CN108169150A - 一种固体火箭推进剂挥发气体光纤无损在线监测装置 - Google Patents
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Abstract
一种固体火箭推进剂挥发气体光纤无损在线监测装置，包括光源、光分路器、气室、双通道光谱仪及ARM嵌入式解调模块，光源发出的光经传输光纤传输到光分路器，光分路器将光源传输过来的光分为参考光和进入气室的信号光，气室上部和下部分别通过进气通道和出气通道与固体火箭推进剂连通，双通道光谱仪用于接收参考光和从气室出来的信号光，ARM嵌入式解调模块对双通道光谱仪进行信号的实时采集和气体浓度的数据解调。本发明的优点是：成本低，响应快，省时省力，稳定性好，本证安全，通过对推进剂贮存中老化挥发出的二氧化氮气体进行检测，预测推进剂组分化学迁移现象以及失效模式的未来化学状态，从而实现对固体火箭发动机药柱推进剂的无损检测。
Description
技术领域：
本发明涉及火箭技术领域，尤其是指一种固体火箭推进剂挥发气体光纤无损在线监测装置。
背景技术：
固体火箭发动机的贮存问题一直备受关注，在寿命周期内发动机推进剂药柱和壳体不能分离，且要求10年不能分解发动机。和平时期，随着贮存时间的推移，库存发动机逐渐超期，为避免过早地更换、销毁发动机而造成浪费，或盲目使用已经失效的发动机而造成严重的事故，因此，对固体火箭发动机健康状态进行评估有着非常重大意义。
目前，对固体火箭发动机健康状态采用的评估方法是每隔三年把发动机的壳体打开，采用目测方法根据推进剂的颜色来判断是否失效；难以判断时，就从发动机大块的药柱上切割取样做进一步的力学试验，通过检测推进剂的延伸率，来判断发动机的有效性。如果正常，再用填充物填充，采取这种有损检测方法会造成添加填充物与整块药柱性能不一致的问题，使发动机药柱推进剂的燃烧值受到影响。这类寿命评估方法包括解剖发动机、静态点火和实弹试射等一些破坏性方法，评估成本非常高、机动性小、且耗时费力。
固体火箭推进剂的化学成分主要有丁羟基、粘合剂以及其它助燃剂，随着贮存时间的延长将发生老化；药柱在存放和训练过程中，因受光、热和空气中水分的作用，粘合剂会与丁羟基等主要成份发生化学反应，产生NO、NO2等氮氧化物气体，其成分发生迁移，能量性能燃速、热值等下降，化学性能和物理性能较大程度上发生了变化，收缩率和强度等性能下降，势必会影响固体火箭发动机的内弹道性能。当力学性能、理化性能恶化到难以接受的程度，固体推进剂失效，发动机报废。通过检测推进剂材料老化过程释放的NO2气体浓度，判断评估固体火箭推进剂的健康状态。传统的电化学方法安培法，即使用基于电化学反应原理的气体传感器测量时，主要是通过分析物在电化学反应中对二氧化氮气体的消耗而产生的微小电流进行检测，该方法需要消耗二氧化氮气体且传感器产生电流，存在很大安全隐患，不适用于固体火箭推进剂挥发气体的无损在线检测，不能满足测量要求。
发明内容：
本发明要解决的技术问题是，提供一种评估成本低，响应快，省时省力，稳定性好，本证安全，可以在不对固体火箭发动机造成损伤的前提下，通过对推进剂贮存中老化挥发出的二氧化氮气体进行检测，预测推进剂组分化学迁移现象以及失效模式的未来化学状态，从而实现对固体火箭发动机药柱推进剂的无损检测的固体火箭推进剂挥发气体光纤无损在线监测装置
本发明的技术解决方案是，提供一种固体火箭推进剂挥发气体光纤无损在线监测装置，该在线监测装置包括：
光源，其发出的光经传输光纤传输到光分路器；
光分路器，其将光源传输过来的光分为两路，一路光进入气室作为信号光，另一路光作为参考光；
气室，其上部通过进气通道与固体火箭推进剂连通，下部通过出气通道与固体火箭推进剂连通，所述进气通道上设置有第一阀，所述出气通道上设置有第二阀和采样泵；
双通道光谱仪，其接收光分路器分出的一路参考光和从气室出来的信号光；
ARM嵌入式解调模块，其对双通道光谱仪进行信号的实时采集和气体浓度的数据解调。
优选地，本发明所述的一种固体火箭推进剂挥发气体光纤无损在线监测装置，其中，光源可为中心波长455nm、5W功率的蓝光LED光源。
优选地，本发明所述的一种固体火箭推进剂挥发气体光纤无损在线监测装置，其中，光分路器与气室之间依次设置有准直器和第一小孔光阑，所述光分路器分出的一路光是先由传输光纤传输到准直器并由准直器准直为平行光，再通过第一小孔光阑滤除杂散光后入射到气室内。
