飛機透明件的光學角偏差測試研究進展及應用

（北京航空材料研究院，北京 100095）

0.引言

現代高性能飛機透明件外形日趨復雜化，光學性能的要求也越來越高，促使其測試評估技術迅速發展，不同型號透明件依據外形和測試需求應采用不同的評估技術和方法。

飛機在起飛、著陸、編隊飛行時，飛行員需通過飛機透明件觀察目標，飛機透明件必須具有良好的光學性能，如光學角偏差、光學畸變、透光率、霧度等，其中風擋透明件的光學角偏差最為重要。本文介紹了各類風擋透明件適用的光學角偏差測試技術和方法。

1.測試原理

光學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、厚度、外形等因素的影響，光線通過透明件會偏離原來的光路產生偏移。這種偏移包括隨目標距離變化的光學角偏差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，角偏差對光學瞄準系統的影響很大，必須精確測量，從而修正目標瞄準值。

圖1 飛機透明件的角偏差和橫向位移

2.測試方法

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

2.1 平板試樣采用的激光法（投影點法）

透明件板材、平板制件和小曲率制件的逐點測量可采用激光法（投影點法），歐洲廠家按EN2155-7標準規定的試驗方法，用邊料試樣測試有機玻璃板材的光學角偏差。測試裝置如圖2所示。

圖2 激光法測量角偏差的試驗裝置示意圖

測試裝置由激光點光源、試樣測試架、圓環屏幕組成。圓環屏幕上刻有不同半徑的同心圓環。調整點光源，使其在圓環屏幕的圓心上成像，將被測試樣放入光路中，表面與入射光束垂直，投影點會在屏幕上發生偏移，根據偏移位置可以讀出被測試樣的光學角偏差。

圓環半徑與角偏差、試樣位置的關系見表1，其計算公式如下：

表1 角偏差與圓環半徑、試樣距離關系表

式中：r— 圓的半徑，mm；

d— 角偏差，'；

D— 試樣與屏幕的距離，m。

對表中的參數關系進行驗算：arctg(r/D)= arctg(2.2/5000)=1.5'=d。

符合角偏差的計算公式，說明公式（2）中的常數0.291是根據角偏差的計算公式得來的。測試時，無需計算，只需按照標準中規定的距離放置圓環屏幕和試件，根據激光點的偏移位置直接讀數即可。各個圓環分別對應1.5、3、6、10 的角偏差，如試件屏幕距離5m，投影點通過試件后偏移至2.2mm圓環上，則此測試區域內試件的角偏差為 1.5′。

該方法設備簡單、操作便捷，適于試驗室測量小面積平板試樣，或用于精確到點的快速測試。

2.2 小曲率透明件采用的投影線法

小曲率直升機風擋透明件的光學角偏差多采用投影線法測試，俄羅斯標準гост 10667[1]和國內標準GJB503[2]均有規定，測試裝置見圖3。調整幻燈機，使網格幻燈片的其中一條投影線與座標紙屏幕的一條中心線完全重合。放入被測透明件，緩慢平移透明件直至全部被測區域均通過光束，移動過程中需保持光束垂直入射透明件的被測區域，保持透明件與屏幕之間3.45m距離不變。將透明件旋轉90°，重復試驗。分別記錄投影線偏移座標紙中心線的距離，偏移1mm光學角偏差即為1′。最大的一個角偏差值即為被測透明件的光學角偏差。

圖3 投影線法測量角偏差的試驗裝置示意圖

θ＝arctg(S/F)= arctg(1/3450)= 1

由角偏差計算公式得出，被測透明件與坐標屏幕距離為3.45m時，投影線1mm的偏移量相當于1 的角偏差。因此，在該方法中，被測件與屏幕距離3.45m需保持不變，而投影儀與被測件的距離可以調整。гост 10667標準規定投影儀與被測件的距離為1.5m～2.5m，GJB503規定的距離為1m～3m。

該方法簡單方便，測試效率高，便于現場測量，適于測量平面和小曲率的飛機透明件，但其測試精度不高，不能確定單點的光學角偏差值。直升機風擋透明件多采用此法進行光學角偏差的現場測量。

2.3 大曲率透明件采用自動掃描法

國內外對大曲率透明件采用自動掃描法測量光學角偏差，美國ASTMF801[3]和國內測試標準HB20081[4]規定了自動掃描法測量方法。

透明件光學角偏差自動掃描測量儀由三部分組成：電控系統、光路系統、機械系統，其測試裝置示意圖如圖4所示。發射器發出平行光線通過被測件，接收器接收透射光，數據傳輸至電控系統，測得光學角偏差量。

圖4 自動掃描法測量角偏差的試驗裝置示意圖

將被測透明件調整到飛機安裝位置，輸入測試范圍，計算機控制試驗臺帶動透明件移動。自動掃描透明件的全部測試面積，同時自動記錄各點的測試結果并繪制各種直觀圖表。圖5為某透明件的角偏差測試結果圖，每個測試點的角偏差值自動保存為EXCEL文件存檔，并依據技術要求生成測試報告。

自動掃描測量儀能夠模擬飛行員眼位，快速掃描逐點測量被測透明件的光學角偏差，測量數據可進行分析處理、顯示、存檔和輸出。該方法精準高效，是光學角偏差測量方法發展的必然趨勢，國內多個主機廠所已針對不同型號透明件研制了不同的測試設備，并投入使用。

3.測試結果與分析

某直升機風擋透明件為接近平板狀的小曲率（見圖6），光學角偏差的指標要求為不大于5′。采用投影線法，橫向、縱向分別測試并記錄最大值。采用掃描法，移動透明件，逐行逐列進行各點的掃描測試，記錄每點的測試值。測試結果見表2。兩種測試方法均能評估光學角偏差。投影線法設備簡單、操作方便，測試結果直觀、可全范圍測試。逐點掃描法需試驗架與測試軟件聯動才能進行自動掃描測試，否則需橫向、縱向移動制件，再測量各點，操作復雜、測試時間長，測試點有間隔，不能全范圍測試。

圖6 平板狀風擋玻璃

表2 平板狀風擋角偏差測試結果

某殲擊機風擋透明件為圓弧狀風擋（見圖7），技術文件要求從眼位對透明件進行角偏差測試。采用自動掃描法，以眼位為中心轉動測試架，對透明件進行逐點掃描測試。生成直觀的測試效果圖（見圖8），并保存每點的測試值。自動掃描法更適合測試圓弧風擋等復雜外形透明件，測試架的轉動中心與飛行員眼位重合，測試光線通過該點，可測試不同型號各種外形的透明件。

圖7 圓弧風擋透明件

圖8 圓弧風擋透明件的角偏差圖

4.結論

飛機透明件角偏差的測試方法均是依據光學角偏差的測試原理，根據不同的測試需求而建立的。投影線法更便捷，投影點法可以快速精確到點。自動掃描法更適于測試復雜外形的透明件，自動化程度高。