转塔气动光学效应的自适应校正分析

转塔气动光学效应的自适应校正分析

孙常智

齐鲁中科光物理与工程技术研究院  山东省济南市  250000

摘要：载激光（ABL）武器是以飞机作为移动作战平台并深受重视的新概念武器系统之一，具有机动性强，深弹仓，受低空稠密大气层衰减小等优点，可望改变未来的空战模式。转塔（半球体+圆柱体）是机载激光武器激光输出与光电信号收发的重要窗口形式，结构简单，能够进行周向与俯仰旋转，具有广域视场。但是，转塔绕流流场结构复杂，存在马蹄涡、分离剪切层、局部超声速区与激波、背风区角涡与脱落涡街等，流场介质折射率系数高度非均匀和高频脉动，当光在其中传输时，光束会发生偏折、抖动、波前畸变、远场光斑弥散和峰值强度降低等强烈气动光学效应影响，导致光电探测的目标图像抖动与模糊，到靶激光峰值强度降低，从而严重制约机载激光武器性能有效发挥。因此，开展转塔气动光学效应特性与抑制等研究是一项非常必要的工作。

关键词：光学转塔；气动光学效应；自适应校正；

引言

近些年，随着激光武器和超声速飞行器的发展，气动光学受到越来越多的关注。根据光线的传输路径，可以分为主动光学系统（激光发射器）和被动光学系统（红外寻的器）。在主动光学系统中，气动光学效应导致高能激光发射器发出的激光束能量减弱，失去攻击力或聚焦偏离攻击目标；在被动光学系统中，气动光学效应导致光学接收器上的图像变形或者光学信号减弱，使跟踪方向发生偏差。无论是主动光学系统还是被动光学系统都分为近场“气动光学”区域和远场“大气光学”区域。

1气动力热效应

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。

2转塔气动光学效应现状

转塔气动光学效应可以采用流动控制或者自适应光学（AO）校正方法进行抑制。转塔气动光学效应主要由激波、分离剪切层以及大尺度脱落涡街结构产生，因此，流动控制技术主要是抑制或延迟转塔绕流分离，减弱或消除局部超声速区，破碎大尺度涡街结构或者提高流动拟周期性，但由于转塔流动复杂，各种因素综合干扰，抑制常常难于取得预期效果。自适应光学校正是依靠变形镜复原波面，光束在穿过流场前叠加与气动光学效应共轭的波前像差，从而与气动光学效应相互抵消，改善出射光束质量。自适应光学校正在大气光学效应方面取得巨大成功，但由于气动光学效应脉动频率从几赫兹高达上百千赫兹，波面结构小到毫米大到米量级，给自适应光学校正的响应带宽与变形镜复原波面能力带来巨大挑战，一般的观点是自适应光学校正能力较气动光学效应校正所需带宽低1~2个数量级。因此，目前在转塔气动光学效应抑制方面仍无突破性进展，甚至对于转塔气动光学效应校正究竟需要多高带宽和校正阶数，或者现有自适应光学校正系统究竟能否取得部分校正效果，仍然缺乏足够认识。

3流场计算方法

为了提高湍流模型在转塔后部流动分离区域的预测能力，本文采用延迟脱体涡模拟（DDES），该方法是将雷诺平均Navier-Stokes（RANS）模拟和大涡模拟（LES）相结合。在1997年提出的SSTDES模型，即在壁面附近采用SST模型求解RANS方程模拟小尺度湍流结构；在分离区域转化为LES求解大尺度湍流结构，并引入亚格子模型模化该区域的小尺度湍流。而RANS/LES的转换则是通过当地的湍流尺度和网格尺度的相互对应关系来确定。单一的LES方法求解边界层区域需要耗费大量的计算资源，而DES方法只需要在边界层区域的网格尺度达到RANS的精度即可，因此可以大大地减少计算量。Strelets提出的SST-DES模型的原理是，当RANS模型预测的湍流长度大于局部网格间距的区域，从SST模式切换到LES模式。在这种情况下，湍动能方程中计算耗散项所用的长度尺度由局部网格间距替代。

4激波辐射效应

随着飞行速度提高，激波辐射干扰对红外成像的干扰变得不可忽略。国外从试验和理论两方面对高温气体辐射特性进行了大量研究。建立了HITRAN数据库、高温气体光谱数据库CDSD和HITEMP数据库，开发了空气非平衡辐射特性计算程序NEQAIR，在工程中得到广泛应用。美国开发研制的激波辐射仿真软件，它包括：EXTC流场计算模块、SIRRM－Ⅱ辐射传输模块和NORSE热辐射数据库。针对高温气体辐射特性，国内也有大量学者开展研究。基于HITEMP数据库，采用统计谱带模型计算了300~3000K范围内的水蒸气辐射光谱。利用激波管加热技术测量了高温空气在宽波段和几个特定中心波长的绝对辐射功率。

5低阶精度MUSCL格式

在曲线坐标系下，Navier-Stokes方程可以写成如下统一形式：其中，F、G和H是三个曲线坐标方向的对流通量，F、G和H是粘性通量，S是源项1J−坐标变换的行列式取导数，对应网格单元的体积。以方向的对流通量项为例，采用矢通量分裂格式离散，在界面上的正负通量采用不同方向上的变量插值计算：F是正负矢通量，具体形式由所选择的矢通量分裂格式决定，原始变量q则需要利用界面插值格式计算，1/2Liq+和1/2Riq+是原始变量在界面i+1/2的左极限和右极限值，1/2Liq−和1/2Riq−是原始变量在界面i−1/2的左极限和右极限值。

6微环谐振腔

微环谐振腔由于热非线性作用使其谐振波长随微环谐振腔内温度增加发生红移，反之则蓝移，在时间尺度上表现为双稳态现象．光学双稳态是指一定强度的光在与介质相互作用下，一个输入态对应出现两种输出态的非线性效应．为了观察热的双稳态现象，在泵浦功率为10dBm时，通过改变函数发生器的电压实现泵浦光波长的双向扫描，在函数发生器电压范围0～500mV内，可以实现－20～20pm的波长扫描范围，从而得到微环谐振腔Drop端波长尺度上双向透射谱，当泵浦光往长波长方向移动时(上行扫描)，由于光致热效应的作用，当环内泵浦光产生的热量比热传导耗散的热量多时，环内开始有热量的积累，导致微环谐振腔温度升高，这时谐振波长逐渐向长波方向移动．因此，该透射谱的前沿将得到展宽．

结束语

转塔流场结构复杂，在马赫数较高时还会在球冠顶部出现超声速区和激波，会进一步加剧流场结构复杂性；顶视气动光学效应最强，前视稳态像差含量高，而顶视和后视动态像差占比大，激波等会进一步加剧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，而顶视校正难度最大，转塔气动光学效应对自适应光学校正要求较高，为更有效地抑制气动光学效应影响，有必要发展与流动控制的联合抑制方法。

参考文献

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