光学窗口气动加热与结构耦合分析
超高声速飞行器光学窗口气动光学效应分析
作者简介：韩炜（１９８２一），女，河北省人，博士研究生，主要从事气动光学效应及自适应光学的研究。
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万方数据
第４期
韩炜，等： 超高声速飞行器光学窗口气动光学效应分析
光学窗口在气动热和激波辐射的作用下，温度
升高，在窗口内产生温度梯度，使通过窗口的光波发 生波前畸变。光程差的变化是产生波前畸变的主要 原因，它是由以下两个原因造成的：
ＷＦＥ一∑（ａ·ＡＴ）·ｌｉ一２２／‘ｋｎｉｌｉ （２）
ｉ
ｉ
式中，Ａｎｉ为在某一采样路径中第ｉ点处由于温度
差所产生的折射率变化量。
（２）弹光效应（ｅｌａｓｔｏ－ｏｐｔｉｃａｌ ｅｆｆｅｃｔ），又称为应
力双折射，指在内应力和外来的机械应力作用下，透
明的、各向同性的介质变为各向异性，从而使折射率
与方向有关。
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｅｒｏ－ｏｐｔｉｃａｌ ｅｆｆｅｃｔｓ；ｏｐｔｉｃａｌ ｗｉｎｄｏｗ；ｔｈｅｒｍａｌ ｒａｄｉａｔｉｏｎ；ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｖｉｔｙ
０引 言
超高声速飞行器在大气中高速飞行时，在气动 热、激波辐射与内外表面压差的共同作用下，飞行器 的光学窗口温度急剧升高，在窗口内部形成温度梯 度，使光学窗口产生变形和热应力，引起严重的气动 光学效应［１］，致使高速飞行器探测系统的目标图像 发生像模糊、像抖动、像偏移和能量衰减。同时，光
图１折射率一厚度变化曲线
度变化引起的光程差的点扩散函数如图２所示。通 过分析可知，当折射率梯度发生改变时，其点扩散函 数峰值大小均为０．６０２６８，且点扩散函数的峰值位 置没有发生改变，因此轴向折射率梯度的存在仅相 当于光学窗口玻璃的加厚，折射率梯度的存在及随 时间的变化不会在视场内引入光程差，即折射率梯 度的变化对光强分布和像偏移均没有影响。
高超声速飞行器气动热辐射特性
Aero鄄thermo鄄radiation of a hypersonic vehicle
Wang Yahui1,2, Wang Qiang1, Gao Lei2, Xiao Liping2, Xu Li2
(1. School of Energy and Power Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China 2. Beijing Aerospace Automatic Control Institute, Beijing 100854, China)
1.2 气动加热分析 飞行器在大气层内高速飞行袁 高速来流在头部
顶端滞止产生高温袁 并对光学窗口产生复杂的气动 加热袁文中采用 N-S 方程和标准 k- 湍流模型描述 流动换热过程 遥 [5-6] 1.3 高温气体和光学窗口的热辐射
高温气体和光学窗口的热辐射均是典型的介质
内热辐射传输问题袁 辐射传递方程准确描述了辐射 能量在介质中传递的发射尧吸收尧散射和穿透的相互 关系袁表现为视线方向上的 能量 平 衡[7-9]袁 忽 略高温 流场和光学窗口的散射因素以及窗口对内部环境的 散射因素袁积分形式辐射传递方程表示为院
在 t=10 -4 s 内袁 前 端的 高温 绕 流流 场就 达 到 稳 定袁 而光学窗口的温度保持与电子舱内部环境温度 一致袁热辐射较弱袁此时气动热辐射体现为高温气体 流场的热辐射袁对比图 4~6 中 t=0 时刻的曲线可得袁 飞行速度越高袁气体热辐射越强袁且随视线角 增加 而单调下降遥 随时间的发展袁光学窗口受气动加热而 温度迅速上升袁而高温绕流流场状态不变袁相对初始 状态 t=0 时刻的气动热辐射上升幅度体现了光学窗 口的热辐射袁 显然窗口的热辐射逐渐成为气动热辐 射的主要因素遥
