НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
КОСМИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
«Отработка методологии и перспективных аппаратурных средств контроля газового состава методом Фурье-спектроскопии»
Шифр «Газоанализатор-ФС»
1 Сущность исследуемой проблемы
1.1 Цель эксперимента:
Целью проведения КЭ является отработка методологии и отработка перспективного газоанализатора, созданного на базе Фурье-спектрометра и датчиков кислорода, водорода, по автоматическому мониторингу основных составляющих атмосферы, газовых микропримесей, газов, возникающих при пожаре и аварийных ситуациях, в обитаемых отсеках РС МКС.
2 Краткая история и состояние вопроса в настоящее время
Требования к газовой среде в пилотируемых космических аппаратах (ПКА) задаются ГОСТ Р 50804-95, в котором установлены допустимые параметры газовой среды по концентрации основных газов: кислорода, углекислого газа, водорода и водяного пара и предельно допустимые концентрации (ПДК) для 109 микропримесей.
В настоящее время контроль газовых составляющих атмосферы на РС МКС в автоматическом режиме осуществляется следующей газоаналитической аппаратурой:
? измерительным стационарным комплексом ИК0501, который обеспечивает непрерывное измерение содержания кислорода, углекислого газа, водорода и водяного пара с выдачей сигналов на центральный пост управления;
? газоанализатором ГЛ 2106, который предназначен для непрерывного измерения содержания окиси углерода с выдачей сигналов на центральный пульт управления.
Периодический контроль уровней загрязнения атмосферы, в обитаемых отсеках РС МКС, в ручном режиме осуществляется следующей газоаналитической аппаратурой:
? индикаторные пробоотборники Дрегера ИПД (один раз в месяц для измерения микропримесей: оксид углерода, аммиак, формальдегид, фтористый водород, хлористый водород, цианистый водород, оксиды азота);
? блок анализа микропримесей CMS (один раз в месяц для измерения микропримесей: формальдегид, бензол, стирол, озон, фосген, окись углерода, аммиак, нитрозные газы, двуокись азота, изопропанол, толуол, метанол);
? портативный газоанализатор ГАНК-4М (один раз в сутки для измерения микропримесей: окись углерода, фтористый водород, аммиак (большие концентрации), цианистый водород, метан, аммиак (малые концентрации), хлористый водород, окислы азота).
Кроме того, с помощью адсорбентных пробозаборников [AK-1M]/AK-1M-Ф, путем взятия проб воздуха и доставки их на Землю транспортными кораблями «Союз», осуществляется дополнительный анализ микропримесей атмосферы РС МКС (отбор проб один раз в месяц, для выявления всех микропримесей, которые присутствовали в атмосфере на момент взятия каждой пробы).
Приведенные выше системы анализа газового состава имеют ограниченные возможности:
- значительная погрешность в показаниях; недостаточная селективность по газам с близкими свойствами; возможность перекрестного влияния газовых примесей на результат измерений; отсутствие непрерывного и автоматического контроля микропримесей; необходимость периодической замены сенсоров датчиков.
Исходя из этого, крайне важно иметь систему анализа газового состава атмосферы, обладающую:
- более высокой точностью измерений; более высокой селективностью по газам с близкими свойствами; более широким спектром и диапазоном значений измерения концентраций микропримесей по сравнению с газоаналитической аппаратурой установленной на борту РС МКС; возможностью перенастроить НА на измерение другого набора микропримесей, отличного от заданных в ТЗ на НА, без доработки материальной части НА (только за счет замены программного обеспечения); возможностью измерения дополнительных посторонних микропримесей не заданных в ТЗ на НА, путём анализа на Земле получаемых Фурье-интерферограмм; автоматической системой самодиагностики и непрерывного контроля рабочих характеристик прибора; возможностью измерения состава атмосферы одним прибором; возможностью экономии времени экипажа на периодическом выполнении измерений концентраций микропримесей в ручном режиме; возможностью уменьшения грузопотока на РС МКС за счет уменьшения потребности расходных материалов; возможностью осуществлять непрерывный и автоматический контроль для большого количества микропримесей.
