

（3）当气体浓度处于稳定区时，表明固体发动机的推进剂释放出的气体很微量，力学性能变化较小，推进剂及发动机处于健康状态；当气体浓度处于快速变化期，表明固体发动机的推进剂释放出的气体量极具增加，力学性能极具变差，推进剂及发动机寿命即将结束，需要实施相关处理措施。

5.根据权利要求4所述的基于化学气氛传感器的固体发动机状态的监测方法，其特征在于：将步骤（1）的基于化学气氛传感器的固体发动机状态监测装置直接加装在原有贮存状态下全尺寸固体火箭发动机上。