用于空间舱火灾预警的气体检测技术研究

屈子琪，徐宇新，姜 萌，任小孟，王军龙

（1.北京航天控制仪器研究所，北京100039；2.北京光纤传感系统工程技术研究中心，北京100094；3.海军医学研究所，上海200433）

1 引言

空间站是一个设备种类繁多，且人员密集的长期封闭工作平台。设备长期运行，过热老化或电路过载短路等均是空间站发生火灾的潜在隐患［1］。 NASA 公布的数据［2］显示，已退役的和平号空间站和现役的国际空间站均遇到过数十次火情。一旦出现火情，不仅会消耗人员赖以生存的氧气，非金属材料燃烧还会产生大量有毒气体，轻则会使宇航员产生头晕、头疼等不适症状，重则危及宇航员生命，造成严重的人员伤亡和经济损失。鉴于上述原因，可靠性高、检测快速的火灾探测装置是空间站运行安全的重要保障之一。

国外航天领域目前普遍采用烟雾探测或能量探测的方式探测火灾，工作原理为探测燃烧产生的烟雾颗粒或燃烧释放的热量［2］，具体种类总结如图1所示。

图1 国外航天器火灾探测器主要种类Fig.1 Main types of foreign fire detectors

美国天空实验室配备了大约30个紫外能量火灾探测器，实际证明这种方案不仅阻碍视野且虚警率高达90%［3］。我国神舟七号飞船进行太空出舱作业过程中也发生了能量火灾探测器虚警的情况，影响了出舱进程。国际空间站（ISS）采用了光电散射型烟雾探测器［4］。但由于空间舱微重力环境的影响，烟尘颗粒扩散缓慢而烟雾探测器需要足够的烟雾进入探测器腔室，故目前水平的烟雾探测器对探测火灾的及时性仍需提高。

考虑到以上火灾探测器的不足，2016年NASA利用天鹅座号进行了太空火灾实验（Saffire-I，Saffire-II），观察微重力下的燃烧特点的同时探索以特征气体作为燃烧标志物的火灾早期探测技术［5］。国际空间站目前使用的便携式燃烧产物（化合物）检测仪［6］（CSA-CP）是基于电化学原理的非在线检测仪器，使用寿命仅为6个月［7］，无法作为空间站的火灾在线监测装置。

目前空间站的固定式多组分气体检测设备多为空气质量检测仪。国际空间站上使用的空气质量分析仪ANITA基于傅里叶变换红外光谱技术［8］，可以识别30余种气体且测量精度可达ppm级别，但是其响应速度为3～5 min，不适用于空间站多点火灾探测和快速预警。2016年9月，我国天宫二号空间实验室使用基于光谱吸收原理的气体检测装置［9］，通过宽光谱分析技术对10种有害气体进行同时测量，相比国际空间站使用的ANITA气体分析仪，具有体积小、功耗低等特点。但该设备的检测时间同样为3 min，不能满足火灾预警的需求。

为了解决以上难题，本文对太空微重力条件下的燃烧特点及产生气体种类和浓度进行分析，提出一种高灵敏度且快速响应的火灾探测装置研制方案和预警策略方案。该方案基于激光吸收光谱技术，能够同时检测 CO、HCN、HCl和 HF等4种燃烧气体浓度，并通过引入参考气室实现设备长期免标定功能，以期为我国未来空间站舱内火灾早期预警提供一种新的思路。

2 空间舱火灾探测装置参数要求分析

空间舱火灾早期产生的特征气体及浓度由可燃物性质和燃烧性质等共同决定。下面对微重力环境下的燃烧特征及相关实验进行分析，提出满足空间舱火灾预警要求的气体检测指标以及对应的报警策略和报警阈值。

2.1 火灾探测装置参数要求

太空微重力环境下的燃烧特征和地球常重力环境下的特征有很大不同［10-12］。航天器的微重力环境缺少浮力对流［13］，即使国际空间站环境控制和生命支持系统使封闭的舱室气流流速在6～20 cm／s左右［14］，空气对流效果仍不明显。 在缺乏对流的情况下，氧化剂仅能依靠扩散作用传输。缺少氧化剂的支持，微重力燃烧性质更偏向于不充分燃烧。

