CN108036919A - 一种应用于高超声速飞行器风洞试验的高温散斑制作方法 - Google Patents

一种应用于高超声速飞行器风洞试验的高温散斑制作方法 Download PDF

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马元宏
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Abstract

本发明公开了一种应用于高超声速飞行器风洞试验的高温散斑制作方法，步骤一：制作散斑模板，该散斑模板上散斑的大小、数量、位置均为随机分布；步骤二：对待制作散斑的金属模型进行表面处理，去除金属表面的金属屑或者防锈油层；步骤三：将散斑模板放置在待制作散斑的金属模型上面，使得散斑模板与金属模型保持面接触并且稳定；步骤四，将电化学腐蚀设备的腐蚀阴极固定连接到待制作散斑的金属模型上，同时将电化学腐蚀设备的腐蚀头浸入与金属模型相匹配的金属腐蚀液中，待腐蚀头全部浸润后再取出；最后将电化学腐蚀机的电源接通，选择腐蚀方式和腐蚀电压，然后将腐蚀头放置到散斑模型板上面进行散斑处理。

Description

一种应用于高超声速飞行器风洞试验的高温散斑制作方法
技术领域
本发明涉及一种散斑制作方法，应用于高超声速飞行器在风洞试验时的变形测量，属于航空航天实验方法。
背景技术
未来高超声速飞行器外形复杂，由于激波等的干扰作用等，致使飞行器表面热流分布十分复杂，同时伴随着耦合了多种因素的热变形。高超声速飞行器外形设计一个十分重要的目标就是要将飞行器的弹性变形及热变形控制在一个容许的范围之内，因此高超声速飞行器在风洞试验时的变形测量显得尤为重要。
目前常用的模型变形测量方法是基于图像的数字散斑相关方法，而数字散斑相关方法常用的散斑主要包括自然散斑和人工散斑。自然散斑是指被测量物体的表面自然纹理或者无规则的斑纹，例如木材表面的纹理或者石墨等的无规则斑点。人工散斑是指使用人工的方法对被测量物体进行表面处理，表面处理的常用方法是人工喷漆。人工喷漆一般是使用常用的自喷漆或者喷涂工具将黑色和白色的漆喷涂到模型表面，形成散斑。人工散斑的不足之处主要有两点。首先是普通的油漆不耐受高温，使用其制作的散斑在高温情况下会出现严重的退相关现象甚至完全不能使用；同时，使用普通油漆制作的散斑由于漆的质量和喷涂工艺的不确定性将会导致散斑会有一定的厚度，有的厚度甚至达到0.2mm，这种厚度对于常规尺寸并且有面形要求的高超声速模型来说是不可接受的。
Lyons JS等用数字图像相关方法测量高温变形时是采用氮化硼和氧化铝陶瓷涂层在金属表面制作了散斑。但是该制作方法比较复杂，而且陶瓷涂层对被测材料表面有一定的增强作用，将在一定程度上影响数字图像相关方法变形测量的准确性。潘兵等使用高温无机胶加氧化钴和酒精的混合液体在试件表面进行高温环境下使用的散斑的制作。该制作方法是用不同大小的细毛刷或不同口径的滴管，在金属、陶瓷和复合材料等固体材料固体表面随机点涂、喷溅或溅撒出不同大小的散斑颗粒。后者的制作方法虽然简单，但是仍然存在与前者同样的问题，也就是两者都会由于散斑制作的原理以及人工操作的误差而带来试件表面不可接受的粗糙度。因此并不适用于有高速高温气流冲刷的高超声速飞行器的风洞试验。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种操作简单并且低成本的高超声速飞行器风洞试验中变形测量时使用的散斑制作方法，能够耐受高超声速风洞中极其恶劣的实验条件而保持散斑的完整及有效性，进而能够实时获取高超声速飞行器的形貌变化历程。
本发明包括如下技术方案：一种应用于高超声速飞行器风洞试验的高温散斑制作方法，步骤如下：
步骤一：制作散斑模板，该散斑模板上散斑的大小、数量、位置均为随机分布；
步骤二：对待制作散斑的金属模型进行表面处理，去除金属表面的金属屑或者防锈油层；
步骤三：将散斑模板放置在待制作散斑的金属模型上面，使得散斑模板与金属模型保持面接触并且稳定；
步骤四，将电化学腐蚀设备的腐蚀阴极固定连接到待制作散斑的金属模型上，同时将电化学腐蚀设备的腐蚀头浸入与金属模型相匹配的金属腐蚀液中，待腐蚀头全部浸润后再取出；最后将电化学腐蚀机的电源接通，选择腐蚀方式与腐蚀电压，然后将腐蚀头放置到散斑模型板上面进行散斑处理。
进一步的，散斑处理之后用有机溶剂对散斑区域进行擦拭，即完成高温散斑的制作。
进一步的，随机生成不同的散斑图样；将一个散斑图样打印到一张蜡纸上面，待蜡纸晾干即完成散斑模板的制作；所述的散斑图样包含散斑大小、位置、数量。
