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NASA未来发射任务将应用新型氢泄漏检测带

时间:2016年04月27日 信息来源:中国载人航天工程网 点击: 【字体:

据美国国家航空航天局网站4月17日报道,经美国国家航空航天局(NASA)和肯尼迪航天中心(KSC)许可授权,美国佛罗里达州中央大学(UCF)的太阳能研究中心(FSEC)研制的一种可用液氢泄漏检测的新型胶带应用于航天发射任务。

图:用于液氢泄漏检测的新型胶带(图片来源:NASA网站)


液氢这种无色、无味的低温推进剂具有易燃、易爆等危害特性,在其生产、运输、存储、加注等环节以及相关设备因操作不当出现故障等情况下,极易发生泄漏、火灾和爆炸等事故,往往会造成严重的环境污染、人员伤亡和巨大的经济损失。因此,NASA在其航天项目实施的几十年里,一直非常重视液氢的安全性,不断研发用于检测液氢泄漏的方法。在“阿波罗”项目时期,检测人员使用一种扫帚式搜索检测装置,通过该设备头部的探头在管道和设备周围检测泄漏的火苗,若探头发生燃料,则表明出现泄漏。在航天飞机项目时期,检测人员使用紫外线感应器来检测火苗,而对于非燃烧性泄漏则使用电化与兼容性气体感应器进行检测。


但上述检测设备的最大问题在于它们对泄漏情况只能提供一个大概、笼统的范围。肯尼迪航天中心化学材料科学部门的项目首席研究员、科学家卢克•罗伯森指出,有时感应器会无法发挥作用,因为出现泄漏的区域布置了许多液氢输送管线,检测人员常常需耗用很长时间来发现泄漏点。由此,检测人员向该部门的研究人员提出能否研制一种通过目测就可确定泄漏点的方法。


2003年,UCF的FSEC在NASA和KSC的授权下开始实施液氢泄漏检测项目。KSC应用物理实验室的负责人罗伯特•扬奎斯特成为该项目的首席研究员,KSC和FSEC组成了一个由阿里•拉西伊博士参与的技术协作团队。此外,波利默物科学技术实验室还提出了一种新型气体检测技术。


为了能够对液氢进行目测性和无源性检测,拉西伊博士设想研制出一种可以对设备泄漏进行变色反应的化学性铬检测带。技术团队采用了一种日本的氢化鈀(PdO)与二氧化钛(TiO2)色素专利产品,并将两者混合成粉状,而当在其周围出现氢(气/液)时,该粉剂即刻变色。根据FSEC的化学家纳希德•穆哈杰里提出的该方法所面临的最大问题,则是其变色过程太慢且没有形成一种特别明显的变色状态。技术团队进行了许多调整化学配方的试验,以加快变色的过程并能通过肉眼看到。化学配方的调整主要针对TiO2混合物,穆哈杰里称其为“辅助性原料”,而真正的变色化学反应则是在PdO与氢之间生成,但TiO2混合物的颜色是非常重要的,因为它可与化学反应后所产生的颜色形成对比,从而检测人员能够清楚地看到泄漏变色的位置。此外,其各种迭代可以加快或减慢化学反应过程。因此,研发人员设制了一种具有一定密封特性且能显示恰当的颜色对比且的配方迭代,从而可支持快速反应过程并应用于硅性检测带中。


研发团队耗用两年时间完成了色剂配方的研制,随后KSC对该技术研究成果进行了完善和提高以便进行大范围的应用,包括需要更加稳健性技术应用的航天飞机发射任务,因为检测带需要在低温环境、推进剂火焰和恶劣天气等状态下保持稳定。为了解决这些技术难题,罗伯森与NASA的其他科学家们共同发明了一种由特弗龙和其他基质构成的密封剂,以代替硅制剂。他们在KSC的燃料输送管线、燃料室和NASA的其他场区对检测带的新型迭代过程进行测试,获得了成功。


