飞行器异型曲面内流道流场可视化玻璃观察窗及设计方法与流程

本发明属于空气动力学技术领域，是一种飞行器异型曲面内流道流场可视化玻璃观察窗及其设计方法。

背景技术：

高超声速飞行器具有快速抵达、高速突防的能力，是世界各军事强国关注的重点。采用吸气式超燃发动机或者组合发动机为动力的高超声速飞行器，通过捕获空气中的氧气，减少了氧化剂携带量，从而使飞行器获得很高的性能，成为21世纪科技发展的制高点。高超声速飞行器的超燃冲压发动机广泛采用内转式进气道作为其压缩进气部件。

高超声速飞行器使用的内转式进气道，由于采用三维空间压缩，具有压缩效率高、阻力小等优势，已成为当前吸气式高超声速动力系统技术发展的一个重要方向，并从早先的理论设计阶段正在走向实践阶段。

内转式进气道的型面都是异型曲面，构型不同于常规，平面观察窗的设计方法已无法使用在异型曲面观察窗的设计上，而采用一般的曲面观察窗设计又会导致光线的偏折，造成观察到的流动结构失真，给试验观察内部的流动带来了困难，如图1(a)和图1(b)所示，因而试验中获得内流结构已成为研究的一大瓶颈。

为此需要发展新的适应异型曲面的观察窗设计方法，以有效地显示这类复杂流动结构，从而帮助进行流动规律分析，更好地开展内转式进气道设计。

国内外在进气道内流场可视化试验研究，主要表现在以下两个方面：①由于观察窗内外壁面均为平面易于设计，常规高超声速二维进气道内流场可视化试验研究比较成熟。②由于异型曲面玻璃观察窗难以设计，除了在内转式进气道外部获得可视化试验结果外，尚未见高超声速内转式进气道内流场可视化试验结果。

现有技术中因为玻璃观察窗设计方法上存在难度，无法有效地获得三维内转式进气道内流场可视化试验结果。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：通过异型曲面内流道流场可视化玻璃观察窗及其设计方法，打破传统的飞行器模型平板玻璃观察窗的设计思想，通过成熟的光学非接触测量方法获得高超声速飞行器内转进气道内流结构试验结果，为流动分析及高超声速飞行器研究提供可靠的试验依据。

因此，本发明要根据已知的异型曲面内流道壁面作为玻璃窗的内表面，设计出唯一的光学曲面作为玻璃窗的外表面，使得入射光束经过玻璃窗后，出射光束的传输方向与入射光束一致，如图2所示。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种飞行器异型曲面内流道流场可视化玻璃观察窗，用于观察由一系列离散点构成的不规则的三维异型曲面内流道流场，包括两个通光表面，分别为内表面C₁和外表面C₂，所述玻璃观察窗内表面C₁与内流道壁面完全一致，光线经过内表面后产生偏折和交叉，玻璃观察窗外表面C₂为校正曲面，用于消除内表面产生的光线偏折，使平行光从光学玻璃观察窗穿过后仍为平行光。

作为优选方式，所述的飞行器异型曲面内流道流场可视化玻璃观察窗的设计方法为：选择光的入射方向为X轴的正方向，垂直于入射光方向的平面为YZ平面来建立三维坐标系OXYZ；曲面C₁是异型曲面内流道的壁面，它是离散点P₁的集合，是内流道模型设计时已知的数据，选定玻璃材料和光学玻璃厚度后，玻璃的折射率n与玻璃的中心厚度d已知；光线平行于X轴入射到达P₁点，经过曲面C₁折射后到达C₂面上的P₂点，再经过C₂曲面折射后再次平行于X轴出射，光学玻璃观察窗设计的最终目标就是得到P₂点的集合确定出曲面C₂，C₂是观察窗的外表面，亦即：已知曲面C₁，给定玻璃的折射率n与玻璃的中心厚度d，求曲面C₂，使得入射的平行光线通过C₁-C₂构成的玻璃后依然平行出射。

作为优选方式，所述玻璃窗通过如下设计方法得到：P₁(a,b,c)是曲面C₁上已知的任意一点，依据C₁表面上P₁点周围附近的四个点，求叉乘得到P₁点的法线l，令其单位向量为l＝(l₁,l₂,l₃)，根据光的折射定律，到达P₁点的入射光线，出射光线P₁P₂，C₁面在P₁点的法线l三线共面，且：

$\frac{{\mathrm{sin\α}}_1}{{\mathrm{sin\α}}_2}=n_{1,2}=n---\left(1\right)$

${\mathrm{sin\α}}_1=\sqrt{l_2^2+l_3^2}---\left(2\right)$

依据(1)、(2)得到α₁、α₂；根据费马原理，Q₁是P₁在X轴方向的投影，Q₃、Q₂分别是X轴和C₁面、C₂面的交点；P₃是C₂面上从P₂点出射的光线上的一点，其在X轴上的投影是Q₂；光线从P₁点到P₃点的光程与光线从Q₁点到Q₂点的光程相等，令C₂面上被求点P₂(x,y,z)，Q₃点横坐标a₃，那么有：

n|P₁P₂|+|P₂P₃|＝|Q₁Q₃|+n|Q₃Q₂| (3)

