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高超聲速光學頭罩氣動光學 版權信息
- ISBN：9787030735690
- 條形碼：9787030735690 ; 978-7-03-073569-0
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
高超聲速光學頭罩氣動光學 內容簡介
高超聲速氣動光學效應會導致飛行器在高超聲速條件下難以對前方目標紅外成像進行探測，已成為紅外成像制導武器打擊速度得以進一步提高的障礙，也是高超聲速武器作戰效能的瓶頸。本書是作者在高超聲速光學頭罩氣動光學效應方面二十余年研究的凝練總結，梳理和總結了高超聲速氣動光學效應的原理、技術與工程應用，希望能夠體現氣動光學本身豐富的科學內涵。
高超聲速光學頭罩氣動光學 目錄
目錄
叢書序
前言
第1章 緒論 1
1.1 研究背景與意義/1
1.1.1 高超聲速紅外成像制導的意義/2
1.1.2 限制高超聲速紅外成像制導技術應用的瓶頸/7
1.1.3 完善的氣動光學效應的測試能力和相似準則/7
1.1.4 高超聲速紅外成像導引頭綜合優化設計/9
1.2 國內外研究進展/12
1.2.1 國外研究進展/12
1.2.2 國內研究進展/15
1.3 高超聲速光學頭罩的實現形式/19
1.3.1 內冷型高超聲速光學頭罩/22
1.3.2 外冷型高超聲速光學頭罩/23
1.3.3 綜合致冷型高超聲速光學頭罩/26
1.4 小結/29
參考文獻/29
第2章 氣動光學效應基礎理論 34
2.1 氣動光學的基本方程/34
2.1.1 氣動光學畸變光束傳輸理論/34
2.1.2 氣動光學效應評估分析理論/36
2.2 光在非均勻流場中的傳輸理論/40
2.2.1 典型流動結構氣動光學效應/40
2.2.2 光線追跡方法/49
2.3 氣動光學相似準則及統計分析/57
2.3.1 相似理論基礎/57
2.3.2 氣動光學試驗相似準則/60
2.3.3 氣動光學統計分析理論/72
2.4 小結/75
參考文獻/76
第3章 高超聲速流場及其氣動光學效應測試技術 80
3.1 流場參數測試技術/80
3.1.1 粒子圖像速度場測量技術/80
3.1.2 基于納米示蹤的平面激光散射技術/84
3.1.3 紋影技術/87
3.1.4 背景導向紋影技術/90
3.1.5 瞬態熱流測試技術及數據處理方法/97
3.2 氣動光學效應測試技術/114
3.2.1 馬利探針技術/114
3.2.2 小孔徑光束技術/116
3.2.3 基于NPLS的波前測試技術/117
3.2.4 SHWS/121
3.2.5 基于背景導向紋影的波前測試技術/124
3.3 氣動光學效應測試系統/126
3.3.1 國防科技大學高超聲速光學頭罩波前測試系統/126
3.3.2 美國AEDC氣動光學效應測試系統/129
3.4 小結/134
參考文獻/134
第4章 非致冷光學頭罩氣動光學效應 140
4.1 非致冷光學頭罩流場時空精細結構/140
4.1.1 超聲速光學頭罩流場的NPLS 流動顯示/140
4.1.2 超聲速光學頭罩流場的速度分布/147
4.1.3 高超聲速光學頭罩流場結構顯示/164
4.2 非致冷光學頭罩一維畸變波前/166
4.2.1 超聲速光學頭罩流場波前畸變的時間演化特征/166
4.2.2 光束傳播方向上波前畸變的積分效應/175
4.2.3 超聲速光學頭罩流場波前畸變的多分辨率分析/181
