本發(fā)明屬于空氣動(dòng)力學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，是一種飛行器異型曲面內(nèi)流道流場(chǎng)可視化玻璃觀察窗及其設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

高超聲速飛行器具有快速抵達(dá)、高速突防的能力，是世界各軍事強(qiáng)國(guó)關(guān)注的重點(diǎn)。采用吸氣式超燃發(fā)動(dòng)機(jī)或者組合發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的高超聲速飛行器，通過(guò)捕獲空氣中的氧氣，減少了氧化劑攜帶量，從而使飛行器獲得很高的性能，成為21世紀(jì)科技發(fā)展的制高點(diǎn)。高超聲速飛行器的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)廣泛采用內(nèi)轉(zhuǎn)式進(jìn)氣道作為其壓縮進(jìn)氣部件。

高超聲速飛行器使用的內(nèi)轉(zhuǎn)式進(jìn)氣道，由于采用三維空間壓縮，具有壓縮效率高、阻力小等優(yōu)勢(shì)，已成為當(dāng)前吸氣式高超聲速動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向，并從早先的理論設(shè)計(jì)階段正在走向?qū)嵺`階段。

內(nèi)轉(zhuǎn)式進(jìn)氣道的型面都是異型曲面，構(gòu)型不同于常規(guī)，平面觀察窗的設(shè)計(jì)方法已無(wú)法使用在異型曲面觀察窗的設(shè)計(jì)上，而采用一般的曲面觀察窗設(shè)計(jì)又會(huì)導(dǎo)致光線的偏折，造成觀察到的流動(dòng)結(jié)構(gòu)失真，給試驗(yàn)觀察內(nèi)部的流動(dòng)帶來(lái)了困難，如圖1(a)和圖1(b)所示，因而試驗(yàn)中獲得內(nèi)流結(jié)構(gòu)已成為研究的一大瓶頸。

為此需要發(fā)展新的適應(yīng)異型曲面的觀察窗設(shè)計(jì)方法，以有效地顯示這類復(fù)雜流動(dòng)結(jié)構(gòu)，從而幫助進(jìn)行流動(dòng)規(guī)律分析，更好地開展內(nèi)轉(zhuǎn)式進(jìn)氣道設(shè)計(jì)。

國(guó)內(nèi)外在進(jìn)氣道內(nèi)流場(chǎng)可視化試驗(yàn)研究，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：①由于觀察窗內(nèi)外壁面均為平面易于設(shè)計(jì)，常規(guī)高超聲速二維進(jìn)氣道內(nèi)流場(chǎng)可視化試驗(yàn)研究比較成熟。②由于異型曲面玻璃觀察窗難以設(shè)計(jì)，除了在內(nèi)轉(zhuǎn)式進(jìn)氣道外部獲得可視化試驗(yàn)結(jié)果外，尚未見高超聲速內(nèi)轉(zhuǎn)式進(jìn)氣道內(nèi)流場(chǎng)可視化試驗(yàn)結(jié)果。

現(xiàn)有技術(shù)中因?yàn)椴Ａв^察窗設(shè)計(jì)方法上存在難度，無(wú)法有效地獲得三維內(nèi)轉(zhuǎn)式進(jìn)氣道內(nèi)流場(chǎng)可視化試驗(yàn)結(jié)果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是：通過(guò)異型曲面內(nèi)流道流場(chǎng)可視化玻璃觀察窗及其設(shè)計(jì)方法，打破傳統(tǒng)的飛行器模型平板玻璃觀察窗的設(shè)計(jì)思想，通過(guò)成熟的光學(xué)非接觸測(cè)量方法獲得高超聲速飛行器內(nèi)轉(zhuǎn)進(jìn)氣道內(nèi)流結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果，為流動(dòng)分析及高超聲速飛行器研究提供可靠的試驗(yàn)依據(jù)。

因此，本發(fā)明要根據(jù)已知的異型曲面內(nèi)流道壁面作為玻璃窗的內(nèi)表面，設(shè)計(jì)出唯一的光學(xué)曲面作為玻璃窗的外表面，使得入射光束經(jīng)過(guò)玻璃窗后，出射光束的傳輸方向與入射光束一致，如圖2所示。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明技術(shù)方案如下：

