飞机发动机舱内温度较高且分布有众多燃油、液压油管路,这些易燃易爆物给飞机的安全飞行带来很大威胁。一旦发动机舱在飞行状态发生火灾,如果灭火系统无法及时、有效地抑制火灾,很可能会导致爆炸、坠机等空难事故,造成极其严重的人员伤亡及巨额经济损失。因此,发动机舱灭火系统的可靠性对于飞机飞行安全至关重要。目前,飞机发动机舱灭火系统主要采用哈龙1301灭火剂。灭火剂喷射后在舱内的浓度分布是评估飞机灭火系统可靠性及设计合理性的一项关键指标,同时也是研究灭火剂灭火机理的重要参考。而发动机舱内灭火剂的喷放时间极短,因此研发快速响应、高精度的灭火剂浓度测量设备对于我国飞机灭火系统的适航认证以及自主设计有着重要意义。目前,通过美国联邦航空局认证的两种灭火剂浓度测量设备均基于压差原理,这类设备将采样探头直接安装在舱体内部,使用气泵抽气进行采样,属于入侵式测量,采样气路还会增加设备的响应时间。基于红外吸收原理的气体浓度测量技术具有精度高、抗干扰性好、响应速度快的优点,还可以采用开路式结构实现实时、非入侵测量,目前广泛应用于大气监测、工业过程控制等领域。Halon 1301在中红外区域有较强吸收,本文基于红外吸收原理,深入研究了非分光红外法及可调谐激光吸收光谱两种飞机气体灭火剂浓度测量技术。实验结果表明,相较于前人研发的同类设备,基于红外吸收原理的灭火剂浓度测量设备具有更高的测量精度和更短的响应时间。此外,本文还在飞机发动机模拟舱中进行了灭火剂喷放、测量实验,这在国内尚属首次。本文的研究成果可以为灭火剂浓度测量设备的研发和改进提供理论支撑和技术支持。主要的研究内容如下:1、在前人的研究基础上,本文对非分光红外法灭火剂浓度测量原理样机进行了改进。进一步简化光路,自行设计了两用式机箱,实现了开路式测量;改进后的设备可以应用于哈龙替代灭火剂五氟乙烷(HFC-125)的浓度测量;从原理模型上分析了影响浓度测量的主要因素,通过实验具体研究了相对湿度、温度对浓度测量结果的影响;首次提出了温度修正算法,并通过实验对该算法的修正效果进行了评估。2、本文研发了基于可调谐中红外激光的飞机发动机舱灭火剂Halon 1301浓度测量系统。首先根据朗伯-比尔定律,建立了灭火剂体积浓度的计算模型;分析了三氟溴甲烷(Halon 1301)的红外吸收光谱,并根据具体的测量波段相应地选择了中心波长为8280 nm的量子级联激光器(Quantum Cascade Laser,QCL)、碲镉汞探测器(MCT)等关键元器件;通过实验对Halon 1301在激光器扫描范围内的吸收情况进行了测量,确定了激光器的最佳工作温度、调制范围以及能够满足目标测量浓度的光程长度;根据Halon 1301具体的吸收情况设计了相应的浓度反演算法,并编写了数据采集与处理软件;本文还通过实验对测量系统的精度、长时间稳定性、响应时间等关键性能指标进行了测试和分析。3、基于可调谐中红外激光的灭火剂浓度测量系统的应用范围并不局限于Halon 1301,还可以扩展至其他含C-F键的气体灭火剂。本文分别对五氟乙烷(HFC-125)、七氟丙烷(HFC-227ea)、六氟丙烷(HFC-236fa)的红外吸收光谱进行了测量,分析了现有测量系统应用于这三种哈龙替代灭火剂浓度测量的可行性;对这三种哈龙替代灭火剂在QCL激光器扫描范围内的吸收情况进行了研究,分别确定了激光器的最佳工作温度、调制范围以及光程长度;并通过实验对测量系统应用于HFC-125、HFC-227ea和HFC-236fa浓度测量时的性能表现进行了评估。4、本文自主研发了飞机发动机舱模拟实验平台,使用该平台对基于可调谐中红外激光的灭火剂浓度测量系统进行了测试,并根据实际测试情况对系统进行了改进。该平台可以为灭火剂浓度测量设备提供一个与飞机发动机舱相似的流场环境,还可以在实验室条件下实现灭火剂的定量填充、喷放。本文将基于可调谐中红外激光的灭火剂浓度测量系统与模拟设备的中间测量段相结合,实现了开路式非入侵测量。发动机模拟舱内的测量实验表明,高速流场中灭火剂浓度的变化十分快速,这与之前在静态环境中测量情况相差很大,原有的测量系统不再适用。针对实验中出现的问题,本文对测量系统进行了改进,并使用改进后的测量系统对不同喷放压力、风速、灭火剂质量、喷射方向条件下模拟舱内的灭火剂浓度进行了研究。