4.3 非致冷光學頭罩二維畸變波前/189
4.3.1 非致冷超聲速光學頭罩流場的OPD 分布/190
4.3.2 非致冷高超聲速光學頭罩流場的OPD 分布/193
4.4 小結/206
參考文獻/206
第5章 噴流致冷超聲速光學頭罩氣動光學效應 207
5.1 超聲速光學頭罩流場時空精細結構/207
5.1.1 狀態Ⅰ超聲速光學頭罩流場的精細結構/208
5.1.2 狀態Ⅱ超聲速光學頭罩流場的精細結構/214
5.1.3 狀態Ⅲ超聲速光學頭罩流場的精細結構/223
5.2 超聲速光學頭罩流場速度分布/225
5.2.1 狀態Ⅰ超聲速光學頭罩速度場/225
5.2.2 狀態Ⅱ超聲速光學頭罩速度場/229
5.2.3 狀態Ⅲ超聲速光學頭罩速度場/233
5.3 超聲速光學頭罩流場密度分布/237
5.3.1 狀態Ⅰ超聲速光學頭罩密度場/237
5.3.2 狀態Ⅱ超聲速光學頭罩密度場/245
5.3.3 狀態Ⅲ超聲速光學頭罩密度場/251
5.4 超聲速光學頭罩氣動光學效應/259
5.4.1 無噴流超聲速光學頭罩氣動光學效應/259
5.4.2 有噴流超聲速光學頭罩氣動光學效應/267
參考文獻/277
第6章 噴流致冷高超聲速光學頭罩氣動光學效應
278
6.1 高超聲速光學頭罩氣膜冷卻/278
6.1.1 無噴流模型的表面熱流分布/278
6.1.2 無噴流時的模型表面熱流分布/280
6.1.3 不同攻角下的流場結構、熱流分布和冷卻效率(Ma∞=7.3) /287
6.1.4 不同攻角下的流場結構、熱流分布和冷卻效率(Ma∞=8.1) /298
6.1.5 壓力匹配條件對流量需求的規律/305
6.1.6 噴流冷卻效率的經驗公式/307
6.2 噴流致冷光學頭罩氣動光學效應/312
6.2.1 有/無噴流及不同噴流流量時的氣動光學效應/312
6.2.2 曝光時間對氣動光學效應的影響/322
參考文獻/331
第7章 氣動光學效應抑制原理與技術 333
7.1 基于流動控制的氣動光學效應抑制/333
7.1.1 有/無流動控制下瞄視誤差與噴流壓比的關系/334
7.1.2 有/無流動控制下高階光學畸變與噴流壓比的關系/336
7.2 氣動光學畸變圖像校正/339
7.2.1 基于BOS 技術的氣動光學畸變圖像校正/339
7.2.2 校正結果及分析/347
參考文獻/361
叢書序
前言
第1章 緒論 1
1.1 研究背景與意義/1
1.1.1 高超聲速紅外成像制導的意義/2
1.1.2 限制高超聲速紅外成像制導技術應用的瓶頸/7
1.1.3 完善的氣動光學效應的測試能力和相似準則/7
1.1.4 高超聲速紅外成像導引頭綜合優化設計/9
1.2 國內外研究進展/12
1.2.1 國外研究進展/12
1.2.2 國內研究進展/15
1.3 高超聲速光學頭罩的實現形式/19
1.3.1 內冷型高超聲速光學頭罩/22
1.3.2 外冷型高超聲速光學頭罩/23
1.3.3 綜合致冷型高超聲速光學頭罩/26
1.4 小結/29
參考文獻/29
第2章 氣動光學效應基礎理論 34
2.1 氣動光學的基本方程/34
2.1.1 氣動光學畸變光束傳輸理論/34
2.1.2 氣動光學效應評估分析理論/36
2.2 光在非均勻流場中的傳輸理論/40
2.2.1 典型流動結構氣動光學效應/40
2.2.2 光線追跡方法/49
2.3 氣動光學相似準則及統計分析/57
2.3.1 相似理論基礎/57
2.3.2 氣動光學試驗相似準則/60
2.3.3 氣動光學統計分析理論/72
2.4 小結/75
