本發(fā)明涉及固體發(fā)動機健康狀態(tài)檢測，具體是一種基于化學(xué)氣氛傳感器的固體發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)測裝置。

背景技術(shù)：

采用固體發(fā)動機作為動力裝置的飛行器，對固體發(fā)動機的壽命預(yù)估是一項重要課題。如果預(yù)估的壽命長于實際壽命，已經(jīng)失效的發(fā)動機在飛行器發(fā)射過程中會導(dǎo)致發(fā)射的失敗，甚至發(fā)生災(zāi)難性的事件。如果預(yù)估的時間過短，會使大批可繼續(xù)服役的發(fā)動機被報廢銷毀，不但造成經(jīng)濟損失，還會造成巨大的資源浪費。因此，固體火箭發(fā)動機的壽命研究一直是國內(nèi)外研究的熱點問題之一。

近幾十年來，隨著化學(xué)氣氛傳感器技術(shù)的研究和發(fā)展，化學(xué)氣氛傳感器已在科研、環(huán)境的保護和監(jiān)控等方面得到了越來越廣泛的應(yīng)用?；瘜W(xué)氣氛傳感器(chemical sensor)是通過某化學(xué)反應(yīng)以選擇性方式對特定的待分析物質(zhì)產(chǎn)生響應(yīng)從而對分析物質(zhì)進行定性或定量測定，用于檢測及測量特定的某種或多種化學(xué)物質(zhì)。含有硝酸酯的某推進劑在常溫貯存下，會分解放出氮的氧化物。傳統(tǒng)監(jiān)測NO_x的方法有Saltzman法、化學(xué)發(fā)光法、色譜法等，這類測定方法靈敏度高、檢出限低，但不能實現(xiàn)NO_x的現(xiàn)場連續(xù)監(jiān)測，且裝置復(fù)雜、價格昂貴。相比而言，NOx化學(xué)氣氛傳感器則能滿足簡便、快速、現(xiàn)場檢測等要求。根據(jù)測量原理的不同，NOx化學(xué)氣氛傳感器主要有聲表面波NOx化學(xué)氣氛傳感器、NOx光纖化學(xué)氣氛傳感器、半導(dǎo)體NOx化學(xué)氣氛傳感器和NOx電化學(xué)氣氛傳感器等。國內(nèi)檢測氮氧化物的傳感器技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的比較成熟，但把化學(xué)氣氛傳感器應(yīng)用于推進劑的性能監(jiān)測、安全評價方面，需要解決眾多的技術(shù)難題，還需要進行深入的研究。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于通過定期監(jiān)測氣體的成分和含量，掌握推進劑化學(xué)老化規(guī)律，進而明確發(fā)動機的健康狀態(tài)，最大限度的提高發(fā)動機的壽命，并大大提高發(fā)動機的安全性、可靠性和經(jīng)費效益。所采取的技術(shù)方案是：

本發(fā)明首先提出了一種基于電化學(xué)氣氛傳感器的固體發(fā)動機推進劑健康狀態(tài)的監(jiān)測裝置，能夠定期監(jiān)測推進劑正常貯存時釋放的特定氣體成分（氮氧化物）。所采取的技術(shù)方案是：

這種基于化學(xué)氣氛傳感器的固體發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)測裝置，其特征在于：包括容納有少量固體發(fā)動機推進劑試樣的密閉袋，與密閉袋相通的管道，管道上依次串接截止閥和氣泵后與市售固定式氮氧化物檢測儀的進氣口相通，市售固定式氮氧化物檢測儀的信號輸出口通過數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連。

進一步地，市售固定式氮氧化物檢測儀的進氣口加裝將其口徑變細的轉(zhuǎn)化接頭。

具體地，所述的市售固定式氮氧化物檢測儀為北京北信未來電子儀器有限公司生產(chǎn)的型號為BX13-NOX-A固定式氮氧化物檢測儀或北京天地首和科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的型號為TD0103-NOX-A固定式氮氧化物檢測儀，量程為0-10ppm，分辨率為0.01ppm，溫度范圍為-20℃～50℃；氣泵的流量為：0.8L/min。