Аварийные ситуации наступают чаще всего не сразу, а имеют начальный период, когда выделение «аварийных» газов в атмосферу МКС носит незначительный характер. НА «Газоанализатор ФС» работает постоянно в автоматическом режиме и имеет высокую чувствительность на «аварийные газы», что позволяет экипажу заранее определить предаварийную ситуацию и предпринять меры по её предотвращению.
Предлагаемая научная аппаратура «Газоанализатор-ФС» созданная на базе Фурье-спектрометра позволит получать, путем анализа спектра поглощения атмосферы в инфракрасном диапазоне, концентрации газовых составляющих атмосферы с высокой точностью в автоматическом режиме.
Для метода Фурье-спектроскопии существует информация о спектрах поглощения нескольких сотен газов и летучих органических соединений.
Калибровка НА «Газоанализатор-ФС» на газы, заданные в ТЗ на НА, производится по метрологическим газовым смесям. Для вновь вводимых в список газовых составляющих потребуется дополнительная калибровка газоанализатора на борту РС МКС.
Ограничивающим фактором проведения измерений состава атмосферы спектральным методом Фурье-спектроскопии является то, что оптические спектры газов кислорода и водорода в инфракрасном диапазоне не содержат выраженных спектральных линий. Поэтому для измерения концентрации этих газов в НА «Газоанализатор?ФС» предполагается дополнительно использовать промышленные датчики кислорода и водорода.
3 Необходимость проведения КЭ в условиях космического пространства в составе РС МКС
Необходимость проведения КЭ в условиях космического полета на борту РС МКС обусловлена необходимостью подтверждения способности Фурье-спектрометра НА «Газоанализатор-ФС» стабильно и эффективно работать длительное время в реальных условиях микрогравитации, которая существует на РС МКС.
Актуальность проведения эксперимента на борту РС МКС состоит в необходимости создания системы анализа газового состава атмосферы, работающей в автоматическом режиме, имеющий более широкий спектр и диапазон измерений концентраций газовых составляющих атмосферы, по сравнению с газоаналитической аппаратурой, применяемой в настоящее время на борту РС МКС.
4 Краткое описание КЭ
4.1 Порядок проведения КЭ
НА «Газоанализатор?ФС» для проведения КЭ доставляется на РС МКС транспортным грузовым кораблем (ТГК) и размещается экипажем в обитаемых отсеках РС МКС.
КЭ включает в себя проведение следующих работ:
- распаковка, перенос из ТГК в РС МКС и укладка на временное хранение доставляемого оборудования; разарретирование подвижных частей и проверка настройки оптической системы спектрального Фурье-спектрометра; монтаж НА на месте её работы; включение/выключение НА (техническое обслуживание, периодический контроль работоспособности НА и передача данных измерений на Землю через радио средства РС МКС); демонтаж и утилизация НА на ТГК (при отсутствии решения о дальнейшей эксплуатации НА на борту РС МКС).
4.2 Требования к условиям выполнения КЭ
Место проведения КЭ – обитаемый отсек РС МКС.
НА «Газоанализатор?ФС» для проведения КЭ должна размещаться на борту РС МКС в хорошо вентилируемой зоне.
4.3 Технические особенности НА
Функциональная схема НА «Газоанализатор?ФС» приведена на рис. 1.
Рис. 1 Функциональная схема НА «Газоанализатор?ФС»
Структурная схема НА «Газоанализатор?ФС» приведена на рис. 2.
Рис. 2 Структурная схема НА «Газоанализатор?ФС»
Для проведения измерений состава атмосферы требуется периодическая или постоянная прокачка воздуха (уточняется на этапе эскизного проекта) через спектроскопическую многоходовую кювету в составе Фурье-спектрометра и через датчики кислорода и водорода. Для увеличения ресурса оптических покрытий воздух должен проходить многоступенчатую механическую фильтрацию.
Конструктивно НА «Газоанализатор?ФС» должна быть выполнена в виде моноблока.
5 Новизна, оценка качественного уровня по сравнению с аналогичными отечественными и зарубежными исследованиями
5.1 Возможные методы исследования газового состава атмосферы в обитаемых отсеках РС МКС и обоснование выбора метода Фурье-спектроскопии
Контроль состава атмосферы на РС МКС необходимо разделить на три подзадачи:
? контроль концентраций основных газов в составе атмосферы (О2, Н2, пары Н2О, СО2. и СО;
? контроль наличия и концентрации примесных газов, образующихся в результате жизнедеятельности человека;
? поиск посторонних газов, которые не должны присутствовать в составе атмосферы, наличие которых может свидетельствовать о неисправности каких-либо технических устройств.
