CN108663190A - 基于高超声速脉冲风洞的瞬态波前测试平台及系统 - Google Patents

基于高超声速脉冲风洞的瞬态波前测试平台及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于高超声速脉冲风洞的瞬态波前测试平台及系统，该测试平台包括实验舱、轴对称喷管以及扩压器；实验舱具有相对的前壁与后壁，以及相对的左侧壁与右侧壁，实验舱上设置有至少两个对应布设的第一光学窗口；轴对称喷管的喷管末段穿过前壁延伸至实验舱内，扩压器设置于后壁；于喷管末段的后端连接有喷管延长段，喷管延长段上正对左侧壁的一侧设置有安装位，于安装位内安装设有带第二光学窗口的层流平板，至少两个第一光学窗口与第二光学窗口位于同一光路上。本发明通过对原始轴对称喷管后端进行延长的方式，实现测试菱形区往流场下游移动，使得测试模型可以位于轴对称喷管的理想测试菱形区内，保证测试状态及结果的可靠性。

Description

基于高超声速脉冲风洞的瞬态波前测试平台及系统
技术领域
本发明涉及瞬态气动光学效应波前测量实验领域，特别地，涉及一种基于高超声速脉冲风洞的瞬态波前测试平台及系统。
背景技术
新一代高速成像制导导弹在大气层高速飞行时，受到制导窗口附近流场密度变化的影响，探测器接收到的目标图像会出现偏移、抖动和模糊现象，即通常所说的气动光学效应。此效应会降低成像制导精度，进而影响毁伤效果。为了对上述现象进行校正，需要对气动光学效应进行深入的研究，而研究最为可行的方法之一就是在地面构建可能与飞行环境比拟的气动光学效应测试平台，并对其瞬态气动光学波前进行可靠的测量。高超声速气动光学效应地面测试平台主要由两部分构成，地面高超声速飞行环境模拟设备和瞬态波前测试设备。地面高超声速飞行环境模拟设备主要是指高超声速风洞设备。目前高超声速气动光学效应地面测试平台所使用的风洞，包括(高)超声速激波风洞、(高)超声速炮风洞以及(高)超声速静音风洞，所采用的喷管多为轴对称喷管，轴对称喷管具有加工方便、测试有效区域大以及抗堵塞能力强等优点。但是，在利用基于轴对称喷管风洞进行气动光学效应测试时，轴对称喷管导致的射流边界具有较强的压缩性，对于气动光学效应测试干扰很大，为了避免上述射流边界的影响，通常采用在流场中布置层流隔板的方法避免，利用层流边界层来替代射流剪切层的影响。
传统的抑制方法依靠在轴对称流场中布置层流隔板的确可以有效减少射流剪切层对于气动光学效应的影响，但是无法消减轴对称喷管出口菱形区波系对于气动光学效应的影响，而且会导致测试模型无法位于喷管的菱形区内，导致实验模拟参数不准确。
发明内容
本发明提供了一种基于高超声速脉冲风洞的瞬态波前测试平台及系统，以解决现有测试平台中层流隔板的安装位置使得测试模型无法位于轴对称喷管测试流场的有效菱形区内导致影响测试结果的技术问题。
本发明采用的技术方案如下：
本发明的一方面提供了一种基于高超声速脉冲风洞的瞬态波前测试平台，包括实验舱、轴对称喷管以及扩压器；实验舱具有相对的前壁与后壁，以及相对的左侧壁与右侧壁，实验舱上设置有至少两个对应布设的第一光学窗口；轴对称喷管的喷管末段穿过前壁延伸至实验舱内，扩压器设置于后壁；于喷管末段的后端连接有喷管延长段，喷管延长段上正对左侧壁的一侧设置有安装位，于安装位内安装设有带第二光学窗口的层流平板，至少两个第一光学窗口与第二光学窗口位于同一光路上。
进一步地，层流平板的前端延伸至喷管末段内部。
进一步地，层流平板的外表面沿径向位于喷管末段的内表面的内侧，且二者间具有间隙。
进一步地，层流平板的前端呈由前向后渐宽的尖劈体。
进一步地，前壁和后壁上分别设置有一个第一光学窗口，且两个第一光学窗口对应布设；或者左侧壁和右侧壁上分别设置有一个第一光学窗口，且两个第一光学窗口对应布设；两个相对的第一光学窗口与第二光学窗口位于相对前后方向呈倾斜的倾斜光路上。
进一步地，喷管延长段的后端缘呈朝实验舱的右前方渐缩的倾斜状。
进一步地，层流平板的左侧对应第二光学窗口的外围设置有用于隔绝射流边界影响的绕流空腔，绕流空腔由设于层流平板表面的多块隔板围成。
