飞机透明件的光学角偏差测试研究进展及应用

2021-06-01

中国科技纵横 2021年3期

关键词：线法风挡曲率

（北京航空材料研究院，北京 100095）

0.引言

现代高性能飞机透明件外形日趋复杂化，光学性能的要求也越来越高，促使其测试评估技术迅速发展，不同型号透明件依据外形和测试需求应采用不同的评估技术和方法。

飞机在起飞、着陆、编队飞行时，飞行员需通过飞机透明件观察目标，飞机透明件必须具有良好的光学性能，如光学角偏差、光学畸变、透光率、雾度等，其中风挡透明件的光学角偏差最为重要。本文介绍了各类风挡透明件适用的光学角偏差测试技术和方法。

1.测试原理

光学角偏差是光线通过透明件后传播方向的变化量，即折射光线与入射光线的夹角。

受透明件的折光指数、厚度、外形等因素的影响，光线通过透明件会偏离原来的光路产生偏移。这种偏移包括随目标距离变化的光学角偏差θ和不随距离变化的光线横向位移d（见图1）。横向位移在几米以外可以忽略不计，角偏差对光学瞄准系统的影响很大，必须精确测量，从而修正目标瞄准值。

图1 飞机透明件的角偏差和横向位移

2.测试方法

根据不同类型透明件的外形特点及测试需求，适用的光学角偏差的测试方法主要包括：平板试样采用激光法（投影点法）、小曲率透明件采用投影线法、大曲率透明件采用自动扫描法。

2.1 平板试样采用的激光法（投影点法）

透明件板材、平板制件和小曲率制件的逐点测量可采用激光法（投影点法），欧洲厂家按EN2155-7标准规定的试验方法，用边料试样测试有机玻璃板材的光学角偏差。测试装置如图2所示。

图2 激光法测量角偏差的试验装置示意图

测试装置由激光点光源、试样测试架、圆环屏幕组成。圆环屏幕上刻有不同半径的同心圆环。调整点光源，使其在圆环屏幕的圆心上成像，将被测试样放入光路中，表面与入射光束垂直，投影点会在屏幕上发生偏移，根据偏移位置可以读出被测试样的光学角偏差。

圆环半径与角偏差、试样位置的关系见表1，其计算公式如下：

表1 角偏差与圆环半径、试样距离关系表

式中：r— 圆的半径，mm；

d— 角偏差，'；

D— 试样与屏幕的距离，m。

对表中的参数关系进行验算：arctg(r/D)= arctg(2.2/5000)=1.5'=d。

符合角偏差的计算公式，说明公式（2）中的常数0.291是根据角偏差的计算公式得来的。测试时，无需计算，只需按照标准中规定的距离放置圆环屏幕和试件，根据激光点的偏移位置直接读数即可。各个圆环分别对应1.5、3、6、10 的角偏差，如试件屏幕距离5m，投影点通过试件后偏移至2.2mm圆环上，则此测试区域内试件的角偏差为 1.5′。

该方法设备简单、操作便捷，适于试验室测量小面积平板试样，或用于精确到点的快速测试。

2.2 小曲率透明件采用的投影线法

小曲率直升机风挡透明件的光学角偏差多采用投影线法测试，俄罗斯标准гост 10667[1]和国内标准GJB503[2]均有规定，测试装置见图3。调整幻灯机，使网格幻灯片的其中一条投影线与座标纸屏幕的一条中心线完全重合。放入被测透明件，缓慢平移透明件直至全部被测区域均通过光束，移动过程中需保持光束垂直入射透明件的被测区域，保持透明件与屏幕之间3.45m距离不变。将透明件旋转90°，重复试验。分别记录投影线偏移座标纸中心线的距离，偏移1mm光学角偏差即为1′。最大的一个角偏差值即为被测透明件的光学角偏差。

图3 投影线法测量角偏差的试验装置示意图

θ＝arctg(S/F)= arctg(1/3450)= 1

由角偏差计算公式得出，被测透明件与坐标屏幕距离为3.45m时，投影线1mm的偏移量相当于1 的角偏差。因此，在该方法中，被测件与屏幕距离3.45m需保持不变，而投影仪与被测件的距离可以调整。гост 10667标准规定投影仪与被测件的距离为1.5m～2.5m，GJB503规定的距离为1m～3m。

该方法简单方便，测试效率高，便于现场测量，适于测量平面和小曲率的飞机透明件，但其测试精度不高，不能确定单点的光学角偏差值。直升机风挡透明件多采用此法进行光学角偏差的现场测量。

2.3 大曲率透明件采用自动扫描法

国内外对大曲率透明件采用自动扫描法测量光学角偏差，美国ASTMF801[3]和国内测试标准HB20081[4]规定了自动扫描法测量方法。

透明件光学角偏差自动扫描测量仪由三部分组成：电控系统、光路系统、机械系统，其测试装置示意图如图4所示。发射器发出平行光线通过被测件，接收器接收透射光，数据传输至电控系统，测得光学角偏差量。

图4 自动扫描法测量角偏差的试验装置示意图

将被测透明件调整到飞机安装位置，输入测试范围，计算机控制试验台带动透明件移动。自动扫描透明件的全部测试面积，同时自动记录各点的测试结果并绘制各种直观图表。图5为某透明件的角偏差测试结果图，每个测试点的角偏差值自动保存为EXCEL文件存档，并依据技术要求生成测试报告。

自动扫描测量仪能够模拟飞行员眼位，快速扫描逐点测量被测透明件的光学角偏差，测量数据可进行分析处理、显示、存档和输出。该方法精准高效，是光学角偏差测量方法发展的必然趋势，国内多个主机厂所已针对不同型号透明件研制了不同的测试设备，并投入使用。

3.测试结果与分析

某直升机风挡透明件为接近平板状的小曲率（见图6），光学角偏差的指标要求为不大于5′。采用投影线法，横向、纵向分别测试并记录最大值。采用扫描法，移动透明件，逐行逐列进行各点的扫描测试，记录每点的测试值。测试结果见表2。两种测试方法均能评估光学角偏差。投影线法设备简单、操作方便，测试结果直观、可全范围测试。逐点扫描法需试验架与测试软件联动才能进行自动扫描测试，否则需横向、纵向移动制件，再测量各点，操作复杂、测试时间长，测试点有间隔，不能全范围测试。

图6 平板状风挡玻璃

表2 平板状风挡角偏差测试结果

某歼击机风挡透明件为圆弧状风挡（见图7），技术文件要求从眼位对透明件进行角偏差测试。采用自动扫描法，以眼位为中心转动测试架，对透明件进行逐点扫描测试。生成直观的测试效果图（见图8），并保存每点的测试值。自动扫描法更适合测试圆弧风挡等复杂外形透明件，测试架的转动中心与飞行员眼位重合，测试光线通过该点，可测试不同型号各种外形的透明件。