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红外气动光学效应研究进展与思考.docx
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红外气动光学效应研究进展与思考.docx
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0. 引 言
红外成像探测技术是精确制导的重要手段,随着导弹武器向超音速、高超音速的方向
发展,红外成像制导装置工作的气动力热环境越来越恶劣,气动光学效应成为高速红外成
像探测的核心问题。
高热流冲击和大气动压力载荷综合作用下,红外窗口产生较大的应力,甚至发生破
坏,称为气动力热效应,其决定了高速红外探测系统能不能“活下来”;目标的辐射能量必
须穿过高温流场和红外窗口才能到达光学系统,激波、窗口的热辐射干扰影响系统的信噪
比,严重时甚至淹没目标信号或使探测器饱和,称为热辐射效应,其决定了高速红外探测
系统能不能“看得见”;流场和窗口不均匀的折射率分布和变化影响目标光线的传输,导致
目标图像产生模糊、抖动和偏移,称为传输效应,其决定了高速红外探测系统能不能“看的
准”。上述三种效应统称为气动光学效应(如图 1 所示)。
文中主要介绍了气动光学三大效应的基本内涵和理论研究、实验研究等方面的进展,
最后对气动光学未来的研究重点进行了展望。
图 1 高速导弹气动光学效应
Fig. 1 Aero-optical effects of hypervelocity missile
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1. 气动力热效应
1.1 气动力热效应概述
在稠密大气层内高速飞行时,红外窗口的气动力载荷和气动热载荷都比较大,随飞行
马赫数增大,热流和压力迅速增大。在内外压差的作用下窗口产生机械应力。红外窗口材
料的导热能力一般较差,气动加热使红外窗口温度迅速升高,导致窗口内外产生较大的温
度梯度,窗口表面不均匀的热流分布导致窗口径向也存在温度梯度,而且窗口的热膨胀还
会受到安装结构的约束。在这些因素的作用下,窗口可能产生较大的热应力。此外,高温
条件下红外窗口材料的强度还可能降低。在上述多种因素综合作用下红外窗口可能发生破
坏。保证光学窗口承受气动力热载荷不发生破坏成为高速弹载红外探测应用面临的首要问
题。风洞试验中发生破坏的红外窗口如图 2 所示。
图 2 风洞试验中发生破坏的红外窗口
Fig. 2 Infrared window damaged in wind tunnel test
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1.2 窗口材料变温力热特性研究
在一定的气动力热载荷条件下,材料力热特性决定了窗口的热影响和力响应,主要影
响参数包括:密度、比热容、导热系数、热膨胀系数、弹性模量、泊松比、强度等,在分
析计算中采用常温固定值将会严重降低结果的准确性,获取准确的材料力热特性是分析窗
口力热响应的基础。
施纯俊等测量了蓝宝石窗口在变温条件下的比热容、导热系数、热膨胀系数,哈尔滨
工业大学殷和栋采用激光超声波技术测量了变温条件下的蓝宝石的弹性模量,结果如图 3
所示,可以看出这些参数随温度变化较大
[1-3]
。重庆大学成天宝通过建立的脆性材料单轴直
接拉伸和压缩强度测试装置测试了 CVD 硫化锌从室温到 600 °C 的直接拉伸强度和单轴压
缩强度,其拉伸强度在高温下略有上升,压缩强度基本不变
[4]
。如图 4 所示。
图 4 试验测得 CVD ZnS 的拉伸和压缩强度
Fig. 4 Measured tensile and compressive strengths of CVD ZnS
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Klein 等收集并分析了一定时期 4 台力学测试设备红外窗口材料的抗弯强度数据,并
假设断裂来自于随机分布的表面缺陷,建立了描述窗口材料破坏概率的韦伯双参数模型,
对蓝宝石、金刚石、硫化锌等红外材料进行验证发现,除了氟氧化物玻璃外其他均符合得
非常好
[5]
(图 5)。美国蓝宝石统计特性和风险降低计划(SSCARR)根据萨德反导系统
(THAAD)、标准-2 舰空导弹和“箭”-2 反导导弹红外窗口/球罩应用背景,通过对 1475 个
试样开展弯曲强度测试、激光热结构测试和强度增强研究,分析了晶向、表面光洁度、加
工方法、材料纯度等对强度的影响,获得了大量实测数据,建立了蓝宝石窗口/球罩可靠性
预测统计模型,并最终交付了 3 种导弹窗口(图 6)。
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