在确保了其可靠性后,NASA将该项检测技术首次应用于航天飞机STS-118次发射任务中。巧合的是,该次发射任务出现了一次发射台泄漏事故。当时,感应器检测出了液氢泄漏情况,但检测带则使检测人员准确地找到了泄漏点。随后,该检测带一直应用于航天飞机的每次发射任务,直至2011年5月的最后一次发射任务。


NASA和UCF根据检测带的研究成果,随后申请了数项发明专利。2013年,这两个机构一致同意将该项技术实施商业化发展。同年底,穆哈杰里成立了Rockledge Hysense技术有限公司,开始进行称为“智能化涂剂”产品的批量生产以及市场推广。


新型氢泄漏检测带的发展应用前景


众所周知,氢是广泛应用于工业行业的气体之一,如:炼油厂利用氢将原油转换成汽油和柴油;生产商将氢与氩混合以用于不锈钢的焊接;化学厂还将此元素用作制造原料,生成肥料中的主要成分-氨,或许多聚合物中的重要部分-甲醇。正如NASA专注于从安全性角度来进行泄漏检测方面的技术研究,每个工业部门也一直在对氢这种高反应性和易燃性气体进行相应的安全处理方法研究。但穆哈杰里指出,工业部门所运用的传统技术存在一定的缺陷。她解释到,固定式感应器会有闲置时间,且主要依赖其安装位置来显示检测结果,因而无法覆盖到每一个可能出现泄漏的区域;手提式感应器则需要检测人员在可能出现泄漏的区域来回走动并根据听到设备发出的“哔哔”声音来确定泄漏点。但如果在发出“哔哔”声音之处有两个紧邻的法兰,其中一个出现了泄漏,而另一个则状态正常,该如何处理?有可能感应无法对此情况进行区分。


新型氢泄漏检测带的发明与应用,能够对各行业的氢泄漏检测产生巨大的影响。对于上述检测案例,检测人员只需将检测带缠绕在两个法兰上,当带子的颜色从米色变成黑色,便可轻易知晓泄漏点的位置。关于检测带颜色的变色反应时间,穆哈杰里说,如果是100%的氢,那么变色时间只需10秒钟。研发团队曾对含量只有1%的氢料进行泄漏检测,其变色反应时间则为3分钟。研究人员认为这样的结果令人满意。虽然新型氢泄漏检测带的商业化应用的时间非常短,且它与先前发明的其他气体检测技术存在着很大不同,但目前有很多工业企业已开始使用这种检测带,并且早已开始了第二轮的产品订单。


美国权威性技术杂志《R&D》于2014年向KSC、UCF及穆哈杰里的Hysense公司授予了“R&D 100”奖。同年,Hysense公司在美国CAT5创新竞赛中斩获一等奖,奖金额为10万美元。CAT5创新竞赛主要是支持那些处于创业早期且能提供强有力、影响巨大的技术的企业。穆哈杰里对此感到非常高兴,认为所有迹象表明这种新型氢检测带产品已获得了成功。


这项技术同样引起私营汽车企业的兴趣。NASA已与数家汽车公司针对他们的氢技术研发和氢燃料汽车事宜进行了潜在应用性商谈。此外,NASA还向由美国能源部负责的氢高速路项目提供相关的技术与经验,该项目主要是推广氢燃料加注站,以使氢燃料型汽车的商业化发展更具应用前景。


根据KSC的首席聚合物研究科学家玛莎•威廉姆斯所说,这项技术之所以取得非常成功的商业化发展与应用前景,是与公共性和私营性合作方的共同努力分不开的,他们在NASA实现其未来探索任务战略目标的过程中发挥了重要的作用。她谈到,KSC一直在思考去构想宏大的发展蓝图。当技术研发团队为NASA解决所需的技术难题时,总是设法找出最佳的途径进行成功的技术转让。新型氢检测带就是一个相当成功的范例。


(作者:赵晨 编译)
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