红外窗口整流罩气动加热
$ 试验方法及步骤
$#! 主要试验器材及装置 "）红外窗口整流罩 吊舱红外窗口整流罩选用 89: （化学汽相沉积） 法制 成的口径为 "-# 11， 厚度为 7 11 的 456 多晶材料， 镀增 透膜后， 在 ( 3 -2 - ! 1 和 $ 3 ,( ! 1 波段的透过率可达 未镀膜前其光谱透过率曲线如图 "。 $,; 3 $-; ， (）红外热像仪 热像仪采用国产仿 *<*+$$# 扫描型热像仪， 其主
! 前言
在红外制导导弹和动态目标红外特性测量中， 由 于红外窗口整流罩靠近红外探测系统， 所以其物理特 性直接影响导弹的跟踪性能和红外特性测量精度， 尤 其在飞行状态， 红外窗口整流罩的气动加热不但影响 窗口的自身辐射， 而且使其透过率发生变化， 这将对红 外测量产生较大的影响。根据理论估算， 当飞机低空 大速度飞行时， 整流罩温度最高； 若地面气温为 ,-. ， 飞机在 ! / " 01 高度， 红外窗口整 "# / # 2 % 飞行时， 流罩驻点温度为 !!2 ,. ； 若飞机在 "" 01 高度以 "# / 则窗口温度为 )". 。以此计算， 红外窗口 "2- 飞行时， 整流罩温度所对应的峰值波长落在 $ 3 "( ! 1 长波测 量范围内， 所以整流罩对 $ 3 "( ! 1 长波测量干扰最 强， 背景噪声的增大， 降低红外探测器的灵敏度并有可 能使探测器饱和， 为了消除和减少这种影响， 我们进行 了该试验研究， 试验取得了宝贵的数据和预测中的结 果。
内容及试验原理 " 试验目的、
"#! 试验目的及内容 研究红外窗口随温度变化对红外热图像测量的影 响， 包括对温度测量的影响和对红外热图像分辨率的 影响。测量 456 红外窗口温度从环境温度到 !#. 之 间， 随温度变化， 对目标 $ 3 "( ! 1 波段红外图像测量 的影响 （含温度测量和空间分辨率） 。 "#" 试验原理 红外测量吊舱在高速飞行的条件下主要用于对飞 机、 导弹等飞行器的红外辐射测量， 这些飞行器温度分
空间相机光学窗口热光学性能的仿真分析
一
到 整个元 件 中， 而评 判对 整 个 系统 的影 响 。结 果表 明 ， 方 法合 理 可行 ， 进 新 温度 周 向 不均 匀分
布 会 降低光 学 系统质 量 ， 并且 不 能完全 通过 离焦来补 偿 。 关键 词 ： 感 器 ； 遥 热光 学性 能 ； 真 分析 ； 学 窗 口 仿 光
ｓ ｓ ｅ ｗａ ｅ ｒ ｎ ｒ ｏ ｙ ｂ ｉ ｉ ｇ ｓ ｇ ｎ ｓ ｍａ ｅ ｕ ｆｃ ｍｐ ｅ ｕ ｉ ．Ｅａ ｈ ｓ ｇ ｎ ａ ｅ ｙ ｔ ｍ ｖ ｆ ｏ ｔｅ ｒ ｒｂ ｕ ｌ ｎ ｅ ｍｅ ｔ ｄ ｐ ｏ ｏ ｄ ｌｘｐ ｐ ｌ ｓ ｃ ｅ ｍｅ ｔｃ ｎ ｂ
第３ ２卷 第 ３ 期
２１ ０ １年 ５月
应
用
光
学
Ｖ ０１３２ Ｎ． ． ３
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Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｐｉｄＯｐ ｉｓ ｏ ｒ ａ ｆＡｐ ｌ ｔ ｅ ｃ
文 章 编 号 ： ０ ２２ ８ （ ０ １ ０ —４ ７０ １０ —０ ２ ２ １ ）３０ ０—４
ＬＩ Ａ０ ｈ － ｏ，Ｉ Ｚ ｉｂ Ｊ ＡＯ ａ — ｈ ｎ， Ｕ ｉｍｉ Ｗ ｎ ｃ ｕ Ｆ Ｒｕ— ｎ
