氟化镁共形整流罩热障效应分析及试验验证

围绕氟化镁共形整流罩的热障效应展开分析,模拟了真实飞行状态,建立了整流罩气动加热及其内部传热过程的有限元分析模型,计算不同飞行速度下整流罩的气动热载荷及平均温度;再根据红外探测基本原理,分析各个温度下整流罩的热辐射及其对探测系统成像质量的影响,计算探测器达到饱和状态时整流罩的临界温度,即研究热障效应产生机制;最后用成像试验对分析结果加以验证。分析结果表明,对于该红外成像探测系统,氟化镁共形整流罩的临界温度约为460 K,即在Ma=3的末制导阶段及Ma=4的情形下,热障效应显著,若想进一步加快红外成像制导武器的飞行速度,必须对热障效应加以抑制和校正。各项结论对认识热障效应机理及其校正方法有一定借鉴意义。     

整流罩气动加热对红外成像系统像质的影响

导弹高速飞行时,整流罩的气动加热会导致整流罩具有较高的温度,并且承受较大的气动载荷。利用ANSYS软件计算在500℃高温和4个大气压气动载荷下热压硫化锌红外平板窗口和同心球形整流罩的变形情况,并采用ZEMAX光学设计软件分析了变形对红外成像系统像质的影响。针对视场角13、焦距70 mm、F数为1的红外长波成像系统进行了气动加热影响下的像质分析,结果表明:红外平板窗口的变形对成像系统所有视场的调制传递函数（16 lp/mm）几乎没有影响;同心球形整流罩的变形导致成像系统的调制传递函数最大下降了2.56%。     

类THAAD导引头气动光学效应计算研究

针对类美国末段高空域防御(Terminal High Altitude Area Defense, THAAD)系统的红外导引头外形,开展了气动光学效应计算分析,并将其用于飞行器设计。利用国家数值风洞工程高速流场计算软件NNW -HyFLOW,考虑热化学非平衡效应和材料传热耦合效应,对导引头典型状态的流场进行了模拟,获得了流场的密度、温度、压力等参数和窗口的温度场参数。基于流场参数,利用HyFLOW气动光学传输效应计算功能,开展了红外光学传输成像计算;利用HyFLOW气动光学辐射效应计算模块,开展了流场和光学窗口的热辐射计算。计算结果表明,类THAAD导引头在30 km以上飞行时,流场和光学窗口基本不会影响目标信号的光学传输成像,但流场和窗口的热辐射效应会对导引头识别目标造成影响。不过随着飞行高度的升高,这种影响会减小。     

高速导弹红外成像末制导对气动光学效应技术研究的需求

高速导弹采用红外成像末制导技术实现直接碰撞目标是精确制导武器发展的主要方向。从高速导弹采用红外成像末制导技术所面临的新问题出发，研究了气动光学效应规律，进行气动光效应的校正对高速导弹光学头罩的设计，提高导引头对目标探测的信噪比以及提高末制导精度和抗干扰能力具有重要作用。     

气动光学效应光电校正方法研究

采用红外成像寻的精确制导体制的高速飞行器在大气中以高超音速飞行时。头罩周围的高温激波流场将产生气动光学效应,这种效应严重影响了导引头对目标的探测、识别与跟踪,必须对此采取措施进行校正。文中介绍了气动光学效应的光电校正方法,包括基于波前检测与基于像清晰化校正以及高频微型光电子校正等自适应光学校正、图像帧频与帧积分时间自适应变化校正和光学与图像处理综合校正等方法,并对各种方法进行了比较分析。     

红外成像导弹气动加热仿真建模方法

为了评估气动加热效应对红外成像型导弹产生的影响,通过理论分析导弹飞行过程中受到的气动加热变化规律,并研究实验室和大型试验测试数据,首次引入气动热效应建模流程并采用正态分布等方法建立了虚拟样机仿真模型,模拟导弹飞行过程中整流罩受到的气动热辐射与红外图像的变化过程,经过数字仿真、半实物仿真和大型试验验证,证明该方法建立的模型与实际情况相吻合,可以用来评估气动加热效应对产品性能造成的影响,进行信息处理算法改进。     