參考文獻/76
第3章 高超聲速流場及其氣動光學效應測試技術 80
3.1 流場參數測試技術/80
3.1.1 粒子圖像速度場測量技術/80
3.1.2 基于納米示蹤的平面激光散射技術/84
3.1.3 紋影技術/87
3.1.4 背景導向紋影技術/90
3.1.5 瞬態熱流測試技術及數據處理方法/97
3.2 氣動光學效應測試技術/114
3.2.1 馬利探針技術/114
3.2.2 小孔徑光束技術/116
3.2.3 基于NPLS的波前測試技術/117
3.2.4 SHWS/121
3.2.5 基于背景導向紋影的波前測試技術/124
3.3 氣動光學效應測試系統/126
3.3.1 國防科技大學高超聲速光學頭罩波前測試系統/126
3.3.2 美國AEDC氣動光學效應測試系統/129
3.4 小結/134
參考文獻/134
第4章 非致冷光學頭罩氣動光學效應 140
4.1 非致冷光學頭罩流場時空精細結構/140
4.1.1 超聲速光學頭罩流場的NPLS 流動顯示/140
4.1.2 超聲速光學頭罩流場的速度分布/147
4.1.3 高超聲速光學頭罩流場結構顯示/164
4.2 非致冷光學頭罩一維畸變波前/166
4.2.1 超聲速光學頭罩流場波前畸變的時間演化特征/166
4.2.2 光束傳播方向上波前畸變的積分效應/175
4.2.3 超聲速光學頭罩流場波前畸變的多分辨率分析/181
4.3 非致冷光學頭罩二維畸變波前/189
4.3.1 非致冷超聲速光學頭罩流場的OPD 分布/190
4.3.2 非致冷高超聲速光學頭罩流場的OPD 分布/193
4.4 小結/206
參考文獻/206
第5章 噴流致冷超聲速光學頭罩氣動光學效應 207
5.1 超聲速光學頭罩流場時空精細結構/207
5.1.1 狀態Ⅰ超聲速光學頭罩流場的精細結構/208
5.1.2 狀態Ⅱ超聲速光學頭罩流場的精細結構/214
5.1.3 狀態Ⅲ超聲速光學頭罩流場的精細結構/223
5.2 超聲速光學頭罩流場速度分布/225
5.2.1 狀態Ⅰ超聲速光學頭罩速度場/225
5.2.2 狀態Ⅱ超聲速光學頭罩速度場/229
5.2.3 狀態Ⅲ超聲速光學頭罩速度場/233
5.3 超聲速光學頭罩流場密度分布/237
5.3.1 狀態Ⅰ超聲速光學頭罩密度場/237
5.3.2 狀態Ⅱ超聲速光學頭罩密度場/245
5.3.3 狀態Ⅲ超聲速光學頭罩密度場/251
5.4 超聲速光學頭罩氣動光學效應/259
5.4.1 無噴流超聲速光學頭罩氣動光學效應/259
5.4.2 有噴流超聲速光學頭罩氣動光學效應/267
參考文獻/277
第6章 噴流致冷高超聲速光學頭罩氣動光學效應
278
6.1 高超聲速光學頭罩氣膜冷卻/278
6.1.1 無噴流模型的表面熱流分布/278
6.1.2 無噴流時的模型表面熱流分布/280
6.1.3 不同攻角下的流場結構、熱流分布和冷卻效率(Ma∞=7.3) /287
6.1.4 不同攻角下的流場結構、熱流分布和冷卻效率(Ma∞=8.1) /298
6.1.5 壓力匹配條件對流量需求的規律/305
6.1.6 噴流冷卻效率的經驗公式/307
6.2 噴流致冷光學頭罩氣動光學效應/312
6.2.1 有/無噴流及不同噴流流量時的氣動光學效應/312
6.2.2 曝光時間對氣動光學效應的影響/322
參考文獻/331
第7章 氣動光學效應抑制原理與技術 333
7.1 基于流動控制的氣動光學效應抑制/333
7.1.1 有/無流動控制下瞄視誤差與噴流壓比的關系/334
