（北京航空材料研究院，北京 100095）

0.引言

現(xiàn)代高性能飛機(jī)透明件外形日趨復(fù)雜化，光學(xué)性能的要求也越來越高，促使其測(cè)試評(píng)估技術(shù)迅速發(fā)展，不同型號(hào)透明件依據(jù)外形和測(cè)試需求應(yīng)采用不同的評(píng)估技術(shù)和方法。

飛機(jī)在起飛、著陸、編隊(duì)飛行時(shí)，飛行員需通過飛機(jī)透明件觀察目標(biāo)，飛機(jī)透明件必須具有良好的光學(xué)性能，如光學(xué)角偏差、光學(xué)畸變、透光率、霧度等，其中風(fēng)擋透明件的光學(xué)角偏差最為重要。本文介紹了各類風(fēng)擋透明件適用的光學(xué)角偏差測(cè)試技術(shù)和方法。

1.測(cè)試原理

光學(xué)角偏差是光線通過透明件后傳播方向的變化量，即折射光線與入射光線的夾角。

受透明件的折光指數(shù)、厚度、外形等因素的影響，光線通過透明件會(huì)偏離原來的光路產(chǎn)生偏移。這種偏移包括隨目標(biāo)距離變化的光學(xué)角偏差θ和不隨距離變化的光線橫向位移d（見圖1）。橫向位移在幾米以外可以忽略不計(jì)，角偏差對(duì)光學(xué)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的影響很大，必須精確測(cè)量，從而修正目標(biāo)瞄準(zhǔn)值。

圖1 飛機(jī)透明件的角偏差和橫向位移

2.測(cè)試方法

根據(jù)不同類型透明件的外形特點(diǎn)及測(cè)試需求，適用的光學(xué)角偏差的測(cè)試方法主要包括：平板試樣采用激光法（投影點(diǎn)法）、小曲率透明件采用投影線法、大曲率透明件采用自動(dòng)掃描法。

2.1 平板試樣采用的激光法（投影點(diǎn)法）

透明件板材、平板制件和小曲率制件的逐點(diǎn)測(cè)量可采用激光法（投影點(diǎn)法），歐洲廠家按EN2155-7標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)方法，用邊料試樣測(cè)試有機(jī)玻璃板材的光學(xué)角偏差。測(cè)試裝置如圖2所示。

圖2 激光法測(cè)量角偏差的試驗(yàn)裝置示意圖

測(cè)試裝置由激光點(diǎn)光源、試樣測(cè)試架、圓環(huán)屏幕組成。圓環(huán)屏幕上刻有不同半徑的同心圓環(huán)。調(diào)整點(diǎn)光源，使其在圓環(huán)屏幕的圓心上成像，將被測(cè)試樣放入光路中，表面與入射光束垂直，投影點(diǎn)會(huì)在屏幕上發(fā)生偏移，根據(jù)偏移位置可以讀出被測(cè)試樣的光學(xué)角偏差。

圓環(huán)半徑與角偏差、試樣位置的關(guān)系見表1，其計(jì)算公式如下：

表1 角偏差與圓環(huán)半徑、試樣距離關(guān)系表

式中：r— 圓的半徑，mm；

d— 角偏差，'；

D— 試樣與屏幕的距離，m。

對(duì)表中的參數(shù)關(guān)系進(jìn)行驗(yàn)算：arctg(r/D)= arctg(2.2/5000)=1.5'=d。

符合角偏差的計(jì)算公式，說明公式（2）中的常數(shù)0.291是根據(jù)角偏差的計(jì)算公式得來的。測(cè)試時(shí)，無(wú)需計(jì)算，只需按照標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的距離放置圓環(huán)屏幕和試件，根據(jù)激光點(diǎn)的偏移位置直接讀數(shù)即可。各個(gè)圓環(huán)分別對(duì)應(yīng)1.5、3、6、10 的角偏差，如試件屏幕距離5m，投影點(diǎn)通過試件后偏移至2.2mm圓環(huán)上，則此測(cè)試區(qū)域內(nèi)試件的角偏差為 1.5′。

該方法設(shè)備簡(jiǎn)單、操作便捷，適于試驗(yàn)室測(cè)量小面積平板試樣，或用于精確到點(diǎn)的快速測(cè)試。

2.2 小曲率透明件采用的投影線法

小曲率直升機(jī)風(fēng)擋透明件的光學(xué)角偏差多采用投影線法測(cè)試，俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)гост 10667[1]和國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)GJB503[2]均有規(guī)定，測(cè)試裝置見圖3。調(diào)整幻燈機(jī)，使網(wǎng)格幻燈片的其中一條投影線與座標(biāo)紙屏幕的一條中心線完全重合。放入被測(cè)透明件，緩慢平移透明件直至全部被測(cè)區(qū)域均通過光束，移動(dòng)過程中需保持光束垂直入射透明件的被測(cè)區(qū)域，保持透明件與屏幕之間3.45m距離不變。將透明件旋轉(zhuǎn)90°，重復(fù)試驗(yàn)。分別記錄投影線偏移座標(biāo)紙中心線的距離，偏移1mm光學(xué)角偏差即為1′。最大的一個(gè)角偏差值即為被測(cè)透明件的光學(xué)角偏差。