优选地，本发明所述的一种固体火箭推进剂挥发气体光纤无损在线监测装置，其中，气室与双通道光谱仪之间依次设置有第二小孔光阑、第二透镜、滤光片及耦合器，由气室出来的信号光是先经过第二小孔光阑滤除杂散光并由第二透镜进行聚焦后，再经过滤光片耦合到传输光纤，最后通过传输光纤入射到双通道光谱仪。
优选地，本发明所述的一种固体火箭推进剂挥发气体光纤无损在线监测装置，其中，传输光纤的直径为600um，数值孔径为0.22。
优选地，本发明所述的一种固体火箭推进剂挥发气体光纤无损在线监测装置，其中，光源与ARM嵌入式解调模块之间设置有光源控制器。
优选地，本发明所述的一种固体火箭推进剂挥发气体光纤无损在线监测装置，其中，气室内设置有焦距相同且近共焦放置的一块方形凹面反射镜和两块圆形凹面反射镜，所述方形凹面反射镜位于气室内腔顶部，所述两块圆形凹面反射镜位于气室内腔底部。
优选地，本发明所述的一种固体火箭推进剂挥发气体光纤无损在线监测装置，其中，方形凹面反射镜和圆形凹面反射镜均在其反射铝膜上另镀了一层SiO2保护膜。
优选地，本发明所述的一种固体火箭推进剂挥发气体光纤无损在线监测装置，其中，进气通道上还设置有气体滤膜，所述气体滤膜位于第一阀与固体火箭推进剂之间。
本发明的有益效果是：
1、在进行推进剂挥发气体测量时，检测气室与检测电路及信号处理电路完全隔离，不产生电流，从而保证测量固体火箭推进剂复杂气体时本征安全；
2、在进行推进剂挥发气体测量时，是在对固体火箭发动机没有造成损伤的前提下，通过对推进剂贮存中老化挥发出的二氧化氮气体进行检测，预测推进剂组分化学迁移现象以及失效模式的未来化学状态，属于无损检测，不消耗测量的样气，且装置响应快，省时省力，稳定性好；
3、由于本发明测量无需对固体火箭发动机进行破坏，因此其评估成本也比较低。
附图说明：
图1为本发明一种固体火箭推进剂挥发气体光纤无损在线监测装置的结构示意图。
具体实施例：
下面结合附图和具体实施例对本发明一种固体火箭推进剂挥发气体光纤无损在线监测装置作进一步详细说明：
如图1所示，本发明一种固体火箭推进剂挥发气体光纤无损在线监测装置包括光源1、光分路器2、气室3、双通道光谱仪4及ARM嵌入式解调模块5。光源1发出的光经传输光纤6传输到光分路器2；光分路器2将光源1传输过来的光分为两路，一路光进入气室3作为信号光，另一路光作为参考光；气室3上部通过进气通道7与固体火箭推进剂8连通，气室3下部通过出气通道9与固体火箭推进剂8连通，进气通道7上设置有第一阀10，出气通道9上设置有第二阀11和采样泵12；双通道光谱仪4用于接收光分路器2分出的一路参考光和从气室3出来的信号光；ARM嵌入式解调模块5对双通道光谱仪4进行信号的实时采集和气体浓度的数据解调。
在进行推进剂挥发气体测量时，检测气室与检测电路及信号处理电路完全隔离，不产生电流，测量固体火箭推进剂8复杂气体本征安全，且测量属于无损检测，不消耗测量的样气。
本发明监测装置中的光路采用双光路设计方式，光源1发出的光经过光分路器2后分成两路，一路光进入气室3作为信号光，另一路作为参考光，两路光信号采用双通道光谱仪4进行信号的同步测量，参考光信号用于对信号光光强波动进行实时补偿。
优选地，本发明中的光源1采用的是蓝光LED光源，其中心波长为455nm，功率为5W，这种蓝光LED光源使用寿命长，功耗低，且455nm的中心波长覆盖了NO2气体较强的光谱吸收带。
优选地，本发明中的光分路器2与气室3之间依次设置有准直器13和第一小孔光阑14，光分路器2分出的一路光是先由传输光纤6传输到准直器13并由准直器13准直为平行光，再通过第一小孔光阑14滤除杂散光后入射到气室内3。准直器13包括了焦距F＝75mm的第一透镜15，第一小孔光阑14的作用是滤除进入气室3中光源1的杂散光，防止杂散光对光路造成影响。
优选地，本发明中的气室3与双通道光谱仪4之间依次设置有第二小孔光阑16、第二透镜17、滤光片18及耦合器19，由气室3出来的信号光是先经过第二小孔光阑16滤除杂散光，接着由第二透镜17进行聚焦后，再经过滤光片18及耦合器19耦合到传输光纤6，最后通过传输光纤6入射到双通道光谱仪4。第二透镜的焦距F＝50mm，第二小孔光阑16作用是滤除进入双通道光谱仪4的杂散光，减少信号噪声。