进一步地，隔板包括位于第二光学窗口前方的前隔板、分别位于第二光学窗口两侧的两块侧隔板、以及位于第二光学窗口后方的后隔板；前隔板和后隔板朝向实验舱的左前方倾斜设置，并位于两个相对的第一光学窗口所在倾斜光路的外侧。
根据本发明的另一方面，还提供了一种基于高超声速脉冲风洞的瞬态波前测试系统，其特征在于，测试系统包括上述的测试平台，用于对其进行瞬态气动光学波前的测量，测试系统还包括：压力传感器、连接压力传感器的同步控制器、与同步控制器连接的脉冲激光器、与同步控制器连接的CCD相机、以及与同步控制器和CCD相机连接的计算机，其中，压力传感器设置于喷管末段上，用于采集风洞内的压力信号；同步控制器在压力传感器采集到风洞内压力信号跃升时触发，同步控制器用于同步控制脉冲激光器发出激光束、CCD相机曝光；脉冲激光器发出的激光束通过实验舱上的其中一个第一光学窗口、第二光学窗口以及另一个第一光学窗口；CCD相机正对另一个第一光学窗口进行图像采集并输出至计算机；计算机，用于控制同步控制器发出控制信号，以及用于接收和储存CCD相机采集的图像，并通过互相关计算方法从采集的图像中获取波前重构所需的位移场数据、结合高精度波前重构算法实现波前重构。
进一步地，脉冲激光器为双腔Nd-YAG激光器；CCD相机为双曝光跨帧CCD相机。
本发明的基于高超声速脉冲风洞的瞬态波前测试平台，在轴对称喷管的喷管末段后端连接设置喷管延长段，通过对原始轴对称喷管后端进行延长的方式，实现测试菱形区往流场下游移动，从而使得测试模型可以位于轴对称喷管的理想测试菱形区内，保证测试状态及结果的可靠性；通过在相应位置安装层流平板，可消除轴对称喷管射流边界对气动光学效应测试的影响。
本发明以风洞运行压力信号作为波前测量的触发信号搭建的瞬态波前测试系统，可实现曝光时间为纳秒量级的波前测量，满足高超声速流场冻结假设条件
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的基于高超声速脉冲风洞的瞬态波前测试平台的结构示意图；
图2是本发明优选实施例的喷管延长段的示意图；
图3是本发明优选实施例的喷管延长段安装层流平板的示意图；
图4是本发明优选实施例的层流平板从另一角度的示意图；
图5是本发明优选实施例的基于高超声速脉冲风洞的瞬态波前测试系统的结构原理图；
图6是本发明的基于高超声速脉冲风洞的瞬态波前测试系统运行的时序图。
附图标号说明：
1、实验舱；10、前壁；11、后壁；12、左侧壁；13、右侧壁；14、第一光学窗口；
2、轴对称喷管；20、喷管末段；201、内表面；
3、扩压器；
4、喷管延长段；40、安装位；
5、层流平板；50、第二光学窗口；51、前端；52、外表面；
6、绕流空腔；60、前隔板；61、后隔板；
70、压力传感器；71、同步控制器；72、脉冲激光器；73、CCD相机；74、计算机。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
参照图1至图4，本发明的优选实施例提供了一种基于高超声速脉冲风洞的瞬态波前测试平台，包括实验舱1、轴对称喷管2以及扩压器3。实验舱1具有相对的前壁10与后壁11，以及相对的左侧壁12与右侧壁13，实验舱1上设置有至少两个对应布设的第一光学窗口14。轴对称喷管2的喷管末段20穿过前壁10延伸至实验舱1内。于喷管末段20的后端连接有喷管延长段4，喷管延长段4上正对左侧壁12的一侧设置有安装位40，于安装位40内安装设有带第二光学窗口50的层流平板5。至少两个第一光学窗口14与第二光学窗口50位于同一光路上。扩压器3设置于后壁11，其位于轴对称喷管2的后方，并穿过后壁11延伸至实验舱1外。扩压器3后接真空罐。本发明在轴对称喷管2的喷管末段20后端连接设置喷管延长段4，通过对原始轴对称喷管2后端进行延长的方式，实现测试菱形区往流场下游移动，从而使得测试模型可以位于轴对称喷管2的理想测试菱形区内，保证测试状态及结果的可靠性；通过在相应位置安装层流平板5，可以消除轴对称喷管2射流边界对气动光学效应测试的影响，。
