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高速飞行器外流场及光学窗口气动光传输效应仿真与研究----AITC 2024+摘要

临近空间；气动光学效应；气动光传输效应；像质退化

高速飞行器在临近空间中高速飞行时，会压缩周围空气，在高速飞行器周围形成边界层、激波和膨胀波等复杂的流场结构，与此同时高速飞行器携带的光学窗口由于受到不均匀的气动热流加热，温度迅速升高。光学窗口附近的复杂的流场及光学窗口温度场使得通过的光束产生附加相位，光束的波前发生畸变，引起目标图像的偏移、抖动和模糊，称为气动光传输效应。严重的气动光学效应最终将限制了高速飞行器对目标的探测、跟踪与识别能力，因此研究高速飞行器光传输效应，对提高高速飞行器红外成像探测精度具有重要意义。而理清外流场以及光学窗口的气动光传输效应分别对于光束波前的影响，能为高速飞行器外形设计以及材料选取提供依据，从而从结构和材料上抑制气动光传输效应对于高速飞行器红外成像探测精度的影响。

本文以球型光学窗口为研究对象，研究了外流场及光学窗口的气动光传输效应的机理和建模、仿真方法、建立了光学窗口的综合性能评价函数，主要研究内容包括：

高速飞行下光学窗口的三维折射率场研究。根据空气动力学理论，利用有限元方法建立外流场的有限元计算模型。利用该计算模型基于雷诺平均纳维-斯托克斯方程（RANS）仿真模拟飞行器高速飞行时，光学窗口外部流场真实的气动热环境，计算得到了流场的温度场、 压强场、以及热流密度场分布。根据传热学以及结构力学理论，建立光学窗口的热分析有

限元计算数学模型。采用非定常热传导-辐射耦合的流固耦合传热方法求解光学窗口瞬态温度场的三维温度场分布。根据晶体的热光效应原理，光学窗口的折射率场分布可由温度场计算得到。在非均匀折射率场分布的光学介质中，建立了光学窗口的气动光传输效应的数学计算模型,仿真得到了光学窗口的气动光学效应对高速飞行器成像质量的影响规律。

在本文中，我们研究了高速飞行器外流场及光学窗口的气动光传输效应的，通过上述分析，可以看出光学窗口的气动光传输效应要明显强于外流场。

因此气动加热的光学窗口对于成像的退化要强于外流场，这种温度相关的影响可以通过窗口冷却软件直播观看加以抑制，也可通过更换隔热材料进行抑制。本研究内容将为高速飞行器设计提供设计基础。