Концентрация основных газов атмосферы измеряется штатными средствами РС МК, включающими детекторы целевых (примесных) газов. Вредное действие примесных газов на организм зависит от длительности нахождения человека в данных условиях, что отражено в нормах ПДК. В различных технологических процессах и экспериментах на МКС присутствуют газы и летучие соединения, которые должны оставаться в пределах замкнутого цикла. В случае нештатных ситуаций возможно попадание этих соединений в атмосферу МКС.
При исследовании состава атмосферы необходимо проводить следующие мероприятия:
? непрерывный мониторинг газового состава атмосферы и немедленное извещение о превышении ПДК по какому либо из газов для принятия оперативных мер;
? комплексное исследование газового состава с определением параметров составляющих атмосферы на уровне ниже ПДК, с целью анализа и прогнозирования общей экологической обстановки в гермообъеме, поиска неисправностей и утечек;
? в некоторых ситуациях может потребоваться исследование проб воздуха, отобранных с помощью специальных пробоотборников.
Для непрерывного мониторинга состава атмосферы РС МКС и оповещения о нештатных ситуациях в основном используются датчики целевых газов. Эти приборы различаются по принципу действия и по селективности. Действие датчиков целевых газов обычно основано на физико-химических процессах с участием искомых газов.
В основном, датчики целевых газов измеряют концентрацию газов и летучих примесей при непосредственном контакте с воздушной средой. Это обусловливает ограничение их срока службы, изменение характеристик в процессе работы (деградацию), возможность перекрестного влияния различных газов, что может вызвать неправильность показаний, как в сторону занижения, так и завышения концентраций искомой примеси.
Исключение составляют оптические датчики, которые позволяют селективно детектировать присутствие отдельных газов при отсутствии непосредственного контакта поверхности сенсора и исследуемой среды. Это исключает воздействие среды на сенсор и повышает надежность системы.
Молекулы веществ в газовой фазе при атмосферном давлении имеют уникальные колебательные спектры. Оптическая колебательная спектроскопия обладает высокой надежностью получаемой информации.
Помимо спектральных характеристик, уникальной характеристикой конкретных веществ является масса молекулы.
Исходя из этого, можно выделить две универсальные методики, позволяющие измерять состав атмосферы с высокой степенью селективности и надежности: инфракрасная спектроскопия и масс-спектрометрия.
Существуют две основные методики спектрального анализа атмосферы: спектроскопия дифференциального поглощения и анализ спектра поглощения.
? Спектроскопия дифференциального поглощения нацелена на детектирование определенного вещества в составе газовой смеси. Для спектроскопии дифференциального поглощения требуется перестраиваемый лазерный источник света с узкой шириной спектральной линии. Для обнаружения и измерения концентрации конкретного вещества требуется перестройка длины волны источника в области характерных линий спектрального поглощения вещества.
? Фурье-спектроскопия является наиболее широко используемым методом получения инфракрасных спектров поглощения. На основе анализа спектров, получаемых с помощью Фурье-спектрометра, возможно одновременное детектирование и измерение концентраций большого количества газов и летучих соединений в составе атмосферы.
Таким образом, существует два пути создания универсального прибора, нацеленного на измерение состава газовой смеси: прибор, использующий принцип Фурье-спектроскопии, и прибор, использующий перестраиваемый по длине волны лазер ИК-диапазона.
Наиболее информативным спектральным диапазоном для детектирования сложных соединений является средний инфракрасный диапазон (500-1500 см-1, или 6-10 мкм). Именно в этом диапазоне (называемом “fingerprints region”, или диапазон «отпечатков пальцев») сложные вещества обладают уникальными спектрами. При проведении спектрального анализа в этой области метод Фурье-спектроскопии не имеет конкурентов по простой причине: источником широкополосного излучения в Фурье-спектрометре является глобар, или тепловой источник. Лазерные источники излучения в этой спектральной области – квантово-каскадные лазеры на данный момент не обладают характеристиками, позволяющими создать универсальный и надежный прибор.
