风洞模型位移光学测量技术应用综述

　　0　引　言

　　风洞试验一直在追求模型姿态的精确测量,例如追求迎角测量精度超过0.01°,能够给阻力系数带来0.0001的不确定度[1]。这种变化对于 一架高速运输机,在远程巡航中将改变1%的有效载荷[2]。然而这种测量精度不能用基于天平传感器和应变片的传统测量方法获得。动态试验中,模型姿态角的 变化和模型的振动对常规加速度计响应产生扰动,给迎角测量带来比较明显的误差[3]。颤振试验和极限环振荡试验中,为了比较非定常表面压力和计算结果,需 要精确测量机翼运动[4]。风洞试验模拟日益精确,以前将模型视为刚性体的假设不能满足高精度要求,需要一种新的测量技术,测量模型位移、姿态角、变形 等。光学测量系统作为一种“非接触式”测量系统受到国内外风洞工作者的关注。国外在这方面进行了深入研究,技术成熟;国内研究相对薄弱。笔者主要将目前国 外风洞所采用的模型位移光学测量技术做一个综述。

　　1　国外光学测量系统应用现状

　　商业化程度最高的当属加拿大北方数字公司生产的OptotrakR系统,它已经在波音公司和NASAAmes研究中心的风洞里成功地应用于气动 弹性和迎角测量[1]。由于光学使用的约束,诸如视窗限制、照明和标识点选择等,定制光学测量系统更能满足要求。许多风洞根据实际情况,研制了各具特色的 模型位移光学测量系统。根据测量原理,大致分为两类:一类是基于光线莫尔干涉条纹原理的技术;一类是基于摄影测量基本原理的技术。

　　1.1　基于莫尔干涉条纹的技术

　　基于莫尔干涉条纹的技术始于20世纪70年代,最近才用于定量测量气动载荷作用下的风洞模型变形。DLR最早开发了一套模型变形测量系统 (MDMS),ETW从DLR获得该技术[3,5],如图1、2所示。尽管描述为非侵入式的方法,它要求在机翼上涂上白色无反射的涂料。ETW的MDMS 只能安装在试验段洞壁上,应用仅限于全模,且只能测量没有附件的形面。试验结果脱机处理,机翼弯曲和扭曲精度达到0.2mm和0.03°。

　　Langley研究中心在1996年开展了投影波动干涉测量(PMI)[6]的研制,已经在14×22ftST、TDT和UP-WT中应用该技 术。目前14×22ftST、TDT正建造专用的PMI系统。后两者能够测量固定机翼模型变形;拥有条件取样法能力,可测量旋翼飞行器桨叶变形。PMI在 TDT将主要用于气动弹性研究。PMI是基于视频的全局技术[7],能够测量模型连续变形,获得整个相机视场的信息。常规PMI依赖等距的网格、风洞模型 表面的平行线投影;采用图像处理确定变形表面的拓扑。当出现气动弹性不稳定性和颤振时,获得的PMI数据可用来充分描述不稳定机制与整体模型变形的关系。 由于莫尔干涉方法需要充足的信息,图像处理复杂,后处理耗时,使得PMI可用性受到了限制。