圖3 投影線法測(cè)量角偏差的試驗(yàn)裝置示意圖

θ＝arctg(S/F)= arctg(1/3450)= 1

由角偏差計(jì)算公式得出，被測(cè)透明件與坐標(biāo)屏幕距離為3.45m時(shí)，投影線1mm的偏移量相當(dāng)于1 的角偏差。因此，在該方法中，被測(cè)件與屏幕距離3.45m需保持不變，而投影儀與被測(cè)件的距離可以調(diào)整。гост 10667標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定投影儀與被測(cè)件的距離為1.5m～2.5m，GJB503規(guī)定的距離為1m～3m。

該方法簡(jiǎn)單方便，測(cè)試效率高，便于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，適于測(cè)量平面和小曲率的飛機(jī)透明件，但其測(cè)試精度不高，不能確定單點(diǎn)的光學(xué)角偏差值。直升機(jī)風(fēng)擋透明件多采用此法進(jìn)行光學(xué)角偏差的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。

2.3 大曲率透明件采用自動(dòng)掃描法

國(guó)內(nèi)外對(duì)大曲率透明件采用自動(dòng)掃描法測(cè)量光學(xué)角偏差，美國(guó)ASTMF801[3]和國(guó)內(nèi)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)HB20081[4]規(guī)定了自動(dòng)掃描法測(cè)量方法。

透明件光學(xué)角偏差自動(dòng)掃描測(cè)量?jī)x由三部分組成：電控系統(tǒng)、光路系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)，其測(cè)試裝置示意圖如圖4所示。發(fā)射器發(fā)出平行光線通過被測(cè)件，接收器接收透射光，數(shù)據(jù)傳輸至電控系統(tǒng)，測(cè)得光學(xué)角偏差量。

圖4 自動(dòng)掃描法測(cè)量角偏差的試驗(yàn)裝置示意圖

將被測(cè)透明件調(diào)整到飛機(jī)安裝位置，輸入測(cè)試范圍，計(jì)算機(jī)控制試驗(yàn)臺(tái)帶動(dòng)透明件移動(dòng)。自動(dòng)掃描透明件的全部測(cè)試面積，同時(shí)自動(dòng)記錄各點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果并繪制各種直觀圖表。圖5為某透明件的角偏差測(cè)試結(jié)果圖，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的角偏差值自動(dòng)保存為EXCEL文件存檔，并依據(jù)技術(shù)要求生成測(cè)試報(bào)告。

自動(dòng)掃描測(cè)量?jī)x能夠模擬飛行員眼位，快速掃描逐點(diǎn)測(cè)量被測(cè)透明件的光學(xué)角偏差，測(cè)量數(shù)據(jù)可進(jìn)行分析處理、顯示、存檔和輸出。該方法精準(zhǔn)高效，是光學(xué)角偏差測(cè)量方法發(fā)展的必然趨勢(shì)，國(guó)內(nèi)多個(gè)主機(jī)廠所已針對(duì)不同型號(hào)透明件研制了不同的測(cè)試設(shè)備，并投入使用。

3.測(cè)試結(jié)果與分析

某直升機(jī)風(fēng)擋透明件為接近平板狀的小曲率（見圖6），光學(xué)角偏差的指標(biāo)要求為不大于5′。采用投影線法，橫向、縱向分別測(cè)試并記錄最大值。采用掃描法，移動(dòng)透明件，逐行逐列進(jìn)行各點(diǎn)的掃描測(cè)試，記錄每點(diǎn)的測(cè)試值。測(cè)試結(jié)果見表2。兩種測(cè)試方法均能評(píng)估光學(xué)角偏差。投影線法設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便，測(cè)試結(jié)果直觀、可全范圍測(cè)試。逐點(diǎn)掃描法需試驗(yàn)架與測(cè)試軟件聯(lián)動(dòng)才能進(jìn)行自動(dòng)掃描測(cè)試，否則需橫向、縱向移動(dòng)制件，再測(cè)量各點(diǎn)，操作復(fù)雜、測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，測(cè)試點(diǎn)有間隔，不能全范圍測(cè)試。

圖6 平板狀風(fēng)擋玻璃

表2 平板狀風(fēng)擋角偏差測(cè)試結(jié)果

某殲擊機(jī)風(fēng)擋透明件為圓弧狀風(fēng)擋（見圖7），技術(shù)文件要求從眼位對(duì)透明件進(jìn)行角偏差測(cè)試。采用自動(dòng)掃描法，以眼位為中心轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)試架，對(duì)透明件進(jìn)行逐點(diǎn)掃描測(cè)試。生成直觀的測(cè)試效果圖（見圖8），并保存每點(diǎn)的測(cè)試值。自動(dòng)掃描法更適合測(cè)試圓弧風(fēng)擋等復(fù)雜外形透明件，測(cè)試架的轉(zhuǎn)動(dòng)中心與飛行員眼位重合，測(cè)試光線通過該點(diǎn)，可測(cè)試不同型號(hào)各種外形的透明件。

圖7 圓弧風(fēng)擋透明件

圖8 圓弧風(fēng)擋透明件的角偏差圖

4.結(jié)論

飛機(jī)透明件角偏差的測(cè)試方法均是依據(jù)光學(xué)角偏差的測(cè)試原理，根據(jù)不同的測(cè)試需求而建立的。投影線法更便捷，投影點(diǎn)法可以快速精確到點(diǎn)。自動(dòng)掃描法更適于測(cè)試復(fù)雜外形的透明件，自動(dòng)化程度高。