屈子琪，徐宇新，姜 萌，任小孟，王軍龍

（1.北京航天控制儀器研究所，北京100039；2.北京光纖傳感系統(tǒng)工程技術研究中心，北京100094；3.海軍醫(yī)學研究所，上海200433）

1 引言

空間站是一個設備種類繁多，且人員密集的長期封閉工作平臺。設備長期運行，過熱老化或電路過載短路等均是空間站發(fā)生火災的潛在隱患［1］。 NASA 公布的數(shù)據(jù)［2］顯示，已退役的和平號空間站和現(xiàn)役的國際空間站均遇到過數(shù)十次火情。一旦出現(xiàn)火情，不僅會消耗人員賴以生存的氧氣，非金屬材料燃燒還會產(chǎn)生大量有毒氣體，輕則會使宇航員產(chǎn)生頭暈、頭疼等不適癥狀，重則危及宇航員生命，造成嚴重的人員傷亡和經(jīng)濟損失。鑒于上述原因，可靠性高、檢測快速的火災探測裝置是空間站運行安全的重要保障之一。

國外航天領域目前普遍采用煙霧探測或能量探測的方式探測火災，工作原理為探測燃燒產(chǎn)生的煙霧顆?；蛉紵尫诺臒崃浚?］，具體種類總結如圖1所示。

圖1 國外航天器火災探測器主要種類Fig.1 Main types of foreign fire detectors

美國天空實驗室配備了大約30個紫外能量火災探測器，實際證明這種方案不僅阻礙視野且虛警率高達90%［3］。我國神舟七號飛船進行太空出艙作業(yè)過程中也發(fā)生了能量火災探測器虛警的情況，影響了出艙進程。國際空間站（ISS）采用了光電散射型煙霧探測器［4］。但由于空間艙微重力環(huán)境的影響，煙塵顆粒擴散緩慢而煙霧探測器需要足夠的煙霧進入探測器腔室，故目前水平的煙霧探測器對探測火災的及時性仍需提高。

考慮到以上火災探測器的不足，2016年NASA利用天鵝座號進行了太空火災實驗（Saffire-I，Saffire-II），觀察微重力下的燃燒特點的同時探索以特征氣體作為燃燒標志物的火災早期探測技術［5］。國際空間站目前使用的便攜式燃燒產(chǎn)物（化合物）檢測儀［6］（CSA-CP）是基于電化學原理的非在線檢測儀器，使用壽命僅為6個月［7］，無法作為空間站的火災在線監(jiān)測裝置。

目前空間站的固定式多組分氣體檢測設備多為空氣質量檢測儀。國際空間站上使用的空氣質量分析儀ANITA基于傅里葉變換紅外光譜技術［8］，可以識別30余種氣體且測量精度可達ppm級別，但是其響應速度為3～5 min，不適用于空間站多點火災探測和快速預警。2016年9月，我國天宮二號空間實驗室使用基于光譜吸收原理的氣體檢測裝置［9］，通過寬光譜分析技術對10種有害氣體進行同時測量，相比國際空間站使用的ANITA氣體分析儀，具有體積小、功耗低等特點。但該設備的檢測時間同樣為3 min，不能滿足火災預警的需求。

為了解決以上難題，本文對太空微重力條件下的燃燒特點及產(chǎn)生氣體種類和濃度進行分析，提出一種高靈敏度且快速響應的火災探測裝置研制方案和預警策略方案。該方案基于激光吸收光譜技術，能夠同時檢測 CO、HCN、HCl和 HF等4種燃燒氣體濃度，并通過引入?yún)⒖細馐覍崿F(xiàn)設備長期免標定功能，以期為我國未來空間站艙內(nèi)火災早期預警提供一種新的思路。

2 空間艙火災探測裝置參數(shù)要求分析

空間艙火災早期產(chǎn)生的特征氣體及濃度由可燃物性質和燃燒性質等共同決定。下面對微重力環(huán)境下的燃燒特征及相關實驗進行分析，提出滿足空間艙火災預警要求的氣體檢測指標以及對應的報警策略和報警閾值。

2.1 火災探測裝置參數(shù)要求

太空微重力環(huán)境下的燃燒特征和地球常重力環(huán)境下的特征有很大不同［10-12］。航天器的微重力環(huán)境缺少浮力對流［13］，即使國際空間站環(huán)境控制和生命支持系統(tǒng)使封閉的艙室氣流流速在6～20 cm／s左右［14］，空氣對流效果仍不明顯。 在缺乏對流的情況下，氧化劑僅能依靠擴散作用傳輸。缺少氧化劑的支持，微重力燃燒性質更偏向于不充分燃燒。

