ICS 17. 020 A 42 GD 中华人民共和国国家标准 GB/T 30113.1—2013 空间微重力流体物理 流场光学测量 技术规范 第1部分：阴影法、纹影法 Optical measurement methods on flow field in microgravity fluid physics- Part 1:Shadowgraph and schlieren 2013-12-17发布 2014-07-15实施 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局 发布 中国国家标准化管理委员会 GB/T 30113.1—2013 前言 本部分按照GB/T1.1一2009给出的规则起草。 GB/T30113《空间微重力流体物理流场光学测量技术规范》分为以下几个部分： 第1部分：阴影法、纹影法； 第2部分：干涉法； 第3部分：激光多普勒测速技术； 一第4部分：粒子图像测速技术、激光诱导荧光技术和热色液晶技术。 本部分为GB/T30113的第1部分。 本部分由全国空间科学及其应用标准化技术委员会（SAC/TC312）归口。 本部分起草单位：中国科学院力学研究所。 本部分主要起草人：胡良、康琦、段俐。 I GB/T 30113.1—2013 空间微重力流体物理 流场光学测量 技术规范第1部分：阴影法、纹影法 1范围 GB/T30113的本部分规定了空间微重力流体物理实验阴影、纹影测量系统设计和测试的原则、要 求和方法。 本部分适用于在空间微重力环境中使用的，航天器载荷的阴影、纹影测量系统的设计和测试，落塔、 抛物线飞机和地面实验的阴影、纹影测量系统设计和测试也可参考使用。 规范性引用文件 2 下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文 件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。 GJB/Z27电子设备可靠性热设计手册 GJB368B装备维修性工作通用要求 GJB450A装备可靠性工作通用要求 GJB 900 系统安全性通用大纲 GJB1027A运载器、上面级、航天器试验要求 GJB 2547 装备测试性大纲 GJB 3872 装备综合保障通用要求 GJB4239 装备环境工程通用要求 QJ 2172A 卫星可靠性设计指南 航天产品安全性分析指南 QJ3273 3术语和定义 下列术语和定义适用于本文件。 3. 1 光阑 aperture 限制光束尺寸或空间范围的光学器件。 注：纹影法光路中，在光线汇聚的焦平面附近放置的光阑称为纹影光阑。 3. 2 刀口光阑 同knife-edgeaperture 刀knife-edge 利用锋利刃口边缘限制光线通过的光学器件 3.3 洛仑兹-劳伦斯关系 Lorentz-Lorenz relation 不导电的透明介质折射率与密度的关系式： n²-1 =Kp :(1) n²+2 1 GB/T 30113.1—2013 式中： α—密度，单位为千克每立方米（kg/m²）； n—折射率； K一一比例因子，单位为立方米每千克（m/kg）。 3.4 阴影法 shadowgraph method 光线通过测量区域后，由折射率不均匀引起光线聚集和发散，成像形成与折射率变化相对应的阴影 注：根据洛仑兹-劳伦斯关系，利用该阴影图像可检测流场密度等参量动态变化 3.5 纹影法 schlieren method 光线通过折射率不均匀的测量区域后经透镜或凹面镜聚焦，在焦点处通过光阑的空间滤波作用，成 像产生明暗不均的纹影图像，通过纹影图像反映流场折射率一阶导数空间分布的方法。 注：根据洛仑兹-劳伦斯关系，利用该纹影图像可检测流场密度等参量动态变化。 4设计原则 4.1设计条件 4. 1. 1 功能性能约束 至少应满足以下功能、性能约束条件： a） 测量灵敏度优于待测实验模型的特征量； b) 待测实验模型的特征量变化小于测量范围。 4. 1. 2 资源约束 至少应满足以下资源约束条件： a) 重量和体积； b) 供电和功耗； c) 热控； d) 数据存贮与传输。 4.1.3 力学环境约束 应满足任务规定的力学环境试验条件。 4.1. 4 空间环境约束 至少应满足以下空间环境约束条件： a） 微重力； 压力、温度； b) c) 空间辐射。 4. 2 设计通则 在满足功能、性能要求的前提下，一般应遵循以下原则： a) 测量方案力求简洁； 2 GB/T30113.1—2013 安全性、可靠性贯穿设计过程始终； b) c） 适用时考虑测量单元内各个部组件的通用性、互换性、可达性，提高可维修性； d) 优先采用具有空间飞行经历的成熟原材料、元器件及零部件； 尽量降低实验装置的质心高度； f) 实验装置结构力求紧凑。 5 设计要求 5.1 光学设计 SAG 5.1.1阴影法、纹影法选用 需要突显实验介质折射率二阶导数分布的物理过程优先选用阴影法；需要突显实验介质折射率一 阶导数分布的物理过程优先选用纹影法 两种方法都可以满足科学需求时，优先选择阴影法 5.1.2光源 光源选用一般为发光二极管（LED）、半导体激光器和卤钨灯。选用时应考虑下列因素： a） 选择重量轻、体积小、抗振性能好的光源； b) 稳定性、可靠性高； 满足热设计、功耗要求； d) 使用彩色滤光片光阑的彩色纹影方法使用白光光源。 5.1.3 光学器件 光学器件的布置、选用考虑下列因素： a) 根据物理模型确定实验段的观测视场尺寸，准直镜和纹影镜通光口径不小于观测视场尺寸； b) 为提高阴影测量灵敏度，实验段到观察屏的距离在有效载荷尺寸约束下宜尽量长（参见附录A 的 A. 1); c) 为提高纹影测量灵敏度，纹影镜的焦距f2在有效载荷尺寸约束下宜尽量长（参见A.2）； d) 受空间实验装置体积限制时，扩束透镜和准直透镜宜尽量选用短焦距透镜； 在纹影镜面的任意25mm直径范围内，面形误差峰谷值（PV)宜优于光源波长的1/5。 5. 1. 4 刀口光阑 适用时，刀口光阑的选用考虑下列因素： 综合考虑光强和测量灵敏度因素，刀口光阑遮挡量宜取50%； a) b) 当纹影图像的对比度过高时，可采用灰度渐变片或彩色滤光片作为纹影光阑，以增加纹影图像 的细节，减少衍射条纹干扰； 彩色纹影光阑应染色均匀、低色差、无杂点； d）刀口光阑材料、厚度及安装方式应充分考虑散热性。 注1：刀口光阑处于纹影镜焦点，能量集中，温度较高。 注2：纹影法测量灵敏度反比于光源像上缘与刀口的距离α（参见图A.3)。 5.1.5实验段光学窗口 在实验段光学窗口任意25mm直径范围内，面形误差峰谷值（PV）宜优于光源波长的1/2。 8