本发明中，各第一光学窗口14和层流平板5上的第二光学窗口50可采用高质量透明光学玻璃，以实现气动光学效应测试。
本发明可采用现有的轴对称喷管2，在其喷管末段20后端以法兰连接方式固定连接设置喷管延长段4，通过对喷管延长段4一侧进行一定切割工序形成安装位40以安装层流平板5，层流平板5可以在安装位40内前后移动，以保证流场的可靠建立。对于使用轴对称喷管的风洞而言，其可靠的流场测试区域主要位于喷管出口位置的菱形区内，而本发明通过延长喷管的方式，可以实现菱形区在风洞实验段的位置后移。在其它实施例中，也可以采用制造成型方式(轴对称喷管2与喷管延长段4为一体式)，将轴对称喷管2设计为在现有长度上延长适当长度，对轴对称喷管2的尾端进行一定切割工序(先斜切、再垂直向下切、最后水平切)形成喷管延长段4及安装位40，为层流平板5放置留出空间，保证一定范围的前后移动空间。通过对轴对称喷管2的尾端部分进行水平切割形成安装位40以安装层流平板5，层流平板5可以在安装位40内前后移动，以保证流场的可靠建立。
进一步地，层流平板5的前端51延伸至喷管末段20内部。本优选实施例中，为防止边界层转捩，层流平板5的前端51向喷管末段20内部延伸适当长度，适当前伸，保证前缘马赫波不会进入第二光学窗口50的窗口观测区域S。
进一步地，层流平板5的外表面52沿径向位于喷管末段20的内表面201的内侧，且二者间具有间隙。本优选实施例中，层流平板5的外表面52距喷管末段20的内表面201适当距离，可保证斜激波落点在喷管外。
进一步地，层流平板5的前端51呈由前向后渐宽的尖劈体。本优选实施例中，对层流平板5的前端51进行削尖处理呈尖劈体，可防止流动堵塞。
优选地，喷管延长段4与喷管末段20相接位置处的尺寸相等，接缝处光滑无缝隙，亦即喷管延长段4的进口宽度等于喷管末段20的出口宽度，可保证二者相接处严丝合缝衔接，避免尺寸不等导致的缝隙造成对流场的扰动，确保测试的可靠性。可选地，为保证气体在喷管延长段4内继续膨胀，喷管延长段4设计了一定的扩张角。
本优选实施例中，实验舱1的前壁10上设置有一个第一光学窗口14，后壁11上设置有一个第一光学窗口14，且这两个第一光学窗口14对应布设。两个相对的第一光学窗口14与第二光学窗口50位于相对前后方向倾斜的倾斜光路上。本发明设置了倾斜光路，可实现光路倾斜情况下的测试，测试结果更可靠。
优选地，两个第一光学窗口14分别设置于前壁10、后壁11上靠近边缘的位置，且于水平高度方向分别位于前壁10、后壁11的中间位置。考虑到实验舱1内光路布局的局限性很大，本发明将两个第一光学窗口14布置在尽可能靠近实验舱1前壁10、后壁11的边缘处，亦即前壁10上的第一光学窗口14靠近左侧壁12、后壁11上的第一光学窗口14靠近右侧壁13。两个第一光学窗口14的水平高度均位于实验舱1中间位置，对角布置，此时便可以确定风洞轴线整体偏角以及第二光学窗口50在倾斜光路上的垂直光线观察截面即窗口观测区域S的尺寸。
在其它实施例中，也可以在左侧壁12上靠近前壁10的边缘处设置一个第一光学窗口14、在右侧壁13上靠近后壁11的边缘处分别设置一个第一光学窗口14，这两个第一光学窗口14对应布设，且与第二光学窗口50位于相对前后方向倾斜的倾斜光路上，同样可实现倾斜光路测试。
本发明还可以在左侧壁12和右侧壁13上分别设置第一光学窗口14，且这两个侧壁上设置的第一光学窗口14相对且基于实验舱1沿前后方向的主轴线对称，可实现垂直于流场来流方向的光路测试。可选地，左侧壁12上设置有两个第一光学窗口14，右侧壁13上设置有两个第一光学窗口14。左侧壁12上的两个第一光学窗口14与右侧壁13上的两个第一光学窗口14基于实验舱1沿前后方向的主轴线对称设置，可实现垂直于流场来流方向的光路测试。本发明既设置了倾斜光路，又设置了垂直光路，测试更全面，测试结果更可靠。
进一步地，喷管延长段4的后端缘呈朝实验舱1的右前方渐缩的倾斜状。通过将喷管延长段4的后端缘设置为呈朝实验舱1的右前方渐缩的倾斜状，使得喷管延长段4的正对右侧壁13的壁面部分不会位于倾斜光路上，无需将该位置设置为光学窗口，以简单结构即可实现避让该倾斜光路，保证该倾斜光路的可靠测试。
