伴随着飞行器飞行速度的不断增加,高速光学头罩技术具有极大的应用潜力和前景.只是,高速光学头罩在大气层中飞行,受到气动光学效应的影响,成像目标会出现畸变、抖动、模糊和能量衰减,影响成像精度.通过对数十年来高速光学头罩流体力学和气动光学效应的总结和梳理,初步构建了高速光学头罩气动光学效应相似准则模型.归纳了气动光学效应抑制的主要技术路线以及目前已经开展的一些工作.最后总结和讨论了高速光学头罩气动光学效应关键技术难点及未来的发展趋势,可为今后的气动光学效应研究提供一些参考和帮助.

当高速成像制导导弹在大气中飞行时,其光学窗口承受着严重的气动加热。超声速气膜冷却方法可以有效地隔离外部加热,但是超声速气膜流动会引起光束退化,降低图像质量。为了研究超声速气膜气动光学效应,本文构建了主流马赫数为3.4,设计喷流马赫数为2.5,实际测得喷流马赫数为2.45的超声速气膜实验装置。利用基于纳米粒子的平面激光散射技术获得了高时空分辨率流场图像,并对气膜冷却流动的密度场进行重构,利用光线追迹法获取了对应密度场的光程差。通过将光程差分布和K-H涡对比后发现,光程差的波谷位置对应于涡卷的中心,而光程差的波峰对应于涡卷中心之间的连接部分。但是,随着涡结构的发展破碎,对应关系不再成立。根据超声速气膜NPLS流场图像结果,利用分形原理获取的分形维数结果,将其沿流向划分为三个区域,其对应平坦度分别为3.4,2.9,3.6...

高超声速条件下,气动光学效应的存在严重影响红外成像制导精度,已经成为新一代高超声速精确打击武器研制面临的关键技术难题之一。为解决这一技术瓶颈,需要开展适用高超声速飞行环境的超声速气膜冷却光学窗口研究,解决高超声速飞行条件下光学窗口防热和成像难题,突破现有红外成像制导武器的速度和温度限制,可为实现高超声速条件下武器对空、对地和对海高精度打击提供支撑。

高超声速飞行器的发展将给世界军事变革带来重大影响,进而形成全球军事强国新的空天对抗焦点。在此背景下,高超声速武器与集光、机、电为一体的红外成像制导技术的结合,将形成各种远程高超声速红外成像制导的精确打击武器,实现飞得快而且打得准,进而更加充分地发挥高超声速武器的威力。但是,稠密大气中高超声速导引头红外成像面临着较为严重的气动光学效应,严重制约了红外成像制导技术在高超声速武器中的应用。重点分析了红外成像制导技术在高超声速武器精确打击中的应用前景,指出了该技术发展可能遇到的主要技术难点,提出了一些可供参考的解决方法。

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.

论述国际上关于超声速静风洞发展的基本过程、发展水平和我国发展这一风洞实验设备与技术的必要性,对静风洞的基本概念、层流喷管的设计方法等有关环节进行了简单的论述与讨论.根据国外发展静风洞的经验和成果,针对开展静风洞的实验技术及边界层稳定性问题研究的背景,提出一座静风洞(SQWT-120)的气动设计,SQWT-120的设计马赫数为4.0,喷管出口直径120mm,Re/m=0.46～1.78×107,运行时间6～60s.

对最短长度喷管(MLN)设计方法进行了改进和优化,在喷管喉部扩张段实现了光滑过渡,采用特征线方法设计轴对称短化喷管型面.采用高阶、高分辨率WENO格式对设计的喷管进行流场数值模拟,结果表明:短长度喷管和喉部加圆弧过渡的短化喷管出口流场均匀,能够达到设计要求,经过圆弧过渡的喷管型面出口流场品质更好.

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.

自由旋涡气动窗口利用非对称喷管产生的超声速自由旋涡射流来密封高能激光器低压的激光腔,通过射流的动量改变来平衡环境与激光腔之间的压力差.提出了一种超声速自由旋涡气动窗口的设计原理和方法,讨论了其设计过程,对该种结构的自由旋涡气动窗口进行了设计和实验测试.测试表明,超声速自由旋涡气动窗口能够按设计参数运行,满足激光腔密封的要求,而且具有良好的光学质量.

针对目前液压放大式基准测力机电液伺服压力控制系统存在的压力镇定时间长、工作液压缸活塞位置存在静差以及压力过冲等问题,提出了对电液控制系统进行压力-位置分段控制的方法.试验表明,该方法能有效解决上述问题.在确保液压缸平衡的同时,将压力精度控制在万分之一以内.