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。     

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%。     

基于多变环境条件下的光学窗口设计

主要阐述了在多变环境条件下,热和压力对零光焦度光学元件-窗口设计的影响,提出了热梯度引起光学窗口热畸变和光程差变化的计算方法,利用热和压力对光学窗口进行强度分析,然后计算出安全的最小窗口厚度,并给出了光学窗口的安装方法.     

红外探测器窗口异种材料焊接残余应力和变形分析

平行平板光学零件焊接变形产生弥散斑影响会聚光束成像质量。用有限元法分析红外探测器窗口异种材料焊接界面的应力分布,根据Suhir双材料界面的弯矩平衡微分方程计算窗口弯矩分布,研究焊料厚度、不同焊料和被焊材料热膨胀失配对窗口变形的影响。在正交试验优化焊接工艺过程中,用激光干涉法检测窗口变形,检测结果表明窗片顶面的仿真计算变形曲面与实测轮廓曲面一致。材料热失配和钎焊料弹塑性是引起窗口变形的主要原因。     

临近空间超声速航空遥感器光学窗口热光学评价

为提高航空遥感器光学窗口的光学性能,对处于临近空间超声速飞行状态下熔石英材料的光学窗口进行了热光学评价。分析了光学窗口所处的飞行环境,根据空气动力学原理,计算了平均对流换热系数与马赫数的关系。根据热流密度,模拟了光学窗口温度场分布;计算了内外表面温差所引起的光程差;并分析了光学窗口热变形对航空遥感器光学系统传递函数的影响。分析结果表明:由热变形带来的光学窗口光程差PV=130.5 nm,满足光学设计要求(PV1/4)。此研究结果可为光学窗口系统设计提供必要依据。     

光学载荷钢丝绳减震器的结构设计与分析

为了减小振动对大负载光学载荷在飞行过程中相机成像质量的影响，设计了一种新型向心结构的减震器。针对传统减振器的不足，提出了向心结构的设计方案，可以很好地将力进行解耦，通过在升降板上沿圆环均布的方式排列安装，有效避免了光学载荷内部发生碰撞。为了检验向心结构的减振效果，通过拉伸试验与有限元分析相结合的方式对光学载荷验证。结果表明，在120 kg负载下，整体结构最大变形为3 mm，最大应力为34.3 MPa，实际振型频率为9.81 Hz，均满足设计要求。     

航空遥感器光学窗口光机热一体化设计

为减小光学窗口对航空光学遥感器成像质量的影响,对光学窗口的窗口玻璃厚度进行了优化设计。根据强度理论确定了窗口玻璃最小厚度。依据纵掠平壁理论计算出光学窗口外表面的平均对流换热系数;以热光学为基础,仿真了航摄时光学窗口的瞬态温度场分布;计算了光学窗口在热-力耦合作用下不同窗口玻璃厚度时的波像差(PV和RMS),最终确定了矩形光学窗口(290 mm×140 mm)的玻璃厚度为17 mm。试验结果表明:特征频率为60 lp/mm时光学系统传递函数为0.304,并获得了稳定、清晰的航摄图像。成功实现了光学窗口的光机热一体化设计,可为其他航空光学窗口设计提供参考。     

三折式光学窗口对航空相机成像的影响

基于平行光通过倾斜的平板玻璃会使光线发生平移的现象,从几何光学的角度分析了三折式光学窗口对航空相机成像分辨率的影响,在窗口玻璃厚度为25 mm,窗口玻璃之间的夹角为45,照相距离为5 000m的条件下,对焦距1 000 mm 的相机成像偏移量进行了分析计算,计算结果成像偏移量为3.34 m,大于设计要求的1/3 像元.最后,通过试验检验了成像偏移对相机成像分辨率的影响,分析及试验结果表明,相机焦距、窗口玻璃厚度和窗口玻璃之间的夹角越大,相机照相距离越小,使相机成像分辨率越低,尤其是采用三折式窗口玻璃的长焦距相机,不适宜在较近照相距离下照相。     

空间环境模拟系统光学窗口组件设计

光学窗口组件作为空间环境模拟系统与外界的接口,是不可或缺的重要组成部件。空间环境模拟系统共有两类光学窗口组件,针对两类光窗组件分别进行了结构方案设计。通过强度理论公式对光窗组件进行了强度校核,采用有限元分析软件计算了压力对光学玻璃表面变形的影响,并分析了光学玻璃表面变形对光窗组件光学性能的影响。计算结果表明:工作过程中,通光口径为Φ150 mm的光窗组件光学玻璃产生的应力为0.82 MPa;通光口径为Φ350 mm的光窗组件光学玻璃产生的应力为3.28 MPa,均满足强度要求。利用Zemax软件分析得到,通光口径为Φ150 mm的光窗组件波像差PV值为λ/8;通过计算得到通光口径为Φ350 mm的光窗组件在Φ170 mm~Φ190 mm环带区域内光程差为0.8 nm,均满足光学性能要求。因此,光学窗口组件结构方案设计既满足强度和可靠性要求,又满足光学性能要求,整个光学窗口组件安全可靠。     

基于ANSYS Workbench的光学探测系统热-结构仿真分析

热载荷是导致红外探测系统失效的主要原因之一,因此本文利用ANSYS Workbench软件对某红外成像光学探测组件进行不同温度载荷下的热-结构耦合分析。首先观察光学镜头与探测器之间后截距在不同温度载荷下的响应;然后利用光学软件ZEMAX得到后截距变化时理论上光学的成像质量;最后通过实验验证了理论计算模型,同时得到了不同温度载荷下光学探测系统的变形规律,发现探测器安装材料的热传导系数与热膨胀系数都会影响到探测系统的稳定性。本文的研究工作对红外成像光学探测系统的设计、优化以及可靠性方面具有重要的指导意义。