气动光学效应对红外成像探测系统的影响分析

与一般红外成像探测系统不同的是，高速红外成像探测系统面临着严重的气动光学效应的干扰，分析和研究气动光学效应并采用合适的校正方法是当前高速红外成像探测技术研究的关键技术之一。本文采用仿真设计计算的方法对气动光学效应进行了初步分析和实验论证，为气动光学效应校正技术的研究提供了一定的理论依据。     

计算气动光学研究进展

计算气动光学是采用数值计算的方法研究高速空气动力流场对光波传输和光学成像影响的一门交叉学科,在红外成像制导设计等工程应用中发挥着重要的作用。总结了计算气动光学研究的三种基本计算方法,包括基于CFD简化方法的光学统计估算、基于RANS流场的计算和基于LES/DNS瞬态流场的计算,对这三种计算方法的基本理论、计算过程进行了介绍,综述了新近的一些计算气动光学研究进展,最后指出了未来的研究重点和方向。     

带凹窗斜劈高速湍流气动光学效应研究

采用数值方法分析研究了带凹窗斜劈高速湍流气动光学特性受窗口深度的影响。湍流数值模拟采用耦合J-B模型的RANS/LES混合方法即DES方法,依靠双时间步LU-SGS方法开展非定常迭代求解,并且利用物理光学方法和波前重构技术等计算气动光学效应,用于分析近场波前畸变和远场光斑分布情况。模拟结果表明,在窗口较浅时,窗口前缘处产生较强激波,带来更大的波前倾斜影响,而窗口较深时,分离剪切层、旋涡等流场结构导致气动光学效应的非定常特性更为显著;高速湍流导致的气动光学效应很强,在所模拟条件下,波前倾斜、均方根光程差、峰谷值以及Strehl比分别达到69μrad、0.22λ、1.2λ和0.31,其对应的跳动值38μrad、0.04λ、0.8λ和0.43。     

红外成像系统无热化设计

讨论了红外成像系统在工作温度变化时产生的温度效应及其对成像的影响,包括光学元件的热变形、光学窗口的热应力及窗口的热辐射噪声,将结构件材料的线胀系数作为优化变量,提出了光学机械综合被动补偿无热化设计方法.采用热瞳判定与高密度光线计算法分析了光学窗口的热辐射,提出了基于表面辐射分析的无热化优化方法.计算表明,无热化设计使系统对温度的均匀变化和轴向温度梯度不敏感,对热应力不敏感,但径向温度梯度对像质影响较大.基于表面辐射分析的优化设计可以减少窗口辐射在探测器上的功率密度.     

针对气动光学效应的RANS计算方法研究

针对气动光学效应研究的特殊需求,发展了相应的RANS计算方法.首先对常规湍流模型进行评估,选出对平均密度空间分布预测较好的湍流模型;同时发展了光波折射率脉动值的输运方程,用以模化脉动密度对光学成像的畸变效应.针对一典型光学头罩作为研究对象,运用本文发展的计算方法对光学窗口流场的气动光学效应进行了计算和分析.     

微观能量分析气动光学效应时变误差的方法

针对高超声速飞行器在大气层内飞行过程中采用自主天文导航时,气动光学效应导致的光学传感器成像畸变严重干扰导航精度的问题,提出一种在微观能量变化机制层面探究气动光学效应时变误差的方法。该方法基于光子传输理论分析光子与湍流分子的相互作用机制,建立光子在高速流场中的传输模型,对光子在湍流传输过程中的能量分布进行统计。通过建立微观光子体系下的气动光学效应评价函数,得到气动光学效应的时变误差描述,统一了微观能量分析与宏观几何光学之间的关系,利用光子微观方法进行数值仿真分析,并将仿真结果与风洞试验结果进行了对比,为高超声速飞行器气动光学效应的研究提供了新的研究思路。     

典型光学窗口流场的气动光学效应数值模拟

采用延迟脱体涡模拟方法计算共形光学窗口转塔和平面光学窗口转塔的绕流流场，并根据绕流流场定量分析在转角0°、90°和180°下两种光学窗口的气动光学效应和远场衍射结果。采用Zernike多项式拟合波前，并结合自适应光学分析两种光学窗口所发射光线的传输性能。结果表明：在无自适应光学矫正下，平面光学窗口在0°和180°转角下的光线传输性能优于共形光学窗口，90°则相反；在自适应光学矫正平移、倾斜、离焦和像散等低阶项时，共形光学窗口在90°和180°转角下其光线传输性能都优于平面光学窗口；而在0°转角下，两种光学窗口的光线传输性能相近。随着转角的增大，两种光学窗口气动光学效应中的高阶项不断减小。值得注意的是，近场畸变的光线在远场衍射后的光强峰值可能会大于未畸变光线远场衍射的光强，且其光强峰值位置会严重偏移。     

