一种超声速风洞二元挠性壁喷管型面检测方法及装置与流程

本发明涉及航空航天风洞试验领域，尤其是一种超声速风洞二元挠性壁喷管型面检测方法及装置。

背景技术：

喷管是超声速风洞的核心部段，喷管型面是获得试验马赫数的关键，其变化不仅会导致实际试验马赫数的变化，同时也会对空间流场(全流场或局部流场)产生影响，这些都会影响试验数据的可靠性。因此，需要定期对喷管型面进行检测。

二元挠性壁喷管主要采用框架结构，结构示意图如图1、图2所示，图1中1为左右框架、2为支撑上下壁板执行机构的上下梁、3为上下壁板、4为上下壁板执行机构、5为左右侧壁。图2中3为上下壁板，4为上下壁板执行机构。其中，左右框架(1)为对称、独立的结构，通过与上下梁(2)的连接，组成二元挠性壁喷管的整体支撑框架。上下壁板(3)为挠性板，通过控制执行机构(4)的行程来控制挠性板的弯曲形状使之与喷管气动理论型面相吻合以得到不同马赫数的喷管型面。左右侧壁(5)为平行实壁。执行机构(4)一端通过各自的悬挂梁支承在上下梁(2)上，另一端通过铰链方式与上下壁板(3)连接。左右壁板(5)通过螺栓分别与上下梁(2)连接。

目前，超声速风洞二元挠性壁喷管型面检测的主要设备是一种伺服控制跟踪的激光干涉测量系统(简称：激光跟踪仪)。激光跟踪仪是球坐标测量系统，激光跟踪仪跟踪头架设在一个固定位置，通过跟踪一个内嵌角锥棱镜的光学反射器(简称：靶球)，由激光干涉测距光路测量靶球到激光跟踪仪的线性距离，由两个角度传感器测量靶球相对于跟踪头回转中心的垂直角和水平角，即可实时给出靶球中心位置的空间坐标。

现有的二元挠性壁喷管型面检测方法的主要缺点是：

检测前准备工作及检测后恢复工作工作量大。检测前需要打开喷管左右侧壁，侧壁分别与上下梁采用螺栓连接，拆装工作量大，同时，为了架设激光跟踪仪跟踪头并尽可能保持其位置固定，需要在拉开后露出的下梁上安装固定支架等辅助测量装置。在喷管型面检测结束后，辅助测量装置拆除以及侧壁合拢等工作均需花费大量的时间，极大的限制了喷管型面检测工作开展的可选时间。

测量结果可靠性不高。由于激光跟踪仪跟踪头架设在喷管下梁，在喷管型面更换时，由于执行机构动作产生的振动很有可能会导致跟踪头位置变化，如果不进行坐标系修正，很有可能影响喷管型面检测结果的真实性。而每次型面检测前均进行坐标系修正也是一项繁琐的工作。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的问题，提供一种超声速风洞二元挠性壁喷管型面检测方法及装置。采用该方法无论超声速风洞二元挠性壁喷管侧壁处于合拢时的工作状态，还是处于打开时的检修状态，均能够实现喷管型面的快速检测，大大缩短了喷管型面检测准备时间，有效地提高了喷管型面检测效率，保证喷管型面测量结果的可靠性。

本发明采用的技术方案如下：

一种超声速风洞二元挠性壁喷管型面检测方法包括：

通过激光跟踪仪测量喷管上固定的点、线，并以此建立基准坐标系；

成型给定马赫数对应的喷管型面并锁紧；

通过靶球，激光跟踪仪获得整个喷管型面的空间坐标；

激光跟踪仪进行数据处理后，与实测结果进行比对，确定实测喷管型面质量；

进一步的，所述基准坐标系建立是在激光跟踪仪架设在喷管出口下游的独立平台上测量喷管上固定的点、线为前提；

通过xoy面、xoz面以及根据喷管出口法兰面构建的平面为交点作为基准坐标系原点，通过该原点建立基准坐标系；并且上下壁板侧边沿空间坐标的测量方式为靶球同时紧贴喷管侧壁以及上下壁板沿轴向移动测量。