Большим преимуществом Фурье-спектроскопии является принципиальная невозможность получения ложных данных о наличии или отсутствии какого-либо вещества. Фурье-спектрометр получает единый спектр поглощения образца в широком спектральном диапазоне, в котором присутствуют спектры многих веществ, в том числе и тех, которые всегда присутствуют в атмосфере. Таким образом, по виду спектра и его соответствию стандартному спектру можно сделать вывод о работоспособности прибора. Объем анализируемых данных, получаемый спектрометром, соответствует спектральной селективности прибора, и составляет, как правило, несколько тысяч точек на спектр.
Чувствительность прибора для большинства сложных соединений позволяет обнаруживать и измерять концентрацию на уровне ПДК и ниже при накоплении достаточной статистики измерений. Увеличение времени измерения повышает точность, ориентировочно ~
, где N – число измерений.
Недостатком Фурье-спектрометров, используемых для анализа газовых смесей, является наличие подвижного элемента – перемещаемого отражателя интерферометра. Также, необходимость использования многоходовой кюветы для анализа воздуха, использование габаритной оптики, что определяет минимальные размеры прибора.
Для снижения шумов фотоприемника и повышения чувствительности Фурье-спектрометра требуется охлаждение фотодетектора до минусовых температур. Это приводит к повышению энергопотребления, требованиям по обеспечению температурной стабилизации, проблемам с конденсацией влаги на охлажденном детекторе и т. д.
Основным преимуществом спектроскопии дифференциального поглощения является компактность, надежность и простота конструкции приборов, нацеленных на регистрацию определенного газового компонента.
Чувствительность лазерного прибора, предназначенного для регистрации определенной примеси в газовой смеси, может быть выше, чем у Фурье-спектрометра. Это может быть достигнуто при регистрации сигнала фотоакустическим методом.
Создание компактного и надежного прибора дифференциального поглощения в инфракрасном диапазоне 6-10 мкм возможно исключительно с использованием квантово-каскадного лазера (ККЛ) (лазерные параметрические генераторы не обладают достаточной стабильностью). Габариты ККЛ не более нескольких см3 (с системой термостабилизации), поэтому возможно создание весьма компактного прибора.
Основным недостатком на данный момент является то, что диапазон перестройки квантово-каскадных лазеров на основе встроенных дифракционных решеток весьма мал (несколько нанометров), и поэтому прибор может быть нацелен на регистрацию определенного вещества. Для того чтобы перекрыть весь спектральный диапазон 6-10 мкм с достаточным разрешением, потребовались бы сотни отдельных квантово-каскадных лазеров, их источники питания и т. д.
Существуют квантово-каскадные лазеры с внешним резонатором, которые обладают диапазоном перестройки в сотни нанометров, но такие приборы пока механически не очень надежны. В России, по нашей информации, нет коммерческого производства квантово-каскадных лазеров с приемлемыми характеристиками.
Масс-спектрометрия – это метод исследования вещества, основанный на определении отношения массы к заряду ионов, образующихся при ионизации представляющих интерес компонентов пробы. Можно сказать, что масс-спектрометрия — это «взвешивание» молекул, находящихся в пробе. Почти все масс-спектрометры — это вакуумные приборы, поскольку ионы очень нестабильны в присутствии посторонних молекул.
Существуют различные методы масс-спектрометрии, различающиеся по селективности, чувствительности и габаритам приборов. Принцип проведения измерений следующий: молекулы образца подвергаются ионизации и вводятся в вакуумную камеру, в которой происходит их дрейф под действием электрического поля, в магнитном поле. Метод масс-спектроскопии является достаточно чувствительным, весьма селективным и универсальным. По заявляемым характеристикам чувствительности масс-спектрометры высокого уровня превосходят Фурье-спектрометры.
Селективность и чувствительность прибора зависят от его габаритов. Приборы, предназначенные для анализа газового состава атмосферы, имеют существенные габаритные размеры. Минимальные размеры приборов такого класса – не менее 500х500х1000 мм.
Также, необходимо отметить высокое энергопотребление (более 400 Вт), большое время выхода на режим.
В масс-спектрометрах используется высоковольтное напряжение (до 4000 вольт), что требует повышенного внимания в области электромагнитной совместимости.