进一步的，一个散斑图样对应一个变形测量精度，根据试验精度需求，散斑制作时选取对应的散斑模板。
进一步的，随机生成的散斑大小和数量均值均满足(1/10～1)N，其中N为变形测量精度。
进一步的，步骤一中散斑模板上任意两个散斑的灰度值相差10-50。
进一步的，在步骤二之前，将待制作散斑的金属模型与高超声速飞行器风洞试验中相关电子设备断开连接，并保证金属模型与电子设备之间绝缘。
进一步的，步骤三中利用样板将散斑模板固定在金属模型上。
进一步的，步骤四中的腐蚀深度不超过0.02mm。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
本发明提出的应用于高超声速风洞试验的高温散斑制作方法是依据金属电化学腐蚀的基本原理完成的，是一种不破坏模型外形的散斑制作方法，不会对被测量的物体的机械性能等产生任何影响；另外，高超声速气流的冲刷不会对散斑产生任何的影响，散斑在试验前后同样可以有效地承载模型在风洞实验时的形貌变化信息，通过散斑相关算法即可进一步得到实时形貌信息等。
本发明散斑模板制作简单，只需要使用电脑生成无规则的随机散斑，然后再将散斑图样打印到蜡纸上即可。操作简单方便。
本发明对测试系统需求简单，现场处理即可，所以成本相对较低，操作简单。
本发明可以直接在被测物体的表面形成高分辨率的散斑，不需要对模型增加任何附加质量或者粗糙度。
本发明是一种对金属表面处理的方法，散斑制作完成之后对金属的影响范围不超过0.02mm，是在一般情况下金属模型的加工误差范围之内。
附图说明
图1为本发明一种应用于高超声速风洞试验的高温散斑的制作方法流程图。
图2为本发明高温散斑制作系统示意图。
图2中，1是待制作散斑的金属模型，2是电化学腐蚀设备，3是散斑模板，4是腐蚀阴极，5是腐蚀头，6是与金属模型相匹配的腐蚀液。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
如图2所示，用于实现高超声速风洞试验的高温散斑的制作系统包括一个待制作散斑的金属模型1，进行电化学腐蚀操作的电化学腐蚀设备2，预制好的散斑模板3，分别连接在电化学腐蚀设备2前面的腐蚀阴极4和腐蚀头5，与金属模型相匹配的金属腐蚀液6。制作过程开始后，首先制作多种散斑图样，根据试验精度的要求选择对应的散斑模板3，将散斑模板3平铺在待制作散斑的金属模型1上。将腐蚀阴极4固定连接到待制作散斑的金属模型1上，同时将腐蚀头5浸入腐蚀液6中，待腐蚀头5全部浸润后再取出。将电化学腐蚀机2的电源接通，选择好腐蚀方式和腐蚀电压，然后将腐蚀头5放置到散斑模板3上面进行散斑处理，最后用有机溶剂对待制作散斑的金属模型1进行擦拭，即完成高温散斑的制作。
如图1所示，本发明的制作方法具体步骤如下：
第一步是制作散斑模板；首先需要使用编程语言编写散斑生成程序；散斑生成程序可以实现随机生成不同的散斑图样，散斑图样具有如下特点：散斑随机分布，各散斑点的大小和各散斑点的数量随机分布，同时各散斑大小和数量均值均满足(1/10～1)N，其中N为变形测量精度。各散斑点的灰度也是随机分布，同时任意两个散斑的灰度值相差10-50。其次需要使用打印机将散斑图样打印到蜡纸上面，待蜡纸晾干即可完成散斑模板的制作。
高超声速模型风洞试验之前需要对模型进行高温散斑的制作，散斑制作可以在模型准备间完成，也可以在风洞试验现场进行。将电化学腐蚀设备安放到待制作散斑的金属模型旁边，使待制作散斑的金属模型与高超声速飞行器风洞试验中相关电子设备断开连接，并保证金属模型与电子设备之间绝缘。
第二步是对待制作散斑的金属模型进行简单的表面处理；金属模型首先进行表面处理，去除金属表面的金属屑或者防锈油层。使用清洁的白纱布蘸取有机溶剂对待制作散斑的金属模型表面区域进行清理即可完成。
第三步是高温散斑的制作；将待制作散斑的金属模型安装好或者平稳放置。由于一个散斑图样对应一个变形测量精度，根据试验精度需求选取对应的散斑模板。将散斑模板放置在待制作散斑的金属模型上面，利用样板将散斑模板固定在金属模型上，使散斑模板与金属模型保持面接触并且稳定。将电化学腐蚀机的腐蚀阴极固定连接到待制作散斑的金属模型上，同时将电化学腐蚀机的腐蚀头浸入专用的金属腐蚀液中，待腐蚀头全部浸润后再取出。最后将电化学腐蚀机的电源接通，选择好腐蚀电压和腐蚀方式等，然后将腐蚀头放置到散斑模板上面进行散斑处理。散斑处理之后用有机溶剂对金属模型简单擦拭，即可完成高温散斑的制作。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (9)