NASA微重力及常重力下有機玻璃（PMMA）燃燒對比實驗［13］結果顯示，微重力下燃燒產(chǎn)生CO的濃度從100 ppm上升至1000 ppm以上，微重力下的不充分燃燒會產(chǎn)生更多的毒性氣體［15-16］。

為了確定空間艙燃燒產(chǎn)生的典型氣體及具體濃度，需結合常見太空材料的燃燒實驗數(shù)據(jù)。2012年NASA開展了常見太空材料燃燒實驗［17］，實驗的主要材料包括聚間苯二甲酰間苯二胺（Nomex?）、M22759絕緣線、顆粒電路板、聚氯乙烯（PVC）、聚四氟乙烯（PTFE）和聚酰亞胺（Kapton?）等非金屬材料。分析數(shù)據(jù)可以得出，CO、HCl、HCN和HF等氣體均為典型燃燒產(chǎn)物，且濃度值均遠高于正常空氣中濃度值，可作為火災檢測的特征氣體。

根據(jù)有毒氣體對人體的危害程度，2008年NASA發(fā)布了航天器內(nèi)污染物最大允許濃度列表（SMACs）［18］，則氣體檢測裝置的目標檢測下限和檢測精度應小于SMACs對應有害氣體的持續(xù)30天的平均濃度值。同時結合太空材料燃燒的實驗數(shù)據(jù)［17］，各氣體檢測上限應大于實驗燃燒產(chǎn)生氣體的濃度值，分析總結出用于火災預警的氣體檢測參數(shù)要求如表1所示。

表1 火災探測裝置參數(shù)要求Table 1 Requirements on parameters of the fire detection device

2.2 組分氣體火災報警策略

考慮到空間站的特殊環(huán)境，基于氣體檢測的火災探測裝置的組分氣體火災報警策略設計需要側重考慮以下幾個方面：①實現(xiàn)早期預警作用，需在材料過熱或陰燃階段觸發(fā)報警機制；②降低虛警率，減少由非火災因素導致的報警；③識別燃燒物質類型，快速定位著火點。同時由于氣體檢測本身的特點，裝置還可為航天員提供有毒氣體預警信息。

空間艙內(nèi)可燃物的種類影響報警閾值的設定。除金屬外，空間艙內(nèi)部結構或裝置通常采用無機高分子聚合材料，例如合成纖維、塑料或橡膠等。而不同的高聚物燃燒產(chǎn)生氣體種類及濃度和其化學形式有直接關系，且產(chǎn)生氣體先后順序具有規(guī)律性。報警閾值的設定同時需要和太空燃燒的實驗結果緊密聯(lián)系，美國噴氣推進實驗室于2015年測量了640℃下常見太空非金屬材料燃燒產(chǎn)生氣體組分，氣體濃度隨時間變化曲線如圖2所示［19］。

由于燃燒早期普遍存在不充分燃燒現(xiàn)象，CO可作為各種材料陰燃或燃燒的普適特征氣體。在產(chǎn)生CO之前，鹵代高聚物大量側基鹵族原子化學鍵斷裂生成并揮發(fā)出大量 HCl和 HF氣體［20-21］，之后隨時間衰減。由于部分高聚物燃燒并不產(chǎn)生鹵族氣體，HCl和HF只可作為火災早期的輔助判斷標準，同時可作為燃燒物質的判別憑據(jù)。HCN作為氨基類和氰酸脂基類聚合物的燃燒特征氣體，也可作為火災早期的輔助判斷標準。制定火災早期報警策略如表2所示，疑似燃燒物質應根據(jù)空間艙實際使用材料以及使用位置進行修正，以便更快地定位過熱或著火點。針對我國空間站的具體情況，為保證航天員的人身健康，在航天員生活的核心艙中火災報警閾值設置應更加嚴格。而在兩側的2個實驗艙中，由于化學實驗的緣故，應減少由于實驗氣體泄漏導致的火災誤警，則以CO作為實驗艙火災的核心判斷標準。

圖2 不同非金屬材料燃燒氣體產(chǎn)物濃度隨時間變化情況［19］Fig.2 The concentration of gas products of different non-metallic materials varies with time［19］

表2 空間艙組分氣體火災報警策略Table 2 Fire alarm strategy and threshold value in space cabin

3 基于激光吸收光譜技術的火災探測裝置方案設計

3.1 激光吸收光譜技術及譜線選擇

激光吸收光譜技術利用特定波長范圍的激光被待測氣體吸收，通過測量吸收程度大小來計算氣體濃度值，該方法已成為痕量氣體檢測的重要手段之一［22-23］。激光入射光強I0與出射光強I之間滿足 Beer-Lambert定律［23］，如式（1）所示：