Особое внимание в масс-спектрометре уделяется пробоподготовке. Если в Фурье-спектрометре достаточно просто закачать объем воздуха в измерительную ячейку, то в масс-спектрометре используется весьма сложная система пробоотбора, обычно предусматривающая использование чистого газа (водорода или гелия) как расходного материала для разбавления пробы.
Таким образом, метод Фурье-спектроскопии является наиболее оптимальным выбором для решения задач мониторинга атмосферы в обитаемых отсеках РС МКС с целью контроля широкого набора веществ и поиска неизвестных соединений. Высокая надежность, доступность технологий и комплектующих для изготовления Фурье-спектрометра, безопасность прибора являются определяющими факторами выбора.
5.2 Принципиальная новизна исследования состава атмосферы в обитаемых отсеках РС МКС НА «Газоанализатор-ФС» заключается в применении метода Фурье-спектроскопии.
Для оценки достоверности проводимых экспериментов будут использоваться данные, полученные существующими средствами измерения газового состава, используемыми на борту МКС и путем сравнения с результатами точных измерений проб воздуха с РС МКС, которые доставляются на Землю с помощью транспортных кораблей «Союз».
5.3 Сравнение НА «Газоанализатор-ФС» с зарубежными аналогами
За рубежом имеются аналогичные космические разработки – ANITA – Analyzing Interferometer for Ambient Air, осуществляющие исследования в данном направлении. Совместный космический эксперимент 2007-2008 г. г. (ЕКА и НАСА). В течение 11 месяцев с помощью Фурье-анализатора ANITA проводилось одновременное измерение концентраций 32 газов, по которым прибор был предварительно откалиброван. С помощью прибора была обнаружена утечка фреона из холодильника, что было невозможно другими средствами контроля на борту. Сравнение порогов обнаружения микропримесей между разрабатываемой системой «Газоанализатор-ФС» с ANITA приведено в таблице 1.
Принцип действия работы газоанализатора ANITA основан на методе Фурье-спектроскопии ( как и в НА «Газоанализатор ФС»).
Из анализа этой таблицы, при сравнении газоанализатора, предлагаемого НПП «Лазерные системы» с газоанализатором ANITA, можно сказать, что для большинства микропримесей порог обнаружения у в у АНИТА лучше, но количество контролируемых микропримесей у НА «Газоанализатор ФС» больше (35 против 32).
Таблица 1
Пороги обнаружения контролируемых газовых веществ
№ | Вещество | ПДК*, мг/м3 | Порог обнаружения, мг/м3 |
НПП «Лазерные системы» | ANITA |
1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
Азота двуокись NO2 | 0.1 | 0.2 | ||
Азота окись NO | 0.1 | 3.0 | ||
Акролеин | 0.02 | ** | ||
Аммиак(NH3) | 1.0 | 0.15 | 0.046 | |
Ацетальдегид (CH3-CHO) | 1.0 | 1.0 | 0.786 | |
Ацетон | 2.0 | 1.0 | 1.036 | |
Бензальдегид | 1.0 | ** | ||
Бензол С6H6 | 0.2 | ** | ||
1-Бутанол | 0.8 | ** | ||
Бутилацетат | 10.0 | 5.0 | 1.036 | |
н-гексан (+4 изомера) (C6H14) | 5.0 | 5.0 | ||
Дихлорметан | 5.0 | 5.0 | ||
1,2 Дихлорэтан | 0.5 | 1.0 | ||
Изопропилбензол | 0.5 | ** | ||
мета-Ксилол орто-Ксилол пара-Ксилол | 5.0 | 5.0 | 1.895 | |
Метан | 7000 | 1.0 | ||
Метанол(CH3OH) | 0.2 | 0.3 | 0.143 | |
Метилэтилкетон | 0.25 | ** | ||
н-Пентан (+2 изомера) (C5H12) | 10 | 1.0 | ||
Полиметилсилоксаны | 0.2 | ** | ||
2-пропанол(C3H8O) | 1.5 | ** | 1.34 | |
Стирол | 0.25 | 2.0 | ||
Толуол(C?H?) | 2.0 | 2.0 | 3.7 | |
Углерода двуокись CO2 | 9000 | 1.0 | ||
Углерода окись (CO) | 5.0 | 1.0 | 0.062 | |
Фтористый водород HF | 0.05 | 0.2 | ||
Формальдегид | 0.05 | ** | 0.134 | |
Фреон 218(C3F8) | 150 | 0.2 | 0.252 | |
Хлористый водород (HCl) | 1.0 | 1.0 | ||
Цианистый водород HCN | 0.03 | ** | ||
Циклогексан(C6H12) | 3.0 | 0.3 | ||
Этанол (С2H5OH) | 10.0 | 1.0 | 0.617 | |
Этилацетат(C4H8O2) | 4.0 | 4.0 | 1.179 | |
Этилбензол(C4H8O2) | 2.0 | 0.947 | 4.263 | |
Двуокись углерода(CO2) | 1.0 | ** |
Примечание:* ? ПДК микропримесей для пилотируемых космических аппаратов;