（ ｅｊ ｇＩ ｓｉｕｅｏ ｐ ｃ ｃ ａ ｉｓ＆ Ｅｌｃｒｃｔ ， ｅｊ ｇ ０ Ｃｈｎ ） Ｂ ｉｎ ｎ ｔ ｔ ｆＳ ａ ｅＭｅ ｈ ｎｃ ｉ ｔ ｅ ｔｉｉ Ｂ ｉｎ １ ０， ｉａ ｙ ｉ ０１ ９ Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓ ｒ ｃ ：Ｏｐｔｃ ｌ ｉ ａ ｗｉ ｏ ｎｄ ｗ ｏ ｒ ｍ ｏ ｅ ｅ ｉ ｓ ｓ ｅ ｆ ｅ ｔ ｓ ｎｓｎｇ ｙ ｔ ｍ ｈａ ｔ ｒ ａ ｅ ｃ ｎ ｗｉｈ ｍｂｉｎｔ ｓ ｈｅ ｍ ｌ ｘ ｈａ ｇｅ ｔ ａ ｅ ｅ ｖｉｏ ｍ ｅ ｔ ｎｄ ｔ ａ ｅ ｎ — ｎｉｏｒ ｔ ｔ ｒ ａ ｄ ｓ ｒｂｕｔｏ ｎ ｒｎ ｎ ａ ｉ ｃ ｕｓ ｓ ｏｎ ｕ ｆ ｍｉｙ ｈｅ ｍ ｌ ｉ ｔ ｉ ｉ ｎ， ｉ ｃ ｕｄ ｎ ｓ ｓ ｅ ｎ ｌ ｉ ｇ ｙ ｔ ｍ ａ ｅ ａ ｖ ｒ ｇｅ
高速飞行器气动热结构耦合分析及优化设计
高速飞行器气动热结构耦合分析及优化设计
李昱霖;刘莉;龙腾;朱华光
【期刊名称】《弹箭与制导学报》
【年(卷),期】2014(034)005
【摘要】气动、热和结构三学科之间的耦合关系是高速飞行器面临的核心问题之一.文中利用强弱耦合关系简化了气动热结构耦合问题,并基于气动加热、瞬态热传导、热结构、热模态和热颤振的单向耦合关系来分析热弹性问题,建立了气动热结构多学科集成分析平台.针对各子学科耗时问题,文中采用了增广的自适应响应面优化策略完成了气动热结构多学科设计优化,在提高了颤振速度的同时,使升力面结构质量有了一定的降低.
【总页数】6页(P138-143)
【作者】李昱霖;刘莉;龙腾;朱华光
【作者单位】北京理工大学宇航学院,北京100081;北京理工大学宇航学院,北京100081;北京理工大学宇航学院,北京100081;北京宇航系统工程研究所,北京100076
【正文语种】中文
【中图分类】V224
【相关文献】
1.高速飞行器结构气动热计算与温度场模拟 [J], 王志超;张龙;姚琳
2.基于MSC/NASTRAN的高速飞行器气动热与结构响应耦合分析程序开发 [J],
杨志斌;蒋军亮;任青梅
3.舵翼结构模型气动热力耦合关系仿真研究 [J], 张佳明;王文瑞;马新杰;温晓东
4.舵翼结构气动热力耦合数值模拟与实验研究 [J], 张佳明;王文瑞;武宏宇;温晓东
5.高速飞行器结构与气流耦合振动特性研究 [J], 张善智;闫云聚;崔盼礼
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航空器气动加热现象的理论研究
航空器气动加热现象的理论研究当我们仰望蓝天，看到飞机划过天际留下的长长尾迹时，可能很少会想到，在那高速飞行的航空器周围，正发生着一种复杂而又重要的物理现象——气动加热。
要理解气动加热现象，首先得从航空器在空气中的运动说起。
当航空器以高速穿越大气层时，它会与周围的空气产生强烈的相互作用。
就好比我们在水中快速游动，会感觉到水的阻力一样，航空器在空气中飞行也会遇到空气的阻力。
而这种阻力会导致空气分子与航空器表面发生剧烈的摩擦和碰撞。
空气分子在与航空器表面的碰撞过程中，其动能会转化为热能。
这就好比我们快速摩擦双手会感觉到发热一样，只不过在航空器的情况中，这种摩擦和碰撞的规模要大得多，产生的热量也更加显著。
气动加热的程度与航空器的飞行速度密切相关。
一般来说，飞行速度越快，气动加热就越严重。
当飞行速度达到几倍音速时，航空器表面的温度会急剧升高。
例如，在高超音速飞行中，航空器的机头、机翼前缘等部位会承受极高的温度，甚至可能超过数千摄氏度。
那么，这种高温会给航空器带来哪些影响呢？首先，高温会对航空器的结构材料造成巨大的考验。
传统的金属材料在高温下可能会失去强度和刚度，甚至发生变形或熔化。
