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一、概述
作为飞机的核心部分，航空发动机直接影响着飞机的正常飞行。航空发动机因其结构的复杂性以及其恶劣的工作环境，导致航空发动机时刻都有可能发生故障。根据惠普公司的统计结果显示，因为发动机出现故障而产生的维修费用、航班延迟、取消造成的损失以及因为发动机性能降低而造成耗油量增加而造成的损失费用基本上在航空公司的全部成本中占27%。根据有关资料显示，通过对发动机进行故障检测不仅能显著提高发动机运行的可靠性，保障飞行安全；而且可以降低发动机服役期的维护费用；节省地面排故和调整试车的燃油消耗；缩短维修时间；减少备件；缩短飞机再次出动时间，提高部队战斗力等。
航空发动机尾气排放情况可以反映发动机的燃烧状态；同时，在一定程度上反映出发动机的维修状态或发动机的老化程度，从而为发动机视情维修提供依据。对航空发动机排放尾气监测还可以满足航空发动机通用规范中对发动机排气中不可见污染物及排气冒烟的测试；以及飞机隐身技术中对气体排放物的的测量要求。
二、必要性
航空燃气涡轮发动机是目前飞机发动机的主要形式。航空燃气涡轮发动机排放产物主要包括氧气（02）、氮气（N2）、二氧化碳（C02）、水蒸气（H2O）、二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）、未燃尽碳氢化合物（UHC，也可以叫做挥发性有机化合物VOCs）、一氧化碳（CO）和碳的微小颗粒以及其他微量化合物。产物的主要来源如下：
（1）空气中没有参加燃烧过程的部分：氧气和氮气；
（2）燃烧反应的副产品：氮氧化物；
（3）理想燃烧过程的最终产品：二氧化碳、水及二氧化硫；
（4）不完全燃烧的产物：碳氢化合物、一氧化碳和微小碳烟颗粒。
2.1 发动机状态与尾气成分关系
航空发动机排放的尾气成分与发动机的燃烧状态密切相关外，还与发动机类型、实际运行条件（包括发动机速度、温度、油料、发动机老化程度、维修周期等）紧密联系。特别是NO和CO的排放与燃烧过程及燃烧效率密切相关，在很大程度上能反映出发动机维修状态或老化程度。当发动机各系统出现故障时，尾气中某种成分必然偏离正常值，尾气的排放特征可以作为发动机故障检测的依据。
1）一氧化碳CO
CO是一种不完全燃烧产物，通常在燃烧室主燃区中大量形成，在中间区被氧化成CO2。在富油区，会因缺乏氧气，不能完全燃烧生成CO2，而产生较多的CO。在高温区，燃烧在化学恰当比或稍贫油条件下，CO2的热分解形成大量CO，然而这部分CO会在下游冷却器富氧区燃烧尽。实际上，CO排放在低功率时达到最大，是燃料不完全燃烧产生的。
2）未燃尽碳氢化合物UHC
未燃尽碳氢化合物是典型的燃料不足及不完全燃烧的产物。燃油中有一部分碳氢化合物只是蒸发，没有来得及参加燃烧反应就通过了燃烧室。因此，在燃烧室出口未燃碳氢燃料以油珠或油蒸汽形式出现，或者是燃油被加热分解成低分子量的甲烷或乙炔，形成碳氢化合物。它产生的原因是雾化不好，燃烧速度太低。
3）氮氧化物NOx
燃料在燃烧过程中生成的NOx，按它的生成机理不同可分为“热力”“瞬发”和“燃料”氧化氮三种，由于航空发动机燃料大部分都是航空煤油，燃料中含氮量低，因此NOx产生的原因主要来自于“热力”NO和“瞬发”NO，前者主要出现在高温贫油情况，而后者主要是在低温富油条件下产生。NOx的生成主要取决于发动机燃烧室内主燃区内混合当量比、停留时间、火焰温度以及燃烧室进口温度，而这些因素又与发动机工作状态有关。通常NO随着当量比增加而增加，当主燃区当量比接近与0.8-1.0时，由于此时火焰温度达到最高，故NO排放量最大。另外，NO的排放还随着燃烧室进口温度和压力增加而增加，燃气在燃烧室内停留时间越长，NO生成率也增加，但当量比φ《0.4时，因混气很贫，NO生成率太小。