高速湍流流场气动光学传输效应研究

高速飞行器在大气层中高速飞行时,其头罩表面受大气气流的影响产生严重的气动光学效应。头罩周围湍流流场的高频变化,将影响来自目标的红外辐射光线的传输,使导引头成像器中目标图像产生模糊、抖动、偏移和能量衰减,给红外成像末制导带来不利影响,降低导引头对目标的探测、跟踪与识别能力,进而影响末制导精度。以红外成像制导技术在高速拦截器上的应用需求为背景,进行了高速湍流流场光学传榆效应理论计算基本方法的分析,介绍了建立的数学模型和仿真软件,最后给出了典型状态下的计算结果。     

半球形整流罩厚度对气动热辐射的影响

气动加热的高温整流罩会产生强烈的红外辐射,影响导引头对目标的探测精度。为了寻求减弱整流罩气动热辐射的方法,建立了气动热辐射数学模型。利用有限元软件以及建立的气动热辐射数学模型对不同厚度的半球形整流罩气动热和气动热辐射进行了数值仿真,得到了半球形整流罩厚度对气动热和气动热辐射的影响规律。研究结果表明,在相同飞行工况下,工作10 s时,当半球形整流罩厚度由3 mm增厚到8 mm,整流△点温度降低了16.23%;形变量减少了54.2%;探测器接收面上的最大辐照度减少了84.43%。因此增加整流罩的厚度可以降低整流罩的温度,有效减小整流罩的热形变和探测器上接收到的干扰辐射照度。     

红外窗口整流罩气动加热对红外热图像测量影响试验研究

红外窗口整流罩物理特性直接影响红外制导导弹的跟踪性能和目标红外特性测量精度,本文介绍了红外窗口整流罩的气动加热对红外热图像测量影响试验及试验结果。     

气动加热对红外成像的影响试验研究

介绍了在气动加热条件对红外成像的影响试验研究的情况,利用电弧风洞产生高温,高超声速流场,模拟红外窗口的气动加热,红外图像由高温黑体产生,利用高速红外热像仪接收红外目标的辐射。通过对穿过高温流场、模型之后的红外图像测量分析,初步揭示了气动加热对光学传输的影响。     

高速飞行器成像探测气动光学效应研究（特约）

随着各种飞行器对信息获取的精确性和实效性依赖程度的大幅度提高,采用光学成像探测技术和追求高速飞行已成为各种飞行器发展的趋势。光学成像制导飞行器在大气层内高速飞行时,光学头罩与来流之间发生剧烈的相互作用,光学头罩与来流之间形成复杂的流场,在光学窗口中产生复杂的热响应,给头罩内的光学成像探测系统带来气动热辐射噪声,带来目标图像的偏移、抖动、模糊等气动光学效应。文中针对高速飞行器成像探测面临的气动光学效应,从机理、工程和应用三个层次,提出了气动光学研究思路和后续工作展望,旨在为气动光学效应研究提供参考思路。     

超音速共形光学系统动态热差实时校正研究

随着科技的发展,高速度飞行器对成像质量的要求越来越高。研究了含共形整流罩系统在超音速飞行时由于摩擦生热对其产生的光机性能影响,设计了应用长径比为1的共形整流罩的共形光学系统,系统采用楔形镜进行视场扫描,瞬时视场2=4,扫描视场2=60,完成了速度为3Ma、攻角为0共形整流罩空气动力学仿真实验,得到了共形整流罩在超音速飞行情况下的表面温度分布值,通过流固耦合,计算出整流罩在高速飞行时不同时间段的面型变化量。通过拟合,将热形变量以Zernike系数的形式施加到共形光学系统中,观察其对成像质量的影响。结果表明:共形整流罩在飞行中所引入的动态像差会对光学系统的成像质量产生影响。为保证系统精度,文中通过采用空间光调制器（Spatial Light Modulator,SLM）对不同时刻的像差进行校正,校正后系统成像质量接近衍射极限,实现了对共形光学系统在高速飞行下所产生的动态热像差进行校正,对高精度飞行器有着重要科学意义。     