NASA微重力及常重力下有机玻璃（PMMA）燃烧对比实验［13］结果显示，微重力下燃烧产生CO的浓度从100 ppm上升至1000 ppm以上，微重力下的不充分燃烧会产生更多的毒性气体［15-16］。

为了确定空间舱燃烧产生的典型气体及具体浓度，需结合常见太空材料的燃烧实验数据。2012年NASA开展了常见太空材料燃烧实验［17］，实验的主要材料包括聚间苯二甲酰间苯二胺（Nomex©）、M22759绝缘线、颗粒电路板、聚氯乙烯（PVC）、聚四氟乙烯（PTFE）和聚酰亚胺（Kapton©）等非金属材料。分析数据可以得出，CO、HCl、HCN和HF等气体均为典型燃烧产物，且浓度值均远高于正常空气中浓度值，可作为火灾检测的特征气体。

根据有毒气体对人体的危害程度，2008年NASA发布了航天器内污染物最大允许浓度列表（SMACs）［18］，则气体检测装置的目标检测下限和检测精度应小于SMACs对应有害气体的持续30天的平均浓度值。同时结合太空材料燃烧的实验数据［17］，各气体检测上限应大于实验燃烧产生气体的浓度值，分析总结出用于火灾预警的气体检测参数要求如表1所示。

表1 火灾探测装置参数要求Table 1 Requirements on parameters of the fire detection device

2.2 组分气体火灾报警策略

考虑到空间站的特殊环境，基于气体检测的火灾探测装置的组分气体火灾报警策略设计需要侧重考虑以下几个方面：①实现早期预警作用，需在材料过热或阴燃阶段触发报警机制；②降低虚警率，减少由非火灾因素导致的报警；③识别燃烧物质类型，快速定位着火点。同时由于气体检测本身的特点，装置还可为航天员提供有毒气体预警信息。

空间舱内可燃物的种类影响报警阈值的设定。除金属外，空间舱内部结构或装置通常采用无机高分子聚合材料，例如合成纤维、塑料或橡胶等。而不同的高聚物燃烧产生气体种类及浓度和其化学形式有直接关系，且产生气体先后顺序具有规律性。报警阈值的设定同时需要和太空燃烧的实验结果紧密联系，美国喷气推进实验室于2015年测量了640℃下常见太空非金属材料燃烧产生气体组分，气体浓度随时间变化曲线如图2所示［19］。

由于燃烧早期普遍存在不充分燃烧现象，CO可作为各种材料阴燃或燃烧的普适特征气体。在产生CO之前，卤代高聚物大量侧基卤族原子化学键断裂生成并挥发出大量 HCl和 HF气体［20-21］，之后随时间衰减。由于部分高聚物燃烧并不产生卤族气体，HCl和HF只可作为火灾早期的辅助判断标准，同时可作为燃烧物质的判别凭据。HCN作为氨基类和氰酸脂基类聚合物的燃烧特征气体，也可作为火灾早期的辅助判断标准。制定火灾早期报警策略如表2所示，疑似燃烧物质应根据空间舱实际使用材料以及使用位置进行修正，以便更快地定位过热或着火点。针对我国空间站的具体情况，为保证航天员的人身健康，在航天员生活的核心舱中火灾报警阈值设置应更加严格。而在两侧的2个实验舱中，由于化学实验的缘故，应减少由于实验气体泄漏导致的火灾误警，则以CO作为实验舱火灾的核心判断标准。

图2 不同非金属材料燃烧气体产物浓度随时间变化情况［19］Fig.2 The concentration of gas products of different non-metallic materials varies with time［19］

表2 空间舱组分气体火灾报警策略Table 2 Fire alarm strategy and threshold value in space cabin

3 基于激光吸收光谱技术的火灾探测装置方案设计

3.1 激光吸收光谱技术及谱线选择

激光吸收光谱技术利用特定波长范围的激光被待测气体吸收，通过测量吸收程度大小来计算气体浓度值，该方法已成为痕量气体检测的重要手段之一［22-23］。激光入射光强I0与出射光强I之间满足 Beer-Lambert定律［23］，如式（1）所示：