** ? уточняется на этапах наземной отработки.
В настоящее время на борту американского сегмента МКС работает усовершенствованный газоанализатор ANITA2, обладающая приблизительно теме же характеристиками, что и ANITA по измеряемому количеству микропримесей и точности измерений [2].
В таблице 2 приведены сравнения массы и энергопотребление газоанализаторов ANITA, ANITA2 и прогнозируемые аналогичные характеристики НА «Газоанализатор-ФС».
Таблица 2
Характеристики | ANITA | ANITA2 | НА «Газоанализатор ФС» |
Масса | 54 кг | 27 кг | 25 кг |
Потребляемая мощность | 150 Вт | 100 Вт | 130Вт |
6 Ожидаемые результаты и их предполагаемое использование
- Подтверждение эффективности работы научной аппаратуры «Газоанализатор-ФС» по автоматическому измерению основных составляющих атмосферы и микропримесей в обитаемых модулях РС МКС. Подтверждение целесообразности применения газоаналитической аппаратуры, аналогичной НА «Газоанализатор-ФС», на будущих перспективных космических станциях, на пилотируемых транспортных кораблях нового поколения (ПТК НП). При положительных результатах научного эксперимента научную аппаратуру предполагается использовать на борту РС МКС в качестве дополнения к измерительному стационарному комплексу ИК0501 и газоанализатору ГЛ 2106.
7 Обоснование технической возможности создания НА с заданными характеристиками
Разработчик НА «Газоанализатор-ФС» ( «Лазерные системы») имеет опыт разработки и выпуска газоаналитической аппаратуры, обладает экспериментальной базой для постановки экспериментов и владеет современными методами и средствами контроля.
8 Характеристики рисков и дискомфорта для экипажа, связанных с КЭ
Проведение данного эксперимента не создаст дискомфорта и дополнительных рисков для экипажа МКС.
9. Ссылки на публикации, имеющие отношение к КЭ
1. A. Honne. Air quality monitoring for the International Space Station applicable to aircraft cabins and cockpits. ARTICLE in JOURNAL OF BIOLOGICAL PHYSICS AND CHEMISTRY 14(4):94-102 · DECEMBER 2014
2. Progress in ANITA2, the Upcoming High Performance ISS Air Monitor for Continuous In-Orbit Operation. Conference: 44rd International Conference on Environmental Systems. 2014
3. Dynamic Sampling of Cabin VOCs during the Mission Operations Test of the Deep Space Habitat. International Conference on Environmental Systems (ICES) 2013.
4. Материалы: Optical Oxygen Sensors PreSens. Precision Sensing GmbH
5. Материалы : Датчики кислорода, водорода.
6. Cheng-Shane Chu, Yu-Lung Lo, Ti-Wen Sun. Review on Recent Developments of Fluorescent Oxygen and Carbon Dioxide Optical Fiber Sensors. Photonic Sensors (2011) Vol. 1, No. 3: 234–250
7. Honeywell Analytics. The Gas book. 2007
8. Hydrogen Sensor for Oil Transformer Health Monitoring. I. Pavlovsky. Nanotechnology, 2008. NANO '08. 8th IEEE Conference.
Миниатюрный сенсор водорода на основе оптопары светодиод фотоэлектрический элемент InP/GaInAsP/Pd. , , . Rusnanotech 2009.