即:

$\frac{n(x-a)}{\cos ({\mathrm{\α}}_1-{\mathrm{\α}}_2)}+(d+a_3-x)=(a_3-a)+dn---\left(4\right)$

因为P₁P₂与l在同一平面内，则有：

$\sqrt{{(y-b)}^2+{(z-c)}^2}=(x-a)tan({\mathrm{\α}}_1-{\mathrm{\α}}_2)---\left(5\right)$

或

联立(4)、(5)、(6)得到P₂(x,y,z)，所有P₂(x,y,z)的集合就得到曲面C₂。

为实现上述发明目的，本发明还提供一种飞行器异型曲面内流道流场可视化玻璃观察窗的设计方法，包括如下步骤：

P₁(a,b,c)是曲面C₁上已知的任意一点，依据C₁表面上P₁点周围附近的四个点，求叉乘得到P₁点的法线l，令其单位向量为l＝(l₁,l₂,l₃)，根据光的折射定律，到达P₁点的入射光线，出射光线P₁P₂，C₁面在P₁点的法线l三线共面，且：

$\frac{{\mathrm{sin\α}}_1}{{\mathrm{sin\α}}_2}=n_{1,2}=n---\left(1\right)$

${\mathrm{sin\α}}_1=\sqrt{l_2^2+l_3^2}---\left(2\right)$

依据(1)、(2)得到α₁、α₂；根据费马原理，Q₁是P₁在X轴方向的投影，Q₃、Q₂分别是X轴和C₁面、C₂面的交点；P₃是C₂面上从P₂点出射的光线上的一点，其在X轴上的投影是Q₂；光线从P₁点到P₃点的光程与光线从Q₁点到Q₂点的光程相等，令C₂面上被求点P₂(x,y,z)，Q₃点横坐标a₃，那么有：

n|P₁P₂|+|P₂P₃|＝|Q₁Q₃|+n|Q₃Q₂| (3)

即:

$\frac{n(x-a)}{\cos ({\mathrm{\α}}_1-{\mathrm{\α}}_2)}+(d+a_3-x)=(a_3-a)+dn---\left(4\right)$

因为P₁P₂与l在同一平面内，则有：

$\sqrt{{(y-b)}^2+{(z-c)}^2}=(x-a)tan({\mathrm{\α}}_1-{\mathrm{\α}}_2)---\left(5\right)$

或

联立(4)、(5)、(6)得到P₂(x,y,z)，所有P₂(x,y,z)的集合就得到曲面C₂。

本发明的有益效果为：入射的平行光线通过本发明设计方法设计出来的由C₁面和C₂面构成的可视化玻璃后依然平行出射，利用本观察窗观察异型曲面内流道流动不会导致光线的偏折和交叉，观察到的流动结构无失真现象，通过本异型曲面内流道光学玻璃观察窗，可以实现对任意的异型曲面内流道三维流场进行光学非接触测量可视化试验研究，通过成熟的光学非接触测量方法获得高超声速飞行器内转进气道内流结构试验结果，为流动分析及高超声速飞行器研究提供可靠的试验依据，该设计方法不仅可以用于内流的流动显示，还可用于红外导引头、异型面雷达透波窗口的设计。

附图说明

图1(a)和图1(b)为某内转式进气道流场计算结果，其中图1(a)为对称面流场结构，图1(b)为内通道喉道截面流场结构；

图2为异型曲面玻璃观察窗光束传输示意图；

图3为光学玻璃窗设计原理图；

图4为内转式进气道模型结构简图；

图5为针对图4中的进气道模型内型面和图1所示的流场位置采用异型曲面内流道流场可视化玻璃观察窗设计方法设计出来的一对异型曲面光学玻璃观察窗。

图6(a)-图6(d)为异型面玻璃窗的TracePro验证结果图：

图6(a)为距第一块玻璃40mm位置的入射光斑；

图6(b)为两玻璃窗之间的光斑；

图6(c)为距第二块玻璃50mm位置的出射光斑；

图6(d)为距第二块玻璃500mm位置的出射光斑。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

异型曲面内流道是一个由一系列离散点构成的不规则的的三维曲面,这些曲面的一个共同点就是不能用简单的数学方程进行描述。

异型曲面内流道光学玻璃观察窗设计，就是玻璃观察窗的内表面必须与内流道壁面完全一致，这样玻璃观察窗的内表面就相当于一个光学折射面，势必引起光线的偏折。设计时，我们在光路中加入校正曲面，就可以消除内表面产生的光线偏折影响，确保光束从光学玻璃观察窗穿过后不产生光线偏折，即平行光从第一块玻璃观察窗进入内流道试验段仍为平行光，从试验段出射穿过第二块玻璃观察窗后也是平行光，即玻璃窗只是起到密封气流和光学流动可视化光学玻璃观察窗的作用，而完全不能产生光学透镜偏折的影响。