一種飛行器異型曲面內(nèi)流道流場(chǎng)可視化玻璃觀察窗，用于觀察由一系列離散點(diǎn)構(gòu)成的不規(guī)則的三維異型曲面內(nèi)流道流場(chǎng)，包括兩個(gè)通光表面，分別為內(nèi)表面C₁和外表面C₂，所述玻璃觀察窗內(nèi)表面C₁與內(nèi)流道壁面完全一致，光線經(jīng)過(guò)內(nèi)表面后產(chǎn)生偏折和交叉，玻璃觀察窗外表面C₂為校正曲面，用于消除內(nèi)表面產(chǎn)生的光線偏折，使平行光從光學(xué)玻璃觀察窗穿過(guò)后仍為平行光。

作為優(yōu)選方式，所述的飛行器異型曲面內(nèi)流道流場(chǎng)可視化玻璃觀察窗的設(shè)計(jì)方法為：選擇光的入射方向?yàn)閄軸的正方向，垂直于入射光方向的平面為YZ平面來(lái)建立三維坐標(biāo)系OXYZ；曲面C₁是異型曲面內(nèi)流道的壁面，它是離散點(diǎn)P₁的集合，是內(nèi)流道模型設(shè)計(jì)時(shí)已知的數(shù)據(jù)，選定玻璃材料和光學(xué)玻璃厚度后，玻璃的折射率n與玻璃的中心厚度d已知；光線平行于X軸入射到達(dá)P₁點(diǎn)，經(jīng)過(guò)曲面C₁折射后到達(dá)C₂面上的P₂點(diǎn)，再經(jīng)過(guò)C₂曲面折射后再次平行于X軸出射，光學(xué)玻璃觀察窗設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)就是得到P₂點(diǎn)的集合確定出曲面C₂，C₂是觀察窗的外表面，亦即：已知曲面C₁，給定玻璃的折射率n與玻璃的中心厚度d，求曲面C₂，使得入射的平行光線通過(guò)C₁-C₂構(gòu)成的玻璃后依然平行出射。

作為優(yōu)選方式，所述玻璃窗通過(guò)如下設(shè)計(jì)方法得到：P₁(a,b,c)是曲面C₁上已知的任意一點(diǎn)，依據(jù)C₁表面上P₁點(diǎn)周圍附近的四個(gè)點(diǎn)，求叉乘得到P₁點(diǎn)的法線l，令其單位向量為l＝(l₁,l₂,l₃)，根據(jù)光的折射定律，到達(dá)P₁點(diǎn)的入射光線，出射光線P₁P₂，C₁面在P₁點(diǎn)的法線l三線共面，且：

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

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

依據(jù)(1)、(2)得到α₁、α₂；根據(jù)費(fèi)馬原理，Q₁是P₁在X軸方向的投影，Q₃、Q₂分別是X軸和C₁面、C₂面的交點(diǎn)；P₃是C₂面上從P₂點(diǎn)出射的光線上的一點(diǎn)，其在X軸上的投影是Q₂；光線從P₁點(diǎn)到P₃點(diǎn)的光程與光線從Q₁點(diǎn)到Q₂點(diǎn)的光程相等，令C₂面上被求點(diǎn)P₂(x,y,z)，Q₃點(diǎn)橫坐標(biāo)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?yàn)镻₁P₂與l在同一平面內(nèi)，則有：

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

或

聯(lián)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。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明還提供一種飛行器異型曲面內(nèi)流道流場(chǎng)可視化玻璃觀察窗的設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟：

P₁(a,b,c)是曲面C₁上已知的任意一點(diǎn)，依據(jù)C₁表面上P₁點(diǎn)周圍附近的四個(gè)點(diǎn)，求叉乘得到P₁點(diǎn)的法線l，令其單位向量為l＝(l₁,l₂,l₃)，根據(jù)光的折射定律，到達(dá)P₁點(diǎn)的入射光線，出射光線P₁P₂，C₁面在P₁點(diǎn)的法線l三線共面，且：

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

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

依據(jù)(1)、(2)得到α₁、α₂；根據(jù)費(fèi)馬原理，Q₁是P₁在X軸方向的投影，Q₃、Q₂分別是X軸和C₁面、C₂面的交點(diǎn)；P₃是C₂面上從P₂點(diǎn)出射的光線上的一點(diǎn)，其在X軸上的投影是Q₂；光線從P₁點(diǎn)到P₃點(diǎn)的光程與光線從Q₁點(diǎn)到Q₂點(diǎn)的光程相等，令C₂面上被求點(diǎn)P₂(x,y,z)，Q₃點(diǎn)橫坐標(biāo)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?yàn)镻₁P₂與l在同一平面內(nèi)，則有：