超声速自由旋涡气动窗口的气动光学特性计算与分析

笔者讨论了超声速自由旋涡气动窗口的气动结构，对设计的超声速自由旋涡气动窗口射流流场及超声速自由旋涡气动窗口的光学性能进行了分析研究。研究了自由涡射流对透射激光产生的气动透镜效应，给出了计算结果。     

红外头罩气动光学试验

为了探索红外头罩受到气动加热时导引头成像系统对目标识别影响精度,在电弧加热地面模拟试验设备上,针对"热"与"透"的联合模拟,研制了直通及三通两种试验方案,在一定的热环境参数下对几种红外头罩材料进行了试验研究,取得了相应的光学传输测试试验结果。其中"三通"试验方案因为具有更大的适应性和便易性而成为首选方案。     

DPIV技术在超声速自由涡气动窗口研究中的应用

超声速自由旋涡气动窗口是利用超声速自由旋涡射流来密封高能激光器低压的激光腔，了解气动窗口的流场结构对提高其气动性能和光学性能是非常重要的。本文采用纳米材料作为示踪粒子，开发了超声速流场的DPIV测试技术，并应用于超声速自由旋涡气动窗口的流动显示和测量。测量的最大流场马赫数为4．21，得到了气动窗口的启动过程和剪切层非线性快速增长的流动图画，获得了超声速自由旋涡射流及其诱导流动的速度场。     

基于BOS的气动光学畸变测量与波前重构

通过系统集成与开发,研究了基于背景纹影(BOS)的高分辨率气动光学畸变测量方法。分析了PIV方式的BOS系统结构与特征。在BOS中,背景点的位移受实验装置的几何参数影响,通过调整这些参数能够改变BOS成像系统的分辨率以及观测区域的大小,这是传统纹影难以实现的。通过简化光路,定量分析了BOS的灵敏度与分辨率之间的相互制约关系。在搭建BOS系统的基础上,研究了蜡烛火焰上方热对流导致的气动光学效应,并根据光线偏折角与光程差之间的关系,实现了气动光学波前重构。结果表明,蜡烛火焰造成的平面波前畸变较好的反映了流场非均匀性带来的气动光学效应,而且其空间分辨率远远高于传统的干涉测量技术。     

目标温度场对红外成像探测的影响

在红外成像探测中,目标温度场会影响探测距离。通过实验,研究了目标红外图像像素数随温度的变化,以及这种变化对红外成像探测距离的影响。根据实验中的像素数统计,计算图像中目标像素点个数在整个红外图像中所占的比例,并分析目标温度变化对目标能量分布的影响。依据对红外成像系统观测等级的划分,对作用距离进行了估算研究,通过仿真和实例计算,验证了温度场扩散对探测距离的影响。     

气动加热下光学窗口传热特性的数值模拟

针对气动加热条件下光学窗口辐射导热耦合传热开展研究,以了解光学窗口的热辐射发射规律及热防护性能。采用有限体积法、蒙特卡罗法、谱带模型建立了具有镜反射界面的光学窗口辐射传输及辐射导热耦合传热计算模型,对具有两层SiO2玻璃的光学窗口传热特性进行了模拟。结果表明处于高温区玻璃向外发射热辐射,低温区玻璃吸收热辐射;除了加热面附近外的玻璃区域,辐射热流密度远大于导热热流密度,在2.9～4.2μm谱带内的辐射热流密度大于0.4～2.9μm谱带内的;在0.4～2.9μm谱带内,可见光波长内的出射辐射热流密度最小,中红外波长范围内出射辐射热流密度最大。在光学窗口总厚度一定的情况下,降低玻璃层厚度和玻璃夹层气体热导率能够有效降低光学窗口非加热面稳态温度。     

高超平板边界层转捩的气动光学诊断技术

高超声速平板边界层转捩是基础研究和工程应用中的一个重要的难题,对于转捩区域的理论估计和试验诊断与实际飞行试验结果有较大的偏差。随着光学测试技术的发展,高超声速气动光学研究水平不断提升,在气动光学中,一个重要的问题是边界层流动对穿过流场的光束存在影响,使光束发生畸变,包括光束的偏折、模糊和抖动。将上述两个问题结合起来考虑,高超声速边界层的转捩过程会使穿过边界层的光束的畸变情况发生变化,通过研究流场状态变化与光束畸变的变化之间的关联,尝试建立一种以气动光学测试方法为基础的边界层转捩诊断技术。本文具体分析了高超平板边界层转捩与细光束抖动特性之间的联系,提出了可以通过气动光学的细光束技术和高速图像拍摄技术对高超平板边界层转捩进行检测识别的新思路,并在FD-20风洞中来流Ma=8,ReL=1×107/m条件下,采用SABT(Small-Aperture Beam Technique,即细光束技术)以及HICS(High-speed Imaging Camera System,即高速图像拍摄系统),开展了平板模型边界层转捩的细光束抖动特性实验。试验模型的中心子午线上布置了有机玻璃窗口,可通过窗口测量光束通过测点及边界层后的抖动情况,结果表明再边界层的不同流向位置,细光束的抖动出现了幅值方差的变化。将这一试验结果与同一模型中心子午线的气动热测试结果相比较表明,细光束抖动特性的变化趋势与转捩区中的热流增长趋势相同,因此,采用上述气动光学检测技术对高超平板边界层转捩进行诊断和识别,存在可行性。     