式中，α（v）為待測氣體在頻率v處的吸收系數(shù)，P為壓強，C為待測氣體的體積濃度，L為氣體吸收總光程。從式（1）可以看出，氣體的吸收程度與氣體濃度C、吸收光程L以及吸收系數(shù)α成正比，這表明裝置的氣體檢測精度和吸收光程以及氣體吸收譜線選擇有極大關系。為提高吸收光程，本裝置采用激光可多次反射的長光程氣室。故在光程一定時，氣體吸收譜線選擇不同，裝置的檢測精度也會隨之不同。 通過查閱 HITRAN 數(shù)據(jù)庫［24］，查詢 CO、HCl、HCN和HF四種分子的吸收譜線，由于每種氣體存在多個吸收譜線，故綜合對比譜線的吸收強度、其他分子的吸收譜線的干擾程度以及譜線穩(wěn)定性等因素，確定了四種氣體檢測的特征譜線，如表3所示。

表3 氣體分子吸收譜線選擇Table 3 Selection of the absorption line of gas molecules

3.2 整體架構設計

設備基于激光吸收光譜技術，能夠同時檢測CO、HCl、HF和HCN 4種氣體。整個裝置根據(jù)功能劃分可分為如下5個部分：①4個半導體激光光源及其驅動控制；②多通道長光程氣室及各氣體專用光電探測器；③用于實現(xiàn)免標定的4種標準參考氣室；④信號發(fā)生、采集和測量單元（包括激光器調(diào)制信號產(chǎn)生單元、信號調(diào)制單元、鎖相放大器檢測單元、分時復用開關控制、ADC和DAC的信號轉換電路等）；⑤人機交互界面及通訊接口?？臻g艙內(nèi)火災探測裝置的整體架構如圖3所示。

為了實現(xiàn)空間艙內(nèi)痕量氣體的測量，本裝置采用了正交鎖相放大技術對載有濃度信息的微弱信號進行檢測［25］。4個頻率不同的激光器發(fā)出的光由信號發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波與鋸齒波疊加信號調(diào)制產(chǎn)生，通過開關通道的分時切換進入耦合器，耦合器再將光束分為兩部分，一部分進入長光程氣室進行測量，另一部分進入?yún)⒖細馐?，?jīng)過探測器輸出到鎖相放大器。同時信號發(fā)生單元發(fā)出的調(diào)制信號倍頻后也輸出到鎖相檢測單元成為參考信號，解調(diào)后得到的二次諧波信號再經(jīng)濃度反演后得到氣體濃度信息。

圖3 基于激光吸收光譜技術火災探測裝置整體架構Fig.3 The overall architecture of early fire detection device based on laser absorption spectroscope

3.3 響應時間分析

空間艙環(huán)境中，裝置對特征氣體的響應時間主要取決于氣泵的流速以及氣體傳感器核心模塊本身的響應速度。氣泵流速大小需根據(jù)實際應用具體選擇，氣體檢測的響應時間主要取決于激光器掃描特征氣體吸收峰的掃描速度。激光器驅動鋸齒波電路掃描頻率一般可達10～20 Hz，即0.1 s內(nèi)即可得到氣體的濃度信息，而更高的掃描速度會受到硬件電路的限制。由此可見，氣泵流速對裝置對環(huán)境中氣體的響應速度影響較大，實際指標也需實驗進行確定。

3.4 長期免標定技術

免標定技術是指設備在使用現(xiàn)場無需二次標定的技術，且能夠為裝置提供長期的檢測準確性。國際空間站上使用的便攜式燃燒產(chǎn)物（化合物）檢測儀（CSA-CP）每6個月就需標定一次，通常情況下是將設備帶回地面進行標定并在幾個月后隨下次發(fā)射再送回空間站［7］，可見對于空間站這樣需要長期運行的航天器，免標定技術能夠盡可能地節(jié)約成本并減少艙內(nèi)更換硬件的壓力。本裝置的免標定功能由特征氣體濃度檢測系統(tǒng)中的參考氣室實現(xiàn)，如圖4所示。

圖4 免標定系統(tǒng)框圖Fig.4 Framework of the free-calibration system

氣室中的氣體與待測氣體的成分相同且濃度為已知量（1%）。將長光程氣室與參考氣室置于溫度和壓強相同的空間艙環(huán)境下，同一波長的激光器分束后分別通過參考氣室和測量氣室，I0，test和I0，ref分別為輸入到測量氣室和參考氣室的入射光強，由式（1）可得到出射光強Itest和Iref的表達式如式（2）、（3）所示：

式中，Ctest和Ltest為測量氣室的氣體濃度及吸收光程，Cref和Lref為參考標準氣室的氣體濃度及吸收光程。

利用正交鎖相放大技術提取出兩路輸出信號的二次諧波峰峰值，如式（4）、（5）所示：

由于兩個氣室的入射光強、吸收路徑長度和頻率調(diào)制幅度等參數(shù)是確定的，且參考氣室和測量氣室的溫度、壓強均相等，將（4）和（5）相除，可消除溫度及壓強對于氣體濃度檢測的影響，實現(xiàn)氣體濃度的長期免標定，最終的氣體濃度表達式為式（6）：