进一步的，所述xoz面指的是；

测量喷管入口上下边沿的空间坐标，分别拟合得到直线ab和dc，进而拟合得到直线ab和dc的中线gh；

测量喷管出口上下边沿的空间坐标，分别拟合得到直线mn和pq，进而拟合得到直线mn和pq的中线rs；

利用直线gh和rs构建一个平面，记为xoz面，其正方向指向喷管上壁板。

进一步的，所述xoy面指的是：

分别测量上/下壁板侧边沿的空间坐标，分别拟合得到线段ij和kl，利用这两条线段构建一个平面，将该平面沿其法向移动给定距离(该距离为风洞喷管宽度的一半，方向为靠近风洞左右对称面)构建另一平面，记为xoy面，正方向指向顺气流喷管右侧壁；

进一步的，所述根据喷管出口法兰面构建的平面指的是：

测量喷管出口法兰面坐标并拟合出一个面，将该平面沿其法向方向移动给定距离构建另一平面，以此作为基准坐标系原点0所在平面，该平面正方向指向风洞下游。

进一步的，所述通过靶球，激光跟踪仪获得整个喷管型面的空间坐标：具体过程是：

将靶球贴着喷管型面移动，直至走完整个型面；靶球移动期间，跟踪头将实时跟踪测量靶球的位置，从而获得基于激光跟踪仪的球坐标系下整个喷管型面的空间坐标。

进一步的，所述激光跟踪仪进行数据处理后，与实测结果进行比对，确定实测喷管型面质量；具体包括：

利用激光跟踪仪自带软件进行轴系转换，将基于激光跟踪仪球坐标系下的喷管型面空间坐标转换为基准坐标系下的喷管型面空间坐标。

将实测结果与喷管型面理论结果比对，确定实测喷管型面质量。

一种超声速风洞二元挠性壁喷管型面检测装置，通过超声速风洞二元挠性壁喷管型面检测方法实现的，其包括：

基准坐标系建立模块：用于通过激光跟踪仪测量喷管上固定的点、线，并以此建立基准坐标系；

喷管型面成型模块：用于成型给定马赫数对应的喷管型面并锁紧；

空间坐标获取模块，用于通过靶球，激光跟踪仪获得整个喷管型面的空间坐标；

喷管型面质量判断模块，用于激光跟踪仪进行数据处理后，与实测结果进行比对，确定实测喷管型面质量；

其中，基准坐标系建立模块是在激光跟踪仪架设在喷管出口下游的独立平台上测量喷管上固定的点、线为前提；通过xoy面、xoz面以及根据喷管出口法兰面构建的平面为交点作为基准坐标系原点，通过该原点建立基准坐标系；并且上下壁板侧边沿空间坐标的测量方式为靶球同时紧贴喷管侧壁以及上下壁板沿轴向移动测量。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

不需要打开喷管左右侧壁和安装激光跟踪仪测量专用辅助装置，使得喷管型面检测的准备工作量大大减少，有效解决了制约喷管型面检测经常化的时间问题；将激光跟踪仪架设在与喷管独立的平台上，能够有效规避喷管动作产生的振动引起跟踪头位置变化的可能性，提高了喷管型面检测结果的可靠性。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是二元挠性壁喷管结构示意图。

其中附图1中标记1为左右框架、2为支撑上下壁板执行机构的上下梁、3为上下壁板、4为上下壁板执行机构、5为左右侧壁。

图2是二元挠性壁喷管结构剖视图。

其中附图2中标记3为上下壁板，4为上下壁板执行机构。

图3是喷管型面示意图。

其中图3中11为喷管入口法兰，12为喷管出口法兰，13为上壁板，14为下壁板。

图4是喷管入口法兰示意图。

图5是喷管出口法兰示意图。

图6是本发明的喷管型面快速检测方法的流程图。

图7是本发明的喷管型面快速检测方法中上/下壁板侧边沿测量方式示意图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明具体实施过程：