本發(fā)明還提供通過這種裝置進行檢測的方法，所采取的技術(shù)方案包括如下步驟：

（1）將基于化學(xué)氣氛傳感器的固體發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)測裝置與待檢測的固體發(fā)動機放置于同一環(huán)境當(dāng)中；

（2）定期監(jiān)測化學(xué)氣氛傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制或自動生成氣體濃度隨時間的變化曲線；

（3）當(dāng)氣體濃度處于穩(wěn)定區(qū)時，表明固體發(fā)動機的推進劑釋放出的氣體很微量，力學(xué)性能變化較小，推進劑及發(fā)動機處于健康狀態(tài)；當(dāng)氣體濃度處于快速變化期，表明固體發(fā)動機的推進劑釋放出的氣體量極具增加，力學(xué)性能極具變差，推進劑及發(fā)動機壽命即將結(jié)束，需要實施相關(guān)處理措施。

還可以是，將步驟（1）的基于化學(xué)氣氛傳感器的固體發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)測裝置直接加裝在原有貯存狀態(tài)下全尺寸固體火箭發(fā)動機上。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：在不影響固體火箭發(fā)動機工作性能的條件下，將采用化學(xué)氣氛傳感器的狀態(tài)監(jiān)測儀定期監(jiān)測產(chǎn)生的氣體的濃度變化可以建立化學(xué)老化模型，從而取得監(jiān)測的氣體含量與發(fā)動機推進劑狀態(tài)的對應(yīng)關(guān)系，既可用于新研制的固體火箭發(fā)動機中，也可用于延壽工作中的模擬發(fā)動機中，從而起到監(jiān)測發(fā)動機健康狀態(tài)，預(yù)估發(fā)動機壽命的目的。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于化學(xué)氣氛傳感器的固體發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)測裝置的一種結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明基于化學(xué)氣氛傳感器的固體發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)測裝置的另一種結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是某推進劑密封袋中氣體紅外光譜圖。

圖4是某推進劑氣體釋放量隨貯存時間的變化規(guī)律。

圖5是某推進劑釋放氣體壓力隨貯存時間的變化規(guī)律。

圖6是某推進劑在100℃下氣體釋放量隨貯存時間的變化規(guī)律。

圖7是某推進劑在100℃下釋放氣體壓力隨貯存時間的變化規(guī)律。

圖8是不同貯存時間某推進劑氣體釋放量的變化規(guī)律。

圖9是不同貯存時間某推進劑壓力的變化規(guī)律。

圖10是根據(jù)比色法測試的氮氧化物含量繪制的標(biāo)準(zhǔn)曲線。

圖11是推進劑貯存中釋放氣體量隨貯存時間的變化規(guī)律（比色法）。

圖12是某推進劑貯存在70℃條件下化學(xué)氣氛傳感器監(jiān)測到的氮氧化物氣體濃度隨時間的變化曲線。

圖13是某推進劑貯存中σm與釋放出氣體濃度隨時間變化曲線（化學(xué)傳感器法）。

圖14是某推進劑貯存中σm與釋放出氣體量隨時間的變化曲線（真空安定性法）。、

圖15是某推進劑貯存中σm與釋放出氣體量隨時間的變化曲線（比色法）。

具體實施方式

實施例1，市售的用于監(jiān)測氣體的固定式氮氧化物檢測儀靈敏度較高，從理論上能夠滿足測試要求，但由于其體積較大，無法直接放在貯存環(huán)境中，因此，需要解決氣體采集、氣體傳輸?shù)葐栴}。

