本发明属于高速飞行器技术领域，尤其是一种激波风洞判断进气道起动的壁面丝线流动显示方法，及激波风洞进气道试验中拍摄壁面丝线动作投影图像使用的高速摄影实验系统。
背景技术：
高速飞行器飞行速度快、突防能力强，具有很高的军事和民用价值，是未来进入临近空间并控制临近空间、保证控制优势的关键支柱，同时也是对临近空间进行大规模开发的载体，是一种具有广阔开发前景的新型未来飞行器。
高速飞行器主要采用吸气式超燃冲压发动机为推进系统，而进气道是超燃冲压发动机首当其冲的气动部件，其性能将直接影响推进系统的工作特性。进气道稳定的起动是推进系统能够正常工作的前提，不起动的进气道将导致燃烧室无法正常工作，从而导致推进系统无法产生足够的动力，飞行器难以保持稳定的飞行状态。因此，起动性能是进气道的关键气动性能之一，对实现吸气式高速飞行具有重要意义。
常规风洞中开展进气道起动性能试验研究时，通常采用传感器压力测量技术以及阴影或纹影照相技术获得的试验结果来判断进气道的起动性能。但是在激波风洞中进行进气道起动性能试验时，由于风洞试验时间非常短(几毫秒)、来流密度低、总温高，考虑到以下三个因素：(1)测压传感器的频率响应、量程、联校，(2)阴影或纹影照相系统的灵敏度，(3)流场自发光的影响，常规风洞中的传感器压力测量以及阴影或纹影照相等测试技术无法为迅速判断进气道是否起动提供有价值的试验数据。为此，针对激波风洞进气道试验提出一种快速判断进气道起动状态的壁面丝线法流动显示方法，获得进气道流场的壁面丝线法流动图谱，通过流动图谱方便、高效、准确地判断进气道的起动状态。
国内外在进气道起动试验中，用于进气道起动状态判断的试验技术，主要包括以下两个方面：(1)传感器压力测量技术，通过传感器测量得到进气道壁面的静压分布数据，以此判断进气道的起动状态。(2)阴影或纹影技术，通过阴影或纹影技术获得进气道模型压缩面和唇口附近的流场结构，以此判断进气道的起动状态。
在激波风洞中，采用传感器压力测量技术判断进气道的起动状态试验，主要存在以下几个方面的不足：
(1)由于激波风洞的流场稳定时间非常短(几毫秒)，以及进气道壁面测压孔与传感器端面存在的空腔效应，传感器的频率响应必须足够高(100mhz以上)，否则测量的压力数据不能反映进气道壁面的真实压力特性。
(2)传感器量程的选择严重影响进气道壁面压力测量结果，量程过小会导致传感器信号出现饱和无法得到压力数据，量程过大会导致传感器压力信号被干扰噪声淹没。
(3)压力传感器的壁面静压整体联校比较繁琐，表现在四个方面：对接处密封性差易漏气，操作难度大不易实现，联校效率低，联校结果受人为影响因素大。
(4)传感器线路会干扰进气道部件更换或状态更换，多次安装会更加繁琐，可靠性也会降低，排出故障与更换都很麻烦。
在激波风洞中，采用阴影或纹影技术判断进气道的起动状态试验，主要存在以下两个方面的问题：
(1)激波风洞来流密度低，甚至低于阴影仪系统或纹影仪系统的灵敏度极限，导致采用阴影技术或纹影技术无法获得进气道模型压缩面和唇口附近清晰的流场结构，因此无法给进气道起动状态的判断提供可靠的实验依据。
(2)激波风洞总温高导致流场自发光，采用阴影或纹影技术获取进气道模型压缩面和唇口附近的流场结构时，流场自发光会通过阴影系统或纹影系统与流场信息同时记录到高速相机中存储下来，造成流场结构被流场自发光淹没无法获得清晰的流场结构图谱，因此不能给进气道起动状态的判断提供可靠的实验依据。
技术实现要素：