4）冒烟
航空发动机排气冒烟主要成分是含碳97~99%和含氢1~3%的固体微小粒子（尺寸在0.01~0.06um）。冒烟主要产生在燃烧室的高温主燃区中富油区，排放量随着发动机的压力比的增大而显著增大，其生成主要与燃料性质、燃烧室压力、温度、油气比、燃油雾化质量和燃油喷嘴有关。燃料中氢的含量或氢/碳比对排气冒烟影响很大，含氢量越低，燃烧效率下降，越易于排气冒烟。燃烧室压力是影响排气冒烟的一个最重要的参数，随着压力增加排气冒烟也增加，燃烧室出口温度提高，排气冒烟减小。
5）氧气O2
尾气中的氧气主要是空气中氧气没有参加燃烧过程产生的，氧气的含量是反映空燃比的最好指标，主要用于空燃比控制以及断火检测。
6）二氧化碳CO2
CO2是理想燃烧的产物，其高低反映出燃烧效率。燃烧效率越高，CO2的含量就越高。
2.2 尾气测量技术
2.2.1 传统测量技术
航空发动机尾气成分分析仪器主要有气相色谱仪、气体红外线分析仪、氧分析仪、总烃测量仪、氮氧化物分析仪和烟碳测量仪等。
气相色谱仪是尾气分析最常用、最主要的仪器。一台气相色谱仪可基本满足燃烧室试验中出口各种燃气成分的测量。但是，色谱仪在正式投入分析运行之前，需要经过严格的标准样品标定、进样条件的探索和系统管路的密封检查等许多调试步骤。气体红外线分析仪通常能分析的气体成分有CO、CO2、CH4、SO2、NO 等。氧分析仪、总烃测量仪、氮氧化物分析仪是专门气体测量仪器，烟碳测量仪测量的是排气冒烟。
传统分析仪器中有的功能单一，不能对多种成分同时分析，而最常用的气相色谱仪尽管可以分析多种成分，但使用相对复杂，检测实时性差，分析结果受诸多因素影响，且只能在试验室进行。
2.2.2 光声光谱技术
光声光谱技术主要基于比尔-朗伯定律，气体分子受特定波长的激光照射后，会吸收光子获得能量，从基态激发到激发态，再通过振转弛豫变换无辐射跃迁回到基态生成热，引起周围气压发生变化。对光源进行调制，使气压周期性变化形成声波，声信号与气体浓度成正比，利用比尔-朗伯定律根据检测的声信号幅值就可以得到气体浓度值。
光声光谱技术是一种理想的无背景噪声信号技术，具有较高灵敏度和良好选择性，可同时分析多种气体成分。光声光谱技术是监测物体吸收光能后产生的热能中以声压形式表现出来的那部分能量，即使在弱吸收的情况下，吸收能也可被微音器检测。与其它气体检测方法相比较，光声光谱技术的主要优点是：长期稳定性好、灵敏度高；不消耗气样，如载气、标气；响应快、检测时间短，便于现场检测；适于多种气体成分的检测；系统结构简单。
2.2.3 光散射技术
感烟探测器按照工作原理，主要可以分为离子感烟探测器和光电感烟探测器。其中，离子感烟探测器由于使用镅-241等放射性物质作为放射源，废弃时容易对环境造成污染而逐渐淡出，基于光散射原理的光电感烟探测器处于主导地位。
当烟粒子和一束光发生相互作业时，由于烟颗粒的折射率具有非均一性，引起入射波阵面的扰动，使得颗粒同时以同样波长再辐射已经接受的能量，这就是散射。采用光散射技术进行烟雾测量的原理是具有一定波长的入射光，当其进入遮光暗室时，其内烟雾粒子将对光源产生散射作用，按照光散射定律，当其粒径大于光的波长时将产生散射作用，并且烟粒子经过轻度着色，使得处于一定夹角位置的光敏元件的阻抗发生变化，从而产生光电流。此光电流的大小由烟粒子的浓度和粒径大小及着色与否来决定，并且与散射光的强弱有关。