进一步地，层流平板5的左侧对应第二光学窗口50的外围设置有用于隔绝射流边界影响的绕流空腔6。本发明在第二光学窗口50外围区域设计了绕流空腔6，以此来隔绝射流边界对气动光学效应测试的影响。
具体地，绕流空腔6由设于层流平板5表面的多块隔板围成。隔板包括位于第二光学窗口50前方的前隔板60、分别位于第二光学窗口50两侧的两块侧隔板、以及位于第二光学窗口50后方的后隔板61。进一步地，前隔板60和后隔板61朝向实验舱1的左前方倾斜设置。前隔板60和后隔板61相互平行，且分别位于上述倾斜光路的外侧，以避开光路，使得激光可从绕流空腔6通过，保证光路测试的可靠性。绕流空腔6可采用与喷管延长段4一体形成的多块隔板围成，也可以采用多块隔板通过连接件固定设置于喷管延长段4上围成，本发明并不局限于此。
参照图5，本发明还提供了一种基于高超声速脉冲风洞的瞬态波前测试系统，该测试系统包括上述的测试平台，用于对其进行瞬态气动光学波前的测量。该测试系统还包括：压力传感器70、连接压力传感器70的同步控制器71、与同步控制器71连接的脉冲激光器72、与同步控制器71连接的CCD相机73、以及与同步控制器71和CCD相机73连接的计算机74。
实现对瞬态气动光学波前的测量一般需要测量曝光时间满足流场冻结假设条件。对于高超声速流场而言，一般要求其曝光时间为纳秒量级。目前市面上现有的二维波前测试设备，诸如Shack-Hartmann波前传感器、四维横向剪切干涉波前测量仪等皆无法满足要求。限制上述技术在脉冲风洞中应用的关键主要在于高时间同步精度，即要求测试技术必须在风洞很短的有效运行时间内完成对波前的记录。本发明以风洞运行压力信号作为波前测量的触发信号，搭建瞬态波前测试系统，实现曝光时间为纳秒量级的波前测量，满足高超声速流场冻结假设条件。
具体地，压力传感器70设置在喷管末段20上，用于采集风洞内的压力信号。同步控制器71在压力传感器70采集到风洞内压力信号跃升时触发。同步控制器71用于同步控制脉冲激光器72发出激光束、CCD相机73曝光。脉冲激光器72发出的激光束通过前壁10上的第一光学窗口14、第二光学窗口50以及后壁11上的第一光学窗口14。CCD相机73正对后壁11上的第一光学窗口14进行图像采集并输出至计算机74。计算机74，用于控制同步控制器71发出控制信号，以及用于接收和储存CCD相机73采集的图像，并通过互相关计算方法从采集的图像中获取波前重构所需的位移场数据、结合高精度波前重构算法实现波前重构。本发明的脉冲激光器72采用双腔Nd-YAG激光器，可在纳秒量级的曝光时间内发出两束激光束。双腔Nd-YAG激光器的发射端设有光臂，光臂的出口设置有光栅，激光通过光栅后形成点阵式激光，并从前壁10上的第一光学窗口14射入实验舱1内。对应地，CCD相机73采用双曝光跨帧CCD相机，跨帧时间在纳秒量级，可在纳秒量级时间内采集两帧图像，实现对波前的瞬态曝光。
结合图6，具体地，本发明的测试系统的工作原理如下：
风洞开始运行时，风洞内压力会出现跃升并被压力传感器70捕获，作为系统触发信号输入到同步控制器71内，触发同步控制器71。在预先配置的运行参数控制下，同步控制器71触发双腔Nd-YAG激光器出光、双曝光跨帧CCD相机同步完成曝光，完成图像的采集和输出。计算机74接收并存储双曝光跨帧CCD相机输出的图像，利用成熟的互相关计算方法从图像中获取波前重构所需要的位移场数据，结合高精度波前重构算法实现波前重构。
本发明的高超声速脉冲风洞的瞬态波前测试系统，可实现曝光时间为纳秒量级的波前测量，满足高超声速流场冻结假设条件。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于高超声速脉冲风洞的瞬态波前测试平台，其特征在于，包括实验舱(1)、轴对称喷管(2)以及扩压器(3)；
所述实验舱(1)具有相对的前壁(10)与后壁(11)，以及相对的左侧壁(12)与右侧壁(13)，所述实验舱(1)上设置有至少两个对应布设的第一光学窗口(14)；