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

或

聯(lián)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。

本發(fā)明的有益效果為：入射的平行光線通過(guò)本發(fā)明設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出來(lái)的由C₁面和C₂面構(gòu)成的可視化玻璃后依然平行出射，利用本觀察窗觀察異型曲面內(nèi)流道流動(dòng)不會(huì)導(dǎo)致光線的偏折和交叉，觀察到的流動(dòng)結(jié)構(gòu)無(wú)失真現(xiàn)象，通過(guò)本異型曲面內(nèi)流道光學(xué)玻璃觀察窗，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)任意的異型曲面內(nèi)流道三維流場(chǎng)進(jìn)行光學(xué)非接觸測(cè)量可視化試驗(yàn)研究，通過(guò)成熟的光學(xué)非接觸測(cè)量方法獲得高超聲速飛行器內(nèi)轉(zhuǎn)進(jìn)氣道內(nèi)流結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果，為流動(dòng)分析及高超聲速飛行器研究提供可靠的試驗(yàn)依據(jù)，該設(shè)計(jì)方法不僅可以用于內(nèi)流的流動(dòng)顯示，還可用于紅外導(dǎo)引頭、異型面雷達(dá)透波窗口的設(shè)計(jì)。

附圖說(shuō)明

圖1(a)和圖1(b)為某內(nèi)轉(zhuǎn)式進(jìn)氣道流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，其中圖1(a)為對(duì)稱面流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，圖1(b)為內(nèi)通道喉道截面流場(chǎng)結(jié)構(gòu)；

圖2為異型曲面玻璃觀察窗光束傳輸示意圖；

圖3為光學(xué)玻璃窗設(shè)計(jì)原理圖；

圖4為內(nèi)轉(zhuǎn)式進(jìn)氣道模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖；

圖5為針對(duì)圖4中的進(jìn)氣道模型內(nèi)型面和圖1所示的流場(chǎng)位置采用異型曲面內(nèi)流道流場(chǎng)可視化玻璃觀察窗設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出來(lái)的一對(duì)異型曲面光學(xué)玻璃觀察窗。

圖6(a)-圖6(d)為異型面玻璃窗的TracePro驗(yàn)證結(jié)果圖：

圖6(a)為距第一塊玻璃40mm位置的入射光斑；

圖6(b)為兩玻璃窗之間的光斑；

圖6(c)為距第二塊玻璃50mm位置的出射光斑；

圖6(d)為距第二塊玻璃500mm位置的出射光斑。

具體實(shí)施方式

以下通過(guò)特定的具體實(shí)例說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說(shuō)明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過(guò)另外不同的具體實(shí)施方式加以實(shí)施或應(yīng)用，本說(shuō)明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。

異型曲面內(nèi)流道是一個(gè)由一系列離散點(diǎn)構(gòu)成的不規(guī)則的的三維曲面,這些曲面的一個(gè)共同點(diǎn)就是不能用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)方程進(jìn)行描述。

異型曲面內(nèi)流道光學(xué)玻璃觀察窗設(shè)計(jì)，就是玻璃觀察窗的內(nèi)表面必須與內(nèi)流道壁面完全一致，這樣玻璃觀察窗的內(nèi)表面就相當(dāng)于一個(gè)光學(xué)折射面，勢(shì)必引起光線的偏折。設(shè)計(jì)時(shí)，我們?cè)诠饴分屑尤胄Ｕ?，就可以消除?nèi)表面產(chǎn)生的光線偏折影響，確保光束從光學(xué)玻璃觀察窗穿過(guò)后不產(chǎn)生光線偏折，即平行光從第一塊玻璃觀察窗進(jìn)入內(nèi)流道試驗(yàn)段仍為平行光，從試驗(yàn)段出射穿過(guò)第二塊玻璃觀察窗后也是平行光，即玻璃窗只是起到密封氣流和光學(xué)流動(dòng)可視化光學(xué)玻璃觀察窗的作用，而完全不能產(chǎn)生光學(xué)透鏡偏折的影響。

為了使光路調(diào)整方便和簡(jiǎn)化加工程序，我們把在光路中加入的校正曲面作為玻璃窗的外表面，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)就可以滿足異型曲面內(nèi)流道光學(xué)玻璃觀察窗的設(shè)計(jì)要求。

