ICS17.020 A42 中华人民共和国国家标准 GB/T30113.1—2013 空 间微重力流体物理 流场光学测量 技术规范 第1部分:阴影法、纹影法 Opticalmeasurementmethodsonflowfieldinmicrogravityfluidphysics— Part1:Shadowgraphandschlieren 2013-12-17发布 2014-07-15实施 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局 中国国家标准化管理委员会发布前 言 本部分按照GB/T1.1—2009给出的规则起草。 GB/T30113《空间微重力流体物理 流场光学测量技术规范》分为以下几个部分: ———第1部分:阴影法、纹影法; ———第2部分:干涉法; ———第3部分:激光多普勒测速技术; ———第4部分:粒子图像测速技术、激光诱导荧光技术和热色液晶技术。 本部分为GB/T30113的第1部分。 本部分由全国空间科学及其应用标准化技术委员会(SAC/TC312)归口。 本部分起草单位:中国科学院力学研究所。 本部分主要起草人:胡良、康琦、段俐。 ⅠGB/T30113.1—2013 空间微重力流体物理 流场光学测量 技术规范 第1部分:阴影法、纹影法 1 范围 GB/T30113的本部分规定了空间微重力流体物理实验阴影、纹影测量系统设计和测试的原则、要 求和方法。 本部分适用于在空间微重力环境中使用的,航天器载荷的阴影、纹影测量系统的设计和测试,落塔、 抛物线飞机和地面实验的阴影、纹影测量系统设计和测试也可参考使用。 2 规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文 件。凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。 GJB/Z27 电子设备可靠性热设计手册 GJB368B 装备维修性工作通用要求 GJB450A 装备可靠性工作通用要求 GJB900 系统安全性通用大纲 GJB1027A 运载器、上面级、航天器试验要求 GJB2547 装备测试性大纲 GJB3872 装备综合保障通用要求 GJB4239 装备环境工程通用要求 QJ2172A 卫星可靠性设计指南 QJ3273 航天产品安全性分析指南 3 术语和定义 下列术语和定义适用于本文件。 3.1 光阑 aperture 限制光束尺寸或空间范围的光学器件。 注:纹影法光路中,在光线汇聚的焦平面附近放置的光阑称为纹影光阑。 3.2 刀口光阑 knife-edgeaperture 刀口 knife-edge 利用锋利刃口边缘限制光线通过的光学器件。 3.3 洛仑兹-劳伦斯关系 Lorentz-Lorenzrelation 不导电的透明介质折射率与密度的关系式: n2-1 n2+2=Kρ…………………………(1) 1GB/T30113.1—2013 式中: ρ———密度,单位为千克每立方米(kg/m3); n———折射率; K———比例因子,单位为立方米每千克(m3/kg)。 3.4 阴影法 shadowgraphmethod 光线通过测量区域后,由折射率不均匀引起光线聚集和发散,成像形成与折射率变化相对应的阴影 图像,通过阴影图像反映流场折射率二阶导数空间分布的方法。 注:根据洛仑兹-劳伦斯关系,利用该阴影图像可检测流场密度等参量动态变化。 3.5 纹影法 schlierenmethod 光线通过折射率不均匀的测量区域后经透镜或凹面镜聚焦,在焦点处通过光阑的空间滤波作用,成 像产生明暗不均的纹影图像,通过纹影图像反映流场折射率一阶导数空间分布的方法。 注:根据洛仑兹-劳伦斯关系,利用该纹影图像可检测流场密度等参量动态变化。 4 设计原则 4.1 设计条件 4.1.1 功能性能约束 至少应满足以下功能、性能约束条件: a) 测量灵敏度优于待测实验模型的特征量; b) 待测实验模型的特征量变化小于测量范围。 4.1.2 资源约束 至少应满足以下资源约束条件: a) 重量和体积; b) 供电和功耗; c) 热控; d) 数据存贮与传输。 4.1.3 力学环境约束 应满足任务规定的力学环境试验条件。 4.1.4 空间环境约束 至少应满足以下空间环境约束条件: a) 微重力; b) 压力、温度; c) 空间辐射。 4.2 设计通则 在满足功能、性能要求的前提下,一般应遵循以下原则: a) 测量方案力求简洁; 2GB/T30113.1—2013 b) 安全性、可靠性贯穿设计过程始终; c) 适用时考虑测量单元内各个部组件的通用性、互换性、可达性,提高可维修性; d) 优先采用具有空间飞行经历的成熟原材料、元器件及零部件; e) 尽量降低实验装置的质心高度; f) 实验装置结构力求紧凑。 