具体实施例：

步骤101：将激光跟踪仪架设在喷管出口下游的独立平台上；

步骤102：打开激光跟踪仪电源并预热30分钟；

步骤103：启动激光跟踪仪自检程序，确认其工作状态满足使用要求；

步骤104：通过激光跟踪仪测量喷管上一些固定的点和线，并以此为基础建立基准坐标系；

步骤105：成型给定马赫数对应的喷管型面并锁紧；

步骤106：通过靶球，激光跟踪仪获得整个喷管型面的空间坐标：具体是将靶球贴着喷管型面移动，直至走完整个型面。期间，跟踪头将实时跟踪测量靶球的位置，从而获得基于激光跟踪仪的球坐标系下整个喷管型面的空间坐标；

步骤107：激光跟踪仪进行数据处理后，与实测结果进行比对，确定实测喷管型面质量；具体包括：

1)利用激光跟踪仪自带软件进行轴系转换，将基于激光跟踪仪球坐标系下的喷管型面空间坐标转换为基准坐标系下的喷管型面空间坐标。

2)将实测结果与喷管型面理论结果比对，确定实测喷管型面质量。

在上述技术方案中，所述步骤101中，激光跟踪仪架设平台位于喷管出口下游，能够保证测量喷管喉道后扩张型面时跟踪头与靶球间光路不受遮挡，同时，平台与喷管相互独立，可以有效避免喷管执行机构动作产生的振动对跟踪头位置的影响。

在上述技术方案中，所述步骤104中，基准坐标系的建立方法如下：

图3、图4、图5分别给出了激光跟踪仪测量的喷管型面附近点和线的位置。其中图3中11为喷管入口法兰，12为喷管出口法兰，13为上壁板，14为下壁板。

步骤a：测量喷管出口法兰面坐标并拟合出一个面，将该平面沿其法向方向移动给定距离构建另一平面，以此作为基准坐标系原点0所在平面，该平面正方向指向风洞下游；

步骤b：测量喷管入口上下边沿的空间坐标，分别拟合得到直线ab和dc，进而拟合得到直线ab和dc的中线gh；

步骤c：测量喷管出口上下边沿的空间坐标，分别拟合得到直线mn和pq，进而拟合得到直线mn和pq的中线rs；

步骤d：利用直线gh和rs构建一个平面，记为xoz面，其正方向指向喷管上壁板；

步骤e：分别测量上/下壁板侧边沿的空间坐标，分别拟合得到线段ij和kl，利用这两条线段构建一个平面，将该平面沿其法向移动给定距离(该距离为风洞喷管宽度的一半，方向为靠近风洞左右对称面)构建另一平面，记为xoy面，正方向指向顺气流喷管右侧壁；

步骤f：xoy面、xoz面与步骤a拟合得到的平面的交点作为基准坐标系的原点，记为o。

步骤a中，需要移动的给定距离为喷管入口与出口之间的轴向距离，该值随风洞不同而不同，但针对每一座风洞而言为固定值。

步骤a中，之所以不选择采用喷管入口法兰进行平面拟合，而是采用喷管出口法兰进行平面拟合的主要原因是喷管左右侧壁不打开时，喷管入口法兰面被左右侧壁遮挡，无法测量。

步骤e中，上/下壁板侧边沿空间坐标的测量方式为靶球同时紧贴喷管侧壁以及上/下壁板沿轴向移动测量。原因在于喷管左右侧壁不打开时，上/下壁板侧边沿紧贴左右侧壁。图6、图7分别给出了两种测量方式对比。

可以看出，本发明不需要打开喷管左右侧壁和安装激光跟踪仪测量专用辅助装置，使得喷管型面检测前准备及型面检测后洞体条件恢复时间大大缩短，很好的解决了制约喷管型面检测的时间问题。同时，将激光跟踪仪架设在与喷管相对独立的平台上，能够有效规避喷管成型时振动导致激光跟踪仪跟踪头位置变化的风险，保证了喷管型面检测结果的可靠性。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。