1.一种应用于高超声速飞行器风洞试验的高温散斑制作方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一：制作散斑模板，该散斑模板上散斑的大小、数量、位置均为随机分布；
步骤二：对待制作散斑的金属模型进行表面处理，去除金属表面的金属屑或者防锈油层；
步骤三：将散斑模板放置在待制作散斑的金属模型上面，使得散斑模板与金属模型保持面接触并且稳定；
步骤四，将电化学腐蚀设备的腐蚀阴极固定连接到待制作散斑的金属模型上，同时将电化学腐蚀设备的腐蚀头浸入与金属模型相匹配的金属腐蚀液中，待腐蚀头全部浸润后再取出；最后将电化学腐蚀机的电源接通，选择腐蚀方式与腐蚀电压，然后将腐蚀头放置到散斑模型板上面进行散斑处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：散斑处理之后用有机溶剂对散斑区域进行擦拭，即完成高温散斑的制作。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：随机生成不同的散斑图样；将一个散斑图样打印到一张蜡纸上面，待蜡纸晾干即完成散斑模板的制作；所述的散斑图样包含散斑大小、位置、数量。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：一个散斑图样对应一个变形测量精度，根据试验精度需求，散斑制作时选取对应的散斑模板。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：随机生成的散斑大小和数量均值均满足(1/10～1)N，其中N为变形测量精度。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤一中散斑模板上任意两个散斑的灰度值相差10-50。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤二之前，将待制作散斑的金属模型与高超声速飞行器风洞试验中相关电子设备断开连接，并保证金属模型与电子设备之间绝缘。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤三中利用样板将散斑模板固定在金属模型上。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤四中的腐蚀深度不超过0.02mm。
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