為此這種基于化學(xué)氣氛傳感器的固體發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)測裝置，包括與固體發(fā)動機1澆筑有推進劑的內(nèi)腔相通的管道7，管道7上依次串接截止閥3和氣泵4后與市售固定式氮氧化物檢測儀5的進氣口相通，市售固定式氮氧化物檢測儀5的信號輸出口通過數(shù)據(jù)線8與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6相連，市售固定式氮氧化物檢測儀5的進氣口加裝將其口徑變細的轉(zhuǎn)化接頭51。所述的市售固定式氮氧化物檢測儀5為北京北信未來電子儀器有限公司生產(chǎn)的型號為BX13-NOX-A固定式氮氧化物檢測儀，量程為0-10ppm，分辨率為0.01ppm，溫度范圍為-20℃～50℃。氣泵的流量為：0.8L/min。

實施例2，其他同實施例1，不同的是固體發(fā)動機1的推進劑試樣1’容納在密閉袋2內(nèi)，密閉袋2與管道7相通，另外所述的市售固定式氮氧化物檢測儀5為北京天地首和科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的型號為TD0103-NOX-A固定式氮氧化物檢測儀。

推進劑貯存中有微量氣體釋放出來，尤其是某推進劑老化進程中，氮氧化物含量變化被認為是推進劑降解的“指示劑”。如果能采用技術(shù)手段，監(jiān)測到釋放出的氣體濃度的變化，對評估推進劑的健康狀態(tài)和壽命將是十分有用的，基于這種考慮，在下面的研究中針對貯存中釋放的氣體進行監(jiān)測。

為監(jiān)測某推進劑的健康狀態(tài)，利用釋放氣體（如氮氧化物）的反應(yīng)特性，結(jié)合氣體分子的擴散原理和化學(xué)吸收原理，采用多種手段（如維也里試驗、阿貝爾試驗、比色法、壓力法試驗、真空安定性法和化學(xué)氣氛傳感器法等），定性和定量的監(jiān)測推進劑氣體釋放量，通過獲得貯存中推進劑產(chǎn)生的氣體濃度、壓力等變化，與推進劑力學(xué)性能、安全性能等進行關(guān)聯(lián)，以評判某推進劑貯存過程中的健康情況，為發(fā)動機壽命評估提供方法和技術(shù)。

某推進劑在高溫貯存條件下，密封袋鼓脹，說明貯存中有氣體釋放出來，另外，理論上分析，某推進劑貯存中應(yīng)有氮氧化物產(chǎn)生。為了確定某推進劑高溫貯存中釋放氣體的成分，利用美國熱電Nicolet 5700紅外光譜儀，，對某推進劑高溫貯存后密封袋中的氣體進行了監(jiān)測。圖3為某推進劑密封袋中氣體的紅外光譜。資料報道，二氧化碳（CO₂）紅外吸收光譜在波數(shù)在2342 cm^-1處有強吸收峰，氮氧化物的紅外吸收光譜在2236 cm^-1、2210 cm^-1處有強吸收峰。由此可以判斷，某推進劑加速老化過程中釋放的氣體，除了二氧化碳以外還有氮氧化物。

某推進劑貯存中釋放氣體量的測定，真空安定性試驗是測試定容、真空、加熱條件下推進劑氣體釋放量的方法，以此評價推進劑的安定性。利用真空安定性試驗方法，研究不同貯存時間推進劑、不同貯存溫度推進劑的釋放氣體的情況，從而評價推進劑的性能。

將待測試樣裝入一定容積、玻璃材質(zhì)的測試管中，抽真空后放入加熱爐內(nèi)按照設(shè)定程序進行加熱測試，試樣受溫度影響分解釋放氣體，在定容體系中引起體系的壓力變化，通過內(nèi)置式傳感器直接測得壓力P隨貯存時間的變化情況，利用P—t曲線可對試樣貯存中產(chǎn)生的氣體進行定性與定量分析，獲得試樣在定容、真空和加熱條件下分解的反應(yīng)趨勢，并評估試樣的安定性。