7.1.2 有/無流動控制下高階光學畸變與噴流壓比的關系/336
7.2 氣動光學畸變圖像校正/339
7.2.1 基于BOS 技術的氣動光學畸變圖像校正/339
7.2.2 校正結果及分析/347
參考文獻/361
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高超聲速光學頭罩氣動光學 節選
第1章緒論 高超聲速飛行器的發展將給世界軍事變革帶來重大影響，進而形成全球軍事強國的空天對抗焦點。在此背景下，高超聲速武器與集光、機、電于一體的紅外成像制導技術進行結合，將形成各種遠程高超聲速紅外成像制導的精確打擊武器，實現飛得快且打得準的目標，更能充分展現高超聲速武器的威力。但是，稠密大氣中高超聲速導引頭光學頭罩面臨嚴重的氣動光學效應，嚴重制約紅外成像制導技術在高超聲速武器中的應用。為突破這一技術瓶頸，亟須開展高超聲速氣動光學效應研究，為實現高超聲速條件下光學成像提供支撐。 1.1研究背景與意義 高超聲速武器具有飛行速度快、毀傷能力大和突防能力強等特點，將在一定程度上改變敵我力量對比態勢。可以預見，該技術在戰場中的大量使用勢必會極大地提高進攻方的突防和打擊能力［1］。與此同時，從國內外高超聲速武器發展現狀來看，目前，如何實現高超聲速武器對于多種高價值目標的精確打擊仍舊是困擾高超聲速武器作戰效能充分發揮的關鍵因素之一！高超聲速武器的出現，給空天防御帶來了嚴峻的挑戰，以超高速、高精度反導對付空中高超聲速來襲目標，也是主要發展方向之一。 對于紅外成像制導技術，其主要利用紅外探測器實現對被打擊目標自身輻射能量的捕獲和追蹤。相比其他制導體制而言，紅外成像制導技術具有制導精度高、抗無線電干擾能力強及可晝夜作戰的特點。對于較低馬赫數的紅外成像制導導彈，基于紅外成像制導技術為主的復合末制導已成為21世紀精確打擊武器裝備發展的重要趨勢［2］。帶有紅外成像探測的飛行器在大氣層內高速飛行時，氣流與光學頭罩相互作用，使當地氣體密度變化，當目標光線穿過氣流時產生畸變，引起目標圖像的偏折、模糊、抖動，這就是氣動光學效應［３５］，如圖1.1所示。高超聲速氣動光學效應是指，飛行器光學成像窗口在高超聲速條件下，熱、光、力相互作用產生的影響對目標光學成像的復雜物理過程，包括氣動加熱導致的光學窗口及流場的高溫輻射造成紅外成像飽和、光線在高超聲速高溫流場中傳輸產生光學畸變、氣動力/熱作用下成像窗口變形產生光學畸變。高超聲速氣動光學效應會導致飛行器在高超聲速條件下難以對前方目標紅外成像，已成為紅外成像制導武器打擊速度進一步提高的障礙，也是限制高超聲速武器作戰效能的瓶頸。 圖1.1高超聲速光學頭罩氣動光學效應示意圖 本書從稠密大氣中高超聲速導引頭紅外成像面臨的機遇出發，對紅外成像制導技術在高超聲速導引頭的應用中面臨的相關問題進行分析，提出以構建完善的高超聲速氣動光學效應模擬測試方法及氣動光學相似律理論體系為基礎，通過對高超聲速紅外成像導引頭進行多參數優化設計，并積極探索氣動光學效應的相關抑制方法，尋求解決稠密大氣中高超聲速導引頭紅外成像問題的途徑。 1.1.1高超聲速紅外成像制導的意義 未來，高技術條件下的戰爭是集快速反應、高精確打擊和陸、海、空、天、電于一體的新型綜合作戰模式。作為21世紀世界軍事強國空天對抗的焦點之一，雖然在高超聲速武器技術發展成熟的過程中遇到過諸多挫折，但是憑借這一技術的突破性優勢，其仍將成為主導未來戰場勝負的關鍵性武器裝備之一。在此背景下，集光、機、電于一體的紅外成像制導技術，為各種高超聲速武器打擊精度的提升提供了有力保障。