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种激波风洞判断进气道起动的壁面丝线流动显示方法，及一种激波风洞进气道试验中拍摄壁面丝线动作投影图像使用的高速摄影实验系统。
本发明的进气道起动状态判断思想如下：
针对激波风洞试验时间短(几毫秒)、来流密度低、总温高的特点，在进行进气道起动试验时采用壁面丝线流动显示方法，在进气道模型压缩面及隔离段内流道表面植入丝线，试验中通过高速相机拍摄丝线动作的投影图像，依据图像中丝线的运动获得进气道压缩面及隔离段内壁面的流场结构，从而给进气道的起动状态提供判断的试验依据。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
激波风洞判断进气道起动的壁面丝线流动显示方法，在进气道模型压缩面及隔离段内流道表面垂直植入丝线，通过高速相机拍摄壁面丝线动作的投影图像，依据投影图像中丝线的运动获得进气道压缩面及隔离段内壁面的流场结构，根据流场结构快速判断进气道的起动状态。
作为优选方式，壁面丝线动作投影图像反映激波风洞进气道试验过程的四种状态：第一种是丝线无偏摆表示激波风洞流场建立前的稳定状态；第二种是丝线偏摆方向与激波风洞来流方向相反表示进气道完全没有起动形成倒流；第三种是丝线偏摆方向与激波风洞来流方向一致但丝线投影长度变短表示进气道不完全起动有分离流形成；第四种是丝线偏摆方向与激波风洞来流方向一致且丝线投影长度等于丝线原始长度表示进气道完全起动。
作为优选方式，丝线为黑色缝纫棉质丝线，丝线间距15-20mm，丝线长度比丝线间距小1-2mm。
作为优选方式，每2根丝线为一组，每组之间的间距为15-20mm。
作为优选方式，风洞来流条件为：马赫数11.6，总温7880k，总压17.6mpa。
作为优选方式，采用阴影仪系统作为进气道模型的投影照明系统，通过高速摄像机将壁面丝线在进气道起动试验中动作历程的的投影图像成像记录到摄像机ccd上，然后经千兆网络传输至计算机进行存储分析。
作为优选方式，阴影仪系统的光源是36v400w卤钨灯，高速相机的拍摄帧频为10000fps，曝光时间为1/440000s，图像的像素分辨率为896*848。
作为优选方式，在进气道模型的压缩面和隔离段内壁面设有直径ф1mm的穿线孔，在丝线间距范围选定一个固定值作为穿线孔的间距，穿线孔轴线与模型表面垂直。
作为优选方式，拍摄壁面丝线动作投影图像时使用的高速摄影实验系统，包括：第一纹影反射镜1，卤钨灯光源2，风洞试验段3，模型支座4，风洞观察窗5，植入丝线的进气道模型总成6，丝线7，平行光束8，第二纹影反射镜9，高速摄像机10，计算机11，风洞喷管12；
进气道模型总成在进气道模型压缩面及隔离段内流道表面垂直植入丝线7，植入丝线7的进气道模型总成6固定在模型支座4上，模型支座4位于风洞试验段3的中轴线上，第一纹影反射镜1和第二纹影反射镜9分别位于风洞试验段外面的两端，卤钨灯光源2位于风洞试验段3外侧，卤钨灯光源2发出的光投射到第一纹影反射镜1表面，经第一纹影反射镜1反射以后的平行光束8穿过风洞观察窗5对植入丝线的进气道模型总成6进行投影照明，植入丝线的进气道模型总成6位于风洞试验段3内部并位于风洞喷管12出口，风洞观察窗5位于风洞试验段3的端部，第二纹影反射镜9与第一纹影反射镜1相向设置，平行光束8投射到第二纹影反射镜9经第二纹影反射镜9反射后到达高速摄像机10，高速摄像机10与计算机11连接。