式中，α（v）为待测气体在频率v处的吸收系数，P为压强，C为待测气体的体积浓度，L为气体吸收总光程。从式（1）可以看出，气体的吸收程度与气体浓度C、吸收光程L以及吸收系数α成正比，这表明装置的气体检测精度和吸收光程以及气体吸收谱线选择有极大关系。为提高吸收光程，本装置采用激光可多次反射的长光程气室。故在光程一定时，气体吸收谱线选择不同，装置的检测精度也会随之不同。 通过查阅 HITRAN 数据库［24］，查询 CO、HCl、HCN和HF四种分子的吸收谱线，由于每种气体存在多个吸收谱线，故综合对比谱线的吸收强度、其他分子的吸收谱线的干扰程度以及谱线稳定性等因素，确定了四种气体检测的特征谱线，如表3所示。

表3 气体分子吸收谱线选择Table 3 Selection of the absorption line of gas molecules

3.2 整体架构设计

设备基于激光吸收光谱技术，能够同时检测CO、HCl、HF和HCN 4种气体。整个装置根据功能划分可分为如下5个部分：①4个半导体激光光源及其驱动控制；②多通道长光程气室及各气体专用光电探测器；③用于实现免标定的4种标准参考气室；④信号发生、采集和测量单元（包括激光器调制信号产生单元、信号调制单元、锁相放大器检测单元、分时复用开关控制、ADC和DAC的信号转换电路等）；⑤人机交互界面及通讯接口。空间舱内火灾探测装置的整体架构如图3所示。

为了实现空间舱内痕量气体的测量，本装置采用了正交锁相放大技术对载有浓度信息的微弱信号进行检测［25］。4个频率不同的激光器发出的光由信号发生器产生的正弦波与锯齿波叠加信号调制产生，通过开关通道的分时切换进入耦合器，耦合器再将光束分为两部分，一部分进入长光程气室进行测量，另一部分进入参考气室，经过探测器输出到锁相放大器。同时信号发生单元发出的调制信号倍频后也输出到锁相检测单元成为参考信号，解调后得到的二次谐波信号再经浓度反演后得到气体浓度信息。

图3 基于激光吸收光谱技术火灾探测装置整体架构Fig.3 The overall architecture of early fire detection device based on laser absorption spectroscope

3.3 响应时间分析

空间舱环境中，装置对特征气体的响应时间主要取决于气泵的流速以及气体传感器核心模块本身的响应速度。气泵流速大小需根据实际应用具体选择，气体检测的响应时间主要取决于激光器扫描特征气体吸收峰的扫描速度。激光器驱动锯齿波电路扫描频率一般可达10～20 Hz，即0.1 s内即可得到气体的浓度信息，而更高的扫描速度会受到硬件电路的限制。由此可见，气泵流速对装置对环境中气体的响应速度影响较大，实际指标也需实验进行确定。

3.4 长期免标定技术

免标定技术是指设备在使用现场无需二次标定的技术，且能够为装置提供长期的检测准确性。国际空间站上使用的便携式燃烧产物（化合物）检测仪（CSA-CP）每6个月就需标定一次，通常情况下是将设备带回地面进行标定并在几个月后随下次发射再送回空间站［7］，可见对于空间站这样需要长期运行的航天器，免标定技术能够尽可能地节约成本并减少舱内更换硬件的压力。本装置的免标定功能由特征气体浓度检测系统中的参考气室实现，如图4所示。

图4 免标定系统框图Fig.4 Framework of the free-calibration system

气室中的气体与待测气体的成分相同且浓度为已知量（1%）。将长光程气室与参考气室置于温度和压强相同的空间舱环境下，同一波长的激光器分束后分别通过参考气室和测量气室，I0，test和I0，ref分别为输入到测量气室和参考气室的入射光强，由式（1）可得到出射光强Itest和Iref的表达式如式（2）、（3）所示：

式中，Ctest和Ltest为测量气室的气体浓度及吸收光程，Cref和Lref为参考标准气室的气体浓度及吸收光程。

利用正交锁相放大技术提取出两路输出信号的二次谐波峰峰值，如式（4）、（5）所示：

由于两个气室的入射光强、吸收路径长度和频率调制幅度等参数是确定的，且参考气室和测量气室的温度、压强均相等，将（4）和（5）相除，可消除温度及压强对于气体浓度检测的影响，实现气体浓度的长期免标定，最终的气体浓度表达式为式（6）：