三、方案设计
航空发动机尾气监测系统主要由六部分组成：1）样品预处理系统；2）采样控制；3）感烟探测模块；4）测量单元；5）光源温度驱动控制；6）数据采集及处理；7）总控制系统。系统工作流程如下：
1）样品预处理系统的样气冷却后通入感烟探测模块；
2）总控制系统发出指令将感烟探测模块的数据采集并处理；
3）总控制系统给采样控制单元发出指令，控制泵将经样品预处理系统处理后的样气抽入测量单元的气体池中；
4）总控制系统给光源温度驱动控制发出指令，控制测量单元的光源发出光；
5）气体池中的样气吸收光源发出的光能量，产生光声信号；
6）微音器将光声信号转换成电信号，数据采集及处理单元对该信号进行处理；
7）数据采集及处理单元将处理后的气体浓度信号发送给总控制单元。
3.1样品预处理系统
采用十字交叉型取样器来收集航空发动机排放的气体。收集的样气首先进行油气分离，达到良好的油气分离效果后，再将样气冷却至50℃，先经过烟雾测量模块，再进行常规气体预处理，将样气中的颗粒物过滤掉，避免污染光声池内腔及管路，同时保证大尘埃粒子不会损坏采样泵，影响采样泵的使用寿命。
3.2 采样控制
采样控制单元主要是执行总控制系统给出的指令，控制采样泵的开启、关闭，何时采集样气，采集几次，一次采集多长时间。采样控制单元还控制管路中的电磁阀的开启、关闭。同时管路中安装有压力传感器，可以对环境压力的造成的波动进行补偿。
3.3 感烟探测模块
感烟探测模块是基于光散射技术的光电感烟探测器，对航空发动机排气冒烟进行测量。采用迷宫结构，为了增加检测的灵敏度和可靠性，反射迷宫墙的反射面与迷宫墙有倾斜一定的角度。
3.4 测量单元
测量单元可放置三个光源，两个进光口，则光声池一端进光口放置一个光源，另一端进光口放置两个光源，且这两个光源的光束经合束机构合成一束光后进入光声池。光声池为全镀金结构，与合束机构及其光源等光学系统形成一个相对独立的空间，并对该空间进行恒温控制，即可对环境温度引起的波动进行补偿。
3.5光源温度驱动控制
作为理想的电子—光子直接转换器件，激光器具有很高的量子效率，微小的电流和温度变化将导致输出光功率的极大变化。激光器作为电流驱动型器件，高稳定度的驱动电流是输出功率稳定的前提，同时激光器是对温度很敏感的器件，环境温度的波动将直接导致激光器的阈值电流和输出功率发生变化，因此，激光器电流与温度控制极其重要。
宽带红外光源发出的宽谱红外光，需要通过配置不同的窄带滤波片后变成窄带光。窄带滤波片安装在盘片上，利用无刷步进电机作为驱动电机，控制盘片的旋转，使宽谱红外光光通过相应的窄带滤波片，得到与气体吸收线相对应的窄带光。
3.6 数据采集及处理
微音器将压力波转换成可识别的电信号。数据采集及处理系统将电信号进行采集后进行一系列的信号处理，并通过光谱定量分析模型计算出气体浓度。
3.7 总控制系统
总控制系统相当于油品质量过程分析系统的大脑，指挥着各单元分时、分步工作，让各单元协调有序的完成油品质量的气体成分分析。
四、系统指标
系统采用光声光谱技术，可以测量绝大部分在红外区有吸收现象的气体，如无机气体、苯系物、有机硫、烷烃、烯烃、芳烃等。用于航空发动机状态监测的尾气成分有：一氧化碳CO、二氧化碳CO2、一氧化氮NO、二氧化氮NO2、二氧化硫SO2、氧气O2、水H2O、甲烷CH4、乙炔C2H2、颗粒物等。
→可同时测量多种气体；
→亚ppm级检测精度，高选择性；
→宽动态范围，无需调节量程；
→稳定性号，校准周期长，维护费用低；
→仅需微量采样气体；
→可耐高湿环境；
→工作温度范围宽；
→内嵌自检功能。