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光学涂层测压技术.pdf

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2003空气动力学前沿研究论文集 光学涂层测压技术 程厚梅张永存 (中国航空工业空气动力研究院、辽宁沈阳110034 陈柳生 (中国科学院化学所，北京100080 摘要本文介绍了光学测压技术的发展概况、基本理论、实验技术、修正方法、测量达 到的精准度水平及今后的研究工作。 关挂词光学测压试验技术数据处理误差分析 1引言 光学涂层测压是基于发光分子的氧拌熄现象发展起来的一项技术。该现象于1935年首 先由德国科学家Kautsky和Brach发现，1980年Peterson和Fitzgerad根据发光分子的氧碎熄 原理进行了油流显示试验,20世纪的80年代美国华盛顿大学的MartinGoutennan领导的研 究组基于氧碎熄叶啦研制了用于测量血液中氧含量的传感器，80年代的后期，该技术用于气 动力模型的表面压力测量。在美国，定量的PSP压力测量首先由NASAAmes中心进行研究 并用于风洞试验，使用了华盛顿大学研制的涂料。 在美国进行该项技术研究的同时，苏联的LI;AI'II于1970年就秘密地开始了该项技术的 研究，受到了7.akharov关于氧碎熄特性研究的鼓舞，1981年Pervushin&Nevsky研究出了第 一个压力敏感涂料，1982年Ardasheva完成了第一次压力测量试验，上世纪80年代中期，苏联 玖AI'Il的另一研究小组研究了基于聚合物的PSP,Radechenkc〕进行了PSP锥柱体超声速测压 试验，经多次试验验证，认为该技术可行，并于1990年在AviationWeek&SpaceTechnology 上登载了有关苏联“OPTMS，技术的广告，这是苏联光学涂层测压技术产品商业化的成果。 中国于1992年开始立项进行该测压技术的研究，首先引进俄罗斯环m的技术，然后自 主进行研究开发，于2000年开发出了应用于风洞测压试验的涂料FOP-10 从发现发光分子的氧碎熄现象到发展成为工业应用技术经历了近60年的时间，所谓的氧 碎熄，即发光分子受激后所发辉光强度与氧的压力成反比，其发光寿命也与氧的压力有关，由 此产生了二种测压方法，基于发光强度的测压方法和基于发光寿命的测压方法，二种方法的成 功都极强地依赖于测试仪器的水平。目前各国集中力量发展的是基于发光强度的测压技术。 在该技术的发展过程中，形成了二次高潮，一次是20世纪的90年代初期，第二次是21世 纪初。到目前为止，世界航空技术先进的国家风洞都配置了相应的测试设备，进行过该项技术 研究，达到了工程实用的水平。据不完全统计，NASA有15座高、低速生产性风洞配备了完善 的光学测压设备，并有较成熟的试验技术，已承担部分型号试验。俄罗斯LWH是光学测压 技术的发源地之一，已在多座生产性风洞进行过光学侧压试验，如T一128,T一106,T一112等 风洞。除NASA和I冰I'lI之外，法国、德国、英国、日本、意大利、荷兰等国的工业性风洞中也 配置了光学测压设备并已开展技术研究，发表了多篇研究和工程应用报告。我国也在沈阳的 FL-1风洞开展了该项研究，并与中科院化学所合作研究出了具有自主知识产权的涂 料FOP一1，目前正在进一步研究，使该技术尽快应用于型号研制的风洞测压试验。 光学测压是一种绝对压力测量，对于低速风洞试验，其相对误差较大。就目前的水平，该 方法适合于跨、超声速风洞试验。由于所用压敏涂料在光激励下受氧压作用出现化学反应，温 度影响是不可避免的，且是影响测量精、准度的主要因素。 影响光学测压数据精度的因素有PSP本身的误差，几何误差，激励光误差，环境误差和检 测误差，每一类误差都是不可忽视的。各国都在该技术的研究过程中进行了大量的工作，给出 了误差量级。按照目前的数据精度水平，光学涂层测压已可提供某些型号工程使用，其优点在 于无需单独另加工复杂的测压模型，就可得到压力分布数据，而对一些薄翼及无法开孔的部 件，只要光能照到，也可得到压力数据。对于型号设计，这些试验是非常有用的。而且是一种 连续的压力分布测量，积分便可得到全模型载荷。其模型表面辉度的变化对应于气动载荷分 布变化，是实时的流谱，具有很高的工程应用价值。 光学测压具有广阔的应用前景，但目前还不能完全代替开孔测压。随着研究工作的深人、 经验的积累和科学技术的进步，光学测压的应用范围会越来越宽广，而开孔测压会逐步减少。 对于无法采用开孔测压的项目，光学测压则显示出了独具的魅力。 该技术除了能用于压力分布测量外，如果采用光温度敏感徐料，也可进行飞行器模型表面 温度分布测量。除涂料不同外，技术途径几乎完全相同。对于动态压力测量，除了检测系统的 采集频率要达到要求外，压敏涂料的响应频率也必须满足要求，为此，世界航空技术先进国家 已开展了大量研究，获得了可喜的成果，显示出该技术的广阔应用前景。