为了使光路调整方便和简化加工程序，我们把在光路中加入的校正曲面作为玻璃窗的外表面，通过合理的设计就可以满足异型曲面内流道光学玻璃观察窗的设计要求。

如图3所示，一种飞行器异型曲面内流道流场可视化玻璃观察窗，用于观察由一系列离散点构成的不规则的三维异型曲面内流道，包括两个通光表面，分别为内表面C₁和外表面C₂，所述玻璃观察窗内表面C₁与内流道壁面完全一致，光线经过内表面后产生偏折，玻璃观察窗外表面C₂为校正曲面，用于消除内表面产生的光线偏折和交叉，使平行光从光学玻璃观察窗穿过后仍为平行光。

所述的飞行器异型曲面内流道流场可视化玻璃观察窗的设计方法为：选择光的入射方向为X轴的正方向，垂直于入射光方向的平面为YZ平面来建立三维坐标系OXYZ；曲面C₁是异型曲面内流道的壁面，它是离散点P₁的集合，是内流道模型设计时已知的数据，选定玻璃材料和光学玻璃厚度后，玻璃的折射率n与玻璃的中心厚度d已知；光线平行于X轴入射到达P₁点，经过曲面C₁折射后到达C₂面上的P₂点，再经过C₂曲面折射后再次平行于X轴出射，光学玻璃观察窗设计的最终目标就是得到P₂点的集合确定出曲面C₂，C₂是观察窗的外表面，亦即：已知曲面C₁，给定玻璃的折射率n与玻璃的中心厚度d，求曲面C₂，使得入射的平行光线通过C₁-C₂构成的玻璃后依然平行出射。

P₁(a,b,c)是曲面C₁上已知的任意一点，依据C₁表面上P₁点周围附近的四个点，求叉乘得到P₁点的法线l，令其单位向量为l＝(l₁,l₂,l₃)，根据光的折射定律，到达P₁点的入射光线，出射光线P₁P₂，C₁面在P₁点的法线l三线共面，且：

$\frac{{\mathrm{sin\α}}_1}{{\mathrm{sin\α}}_2}=n_{1,2}=n---\left(1\right)$

${\mathrm{sin\α}}_1=\sqrt{l_2^2+l_3^2}---\left(2\right)$

依据(1)、(2)得到α₁、α₂；根据费马原理，Q₁是P₁在X轴方向的投影，Q₃、Q₂分别是X轴和C₁面、C₂面的交点；P₃是C₂面上从P₂点出射的光线上的一点，其在X轴上的投影是Q₂；光线从P₁点到P₃点的光程与光线从Q₁点到Q₂点的光程相等，令C₂面上被求点P₂(x,y,z)，Q₃点横坐标a₃，那么有：

n|P₁P₂|+|P₂P₃|＝|Q₁Q₃|+n|Q₃Q₂| (3)

即:

$\frac{n(x-a)}{\cos ({\mathrm{\α}}_1-{\mathrm{\α}}_2)}+(d+a_3-x)=(a_3-a)+dn---\left(4\right)$

因为P₁P₂与l在同一平面内，则有：

$\sqrt{{(y-b)}^2+{(z-c)}^2}=(x-a)tan({\mathrm{\α}}_1-{\mathrm{\α}}_2)---\left(5\right)$

或

联立(4)、(5)、(6)得到P₂(x,y,z)，所有P₂(x,y,z)的集合就得到曲面C₂。

图4为内转式进气道模型结构简图；

图5为针对图4中的进气道模型内型面和图1所示的流场位置采用异型曲面内流道流场可视化玻璃观察窗设计方法设计出来的一对异型曲面光学玻璃观察窗。

图6(a)-图6(d)为异型面玻璃窗的TracePro验证结果图：

图6(a)为距第一块玻璃40mm位置的入射光斑；

图6(b)为两玻璃窗之间的光斑；

图6(c)为距第二块玻璃50mm位置的出射光斑；

图6(d)为距第二块玻璃500mm位置的出射光斑。

TracePro是一套普遍用于照明系统、光学分析、辐射度分析及光度分析的光线模拟软件。我们采用光线追迹软件Tracepro对设计结果进行验证，从图6(a)-图6(d)中可以看出：平行光束通过两组窗口后，光斑形状几乎没有变化，光强分布均匀性较好，说明入射的平行光线通过本发明设计方法设计出来的由C₁面和C₂面构成的可视化玻璃后依然平行出射。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。