這種通過引入?yún)⒖細馐业拿鈽硕夹g可以消除空間艙環(huán)境因素的干擾，完成對氣體濃度測量的校準。相比于使用壓力傳感器及溫度傳感器的方案，參考氣室具備長期免維護的特點，穩(wěn)定可靠。

4 試驗驗證

為了驗證裝置的響應時間以及探測下限是否滿足空間艙應用要求，以及裝置的免標定功能，通過利用2332 nm波段DFB激光器、光程為15 m的Herriot氣體池、InGaAs探測器和鎖相放大及激光器驅動硬件電路等部件搭建了基于激光吸收光譜技術的單通道氣體檢測系統(tǒng)，整體尺寸為30 cm×20 cm×20 cm，功耗為2.5 W。

DFB激光器具有線寬窄、快速調(diào)諧等優(yōu)點。本裝置使用的激光器線寬窄至0.028 nm，邊模抑制比高達45 dB，對光譜具有良好的選擇性。為保證激光器輸出波長有微小偏移時仍有完整的吸收波形，經(jīng)過多次測試，激光器工作在30℃的條件下，電流調(diào)諧范圍60～85 mA可使激光器輸出光波長范圍在2331 nm～2333 nm內(nèi)變化，此時具有完整的吸收波形且留有一定裕量。

首先探究裝置的響應時間及探測下限，利用10 Hz的鋸齒波和10 kHz的正弦波調(diào)制后驅動用于掃描CO氣體的2332 nm波長激光器，同時在長光程氣室中依次通入濃度為4 ppm、35 ppm、15 ppm和4 ppm的CO測試氣體。氣體檢測裝置的響應曲線如圖5所示，濃度值可在通入不同濃度氣體后0.1 s產(chǎn)生變化。而根據(jù)分時復用原則，四通道的氣體檢測裝置在0.5 s內(nèi)即可完成對4種氣體濃度的檢測。由于進氣和排氣等物理因素的影響，圖5所示通入氣體后平均0.93 s濃度示值可達到理論值?？梢娀谖展庾V技術氣體檢測裝置的響應時間主要取決于氣泵流速。四通道氣體檢測分時復用之后，裝置的響應時間應不超過1.5 s，可滿足火災預警裝置的快速性要求。

圖5 氣體檢測裝置響應時間Fig.5 Response time of the gas detection device

裝置檢測下限常用阿倫方差進行定義。將10 ppm的標準CO氣體通入裝置并持續(xù)200 s，對濃度反演結果進行阿倫方差分析，從圖6的分析結果顯示，30 s為該裝置的最佳積分時間，對應的檢測限為95 ppb，能夠滿足空間站火災預警應用需求。提高吸收氣體吸收光程，提高鎖相放大器的調(diào)制頻率均可進一步改善檢測限。

圖6 10 ppm的CO氣體的Allan方差曲線Fig.6 Allan variance curve of 10 ppm CO gas

最后針對裝置的免標定功能進行驗證。第一步對不采用參考氣室的系統(tǒng)進行測試，在101 kPa的氣壓下，向長光程氣室通入濃度為100 ppm的CO測試氣體，將設備置于溫箱中進行測試，經(jīng)過數(shù)據(jù)歸一化處理后，不同溫度下CO氣體的二次諧波曲線如圖7所示。利用二次諧波峰峰值反演計算后，－30℃測量值為109 ppm，60℃測量值為92 ppm，最大誤差可達8.7%。

圖7 不同溫度下氣體二次諧波相對幅值Fig.7 Relative amplitude of the second harmonic at different temperatures

相同條件下，激光經(jīng)過耦合器同時進入?yún)⒖細馐液蜏y量氣室，分別提取光電探測器測得的二次諧波峰峰值后再進行濃度反演運算。結果顯示，在－30℃到60℃范圍內(nèi)，溫度導致的測量誤差不超過1%，實現(xiàn)了設備在空間艙內(nèi)的免標定功能。

5 結論

1）空間站等微重力環(huán)境下的燃燒特征與常重力下有極大不同，根據(jù)一系列太空燃燒實驗數(shù)據(jù)，提出了一種基于氣體檢測的火災探測裝置設計方案，該方案能夠滿足空間艙火災預警性能要求，并通過設計組分氣體火災報警策略降低虛警率。

2）設計了4通道氣體檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠實時檢測4種痕量氣體濃度。同時利用CO氣體對單通道氣體檢測裝置進行了性能驗證，該裝置滿足火災預警的快速性及靈敏性要求，且裝置通過參考氣室，實現(xiàn)了設備的免標定功能。