这种通过引入参考气室的免标定技术可以消除空间舱环境因素的干扰，完成对气体浓度测量的校准。相比于使用压力传感器及温度传感器的方案，参考气室具备长期免维护的特点，稳定可靠。

4 试验验证

为了验证装置的响应时间以及探测下限是否满足空间舱应用要求，以及装置的免标定功能，通过利用2332 nm波段DFB激光器、光程为15 m的Herriot气体池、InGaAs探测器和锁相放大及激光器驱动硬件电路等部件搭建了基于激光吸收光谱技术的单通道气体检测系统，整体尺寸为30 cm×20 cm×20 cm，功耗为2.5 W。

DFB激光器具有线宽窄、快速调谐等优点。本装置使用的激光器线宽窄至0.028 nm，边模抑制比高达45 dB，对光谱具有良好的选择性。为保证激光器输出波长有微小偏移时仍有完整的吸收波形，经过多次测试，激光器工作在30℃的条件下，电流调谐范围60～85 mA可使激光器输出光波长范围在2331 nm～2333 nm内变化，此时具有完整的吸收波形且留有一定裕量。

首先探究装置的响应时间及探测下限，利用10 Hz的锯齿波和10 kHz的正弦波调制后驱动用于扫描CO气体的2332 nm波长激光器，同时在长光程气室中依次通入浓度为4 ppm、35 ppm、15 ppm和4 ppm的CO测试气体。气体检测装置的响应曲线如图5所示，浓度值可在通入不同浓度气体后0.1 s产生变化。而根据分时复用原则，四通道的气体检测装置在0.5 s内即可完成对4种气体浓度的检测。由于进气和排气等物理因素的影响，图5所示通入气体后平均0.93 s浓度示值可达到理论值。可见基于吸收光谱技术气体检测装置的响应时间主要取决于气泵流速。四通道气体检测分时复用之后，装置的响应时间应不超过1.5 s，可满足火灾预警装置的快速性要求。

图5 气体检测装置响应时间Fig.5 Response time of the gas detection device

装置检测下限常用阿伦方差进行定义。将10 ppm的标准CO气体通入装置并持续200 s，对浓度反演结果进行阿伦方差分析，从图6的分析结果显示，30 s为该装置的最佳积分时间，对应的检测限为95 ppb，能够满足空间站火灾预警应用需求。提高吸收气体吸收光程，提高锁相放大器的调制频率均可进一步改善检测限。

图6 10 ppm的CO气体的Allan方差曲线Fig.6 Allan variance curve of 10 ppm CO gas

最后针对装置的免标定功能进行验证。第一步对不采用参考气室的系统进行测试，在101 kPa的气压下，向长光程气室通入浓度为100 ppm的CO测试气体，将设备置于温箱中进行测试，经过数据归一化处理后，不同温度下CO气体的二次谐波曲线如图7所示。利用二次谐波峰峰值反演计算后，－30℃测量值为109 ppm，60℃测量值为92 ppm，最大误差可达8.7%。

图7 不同温度下气体二次谐波相对幅值Fig.7 Relative amplitude of the second harmonic at different temperatures

相同条件下，激光经过耦合器同时进入参考气室和测量气室，分别提取光电探测器测得的二次谐波峰峰值后再进行浓度反演运算。结果显示，在－30℃到60℃范围内，温度导致的测量误差不超过1%，实现了设备在空间舱内的免标定功能。

5 结论

1）空间站等微重力环境下的燃烧特征与常重力下有极大不同，根据一系列太空燃烧实验数据，提出了一种基于气体检测的火灾探测装置设计方案，该方案能够满足空间舱火灾预警性能要求，并通过设计组分气体火灾报警策略降低虚警率。

2）设计了4通道气体检测系统，该系统能够实时检测4种痕量气体浓度。同时利用CO气体对单通道气体检测装置进行了性能验证，该装置满足火灾预警的快速性及灵敏性要求，且装置通过参考气室，实现了设备的免标定功能。