推進劑真空熱安定性試驗程序為：

a)把約1.0g的推進劑在55℃條件下真空干燥2h后放入加熱試管中；

b)在加熱試管的真空活塞處，涂高真空密封脂加以密封；

c)將加熱試管接到真空測量裝置上抽真空5分鐘；

d)將抽好真空的加熱試管置于規(guī)定溫度的恒溫空氣浴中加熱進行試驗；標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗溫度為100℃，連續(xù)加熱48h；試驗中參照標(biāo)準(zhǔn)進行試驗；

e)試驗結(jié)束后，取出試管，打開真空測量系統(tǒng)進行測試，獲得試管中的壓力，并通過計算得到釋放出的氣體量。

用真空安定性試驗評價某推進劑的健康狀態(tài)

利用真空熱安定性試驗，對自然貯存2個月的某推進劑進行真空安定性試驗。

試驗條件如下：

樣品狀態(tài)：自然貯存2個月的某推進劑

樣品量：~1.0g

試驗溫度：100℃和70℃

試驗時間：48h

把裝有約1.0g的試管放置在恒溫空氣浴中進行加熱，下表、圖4、圖5給出了推進劑在100℃、70℃下貯存的真空熱安定性的試驗結(jié)果。

表5 某推進劑氣體釋放量

從圖4、圖5可以看出：

（a）真空安定性試驗方法能夠監(jiān)測到推進劑釋放出的氣體，試驗溫度對釋放出的氣體量及壓力有非常明顯的影響；

（b）某推進劑氣體量釋放量隨貯存時間的延長逐漸增加；且某推進劑在100℃下存放48h，釋放出來的氣體約為2ml（樣品量約為1g），滿足合格標(biāo)準(zhǔn)要求。

因此，可以用真空安定性試驗作為微量取樣監(jiān)測某推進劑健康狀態(tài)的方法。

為了研究貯存后推進劑的安定性及氣體釋放量，對老化前后的推進劑樣品進行真空安定性試驗。試驗條件如下：

某推進劑貯存時間：自然貯存2個月及70℃加速老化60天。

樣品量：~1.0g

試驗溫度：100℃

試驗時間：48h

圖6、圖7比較了推進劑貯存后的氣體釋放量隨貯存時間的變化規(guī)律。

得出如下結(jié)論：

（a）某推進劑貯存前后真空安定性試驗的結(jié)果差異較大，如70℃貯存60天的推進劑在試驗至30h時發(fā)生了燃燒，導(dǎo)致產(chǎn)生大量氣體，使試管中壓力增大，試管上的真空活塞噴出，而未加速老化的某推進劑氣體量釋放量和氣體的壓力在48h時達到2ml、12KPa；

（b）某推進劑氣體量釋放量和壓力隨貯存時間的延長逐漸增加，說明貯存中釋放出的氣體量逐漸增多；

（c）貯存后的某推進劑產(chǎn)生的氣體較初始推進劑大的多（約30h左右），說明其穩(wěn)定性變差，已經(jīng)不能滿足使用的要求；

（d）壽命研究中或健康監(jiān)測中，應(yīng)考慮某推進劑貯存中氣體出釋放的量對性能和壽命的影響。

為進一步考察推進劑在70℃條件下貯存后的安定性和氣體釋放量，按照一定的取樣時間取樣，考察系列貯存時間條件下推進劑真空安定性。推進劑氣體釋放量隨時間的變化如下表、不同貯存時間推進劑氣體釋放量的變化規(guī)律見圖8，不同貯存時間推進劑壓力的變化規(guī)律見圖9。

表6 推進劑氣體釋放量隨時間的變化

從圖可以看出，在70℃下貯存45天后，某推進劑真空安定性變差，在100℃、40h下，推進劑發(fā)生了燃燒，釋放出的氣體量＞2ml，說明推進劑的健康狀態(tài)已經(jīng)不滿足使用要求。

利用真空安定性分析儀能夠監(jiān)測到推進劑釋放氣體量，且樣品量少（約1g），具有非破壞檢測推進劑貯存中安全性能的健康監(jiān)測的評價方法。

GBZ/T 160.29-2004 工作場所空氣有毒物質(zhì)測定無機含氮化合物中，規(guī)定了工作場所氮氧化物的濃度的監(jiān)測方法，為了監(jiān)測某推進劑貯存中釋放出氮氧化物的量，參考該標(biāo)準(zhǔn)進行測量。