因此，为了应对气动加热，需要使用特殊的耐高温材料，如钛合金、陶瓷基复合材料等。
其次，气动加热会影响航空器的空气动力学性能。
高温会改变周围空气的物理性质，如密度、粘度等，从而影响气流在航空器表面的流动情况。
这可能导致升力和阻力的变化，影响航空器的飞行稳定性和操纵性。
此外，高温还会对航空器内部的设备和系统产生影响。
例如，电子设备可能会因为过热而失效，燃油可能会因为高温而燃烧甚至爆炸。
为了研究和预测气动加热现象，科学家们运用了一系列的理论和方法。
其中，流体力学和热力学是两个重要的基础学科。
通过建立数学模型和进行数值模拟，可以计算出航空器表面的气流速度、压力和温度分布等参数。
在实际的研究中，还需要考虑多种因素的综合影响。
例如，航空器的外形、飞行姿态、大气环境等都会对气动加热产生影响。
光学耦合工艺
光学耦合工艺
光学耦合工艺在光纤通信和光传感等领域具有重要应用，主要有直接耦合和透镜耦合两种方式。
直接耦合是将激光器直接与光纤对准连接，具有制作工艺简单、体积小、价格低等优点。
为了提高耦合效率，可以将光纤端面加工成锥形或半球形的微透镜。
透镜耦合则是通过光学透镜来实现光源和光纤的耦合，一般可分为单透镜、自聚焦透镜和组合透镜等。
单透镜通常由单个透镜构成，根据形状可分为球面透镜和非球面透镜。
自聚焦透镜又称为梯度渐变折射率（GRIN）透镜，具有聚焦和准直的功能，可以应用在多种不同的微型光学器件中。
组合透镜则是将各种光透镜（如球透镜、柱透镜、自聚焦透镜，以及锥形光纤等）进行组合，通过透镜的组合可以大幅度提高耦合效率。
此外，为了减小透镜的焦距和提高耦合效率，还可以将光纤端面制成一定大小和形状的微透镜，然后直接对准激光器进行耦合。
光纤端面加工成锥形或半球形的微透镜，可以提高耦合效率。
推力室气动加热及结构传热耦合分析
导 弹 与 航 天 运 载 技 术 2012年10h f ≥2.10 m/s 2λ，<1，飞行器向上弹跳运动，使加速度发生跳转开始由小逐渐变大；飞行器向下运动，h f 由大逐渐变小，当运动到高度H =60 km 时为弹跳瞬间，必须使h f ≥2.11 m/s 2λ，<1，飞行器向上弹跳运动，使加速度发生跳转开始由小逐渐变大。
并且3条曲线基于相同的初始速度，但碰撞大气层瞬间产生的动量增量不同，高度越高，P 越小，h f 也越小，加速度曲线弹跳周期的时间越长。
4 结 论乘波体飞行器是突破高超声速飞行的有效方法，也是人类征服临近空间的有效手段。
将临近空间乘波体飞行器弹跳飞行轨迹列为非开普勒轨道的研究范畴，尝试从另一个角度认识和理解该飞行器，对于临近空间乘波体飞行器与航天器开普勒轨道的研究都有重要意义。
本文着重讨论了临近空间乘波体飞行器非开普勒轨道弹跳飞行和弹跳瞬间的特性，并利用非开普勒动力学方程与文献[9]中的HTV-2运动方程曲线进行了仿真对比，验证了非开普勒轨道动力学模型的准确性，仿真结果证明了该方法的可行性。
参 考 文 献[1] Kossira H, Bardenha G A, Heize W. Investigations on the potential ofhypersonic waveriders with the integrated aircraft design program PRDO-HY[C]. Munich: AIAA/DGLR 5th International Aerospace Planes and Hypersonic Technologies Conference, 1993.[2] 刘美霞. 跳跃的死神——美国“猎鹰”空天轰炸机计划情报[J]. 国际展望, 2007, 4(558): 46-51.