高速拦截弹气动光学效应地面模拟测试研究

【摘要】： 为了在现代高技术局部战争取得优势，“远程打击与保护”已被提到一个相当重要的地位，新一代导弹和拦截武器进入了日新月异的发展时期，制导技术是这类武器的关键技术之一。而高速飞行的导弹周围会产生很复杂的气流扰动，这种扰动对导引头上的跟瞄系统将产生很大的影响，严重时可造成导弹制导系统完全失效。这类气动光学效应不仅成为高速拦截武器研制的瓶颈，而且困扰着我国导弹技术的发展和装备研制，这也是世界性的难题。气动光学效应包括：气动热效应、气动热辐射效应和流场介质光学传输效应。前两种效应使头罩和窗口温度升高，降低了导引头对目标的探测的信噪比；后一种效应降低了导引头对目标的探测、跟踪和识别的能力。为了提高拦截弹的跟踪瞄准精度，必须对拦截弹导引头在高速真实气体环境下的气动光学效应进行定性分析和定量测量，并建立能满足气动光学效应与校正机理研究的地面模拟测试方法。本项目就是针对这一瓶颈技术存在的基础性问题：流场介质折射率变化是影响光学传输最直接的因素，即针对光线穿过高温和湍流、激波等复杂流场作定性显示和定量测量问题而开展的气动光学效应地面模拟测试研究工作，为高速拦截弹的发展提供技术基础。 本论文共七章，第一章分析介绍了气动光学研究的主要内容和国内外研究进展；第二章探讨了气动光学的理论基础和四种物理工程算法；第三章推导了折射率随温度变化的计算公式，提出了气动光学效应波长相关性原则。并进行了实验验证；第四章主要探讨二维流场折射率的全息测量技术；第五章介绍了导引头三维流场干涉测量的试验方法和数据重构；第六章利用哈特曼传感器技术对气动光学效应各种参数进行了半模试验测试研究；第七章是气动光学的仿真技术，主要研究二维流场数值仿真技术。 本论文的研究范围，从气动光学理论基础到工程物理方法，涉及到折射率从低温到高温；密度场从二维到三维；拦截弹飞行速度从高速到超高速；光学 四川大学博士学位论文 相位测试从模型试验到数值仿真。初步建立起了一套气动光学风洞测试试验的 理论和技术，完成的主要研究工作有: (1)从理论上进行了气动光学主要参数的分析，从麦克斯韦方程出发，推 导了有序扰动的聚焦强度的计算公式及脉冲峰值强度计算公式。同时推导了气 动光学效应数值模拟的工程算法(物理光学法)，得出的点扩散函数便可得到气 动光学效应的视轴偏差、模糊、抖动、Strehi比等，从而使气动光学的地面模拟 测试研究在理论上可行。在测试手段方面介绍了四大类地面模拟测试方法:光 强度分布测量，波前相位测量、流场诊断和辐射及光谱测量，这也是本论文的 研究重点。 (2)高温条件下气体折射率的理论模型及实验研究，主要内容包括:从洛 伦兹理论出发，推导了一套红外谱折射率计算公式，首次在国内提出了气动光 学效应研究测试中心须考虑波长相关性原则，从理论上给出了高温条件下红外 光谱范围折射率的变化规律。计算了一氧化氮、一氧化碳、二氧化碳及水蒸气 四种组分的红外波段的折射率及其偏折角变化。计算条件为:压力为latm，温 度为300K和I000K。计算结果表明:在上述条件下，由温度为300K气体入射 到1 ooOK气体中引起的折射率变化，主要发生在中红外波段，在4.5微米左右， 偏折角为1微弧度;在6.5微米，引起了最大偏折角变化为3.5毫弧度。其原因 是由于中、远红外波段内存在大量共振吸收，在气动光学修正技术中必须加以 考虑。 同时进行了高温气体折射率的黑体试验研究，研制了一套均匀温度场变化 的黑体实验装置;设计了一套实时全息测试装置和CCD图像采集系统。对空气、 NZ、c口2等气体在不同温度下的折射率变化进行了研究。验证了可见光在sooK 以下的计算数据。试验与计算结果相符，达到了预期的目的。 (3)高速拦截弹在自由飞状态下轴对称密度场的测试研究，主要内容包括: 采用双曝光全息干涉技术研究了高速拦截弹在N卜9状态下的密度场定量测试问 题，这也是高速拦截弹的高端飞行条件下的真实飞行状况的模拟，利用风洞设 备上原有的阴影设备为主要部件，用少量的小口径光学元件作为附加元件，构 成了全息干涉仪。采用20ns脉冲红宝石激光器为光源，以精确的同步装置捕捉 到高速飞行的模型，得到模型周围空间的瞬态双脉冲全息干涉图。试验中使用 轴对称模型，无攻角，因而可以用一个投影方向的全息干涉图计算出模型周围 四川大学博士学位论文 的空气密度分布。获得了步枪子弹和球模型以及高速弹头的空间密度分布，并 用数值计算加以验证。 (4)高速拦截弹的三维密度场的测试研究。主要内容是:采用旋转流场 的方式，用光栅干涉技术研究了拦截弹在飞行速度低端(M二2)情况下的三维 密度场的测试方法，之所以采用低端状况和旋转流场来进行气动光学的三维密 度场的测试研究，就在于改造风洞和多方向干涉技术布置是一种十分复杂和耗 资昂贵的方案。该研究首次测量了高速拦截弹光学头罩的三维密度场，主要工 作包括:在直流下吹式风洞中进行试验，M数