（a）試驗原理

測試原理為：氮氧化物吸收在溶液中形成亞硝酸，與對氨基苯磺酸起重氮反應(yīng)，再與鹽酸萘乙二胺偶合，生產(chǎn)玫瑰紅色偶氮化合物，根據(jù)顏色深淺，用比色法定量。利用日本島津公司生產(chǎn)的UV-3150紫外/近紅外分光光度儀進行測試，

（b）貯存試驗

把約260g的某推進劑密封后放入烘箱中（密封袋體積為800ml），存放一定時間后取樣，并進行測試。

把取出的推進劑利用采樣器把密封袋中的氣體抽入吸收液中，吸收液變?yōu)槊导t色。把吸收液放入比色皿中，利用分光光度儀測試。

（c）吸收液的配置

將50mL冰乙酸（優(yōu)級純）加入900mL水中，搖勻；加入5g對氨基苯磺酸，攪拌溶解后，加入0.05g鹽酸萘乙二胺[C₁₀H₇NH(CH₂)NH₂·2HCl]，溶解后，用水稀釋至1000mL，為貯備液。置于棕色瓶中于冰箱內(nèi)保存，可穩(wěn)定1個月。臨用前取4份此液與1份水混合。吸收液在使用過程中應(yīng)避免日光直接照射。

（d）標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

用比色法測試氮氧化物含量，需要繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，下表給出了配置的標(biāo)準(zhǔn)色系，圖10給出了標(biāo)準(zhǔn)曲線。

（e）樣品的測定

采樣后放置15min，將樣品溶液移入比色皿中，用測定標(biāo)準(zhǔn)系列的操作條件測定樣品溶液和空白對照溶液，樣品的吸光度減去空白對照的吸光度后，由標(biāo)準(zhǔn)曲線測得氧化氮的含量（μg）。采用比色法，利用分光光度儀，對某推進劑70℃條件下貯存過程中釋放出的氣體量進行監(jiān)測，根據(jù)試管中吸收液顏色的變化，試驗結(jié)果見下表、推進劑貯存中釋放氣體量隨貯存時間的變化規(guī)律（比色法）見圖11。

表9 高溫貯存中某推進劑氣體釋放量隨時間的變化（比色法）

從圖11和上表可以看出，利用分光光度儀，能夠定量的檢測到某推進劑貯存中氣體濃度的變化；隨著貯存時間的增加，吸收液的顏色逐漸變深，釋放出的氣體量也逐漸增多。

用比色法能夠監(jiān)測到某推進劑貯存中釋放出的氣體，而且不需要對貯存后的推進劑進行取樣，該方法可以作為推進劑健康監(jiān)測的方法。

化學(xué)氣氛傳感器監(jiān)測某推進劑貯存中的健康狀態(tài)：

傳感器技術(shù)是現(xiàn)代科學(xué)的前沿技術(shù)，是新技術(shù)革命和信息社會的重要技術(shù)基礎(chǔ)。利用傳感器監(jiān)測推進劑貯存中性能的變化，是未來發(fā)展的趨勢，這種方法主要是將具有特定功能的傳感器埋入推進劑中，從對材料力學(xué)性能和化學(xué)結(jié)構(gòu)進行實施準(zhǔn)確的監(jiān)測，在監(jiān)測過程中不會造成對材料的破化。目前傳感器主要包括氣體傳感器、應(yīng)力傳感器。與力學(xué)性能測試傳感器相比，化學(xué)氣氛傳感器在導(dǎo)彈檢測體系中仍然處在起始發(fā)展階段，它主要用來測試材料表面由含能材料降解所放出特定的氣體。對復(fù)合推進劑而言，需要測定一些化學(xué)物質(zhì)（氧氣， 氮氧化物等）的存在和分布。有了這些數(shù)據(jù)就可以判斷那種物理化學(xué)變化占優(yōu)勢，在特定的條件下，老化過程是否能夠加速。這些數(shù)據(jù)也是對力學(xué)性能數(shù)據(jù)的補充，提高了對推進劑老化過程的認識。