既要飛得快，還要打得準，通過將高超聲速武器的高速打擊優勢與紅外成像制導的高精度打擊優勢結合，可在很大程度上擴大自身軍事的控制范圍并提高控制能力。高超聲速精確打擊武器的開發與運用，將會對維護國家主權、安全和發展利益產生重要意義。 1.高超聲速武器成為未來戰爭制勝的撒手锏 高超聲速飛行器是指飛行速度超過馬赫數5（速度約6000km/h）的飛行器，是21世紀航空航天領域的高新技術。高超聲速武器的出現，改變了傳統軍事斗爭態勢，給戰場環境帶來了深刻影響。目前，各航空航天技術強國正在不斷檢驗和評估高超聲速武器作戰效能，高超聲速武器的未來作戰應用設想如圖1.2所示。 圖1.2高超聲速武器的未來作戰應用設想 飛行速度快是高超聲速武器*顯著的技術特征，從發射到命中目標的時間短，在一定程度上可以實現“發現即摧毀”。高速打擊將極大地提高防守一方對于反應時間的要求，在一定程度上擾亂防守一方的作戰節奏，傳統戰爭中的準備、部署及戰爭升級等時間概念得到根本性改變。與此同時，高超聲速武器普遍具有較遠的射程，可以從防區外對多種目標實施快速打擊，形成覆蓋全球、高度立體的作戰空間。高超聲速武器具有高速度、遠射程的特點，在很大程度上消除了空/天之間的界限，等效減小了戰場的實際物理空間距離，進而使得傳統戰爭中的部署前沿、配置縱深等空間概念模糊化。 第二次世界大戰中，因飛機的大量使用，平面防線基本被淘汰，而隱身飛機的不斷發展與運用，又使得傳統雷達防空體系面臨極大的風險與挑戰。對于高超聲速武器而言，通過將彈道導彈和飛機的技術優勢充分融合，使得其既具有傳統彈道導彈的高飛行速度和遠射程的技術特點，同時又具有傳統作戰飛機的高機動性和軌跡不可預測的技術特點，實質上消除了傳統作戰飛機遠程奔襲的過程，實現對指定遠程作戰區域的快速和高可信度到達，這使得現有斗爭雙方的攻防體系態勢平衡可能被再次顛覆［6］。假如斗爭一方率先擁有成熟的高超聲速武器，那么意味著這一方將具有非對稱攻擊的絕對優勢，進而使得現有的傳統防空反導防御體系徹底失效，*終，攻防體系態勢將迅速向擁有高超聲速武器的一方傾斜［7］。 巨大的作戰優勢和戰爭潛力使得高超聲速武器引起世界各軍事強國的極大關注，結合本國技術基礎和研發能力，各國紛紛制定出臺了各自的高超聲速武器發展計劃，以期在未來高超聲速戰爭中占據有利態勢。 2.高超聲速武器蓬勃發展并逐漸走向成熟 伴隨著各國對于高超聲速武器的大量研發，目前，高超聲速武器已經從*初的概念和原理探索研究階段進入了以高超聲速巡航彈、高超聲速滑翔彈和高超聲速空天飛機為代表的具體應用技術開發甚至型號開發階段［8，9］。2018年3月1日，俄羅斯首次正式公布了“匕首”空射型高超聲速導彈作戰系統和“先鋒”井射型高超聲速洲際導彈作戰系統，如圖1.3所示。前者主要采用米格－31K作為專用載機，*大飛行速度約馬赫數10，*大射程可達2000km，已經列裝部隊，并于2017年底開始正式進入戰斗值班。據悉，后者的*大飛行速度有望超過馬赫數20，*大射程推測可達10000km以上，并于2019年正式進入戰斗值班。與此同時，俄軍目前正在推進“鋯石”艦射型高超聲速反艦導彈的研制工作，該型導彈于2018年底完成的*新一次飛行試驗結果顯示，試驗中導彈的*大飛行速度可達馬赫數8，于2022年8月完成正式列裝［10］。 圖1.3俄羅斯裝配的高超聲速武器 面對俄羅斯在高超聲速武器領域取得的重大進展，為避免在這場高超聲速競賽中屈居“下風”，美國持續加大在高超聲速武器研制方面的投入。目前，美國在研的多型高超聲速武器尚未進入實戰部署階段。