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【装备技术】美海军公布新型潜艇空气监测器海试结果
(2018-12-03)  编辑发布:中国船舶在线  

  美国海上系统司令部从2017年秋季开始将由NASA研制的原本用于国际空间站的空气质量监测器(AQM)搭载到潜艇上进行海试,并在2018年召开的第48届国际环境系统会议(ICES)上公布了测试结果。

一、研制背景

  美国海军研究实验室1975年就研制出了用于潜艇的空气监测设备——中央空气监测系统(CAMS),随后被用于“俄亥俄”级核潜艇以保障潜艇内部空气质量,使艇员能正常开展作战任务。CAMS主要由气体检测器和质谱仪构成,可检测氢气、水、氮气、一氧化碳、氧气和二氧化碳等多种气体。为扩大监测系统的气体监测范围,海军自90年代开始对CAMS进行了改进,当前的最新型号为CAMS IIA,它能够准确识别五种常见气体(二氧化碳、氢气、氮气、氧气、水蒸汽)以及14种污染物(丙酮、脂肪族烃、芳香烃、苯、一氧化碳、甲醇、甲基氯仿等),并于2014年用于“帕萨迪纳”号攻击型核潜艇(USS Pasadena)。尽管海军随后持续开展CAMS的改进工作,但目前的CAMS主要采用红外光谱仪和质谱仪进行气体分析,存在体积大、灵敏度有限、性能不稳定、设备维护成本高等缺点。为此,2017年海上系统司令部发布小企业研究计划公告,计划开展先进分析仪技术研究(项目号:N181-049),旨在开发能与CAMS IIA集成的先进分析仪技术,以提高当前潜艇空气监测系统的性能并降低维护成本,并计划用于“哥伦比亚”级潜艇。空间站和潜艇同属高度密闭空间,对空气监测系统的要求较为严苛。自2013年开始美国国际空间站采用了由NASA约翰逊空间中心开发的空气质量监测仪(AQM),四年来该监测仪运行稳定且易于维护,因此美国海军开始考虑将AQM进行适用性改进后用于潜艇低浓度有机化合物(污染物)监测的可行性,期望其能与CAMS IIA配合使用以有效改善潜艇环境。

二、基本构成

  AQM由预浓缩器、筛筒、气相色谱仪和检测器组成,并包含独立的处理器,可控制从采样到结果显示整个流程。国际空间站采用了两台AQM,且配备了不同的气象色谱仪,可监测多达22种化合物。AQM操作界面简单,检测结果准确,检测时间可设定,仅需每6个月更换一次筛网。针对潜艇特殊使用环境,海军对一台AQM进行了部分改造。一方面由于潜艇内部湿度较大,为准确监测空气中的气体组成,在利用采样泵将气体吸入具有碳分子筛吸附剂的预浓缩器之前先对气体进行干燥处理。另一方面,空间站采用的筛筒由碳分子筛、碳氢化合物和吸湿性介质组成,在高浓度二氧化碳环境下,导致甲醇等部分化合物需手动计算检测结果。为此,海军采用具有良好二氧化碳吸附效果的氢氧化锂替换原本筛筒中的碳分子筛,以削弱二氧化碳对AQM的影响。与CAMS依靠红外光谱仪和质谱仪进行气体监测不同,AQM采用了微分迁移谱(DMS)和气相色谱仪(GC)。气相色谱仪中气体在色谱柱的吸附时间称为保留时间,利用微分迁移谱技术测定气体样品分子时需对分子施加特定电压(称为补偿电压)使其形成离子,根据不同气体保留时间以及在不同补偿电压下迁移率的不同,即可鉴定出气体分子种类。

  海军将一台改进后的重2.7kg、体积为0.005m3(25.4 cm x 15.2 cm x 13.2 cm)的AQM安装于潜艇上,每8h采集一次数据。此外,潜艇上还搭载了CAMS和样品采集器。其中,样品采集器在海试过程中分5次收集潜艇内气体样品,并在返回港口后对试样进行定量分析。

图 1  AQM实物图

三、测试结果

  试验结果表明AQM具有良好的气体检测灵敏度,甚至高于CAMS。为验证AQM监测数据的准确性,研究人员将改进后的AQM的实时监测数据与样品采集器收集的试样定量分析后的数据做了对比分析。由于当气体密度低于0.025 mg/m3时,气体测试数据准确性较低,因此主要对潜艇环境下气体密度高于0.025 mg/m3的丙酮、异丙醇、三甲苯、乙醇等进行了分析。测试结果显示:AQM与样品采集器对丙酮和异丙醇的检测结果基本一致,分别为0.30 mg/m3和0.31 mg/m3,0.50 mg/m3和0.38 mg/m3,0.56 mg/m3和0.51 mg/m3,0.55 mg/m3和0.61 mg/m3,0.20 mg/m3和0.12 mg/m3;对三甲苯检测结果存在较小偏差,分别为1.4 mg/m3和2.9 mg/m3,0.05 mg/m3和0.042 mg/m3,0.042 mg/m3和0.039 mg/m3, 0.037 mg/m3和0.062 mg/m3;对乙醇的检测结果差异较大,分别为0.13 mg/m3和0.13 mg/m3,0.98 mg/m3和2.1 mg/m3,1.17 mg/m3和3.4 mg/m3, 0.50 mg/m3和6.1 mg/m3, 0.16 mg/m3和0.37 mg/m3,即仅第一次检测结果相匹配,其余4次出现较大偏差,差异可达2-12倍。

图 2  AQM和样品采集器内气体对比结果(单位为mg/m3)

  研究人员认为乙醇检测结果的较大数据偏差有可能是筛筒中氢氧化锂的存在导致的。为此,分别对只含碳氢化合物和吸湿性介质的筛筒和含氢氧化锂、碳氢化合物和吸湿性介质的筛筒进行乙醇灵敏度测试。测试结果发现:当筛筒中不含氢氧化锂时,补偿电压为4.44V,保留时间在80s,表明有乙醇的存在,这也意味着碳氢化合物和吸湿性介质未对乙醇灵敏度产生影响;当筛筒中含氢氧化锂时,补偿电压为4.44V时并未发现乙醇,但在补偿电压为7.8V时发现乙醇,表明氢氧化锂可能影响了AQM对乙醇检测的灵敏度,但也无法完全排除气体试样引入的其它微量化合物或污染物等导致的检测结果异常。海上系统司令部称未来将继续开展AQM的相关研究,以进一步评估氢氧化锂、碳氢化合物和吸湿性介质对检测结果的影响,以更好地改进AQM使其适用于潜艇环境。

  除AQM外,海军还对NASA约翰逊空间中心研制的多气体监测仪(MGM)进行了适用性测试,这也意味着未来美国海军将将广泛借鉴现有成熟技术,使潜艇空气质量监测系统将向着小型化、性能稳定化、低成本和易维护的方向发展。

(蓝海星:陕临喆 方楠)

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来源:原创: 陕临喆 方楠 蓝海星智库
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