為了探索利用化學(xué)氣氛傳感器監(jiān)測推進劑貯存中氣體釋放情況，調(diào)研了多個傳感器生產(chǎn)的廠家，并購置了量程為0~10ppm的化學(xué)氣氛傳感器。從調(diào)研情況看，市售的用于監(jiān)測氣體的傳感器檢測靈敏度較高，從理論上能夠滿足測試要求，但由于其體積較大，無法直接放在貯存環(huán)境中，因此，需要解決氣體采集、氣體傳輸?shù)葐栴}。

為實現(xiàn)化學(xué)氣氛傳感器在監(jiān)測推進劑貯存中釋放氣體的監(jiān)測，對化學(xué)氣氛傳感器進行了改造。空氣質(zhì)量監(jiān)測的化學(xué)氣氛傳感器核心檢測技術(shù)主要為電化學(xué)氣體傳感器的信號的放大、濾波處理以及信號采集與補償（如溫度補償?shù)龋┖陀嬎銤舛龋鶕?jù)調(diào)研情況，購置了固定式氮氧化物檢測報警儀，下表給出了傳感器的技術(shù)指標(biāo)。

購置的傳感器有兩個電纜進線口、和一個進氣口，依靠24VDC±12VDC電源供電。電纜進線口與24VDC電源連接，電纜出線口與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接；通過進氣口對傳輸過來的氣體進行監(jiān)測。

把推進劑密封后放入70℃烘箱中，利用化學(xué)氣氛傳感器，定時監(jiān)測取樣后推進劑產(chǎn)生的氣體濃度。

密封袋體積為：800ml；

推進劑樣品為：260g；

樣品尺寸：120 mm×120 mm×10mm

泵的流量為：0.8L/min

從化學(xué)氣氛傳感器監(jiān)測某推進劑貯存中釋放氣體的結(jié)果可以看出：

（a）某推進劑在高溫下貯存，釋放出的氣體隨貯存時間的延長而逐漸增多，而且呈分段式的變化；

（b）某推進劑在貯存初期，釋放出的氣體很微量，在貯存至約35天時釋放的氣體約為2.2PPM；在35天以后，釋放的氣體有一突變， 48天時氣體濃度達到10PPM以上，呈快速上升的趨勢。

化學(xué)氣氛傳感器輸出與固體推進劑性能的相關(guān)性

（1）某推進劑力學(xué)性能與氣體濃度的相關(guān)性

圖13、圖14、圖15分別給出了某推進劑貯存中最大抗拉強度σm與氣體濃度隨時間的變化曲線。其中，圖13中的氣體濃度是利用化學(xué)傳感器進行測試；圖14中氣體濃度是用真空熱安定法進行測試；圖15中氣體濃度是用比色法進行測試。

從圖可以看出，無論化學(xué)傳感器監(jiān)測某推進劑貯存中釋放的氣體濃度，還是真空安定性的方法監(jiān)測某推進劑貯存中釋放的氣體濃度，當(dāng)推進劑的σm呈快速下降的趨勢時，釋放出的氣體呈快速上升的趨勢。

某推進劑貯存中存在著兩個主要的區(qū)域：穩(wěn)定區(qū)和快速變化區(qū)。處于穩(wěn)定區(qū)的某推進劑，釋放出的氣體很微量，力學(xué)性能變化較小，而處于快速變化區(qū)的推進劑，氣體釋放量增大，力學(xué)性能變的極差。用氣體釋放的濃度預(yù)示推進劑貯存中的力學(xué)性能，為評價推進劑的健康狀況、預(yù)估推進劑及發(fā)動機壽命提供技術(shù)支撐。