作为优选方式，所述高速摄影实验系统中，卤钨灯光源2发出的光经扩束后变成发散光束入射到第一纹影反射镜1的表面，从第一纹影反射镜1出射的平行光束8通过风洞观察窗的第一窗口进入风洞试验段3对进气道植入丝线部分进行投影照明，经过植入丝线的进气道模型总成6的平行光束8从与风洞观察窗5的第一窗口正对的第二窗口出射后入射到第二纹影反射镜9的表面，经第二纹影反射镜9会聚后到达高速摄像机10的镜头上，通过对高速摄像机进行调焦将植入丝线的进气道模型总成6植入丝线部分成像在高速摄像机的ccd上，高速摄像机10通过千兆网络与计算机11相连，计算机11将采集到的图像进行存储和处理分析。
为实现上述发明目的，本发明还提供一种激波风洞进气道试验中拍摄壁面丝线动作投影图像使用的高速摄影实验系统，包括：第一纹影反射镜1，卤钨灯光源2，风洞试验段3，模型支座4，风洞观察窗5，植入丝线的进气道模型总成6，丝线7，平行光束8，第二纹影反射镜9，高速摄像机10，计算机11，风洞喷管12；
进气道模型总成在进气道模型压缩面及隔离段内流道表面垂直植入丝线7，植入丝线7的进气道模型总成6固定在模型支座4上，模型支座4位于风洞试验段3的中轴线上，第一纹影反射镜1和第二纹影反射镜9分别位于风洞试验段外面的两端，卤钨灯光源2位于风洞试验段3外侧，卤钨灯光源2发出的光投射到第一纹影反射镜1表面，经第一纹影反射镜1反射以后的平行光束8穿过风洞观察窗5对植入丝线的进气道模型总成6进行投影照明，植入丝线的进气道模型总成6位于风洞试验段3内部并位于风洞喷管12出口，风洞观察窗5位于风洞试验段3的端部，第二纹影反射镜9与第一纹影反射镜1相向设置，平行光束8投射到第二纹影反射镜9经第二纹影反射镜9反射后到达高速摄像机10，高速摄像机10与计算机11连接。
本发明的有益效果为：本发明通过发展用于激波风洞进气道试验中进气道起动状态判断的壁面丝线流动显示方法，获得进气道压缩面和隔离段内壁面清晰的流场结构，简单、经济、快速、准确地判定进气道的起动状态，为流动分析、进气道设计及流动计算提供可靠的试验依据。
附图说明
图1是本发明激波风洞进气道起动试验中壁面丝线动作历程的高速摄影光学系统图；
图2是本发明激波风洞进气道起动试验中壁面丝线动作投影图像反映的四种状态；
1为第一纹影反射镜，2为卤钨灯光源，3为风洞试验段，4为模型支座，5为风洞观察窗，6为植入丝线的进气道模型总成，7为丝线，8为平行光束，9为第二纹影反射镜，10为高速摄像机，11为计算机，12为风洞喷管。
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。
实施例1
本实施例提供一种激波风洞判断进气道起动的壁面丝线流动显示方法，在进气道模型压缩面及隔离段内流道表面垂直植入丝线，通过高速相机拍摄壁面丝线动作的投影图像，依据投影图像中丝线的运动获得进气道压缩面及隔离段内壁面的流场结构，根据流场结构快速判断进气道的起动状态。
如图2所示，壁面丝线动作投影图像反映激波风洞进气道试验过程的四种状态：第一种是丝线无偏摆表示激波风洞流场建立前的稳定状态；第二种是丝线偏摆方向与激波风洞来流方向相反表示进气道完全没有起动形成倒流；第三种是丝线偏摆方向与激波风洞来流方向一致但丝线投影长度变短表示进气道不完全起动有分离流形成；第四种是丝线偏摆方向与激波风洞来流方向一致且丝线投影长度等于丝线原始长度表示进气道完全起动。
本实施例中，丝线为黑色缝纫棉质丝线，丝线间距15-20mm，丝线长度比丝线间距小1-2mm。
本实施例中，每2根丝线为一组，每组之间的间距为15-20mm。
本实施例中，风洞来流条件为：马赫数11.6，总温7880k，总压17.6mpa。