5 设计要求 5.1 光学设计 5.1.1 阴影法、纹影法选用 需要突显实验介质折射率二阶导数分布的物理过程优先选用阴影法;需要突显实验介质折射率一 阶导数分布的物理过程优先选用纹影法。 两种方法都可以满足科学需求时,优先选择阴影法。 5.1.2 光源 光源选用一般为发光二极管(LED)、半导体激光器和卤钨灯。选用时应考虑下列因素: a) 选择重量轻、体积小、抗振性能好的光源; b) 稳定性、可靠性高; c) 满足热设计、功耗要求; d) 使用彩色滤光片光阑的彩色纹影方法使用白光光源。 5.1.3 光学器件 光学器件的布置、选用考虑下列因素: a) 根据物理模型确定实验段的观测视场尺寸,准直镜和纹影镜通光口径不小于观测视场尺寸; b) 为提高阴影测量灵敏度,实验段到观察屏的距离在有效载荷尺寸约束下宜尽量长(参见附录A 的A.1); c) 为提高纹影测量灵敏度,纹影镜的焦距f2在有效载荷尺寸约束下宜尽量长(参见A.2); d) 受空间实验装置体积限制时,扩束透镜和准直透镜宜尽量选用短焦距透镜; e) 在纹影镜面的任意25mm直径范围内,面形误差峰谷值(PV)宜优于光源波长的1/5。 5.1.4 刀口光阑 适用时,刀口光阑的选用考虑下列因素: a) 综合考虑光强和测量灵敏度因素,刀口光阑遮挡量宜取50%; b) 当纹影图像的对比度过高时,可采用灰度渐变片或彩色滤光片作为纹影光阑,以增加纹影图像 的细节,减少衍射条纹干扰; c) 彩色纹影光阑应染色均匀、低色差、无杂点; d) 刀口光阑材料、厚度及安装方式应充分考虑散热性。 注1:刀口光阑处于纹影镜焦点,能量集中,温度较高。 注2:纹影法测量灵敏度反比于光源像上缘与刀口的距离a(参见图A.3)。 5.1.5 实验段光学窗口 在实验段光学窗口任意25mm直径范围内,面形误差峰谷值(PV)宜优于光源波长的1/2。 3GB/T30113.1—2013 5.1.6 图像采集系统 考虑以下因素: a) 像元靶面分辨率应优于物理场要求的成像分辨率; b) 在满足要求的前提下,时间分辨率、空间分辨率、位深度宜采用较低配置。 5.2 机械结构设计 应考虑以下因素: a) 光学器件的固定、安装、调整、抗振; b) 光路和周边消杂光处理。 5.3 可靠性设计 可靠性设计按照GJB450A、QJ2172A的要求进行。热设计按照GJB/Z27的要求进行。 5.4 安全性设计 按照GJB900、QJ3273的要求进行。 5.5 维修性设计 按照GJB368B的要求进行外,参考GJB645的内容。 注:阴影、纹影测量系统在轨维修主要内容有光学器件的清洁、光路调整、实验段及激光器更换。 5.6 测试性设计 按照GJB2547的要求进行。 5.7 保障性设计 按照GJB3872的要求进行。 5.8 环境适应性设计 按照GJB4239的要求进行。 6 测试方法 6.1 仿真与地面模拟验证 仿真模拟分为科学和工程两个部分。 科学仿真主要是物理场仿真,获得阴影图像或纹影图像,分析测量系统设计对需求的满足度和方案 可行性。 工程仿真包括测量系统的机械强度、刚度、稳定性、热设计、抗振性等仿真验证。 通过地面模拟实验验证阴影、纹影方法的可行性。 6.2 匹配试验 测量系统加入实验介质,模拟空间实验工况,进行光学测量系统的功能、性能验证,确定空间实验的 参数。 6.3 环境模拟试验 按照GJB1027A的要求,结合型号任务剖面和环境剖面,进行环境模拟试验,验证环境适应性。 4GB/T30113.1—2013 附 录 A (资料性附录) 阴影法、纹影法原理及光路 A.1 阴影法原理及特点 A.1.1 原理 阴影法和纹影法的原理都是利用光通过非均匀流场时的折射效应,从而得到流动参数的定性或定 量测量结果。 阴影法原理如图A.1所示,光线通过实验段,根据光线受到扰动的偏置量测定流体折射率二阶导 数的空间分布,获得流体的密度和(或)温度特征,关系如式(A.1)所示。 图A.1 阴影法原理图 Rc=-Zsc∫L췍2n 췍x2+췍2n 췍yæ èçö ø÷2(lnn)dz…………………………(A.1) 式中: Rc———图像对比度; Zsc———实验段到观察屏的距离; L———实验段在光轴方向的长度; n———流体折射率。 A.1.2 特点 结构简单,调整容易,不易失调。阴影法对折射率二阶导数灵敏,适用于测量密度梯度或温度梯度 变化较强的流场。 平行光路阴影法的灵敏度正比于实验段到观察屏的距离Zsc。 A.2 纹影法原理及特点 A.2.1 原理 纹影法原理如图A.2所示,光线通过实验段,根据光线受到扰动的偏置量测定流体折射率一阶导 数的空间分布,获得流体的密度和(或)温度特征,关系如式(A.2)所示。 5GB/T30113.1—2013 图A.2