整流罩层流换热瞬时温升计算及其结构改进

针对热障效应问题,采用流固耦合法计算了球形整流罩的瞬时温升,并对其进行了结构改进。首先,根据风洞及火箭撬实验,结合熵层涡干扰势分析,给出判别球型整流罩换热状态的临界来流雷诺数为2.7106,并分析了Van Driest层流换热公式对大张角球面处的适用性;再以Van Driest换热系数为边界条件,利用有限元法进行球形整流罩瞬时温升计算,结果表明其温升较快,需合理轨迹规划以规避热障效应;针对高速长航时应用需求,利用多孔陶瓷材料的低热导率设计了新型复合整流罩,能有效延长制导系统飞行时间;复合整流罩还具有光学窗口处的气动热冲击应力小以及气动阻力小的优点,可应用于低空、高马赫数条件下的光学精确制导。     

含特殊整流罩的红外光学系统设计

提出了一种有效的特殊整流罩及其像差校正器的设计方法,运用Wassermann-Wolf微分方程组(W-W方程组)的原理,通过在商业光学设计软件中编译宏程序曲面拟合的方法得到校正器最佳面形,从而可以校正整流罩引入的球差、彗差,使系统成像质量得到较大的改善.文章在基于W-W方程的基础上,针对应用于红外系统的特殊整流罩做了实际方案设计,研究的光学系统工作谱段为中波红外,视场大于3.5度,F数F/1～F/2.5,系统采用了复杂化的R-C系统,最终成像质量达到衍射极限,可以满足特殊条件下的红外谱段成像要求,具有较高的实用价值.     

高空高速环境热光学分析及光学窗口设计

为提高高空高速环境下机载光谱相机光学系统的成像性能,分析了飞行高度对光学窗口面型变形的影响,合理设计光学窗口厚度。基于有限元流固耦合、流热耦合模型,仿真高空高速环境下气动压力、气动热载荷对光学窗口的作用,分析了飞行高度对不同厚度光学窗口面型变形的影响;初步选择光学窗口厚度,利用Zernike多项式对该光窗面型变形进行拟合并输入光学软件,以MTF及波相差为评价指标,分析了光学窗口变形对光学系统成像性能的影响,最终确定合理的光学窗口厚度。结果表明:飞行器在5～30 km高空以3 Ma速度、5毅攻角飞行时,口径200 mm的光学窗口合理设计厚度为15 mm。为不同飞行高度范围光学窗口厚度的选择及优化提供了一定依据。     

防护罩气动热效应对玫瑰扫描系统的影响仿真分析

针对高速飞行器气动加热效应对高速飞行器光学性能的影响,建立了防护罩热辐射模型。在此基础上,编写了仿真控制程序,利用TracePro软件,实现了光学自动追迹,动态模拟了防护罩热效应在整个光学系统扫描过程中产生的影响,以及在各光学运动部件单独扫描时的影响。通过对热效应引起的杂散光在玫瑰扫描过程中的传输路径分析,提出了建议改进措施,为高速飞行器光学性能分析及其环境失效研究提供了参考。     

高速红外空空导弹整流罩气动加热及应力分析

建立了高速飞行条件下,湍流流场计算和有限元分析的物理模型,利用计算流体力学方法(CFD)和有限元方法对高速飞行的红外整流罩头部流场、头罩温度分布及头罩应力、应变进行了数值计算.分析了典型条件下头罩的温度和应力分布,在此基础上提出了由气动加热所产生不利因素的解决方案,并提出了今后的研究建议.