优选地，本发明中所有的传输光纤6的直径都为600um，数值孔径都为0.22。这里的“直径”指的是传输光纤6的外径；“数值孔径”是光学系统一个无量纲的数，光纤领域描述光进出光纤的锥角大小，0.22是通用数值，故在此不再赘述，本装置中所有传输光纤都是此规格。
优选地，本发明中的光源1与ARM嵌入式解调模块5之间设置有光源控制器20。
优选地，本发明中的气室3内设置有焦距相同且近共焦放置的一块方形凹面反射镜21和两块圆形凹面反射镜22，方形凹面反射镜21位于气室3内腔顶部，两块圆形凹面反射镜22并排设置在气室3内腔底部，且两块圆形凹面反射镜22之间有间隔。本发明是将气室3作为传感头，采用的是传感头全光吸收气室设计方案。为提高系统的测量灵敏度，吸收气室3在小体积、小尺寸条件下实现长光程吸收是重点，利用焦距相同且近共焦放置的一块方形凹面反射镜21和两块圆形凹面反射镜22，其光学元件结构紧凑，在有限的体积和尺寸情况下，使光束形成折叠式光路，实现长光程吸收。与此同时，本发明设计的传感头采用的是一体化设计方式，即气室及气室里的各反射镜为一个整体，从而可实现探测使用时的整体更换。
优选地，本发明中的方形凹面反射镜21和圆形凹面反射镜22均在其反射铝膜上另镀了一层SiO2保护膜。气室3作为传感探头，其反射镜是关键元件，反射镜的耐腐蚀性是整个系统使用的前提条件。在反射镜的高反射铝膜上另镀一层SiO2保护膜，可防止铝膜氧化变质和腐蚀性气体对铝膜的损坏，从而可以对高反射铝膜起到有效的保护。
优选地，本发明中的进气通道7上还设置有气体滤膜23，气体滤膜23位于第一阀10与固体火箭推进剂8之间。气体滤膜23的作用是过滤掉测试样气中的颗粒物成分，防止其对气室中光路及各反射镜造成污染。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种固体火箭推进剂挥发气体光纤无损在线监测装置，其特征在于：该在线监测装置包括：
光源，其发出的光经传输光纤传输到光分路器；
光分路器，其将光源传输过来的光分为两路，一路光进入气室作为信号光，另一路光作为参考光；
气室，其上部通过进气通道与固体火箭推进剂连通，下部通过出气通道与固体火箭推进剂连通，所述进气通道上设置有第一阀，所述出气通道上设置有第二阀和采样泵；
双通道光谱仪，其接收光分路器分出的一路参考光和从气室出来的信号光；
ARM嵌入式解调模块，其对双通道光谱仪进行信号的实时采集和气体浓度的数据解调。
2.根据权利要求1所述的一种固体火箭推进剂挥发气体光纤无损在线监测装置，其特征在于：所述光源为中心波长455nm、5W功率的蓝光LED光源。
3.根据权利要求1所述的一种固体火箭推进剂挥发气体光纤无损在线监测装置，其特征在于：所述光分路器与气室之间依次设置有准直器和第一小孔光阑，所述光分路器分出的一路光是先由传输光纤传输到准直器并由准直器准直为平行光，再通过第一小孔光阑滤除杂散光后入射到气室内。
4.根据权利要求1所述的一种固体火箭推进剂挥发气体光纤无损在线监测装置，其特征在于：所述气室与双通道光谱仪之间依次设置有第二小孔光阑、第二透镜、滤光片及耦合器，由气室出来的信号光是先经过第二小孔光阑滤除杂散光并由第二透镜进行聚焦后，再经过滤光片耦合到传输光纤，最后通过传输光纤入射到双通道光谱仪。
5.根据权利要求1或3或4所述的一种固体火箭推进剂挥发气体光纤无损在线监测装置，其特征在于：所述的传输光纤的直径为600um，数值孔径为0.22。
6.根据权利要求1所述的一种固体火箭推进剂挥发气体光纤无损在线监测装置，其特征在于：所述光源与ARM嵌入式解调模块之间设置有光源控制器。
7.根据权利要求1所述的一种固体火箭推进剂挥发气体光纤无损在线监测装置，其特征在于：所述气室内设置有焦距相同且近共焦放置的一块方形凹面反射镜和两块圆形凹面反射镜，所述方形凹面反射镜位于气室内腔顶部，所述两块圆形凹面反射镜位于气室内腔底部。
8.根据权利要求7所述的一种固体火箭推进剂挥发气体光纤无损在线监测装置，其特征在于：所述方形凹面反射镜和圆形凹面反射镜均在其反射铝膜上另镀了一层SiO2保护膜。
9.根据权利要求1所述的一种固体火箭推进剂挥发气体光纤无损在线监测装置，其特征在于：所述进气通道上还设置有气体滤膜，所述气体滤膜位于第一阀与固体火箭推进剂之间。
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