本实施例中，采用阴影仪系统作为进气道模型的投影照明系统，通过高速摄像机将壁面丝线在进气道起动试验中动作历程的的投影图像成像记录到摄像机ccd上，然后经千兆网络传输至计算机进行存储分析。
作为优选方式，阴影仪系统的光源是36v400w卤钨灯，高速相机的拍摄帧频为10000fps，曝光时间为1/440000s，图像的像素分辨率为896*848。
作为优选方式，在进气道模型的压缩面和隔离段内壁面设有直径ф1mm的穿线孔，在丝线间距范围选定一个固定值作为穿线孔的间距，穿线孔轴线与模型表面垂直。
实施例2
实施例1中的丝线流动显示方法使用一种拍摄壁面丝线动作投影图像的高速摄影实验系统，包括：第一纹影反射镜1，卤钨灯光源2，风洞试验段3，模型支座4，风洞观察窗5，植入丝线的进气道模型总成6，丝线7，平行光束8，第二纹影反射镜9，高速摄像机10，计算机11，风洞喷管12；
进气道模型总成在进气道模型压缩面及隔离段内流道表面垂直植入丝线7，植入丝线7的进气道模型总成6固定在模型支座4上，模型支座4位于风洞试验段3的中轴线上，第一纹影反射镜1和第二纹影反射镜9分别位于风洞试验段外面的两端，卤钨灯光源2位于风洞试验段3外侧，卤钨灯光源2发出的光投射到第一纹影反射镜1表面，经第一纹影反射镜1反射以后的平行光束8穿过风洞观察窗5对植入丝线的进气道模型总成6进行投影照明，植入丝线的进气道模型总成6位于风洞试验段3内部并位于风洞喷管12出口，风洞观察窗5位于风洞试验段3的端部，第二纹影反射镜9与第一纹影反射镜1相向设置，平行光束8投射到第二纹影反射镜9经第二纹影反射镜9反射后到达高速摄像机10，高速摄像机10与计算机11连接。
所述高速摄影实验系统中，卤钨灯光源2发出的光经扩束后变成发散光束入射到第一纹影反射镜1的表面，从第一纹影反射镜1出射的平行光束8通过风洞观察窗的第一窗口进入风洞试验段3对进气道植入丝线部分进行投影照明，经过植入丝线的进气道模型总成6的平行光束8从与风洞观察窗5的第一窗口正对的第二窗口出射后入射到第二纹影反射镜9的表面，经第二纹影反射镜9会聚后到达高速摄像机10的镜头上，通过对高速摄像机进行调焦将植入丝线的进气道模型总成6植入丝线部分成像在高速摄像机的ccd上，高速摄像机10通过千兆网络与计算机11相连，计算机11将采集到的图像进行存储和处理分析。
实施例3
本实施例提供一种激波风洞进气道试验中拍摄壁面丝线动作投影图像使用的高速摄影实验系统，包括：第一纹影反射镜1，卤钨灯光源2，风洞试验段3，模型支座4，风洞观察窗5，植入丝线的进气道模型总成6，丝线7，平行光束8，第二纹影反射镜9，高速摄像机10，计算机11，风洞喷管12；
进气道模型总成在进气道模型压缩面及隔离段内流道表面垂直植入丝线7，植入丝线7的进气道模型总成6固定在模型支座4上，模型支座4位于风洞试验段3的中轴线上，第一纹影反射镜1和第二纹影反射镜9分别位于风洞试验段外面的两端，卤钨灯光源2位于风洞试验段3外侧，卤钨灯光源2发出的光投射到第一纹影反射镜1表面，经第一纹影反射镜1反射以后的平行光束8穿过风洞观察窗5对植入丝线的进气道模型总成6进行投影照明，植入丝线的进气道模型总成6位于风洞试验段3内部并位于风洞喷管12出口，风洞观察窗5位于风洞试验段3的端部，第二纹影反射镜9与第一纹影反射镜1相向设置，平行光束8投射到第二纹影反射镜9经第二纹影反射镜9反射后到达高速摄像机10，高速摄像机10与计算机11连接。
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。