气动热环境下玻璃窗口热应力试验分析

飞行器在大气层内高速飞行,气动加热会引起飞行器玻璃窗口损坏。为分析玻璃窗口在气动热环境下热应力状态,在高频等离子体风洞中采用电阻应变计测量方法开展了试验研究。本文针对玻璃窗口的特点,介绍了玻璃窗口模型的固定支架设计以及在玻璃上安装应变计的方法和特点。针对试验快速升温的特点,对应变计标定了瞬时热输出,并与稳态热输出进行了对比。通过风洞试验得到了气动热环境下玻璃窗口模型应变应力变化结果,并利用有限元计算验证了该试验结果。试验结果表明,玻璃窗口模型在最高温度300℃试验状态下应力状态处于合理水平,热应力不会对玻璃窗口造成损坏。     

亚声速真空管道磁浮系统气动热特性研究

为解决真空管道磁浮系统气动热问题,研究管道内气动热分布特性至关重要.以某高速磁浮列车为研究对象,基于Sutherland黏性公式及SST k-ω湍流模型,数值仿真了三维可压缩亚声速真空管道磁浮系统的气动特性及气动热效应,考虑的阻塞比范围为0.1～0.4、列车运行速度为600～1000?km/h,研究了列车表面温度分布、...     

离心甩油盘径向喷雾破碎机理实验研究

本文发展了离心甩油盘高速旋转雾化的光学测试实验台,采用高速数字成像、高速阴影成像等可视化方法研究了在不同转速（8～20kr/min）和燃油流量（4～15g/s）下航空煤油的喷雾形态及燃油破碎过程,分析了喷雾特性变化规律,并采用激光粒度分析仪测量了不同工况下的燃油雾化粒径及其分布规律。实验结果表明,甩油盘雾化过程中,科氏力推动液膜聚积在与甩油盘旋转方向相反的喷口一侧,且甩油盘喷孔出口处的液体呈薄片状。随着燃油的进一步破碎雾化,实验中观察到三种不同的破碎形态：韧带破碎、袋状破碎和剪切破碎,跟转速和燃油流量有关,研究基于气动韦伯数和液气动量比给出了破碎模式图。研究表明甩油盘转速是影响雾化特性的主要因素,甩油盘转速越高,燃油粒径越小;离散度在气动韦伯数和液气动量比的综合作用下呈现不同的变化趋势。     

飞发一体化算力体系及算力参数敏感性

飞行器/发动机一体化是制约吸气式高超声速飞行器的核心和关键技术,本文针对高超声速飞发一体化构型开展了算力体系划分及算力参数敏感性研究。通过将一体化飞行器不同部件划分至气动和推进系统,研究了算力体系划分对气动/推进性能指标的影响,结果表明对于飞发一体化构型,在不同算力体系下表征的飞行器气动/推进性能可能存在较大差异,横向比较飞行器气动/推进性能必须在明确算力体系条件下进行。采用正交试验设计+方差分析的方法分析了飞行器算力对空域、速域、飞行姿态、气动热效应、真实气体效应5个因素的敏感性,结果表明壁面温度是影响飞行器轴向力计算的敏感参数,马赫数和攻角几乎影响所有气动指标。在研究范围内,雷诺数和气体比热比是飞行器气动性能的不敏感参数。     

转换式高速直升机RD15方案

首先对目前各种类型的高速直升机进行了分析,在此基础上提出了一种旋翼/机翼转换式高速方案;然后对此方案的旋翼系统的气动特性和关键技术——直升机/飞机模式转换过程中盘翼的仰角、桨叶的长度、转速以及桨距等参数的变化进行了理论和试验研究,提出了高速直升机RD15的总体方案,并设计了直升机/飞机模式转换过程。计算表明,该方案在直升机/飞机模式相互转化过程中升力、功率和操纵的改变能够实现平滑连续并保持操稳性。     

翼身融合布局飞机总体参数对气动性能的影响

翼身融合布局是一种极具潜力和竞争力的新布局型式,该种布局型式飞机的总体参数对其自身的气动性能有重要影响,有必要开展相关的影响规律研究。本文基于某一翼身融合布局飞机概念方案,采用快速数值方法模拟了不同气动外形的高速流动,分析了总体参数(主要包括机翼面积、展弦比和外翼前缘后掠角)等对飞机高速气动性能的影响。结果表明,可以通过改变展弦比和机翼面积显著地改善气动性能,但未发现外翼前缘后掠角的改变与气动性能的改善有明显的关联。