[3] McClinton C R, Rausch V L, Shaw R J, et al. Hyper-X: Foundation forfuture hypersonic launch vehicles[J]. Acta Astronautica, 2005, 57: 614-622.[4] Davis M C, White J T. X-43A flight-test-determined aerodynamic forceand moment characteristics at Mach 7.0[J]. Journal of Spacecraft and Rockets, 2008, 45(3): 472-484.[5] 肖业伦. 航空航天器运动的建模[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社,2003.[6] 陈记争, 袁建平, 方群. 航天器在推力作用下非开普勒运动的动力学建模[C]. 空间非开普勒轨道动力学与控制专题研讨会, 2008.[7] Kaplan G H. A navigation solution involving changes tocourse andspeed[J]. Navigation, 1996, 43: 469-482.[8] Speyer J L ，Dannemiller D ，Walker D ．Pe-riodic optimal cruise of anatmospheric vehicle[J]. Journal of Guidance, 1985(8): 31-38．[9] Walker S H, Sherk L J, Shell D, et al. The DARPA/AF Falcon program:The hypersonic technology vehicle#2 (HTV-2) flight demonstration phase[R]. AIAA 2008-2539, 2008.美国成功开展标准3 1B 拦截弹飞行试验2012年5月9日，美国导弹防御局成功开展宙斯盾导弹防御系统（BMD ）标准3 1B 拦截弹飞行试验，此次试验是继2011年9月首飞失败后的首次成功。
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在上述工作的前提下，利用C#开发了复杂结构、气动环境下的 窗口热结构响应仿真软件，将复杂多变的参数设置利用直观的 界面化程序输入。此软件可以对各种不同形状的侧窗在复杂热 力边界条件已经成为制约高速导弹制导精度的关键因素，研 究气动光学效应的规律，将有利于对气动光学效应导致的制导 偏差的校正，提高高速导弹的制导精度以及抗干扰能力。本文 就气动光学效应对光学侧窗的热结构影响展开分析。
利用Fortran编制的有限体积辐射传输计算程序与APDL的混合编 程计算侧窗的导热辐射耦合问题。最终得到侧窗介质内的辐射 传输对于侧窗温度场的影响规律。
光学窗口气动加热与结构耦合分析
随着导弹飞行速度的不断升高，防空导弹的性能也逐渐增强， 对于制导精度要求也越来越高。红外成像制导已经成为现代防 空武器的必然趋势。
随着飞行速度的不断提升，气动光学效应对制导精度的影响问 题也随之产生。气动光学效应主要包括：侧窗外非均一流场对 光传输的影响、窗口与高温激波层热辐射效应，光学窗口热效 应。
在此基础上，编制针对不同形状侧窗热结构耦合分析软件，对 气动环境下复杂的热力边界条件作用下侧窗进行热结构耦合分 析。实现对各种不同边界条件下侧窗温度场及应力应变场的求 解。
根据求出的结果利用热光效应求出了介质内部折射率的变化规 律。此外，本文分析了整流罩在复杂边界条件下的温度响应， 并且利用反向蒙特卡洛法分析了整流罩温度场对于探测器探测 能量的影响规律。