一种适用于风洞试验段的大口径纹影系统的制作方法

本发明涉及气动光学技术领域的纹影观测系统，具体涉及一种适用于风洞试验段的大口径纹影系统。

背景技术：

纹影观测系统利用光在被测流场中折射率梯度正比于流场气流密度的原理，将流场中密度梯度的变化转变为记录平面上相对光强的变化，使流场密度变化区域成为可观察、可分辨的图像，从而被记录下来。在风洞试验中，纹影系统广泛用于显示风洞模型流场结构，测试区域流场密度的变化特性，具有操作简单和稳定性高等特点。

随着现代高超声速飞行器的发展，其尺寸越来越大，对纹影系统的流场显示范围要求也提高到φ1m级水平。φ1m级口径的纹影系统，属于超大型纹影系统。传统纹影系统中，光线要穿过安装在风洞试验段壁上的两块窗口玻璃，窗口玻璃材料内部折射率梯度的不均匀性和面形上的加工缺陷都将以噪声的形式出现在纹影图像中，导致纹影系统灵敏度和背景照度均匀性下降。窗口玻璃越大，其折射率梯度均匀性以及面形加工质量就越难以保证。此外，窗口玻璃需承受风洞试验时产生的载荷，使得玻璃口径越大其厚度越大，而厚度越大的玻璃材料退火时间越长，安全风险越高。φ1m级口径以上纹影窗口玻璃材料生产和加工风险都很高，中国尚无满足需求的产品。进口高性能高均匀性大口径窗口玻璃价格十分昂贵，如果使用，承担纹影系统建设1/3成本，成本巨大。因此，无论是大口径纹影窗口玻璃材料的生产加工难度，还是价格成本都限制了大型纹影系统的发展。

技术实现要素：

本发明的目的是解决现有纹影观测系统采用大窗口玻璃，从而导致纹影系统灵敏度和背景照度均匀性下降以及高成本的问题，提供一种适用于风洞试验段的大口径纹影系统。该系统能够避免使用大口径窗口玻璃，减小因大口径窗口玻璃材料不均匀性及加工缺陷导致的纹影系统灵敏度和背景照度均匀性下降的缺陷，大大的降低了纹影系统的建设成本，提升其安全可靠性。

本发明的技术方案是：

一种适用于风洞试验段的大口径纹影系统，包括光源系统、密封前观察窗、准直主反射镜、纹影系统、纹影主反射镜、密封后观察窗和成像系统；所述纹影系统包括依次设置的密封前纹影镜筒、试验舱、密封后纹影镜筒；所述密封前观察窗设置在密封前纹影镜筒的侧面，所述密封后观察窗设置在密封后纹影镜筒的侧面；光源系统发出的光线穿过密封前观察窗入射到准直主反射镜，经过准直主反射镜准直后的光线经过密封前纹影镜筒进入试验舱，经过试验舱气流后通过密封后纹影镜筒入射到纹影主反射镜，纹影主反射镜将光线反射，通过密封后观察窗后入射到成像系统。

进一步地，所述密封前观察窗为小尺寸密封前观察窗，其口径小于有效流场显示范围的1/10。

进一步地，所述密封后观察窗为小尺寸密封后观察窗，其口径小于有效流场显示范围的1/10。

进一步地，所述密封前纹影镜筒和试验舱通过密封波纹管连接，所述试验舱和密封后纹影镜筒通过密封波纹管连接。

进一步地，所述光源系统包括依次设置的超高亮度led灯、聚光透镜组、狭缝、第一平面反射镜。

进一步地，所述聚光透镜组光轴、狭缝中心，第一平面反射镜中心同轴设置。

进一步地，所述狭缝为“口”字型狭缝。

进一步地，所述成像系统包括依次设置的第二平面反射镜、刀口、聚焦透镜组和纹影相机，以及控制刀口的刀口控制器。

进一步地，所述密封前纹影镜筒和密封后纹影镜筒为圆柱型结构。

本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.本发明系统避免采用大口径窗口玻璃，解决了因玻璃材料折射率不均匀性导致的纹影系统灵敏度和背景照度均匀性下降问题。

2.本发明系统避免采用大口径窗口玻璃，解决了采用大口径窗口玻璃加工和安装的安全风险，采用的小口径窗口玻璃的口径小于有效流场显示范围1/10，小口径使得安装和加工都相对于大口径窗口玻璃容易。

3.本发明采用小口径窗口玻璃，解决了大型纹影系统大口径窗口玻璃成本高昂的问题，比起传统方法的纹影系统节约了约1/3的建设成本。

附图说明

图1为本发明大口径纹影系统光路图。

附图标记：1-超高亮度led灯，2-聚光透镜组，3-狭缝，4-第一平面反射镜，5-密封前观察窗，6-准直主反射镜，7-密封前纹影镜筒，8-试验舱，9-密封后纹影镜筒，10-纹影主反射镜，11-密封后观察窗，12-第二平面反射镜，13-刀口，14-刀口控制器，15-聚焦透镜组，16-纹影相机，17-密封波纹管。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

