[科普中国]-激光风洞

简介

近年来，在飞机、船舶等大型精密设备的制造、装配及检测和精密工程测量领域，除了传统的全站仪、经纬仪外，各种新技术不断涌现，如激光跟踪仪、激光扫描仪、摄影测量系统、激光雷达系统等。其中激光跟踪仪以其测量速度快、精度高、测量范围大的优点得到了广泛应用。常见的激光跟踪仪品牌有 API、LEICA、FARO 等。新的大型风洞在零部件加工、厂家试装和现场安装环节都提出了更高的精度要求和速度要求，传统的测量手段要么不能满足精度要求，要么速度太慢，不能同时兼顾质量与速度。引进激光跟踪测量系统到风洞调试中，很好的满足了大型风洞大尺寸、高精度、高速度、现场、实时测量的要求1。

背景风洞飞机模型攻角的测量精度是风洞数据的重要指标之一，过去用于测量模型攻角的方法例如水准泡法、压电加速度计法及常规干涉法等，由于对风洞内气流、噪声、温度变化及振动等干扰很敏感，测量精度受到限制，一般只能达到0.05°~0.03°，而且数据的稳定性及重复性较差2。

基本原理由跟踪头发射出的激光被靶球反射回来，跟踪头内的转动伺服控制机构控制跟踪头的转动方向和速度，使由跟踪头发射出的激光始终朝向靶球，从而实现跟踪；跟踪头内的激光干涉测距系统和激光测距仪则是两种方式的测距系统，用于得到跟踪头中心到靶球中心的距离，即球坐标系的半径；从跟踪头内置的两组高精度角度编码器可以读出两组角度，即球坐标系的方位角和俯仰角；通过仪器自身的校准参数和气象站传感器计数可以对系统内部的系统误差和大气环境误差进行补偿,从而得到更精确的空间坐标。

通常将跟踪头固定在三角架上，确保测量过程中球坐标系的原点和方向不发生变化。控制器是激光跟踪测量系统的控制中枢，它连接着电源、跟踪头、气象站、测量用计算机。测量用计算机装有专业测量软件，是激光跟踪测量系统的重要组成部分，通过它可以实现仪器的控制与校准、原始坐标数据的采集、坐标系转换、数据的分析和处理。激光跟踪测量系统的测量方式包括静态单点测量、动态连续测量、过截面测量等。激光跟踪测量系统的测量结果可以用坐标列表方式或图形方式显示。

风洞调试中的激光跟踪测量可以分为四类：固定结构形位公差测量、平动机构位移测量、转动机构角度测量、流线曲面测量。

风洞调试中的一些应用激光跟踪测量系统是一种高精度、大范围、高速度、可现场实时测量的空间坐标测量系统，系统采集到的原始数据都是三维空间坐标点。通过一系列特征点，我们可以构造直线、曲线、平面、圆、球体、圆锥、圆柱等几何形体，从而可以得到直线的长度、直线度，两直线的角度，平面的大小、平面度，平面间的平行度、垂直度，圆的圆心、半径、圆度，球体的球心、半径、球度，圆锥的顶点、中心线，圆柱的中心线，两形体的同轴度等信息，这些工作还需要专业的空间分析软件，如 API 激光跟踪仪配套的 Spatial Analyzer 软件，辅助完成。

现代大型风洞对洞体的要求很高，加工、安装的难度都很大，特别是安装不可能一次到位，必须经过多次的调试，测量、分析、调整，不断反复，直至达标。调试中需要测量的项目主要有：喷管段和试验段的出口、入口的高度和宽度，上下左右各壁面的平面度、相互间的平行度或垂直度，喷管段和试验段的中心线及相互间的同轴度，试验段攻角机构的中心线及与试验段中心线的位置关系，攻角机构的平动和转动精度，柔壁喷管的型面等。