摘要：针对类美国末段高空域防御(Terminal High Altitude Area Defense,THAAD)系统的红外导引头外形,开展了气动光学效应计算分析,并将其用于飞行器设计。利用国家数值风洞工程高速流场计算软件NNW-HyFLOW,考虑热化学非平衡效应和材料传热耦合效应,对导引头典型状态的流场进行了模拟,获得了流场的密度、温度、压力等参数和窗口的温度场参数。基于流场参数,利用HyFLOW气动光学传输效应计算功能,开展了红外光学传输成像计算;利用HyFLOW气动光学辐射效应计算模块,开展了流场和光学窗口的热辐射计算。计算结果表明,类THAAD导引头在30 km以上飞行时,流场和光学窗口基本不会影响目标信号的光学传输成像,但流场和窗口的热辐射效应会对导引头识别目标造成影响。不过随着飞行高度的升高,这种影响会减小。

摘要：转塔绕流会带来严重的气动光学效应影响,从而限制机载激光武器性能的有效发挥,故转塔气动光学效应的抑制研究具有现实的迫切性。采用高精度数值仿真方法,并结合风洞验证试验,以提供高置信度的时间序列波前数据。据此,建立校正残差在空域中随校正阶数的变化曲线与散点图,用于自适应光学校正的定量评估。研究结果表明:转塔流场中存在脱落涡街等复杂结构,当马赫数较高时还会出现激波;顶视气动光学效应最强,前视稳态像差含量高,顶视和后视动态像差占比大,激波结构会增加波前的动态像差占比;前视可以取得很好的自适应光学校正效果,而顶视校正难度较大,对自适应光学校正的变形镜拟合波面能力要求较高。因此,转塔气动光学效应的抑制建议采用自适应光学校正与流动控制结合等联合抑制方法。

摘要：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。

摘要：利用大涡模拟方法对受周期性控制的超声速混合层进行数值模拟,揭示出受控涡结构的特性;使用光线追踪方法计算光束穿越受控混合层流场产生的气动光学波前畸变。通过对受控涡结构特性的分析,提出了一种气动光学效应校正方法,并以不同控制周期下的超声速混合层为例,对设计的校正方法进行检验。结果表明:对于受周期性控制的超声速混合层,按照校正方法获取的波前补偿信号能够使气动光学波前畸变的幅值降低50%以上;指出混合层流场中涡结构的规整程度是影响畸变波前校正效果的关键因素。

摘要：带有光电探测系统的飞行器在大气层内高速飞行时,会产生严重的气动光学效应;为减小气动光学效应的影响,必须要进行相应的校正方法的研究,在实验室内对各种校正方法进行半实物仿真验证试验。设计了一种基于ZEMAX相位面型和DMD微镜器件的气动光学效应模拟器,一种基于变形镜系统的气动光学效应模拟器,结合高速并行计算机系统、红外成像探测模拟系统、气动光学图像校正仿真系统,可组成一套气动光学效应半实物仿真系统,在实验室内能对各种气动光学效应校正系统进行半实物仿真验证。

摘要：采用改进的延迟脱体涡仿真(IDDES)方法、双时间步LU-SGS方法、本征正交分解(POD)方法开展数值仿真,并分析吊窗的尾迹流动气动光学效应的非稳态特性。仿真流线与油流实验在总体上可比性较好,但二者的吊窗尾迹区流场结构存在一定差异。吊窗流动易分离,K-H不稳定波会使分离剪切层失稳并产生脱落涡街,涡街与颈项涡相互作用,在吊窗尾迹区产生复杂的非稳态流动。吊窗尾迹流动气动光学效应以稳态相差为主,占比达70%,稳态相差会弱化气动光学效应的非稳态特性;波前以低阶模态为主,阶数越高,模态包含越多小尺度结构。根据标度律,在海拔为10 km与吊窗直径为2 m条件下,方均根光程差的时均值约为0.48λ,气动光学效应将得到进一步加强,这会对高能激光武器(ABL)性能带来不利影响。

摘要：超高声速飞行器在大气中飞行时,由于气动热和气动力的作用,光学窗口会产生严重的气动光学效应,使目标图像发生像偏移、抖动、模糊和能量衰减。利用有限元分析方法对光学窗口的热光效应、弹光效应和窗口热变形进行研究,计算了由热光学效应、光学窗口热变形引起的点扩散函数峰值大小及峰值位置(像偏移)随时间的变化趋势。根据对温度场的分布分析,计算了温度梯度对透过率的影响以及透过率与窗口热辐射随时间变化的趋势,可为光学窗口的设计、材料的选择及后期的图像处理提供依据。

摘要：气动光学效应是高超音速导弹设计需要解决的关键技术。全面论述了气动光学效应的定量研究方法,包括:小孔径技术、统计方法、随机相位屏方法和涡动力学研究方法,指出了工程上广泛使用的统计方法的适用范围,建议使用大涡模拟方法进行气动光学效应的数值仿真。

摘要：以星光导航在高超飞行器中的应用研究为背景,介绍了高超飞行器周围流场数值模拟方法;将湍流流场分为平均流场和脉动流场两部分,假定星敏感器开窗位置在机身圆筒部位,将恒星视作"点目标",应用几何光学法、物理光学法和统计光学法计算星光在飞行器周围流场中的气动光学传输效应;定性地描述了像模糊、像偏移和像抖动对星图的影响,通过仿真比较了不同波长、不同入射角下湍流流场对星敏感器成像的影响。

摘要：基于星光折射的新型天文导航方法具有自主性强、导航精度高的特点,在航空航天领域受到了广泛关注。然而,当星光穿过高超声速飞行器外的复杂流场时会发生气动光学效应,导致星光传播方向发生偏折,引起星光矢量测量误差进而影响天文导航的精度。传统基于拟合模型的星光偏折预测法利用数据拟合星光偏折角模型用于预测补偿,这种方法忽略了星光偏折的物理过程,对用于拟合的数据精度以及数据量要求高,能取得的精度有限。针对这一问题,本文提出了一种基于解析计算结果的高精度气动光学星光偏折预测方法。通过分析气体通过锥面激波后的流动规律,基于PSO-BP网络构建了流场的密度代理模型。通过分析星光在流场中发生偏折的机理,综合考虑了激波以及激波后流场对星光传播的影响,建立了一种精确的星光偏折角模型。进一步结合密度代理模型与星光偏折角模型设计了气动光学星光偏折预测方法,以实现对星光偏折的高精度预测与补偿。仿真结果表明,相比于传统的数据拟合模型预测法,所提方法能对星光偏折角实现亚角秒级别的高精度预测,能补偿80%以上的气动光学效应所导致的星光偏折,并且能大幅简化预测模型的构建过程,具有较高的适用性和工程应用价值。