[发明专利]一种用于辨识膨胀风洞加速段流动分区特性的光学探头

说明书

本发明公开了一种用于辨识膨胀风洞加速段流动分区特性的光学探头。该光学探头具有从外至内同中心轴线的三层结构，包括位于外层、从下至上顺序固定的探头罩和顶杆螺栓，位于中层、从下至上顺序固定的探头夹具、透镜压圈、后端固定盖和光纤接头，位于内层、从下至上顺序固定的柱形光学玻璃和聚焦透镜。该光学探头结构稳定、安装精度高、密封性能好，拆装清洗方便，能够准确辨识膨胀风洞加速段流动分区特性，识别加速引导气流和有效试验气流的分界，具有工程实用价值。

技术领域

本发明属于超高速风洞试验技术领域，具体涉及一种用于辨识膨胀风洞加速段流动分区特性的光学探头。

背景技术

膨胀风洞是一种直接模拟超高速气流速度的地面风洞试验设备，对于开展高超声速推进系统、高超声速巡航飞行器、地球大气再入以及行星进入飞行器的超高速飞行气动特性的研究具有重要支撑作用。膨胀风洞的速度和焓值模拟能力突出，并且由于运行过程中试验气流主要通过非定常膨胀获得加速，不经历滞止过程，因此相比反射式激波风洞等其他类型的高超声速脉冲风洞而言能够提供离解度更低的自由来流，可以复现或更接近飞行环境。

膨胀风洞的气流速度可达10km/s，但有效试验气流持续时间极短，通常在几十到几百微秒之间，对测量试验模型气动特性造成了困难和挑战，其中准确判断有效试验气流的持续时间，是进行气动试验的关键问题之一。

膨胀风洞有效试验气流是在加速段引导气流之后到达，有效试验气流与引导气流之间存在接触面，根据接触面相容条件，有效试验气流与加速引导气流之间速度和压力几乎相同。因此常规压力测量方法较难识别膨胀风洞加速段中引导气流与有效试验气流的分界，对判断有效气流的持续时间造成困难。但是根据膨胀风洞加速段气流的流动特性，有效试验气流与加速引导气流之间存在较大的温度差异。在高焓运行条件下，两区气流的温度都很高，能够导致气体的自发光辐射，同时又由于两区气流的温度差异，其光辐射强度及辐射峰值波段存在较大差异。因此，本发明在膨胀风洞加速段管壁采用光学探头测量气流光辐射随时间变化，识别依次流过探头的加速引导气流和有效试验气流的分区，从而辅助判断两区气流的持续时间，为气动特性试验分析提供参考依据。

利用温度差异，采用光学测量方法识别加速引导气流和有效试验气流的分界是一种可行的方法，当前亟需发展一种用于辨识膨胀风洞加速段流动分区特性的光学探头。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于辨识膨胀风洞加速段流动分区特性的光学探头。

本发明的用于辨识膨胀风洞加速段流动分区特性的光学探头，其特点是，所述的光学探头具有从外至内同中心轴线的三层结构，包括位于外层、从下至上顺序固定的探头罩和顶杆螺栓，位于中层、从下至上顺序固定的探头夹具、透镜压圈、后端固定盖和光纤接头，位于内层、从下至上顺序固定的柱形光学玻璃和聚焦透镜；

所述的探头罩位于光学探头的下部，为轴对称的台阶圆柱壳体Ⅰ，下方圆柱Ⅰ的直径小于上方圆柱Ⅰ的直径，下方圆柱Ⅰ和上方圆柱Ⅰ之间采用圆锥面过渡，圆锥面外套装有锥形密封垫，探头罩的下端开有通孔；探头罩内腔为台阶圆柱腔体，下方圆柱腔体直径小于上方圆柱腔体直径，下方圆柱腔体内安装有柱形光学玻璃，柱形光学玻璃的末端正对通孔，柱形光学玻璃的顶端伸出下方圆柱腔体进入上方圆柱腔体内；

所述的探头夹具为轴对称的台阶圆柱壳体Ⅱ，下方圆柱Ⅱ的直径小于上方圆柱Ⅱ的直径，下方圆柱Ⅱ的外径与探头罩的上方圆柱腔体相匹配，下方圆柱Ⅱ开有与柱形光学玻璃匹配的圆形凹槽Ⅰ，上方圆柱Ⅱ开有圆形凹槽Ⅱ，圆形凹槽Ⅰ的内径小于圆形凹槽Ⅱ的内径，圆形凹槽Ⅰ和圆形凹槽Ⅱ之间通过圆锥形内腔连通；探头夹具通过柱面配合方式伸入探头罩并压紧柱形光学玻璃；

所述的透镜压圈为水平固定在探头夹具圆形凹槽Ⅱ内的圆环，聚焦透镜的球形曲面向下安装在透镜压圈上，聚焦透镜的中心轴与柱形光学玻璃的中心轴共线，透镜压圈与聚焦透镜接触面为圆弧接触面；