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技术

本发明专利技术提供一种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，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，玻璃观察窗包含两个通光表面，内表面C1与内流道壁面完全一致，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；利用本观察窗观察异型曲面内流道的流场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，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，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。

Flow visualization window and design method for flow field of special-shaped curved surface of aircraft

The invention provides a vehicle shaped surface flow visualization and glass window design method for three-dimensional flow field observation of irregular shaped surface formed by a series of discrete points within the glass window contains two light pass surfaces, the inner surface of C1 and the inner channel wall is completely consistent, the outer surface of C2 for correction the surface, used to produce surface to eliminate light deflection, the Ping Hangguang from the optical glass window after passing through the still parallel light; the observation window observation field does not lead to abnormal surface flow within the light deflection and cross flow structure observed without distortion, can achieve three-dimensional flow field of curved surface in any non contact optical measurement of visualization, the design method can be used not only in the flow, but also can be used for infrared seeker, profile Design of surface wave radar window.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于空气动力学
，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。
技术介绍
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。专利
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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。为实现上述专利技术目的，本专利技术技术方案如下：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： sinα 1 sinα 2 = n 1 , 2 = n - - - ( 1 ) ]]> sinα 1 = l 2 2 + l 3 2 - - - ( 2 ) ]]>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: n ( x - a ) cos ( α 1 - α 2 ) + ( d + a 3 - x ) = ( a 3 - a ) + d n - - - ( 4 ) ]]>因为P1P2与l在同一平面内，则有： ( y - b ) 2 + ( z - c ) 2 = ( x - 本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，其特征在于：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。

【技术特征摘要】
1.一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，其特征在于：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。2.根据权利要求1所述的飞行器异型曲面内流道流场可视化玻璃观察窗，其特征在于：其设计方法为：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。3.根据权利要求2所述的飞行器异型曲面内流道流场可视化玻璃观察窗，其特征在于其设计方法如下：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： sinα 1 sinα 2 = n 1 , 2 = n - - - ( 1 ) ]]> sinα 1 = l 2 2 + l 3 2 - - - ( 2 ) ]]>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: n ( x - a ) cos ( α 1 - α 2 ) + ( d + a 3 - x ) = ( a 3 - a ) + d n - - - ( 4 ) ]]>因为P1P2与l在同一平面内，则有： ( y - b ) 2 + ( z - c ) 2 = ...

【专利技术属性】
技术研发人员：余安远，倪鸿礼，丁国昊，杨大伟，郭鹏宇，王琪，吴颖川，周凯，韩亦宇，卫锋，王铁军，杨辉，
申请(专利权)人：中国人民解放军六三八二零部队吸气式高超声速技术研究中心，
类型：发明
国别省市：四川;51