如图1所示，本发明提供一种适用于风洞试验段的大口径纹影系统，包括光源系统、密封前观察窗5、准直主反射镜6、密封前纹影镜筒7、试验舱8、密封后纹影镜筒9、纹影主反射镜10、密封后观察窗11和成像系统。密封前观察窗5、准直主反射镜6、密封前纹影镜筒7构成纹影系统。

光源系统包括超高亮度led灯1、聚光透镜组2、狭缝3、第一平面反射镜4，狭缝为“口”字型狭缝。超高亮度led灯1应具有大的光通量值。聚光透镜组2的光轴、“口”字型狭缝3的中心、第一平面反射镜4的中心同轴设置。“口”字型狭缝3由“口”字形的四条窄的狭缝3和红、黄、绿、蓝四种有色玻璃拼接成的组合滤色片构成。

成像系统包括刀口控制器14、刀口13、第二平面反射镜12、聚焦透镜组15、纹影相机16。刀口13为“口”字形四条窄狭缝，刀口控制器14可以分别控制“口”字形的四条窄狭缝3的位置，使得光线可以全部通过刀口13。第二平面反射镜12、聚焦透镜组15、纹影相机16的光轴保持一致。纹影相机16位于聚焦透镜组15的焦点位置。光线通过密封后观察窗11后被第二平面反射镜12反射到刀口13，刀口控制器14控制刀口13内“口”字型四条狭缝3的位置，使得光线通过刀口13入射到聚焦透镜组15，聚焦透镜组15将光线聚焦到纹影相机16感光面上，纹影相机16对出射光线进行成像，得到试验舱8内高速气流的纹影图像。

纹影系统包括密封前纹影镜筒7、试验舱8、密封后纹影镜筒9。密封前纹影镜筒7和密封后纹影镜筒9固定于试验舱8两端，试验舱8放置于高速风洞中。准直主反射镜6的准直出光轴与纹影系统的主轴保持一致，纹影主反射镜10的中心与准直主反射镜6的中心一致。密封前纹影镜筒7与试验舱8通过气密波纹管连接，试验舱8与密封后纹影镜筒9间通过气密波纹管连接。密封前纹影镜筒7和密封后纹影镜筒9可焊接于试验舱8两侧，密封前纹影镜筒7和密封后纹影镜筒9具体可为圆柱型，由不锈钢板卷曲焊接而成。准直主反射镜6的出射光线为平行光，准直主反射镜6出射的平行光从密封前纹影镜筒7、试验舱8、密封后纹影镜筒9的中心轴线穿过。

密封前观察窗设置在密封前纹影镜筒的侧面，密封后观察窗设置在密封后纹影镜筒的侧面。密封前观察窗5为小尺寸密封前观察窗，其口径小于有效流场显示范围1/10，不遮挡光线的有效通过口径。密封后观察窗11为小尺寸密封后观察窗，其口径小于有效流场显示范围1/10，不遮挡光线有效通过口径。

超高亮度led灯1发出的光线经过聚光透镜组2聚光，经过聚光透镜组2聚光后光线经过“口”字型狭缝3，被“口”字型狭缝中红、黄、绿、蓝四种有色玻璃“口”字形的四条窄狭缝滤光。滤光后的光线被第一平面反射镜4反射到小尺寸密封前观察窗5，光线通过小尺寸密封前观察窗5入射到准直主反射镜6，准直主反射镜6对光线准直，并将光线反射到密封前纹影镜筒7，光线通过密封前纹影镜筒7到达试验舱8，试验舱8放置于高速风洞内，光线经过试验舱8内的高速风洞后通过密封后纹影镜筒9入射到纹影主反射镜10，纹影主反射镜10将光线反射通过小尺寸密封后观察窗11到达第二平面反射镜12，第二平面反射镜12将光线反射到刀口13，刀口控制器14控制刀口13内“口”字型的四条狭缝3位置，使得光线通过刀口13抵达聚焦透镜组15，聚焦透镜组15将光线聚焦于纹影相机16的感光面，纹影相机16对出射光线进行成像，得到试验舱8内高速气流的纹影图像。

本发明提供一种适用于风洞的大口径彩色纹影系统，该系统有效流场显示范围大于φ1m，在风洞试验段两侧未使用大口径(大于或等于流场显示范围)窗口玻璃。纹影主镜设备直接面临风洞中高速气流扰动和冲击，成功解决了因为窗口玻璃材料的不均匀性限制高灵敏度和背景照度均匀性的问题，极大程度的降低了大口径纹影设备的建设成本，可以广泛用于其他大口径纹影系统建设中。

本发明采用1m级口径以上试验设备，通过密封纹影镜筒与试验舱将试验设备与风洞试验段连为一体。在试验舱8两侧开设小尺寸密封观察窗(小于有效流场显示范围1/10)，将光源系统与成像系统隔离在风洞密封环境以外，此种设置是一个外部手段对目标进行监测，便于外部观察者操作与调节，也保证了操作者的安全性。本发明系统灵敏度高，可显示气流扰动引起折射率变化为5×10-5的流场，系统在测试区没有扰动时，像面照度均匀性高于97％。