不過，根據美國空軍科學顧問委員會于2014年8月公布的《高超聲速飛行器技術成熟度研究》，在2025年前后，美軍便可以裝備具有戰術射程的空射型高超聲速武器。2016年，在給美國國會質詢聽證的書面答復中，美國國防部部長阿什頓 卡特明確指出：美國國防部將在2018～2022年率先為美軍歐洲司令部和印度洋太平洋司令部提供高超聲速快速全球打擊武器裝備系統，其他戰區則在2022年以后陸續裝備［8］。如圖1.4所示，為美國洛克希德 馬丁空間系統公司研制的AGM183A高超聲速導彈整流罩拋開后的情景。 與此同時，日本防衛省于2018年首次正式啟動高超聲速助推滑翔導彈的研究項目，并宣稱將研發飛行速度在馬赫數5以上的高超聲速巡航導彈。作為核武庫現代化的重要組成部分，法國也將高超聲速武器研發工作作為重中之重。目前，法國國家航空航天研究院已經啟動了多項高超聲速武器相關技術研究的研發課題。印度試圖通過與俄羅斯合作研制“布拉莫斯2”型高超聲速巡航導彈來掌握高超聲速武器核心技術，目前該型導彈預計飛行速度可達馬赫數7。通過與美國合作，澳大利亞也提出了高超聲速飛行器研發構想，預計飛行速度可以超過馬赫數10［11］。 總體而言，目前高超聲武器研制如火如荼，在高超聲速武器逐漸成熟并列裝部隊的背景下，人們迫切希望可以實現高超聲速飛行狀態下的高精度打擊，以便充分發揮高超聲速武器在打擊敵方高價值目標方面的巨大優勢。 3. 高超聲速武器精確打擊對紅外成像制導技術的迫切需求 對于高超聲速精確打擊武器，可以利用其高空、高速、精確的特點，實現對于高價值時敏目標、加固目標和地下目標的有效打擊。并且，一旦高超聲速精確打擊武器真正形成戰斗力，“戰略縱深”這一傳統戰爭中的重要概念將不復存在，這意味著所有國家的重要政治、經濟、軍事目標都將受到極大的威脅。在目前尚無有效的高超聲速武器防御體系的情況下，通過積極研發高超聲速精確打擊武器，盡快形成對敵方的戰略威懾便成為唯一的手段［12］。 目前，以紅外成像制導技術為核心的復合制導技術已經成為21世紀高精度制導技術的重要發展方向之一。憑借紅外成像制導技術高靈敏度、高分辨率及強抗干擾能力的特點，將其與高超聲速飛行器相結合，勢必將極大地提升高超聲速武器的打擊精度，進而實現高超聲速武器的精確打擊化。 圍繞實現這一目標，2014年8月，美國空軍科學顧問委員會在公布的《高超聲速飛行器技術成熟度研究》中明確提出： 導引頭和導引頭集成技術在高超聲速武器研發中具有*高優先級。這充分說明了美國空軍已經將可以用于高超聲速武器的導引頭作為高超聲速武器研發的重中之重。2015年1月15日，美國空軍在發表的《高超聲速飛行環境對光電和紅外傳感器的影響》一文中征詢了多型高超聲速武器飛行傳感器的設計方案，針對高超聲速飛行環境對于光電/紅外傳感器的影響進行了探討并尋求減少該不利影響的相關對策［13］。2019年11月18日，日本防衛省在于東京舉辦的“防務與安全設備國際博覽會”上發布了名為《科學研究與試驗發展構想：致力但不限于實現多域防務力量》的中長期國防科技發展規劃報告。報告中指出，日本計劃在2030年前研發速度達到馬赫數5或更高的巡航導彈，關鍵技術之一便是研發紅外成像技術，以識別低反差目標，同時研發抗熱紅外頭罩，以搭載傳感器，研發計劃路線如圖1.5所示。 圖1.5日本高超聲速武器關鍵技術研發計劃路線 總體而言，高超聲速打擊武器作為21世紀空天對抗的焦點，在結合紅外成像制導技術實現高精度打擊的過程中雖然會有不少曲折，但是其一旦成功，勢必將成為主宰未來戰場的關鍵力量之一。
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