所述轴对称喷管(2)的喷管末段(20)穿过所述前壁(10)延伸至所述实验舱(1)内，所述扩压器(3)设置于所述后壁(11)；
于所述喷管末段(20)的后端连接有喷管延长段(4)，所述喷管延长段(4)上正对所述左侧壁(12)的一侧设置有安装位(40)，于所述安装位(40)内安装设有带第二光学窗口(50)的层流平板(5)，所述至少两个第一光学窗口(14)与所述第二光学窗口(50)位于同一光路上。
2.根据权利要求1所述的基于高超声速脉冲风洞的瞬态波前测试平台，其特征在于，
所述层流平板(5)的前端(51)延伸至所述喷管末段(20)内部。
3.根据权利要求1所述的基于高超声速脉冲风洞的瞬态波前测试平台，其特征在于，
所述层流平板(5)的外表面(52)沿径向位于所述喷管末段(20)的内表面(201)的内侧，且二者间具有间隙。
4.根据权利要求1所述的基于高超声速脉冲风洞的瞬态波前测试平台，其特征在于，
所述层流平板(5)的前端(51)呈由前向后渐宽的尖劈体。
5.根据权利要求1所述的基于高超声速脉冲风洞的瞬态波前测试平台，其特征在于，
所述前壁(10)和所述后壁(11)上分别设置有一个第一光学窗口(14)，且两个所述第一光学窗口(14)对应布设；或者所述左侧壁(12)和所述右侧壁(13)上分别设置有一个第一光学窗口(14)，且两个所述第一光学窗口(14)对应布设；
两个相对的所述第一光学窗口(14)与所述第二光学窗口(50)位于相对前后方向呈倾斜的倾斜光路上。
6.根据权利要求1所述的基于高超声速脉冲风洞的瞬态波前测试平台，其特征在于，
所述喷管延长段(4)的后端缘呈朝所述实验舱(1)的右前方渐缩的倾斜状。
7.根据权利要求1所述的基于高超声速脉冲风洞的瞬态波前测试平台，其特征在于，
所述层流平板(5)的左侧对应所述第二光学窗口(50)的外围设置有用于隔绝射流边界影响的绕流空腔(6)，所述绕流空腔(6)由设于所述层流平板(5)表面的多块隔板围成。
8.根据权利要求7所述的基于高超声速脉冲风洞的瞬态波前测试平台，其特征在于，
所述隔板包括位于所述第二光学窗口(50)前方的前隔板(60)、分别位于所述第二光学窗口(50)两侧的两块侧隔板、以及位于所述第二光学窗口(50)后方的后隔板(61)；
所述前隔板(60)和所述后隔板(61)朝向所述实验舱(1)的左前方倾斜设置，并位于两个相对的第一光学窗口(14)所在倾斜光路的外侧。
9.一种基于高超声速脉冲风洞的瞬态波前测试系统，其特征在于，所述测试系统包括如权利要求1至8中任一项所述的测试平台，用于对其进行瞬态气动光学波前的测量，所述测试系统还包括：压力传感器(70)、连接所述压力传感器(70)的同步控制器(71)、与所述同步控制器(71)连接的脉冲激光器(72)、与所述同步控制器(71)连接的CCD相机(73)、以及与所述同步控制器(71)和所述CCD相机(73)连接的计算机(74)，其中，
所述压力传感器(70)设置于所述喷管末段(20)上，用于采集风洞内的压力信号；
所述同步控制器(71)在所述压力传感器(70)采集到风洞内压力信号跃升时触发，所述同步控制器(71)用于同步控制所述脉冲激光器(72)发出激光束、所述CCD相机(73)曝光；
所述脉冲激光器(72)发出的激光束通过所述实验舱(1)上的其中一个第一光学窗口(14)、所述第二光学窗口(50)以及另一个第一光学窗口(14)；
所述CCD相机(73)正对所述另一个第一光学窗口(14)进行图像采集并输出至所述计算机(74)；
所述计算机(74)，用于控制所述同步控制器(71)发出控制信号，以及用于接收和储存所述CCD相机(73)采集的图像，并通过互相关计算方法从采集的图像中获取波前重构所需的位移场数据、结合高精度波前重构算法实现波前重构。
10.根据权利要求9所述的基于高超声速脉冲风洞的瞬态波前测试系统，其特征在于，
所述脉冲激光器(72)为双腔Nd-YAG激光器；
所述CCD相机(73)为双曝光跨帧CCD相机。
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