如圖3所示，一種飛行器異型曲面內(nèi)流道流場(chǎng)可視化玻璃觀察窗，用于觀察由一系列離散點(diǎn)構(gòu)成的不規(guī)則的三維異型曲面內(nèi)流道，包括兩個(gè)通光表面，分別為內(nèi)表面C₁和外表面C₂，所述玻璃觀察窗內(nèi)表面C₁與內(nèi)流道壁面完全一致，光線經(jīng)過(guò)內(nèi)表面后產(chǎn)生偏折，玻璃觀察窗外表面C₂為校正曲面，用于消除內(nèi)表面產(chǎn)生的光線偏折和交叉，使平行光從光學(xué)玻璃觀察窗穿過(guò)后仍為平行光。

所述的飛行器異型曲面內(nèi)流道流場(chǎng)可視化玻璃觀察窗的設(shè)計(jì)方法為：選擇光的入射方向?yàn)閄軸的正方向，垂直于入射光方向的平面為YZ平面來(lái)建立三維坐標(biāo)系OXYZ；曲面C₁是異型曲面內(nèi)流道的壁面，它是離散點(diǎn)P₁的集合，是內(nèi)流道模型設(shè)計(jì)時(shí)已知的數(shù)據(jù)，選定玻璃材料和光學(xué)玻璃厚度后，玻璃的折射率n與玻璃的中心厚度d已知；光線平行于X軸入射到達(dá)P₁點(diǎn)，經(jīng)過(guò)曲面C₁折射后到達(dá)C₂面上的P₂點(diǎn)，再經(jīng)過(guò)C₂曲面折射后再次平行于X軸出射，光學(xué)玻璃觀察窗設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)就是得到P₂點(diǎn)的集合確定出曲面C₂，C₂是觀察窗的外表面，亦即：已知曲面C₁，給定玻璃的折射率n與玻璃的中心厚度d，求曲面C₂，使得入射的平行光線通過(guò)C₁-C₂構(gòu)成的玻璃后依然平行出射。

P₁(a,b,c)是曲面C₁上已知的任意一點(diǎn)，依據(jù)C₁表面上P₁點(diǎn)周圍附近的四個(gè)點(diǎn)，求叉乘得到P₁點(diǎn)的法線l，令其單位向量為l＝(l₁,l₂,l₃)，根據(jù)光的折射定律，到達(dá)P₁點(diǎn)的入射光線，出射光線P₁P₂，C₁面在P₁點(diǎn)的法線l三線共面，且：

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

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

依據(jù)(1)、(2)得到α₁、α₂；根據(jù)費(fèi)馬原理，Q₁是P₁在X軸方向的投影，Q₃、Q₂分別是X軸和C₁面、C₂面的交點(diǎn)；P₃是C₂面上從P₂點(diǎn)出射的光線上的一點(diǎn)，其在X軸上的投影是Q₂；光線從P₁點(diǎn)到P₃點(diǎn)的光程與光線從Q₁點(diǎn)到Q₂點(diǎn)的光程相等，令C₂面上被求點(diǎn)P₂(x,y,z)，Q₃點(diǎn)橫坐標(biāo)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?yàn)镻₁P₂與l在同一平面內(nèi)，則有：

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

或

聯(lián)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。

圖4為內(nèi)轉(zhuǎn)式進(jìn)氣道模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖；

圖5為針對(duì)圖4中的進(jìn)氣道模型內(nèi)型面和圖1所示的流場(chǎng)位置采用異型曲面內(nèi)流道流場(chǎng)可視化玻璃觀察窗設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出來(lái)的一對(duì)異型曲面光學(xué)玻璃觀察窗。

圖6(a)-圖6(d)為異型面玻璃窗的TracePro驗(yàn)證結(jié)果圖：

圖6(a)為距第一塊玻璃40mm位置的入射光斑；

圖6(b)為兩玻璃窗之間的光斑；

圖6(c)為距第二塊玻璃50mm位置的出射光斑；

圖6(d)為距第二塊玻璃500mm位置的出射光斑。

TracePro是一套普遍用于照明系統(tǒng)、光學(xué)分析、輻射度分析及光度分析的光線模擬軟件。我們采用光線追跡軟件Tracepro對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，從圖6(a)-圖6(d)中可以看出：平行光束通過(guò)兩組窗口后，光斑形狀幾乎沒有變化，光強(qiáng)分布均勻性較好，說(shuō)明入射的平行光線通過(guò)本發(fā)明設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出來(lái)的由C₁面和C₂面構(gòu)成的可視化玻璃后依然平行出射。

上述實(shí)施例僅例示性說(shuō)明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。