为了校正大长径比、大扫描视角共形整流罩引入的动态像差,提出了一种固定自由曲面透镜阵列校正器。通过设计透镜阵列校正器中各透镜自由曲面的面形和旋转角度,校正不同扫描视角大长径比共形整流罩引入的动态像差。实验结果表明,自由曲面透镜阵列校正器可以对长径比为1.2的共形整流罩实现±50°扫描视角的动态像差校正。这种新型校正器具有动态校正器和固定校正器的优点,可适用于扫描视角大、长径比大以及稳定性高的共形整流罩光学系统。

高速红外制导战术导弹飞行时, 气动热(qw)剧烈, qw作用于导弹红外整流罩上, 产生的热应力 .热是导致整流罩热炸裂的主要因素。针对此问题, 在导弹整流罩早期研制阶段, 对于整流罩选材和能否进行下一步约束状态研究模拟整流罩固结导弹金属壳体实际工作状态, 提出一种简单快捷的判别方法, 红外整流罩纯热应力 .纯热分析。将自由状态整流罩受到温度梯度 .T引起的 .纯热从叠加位移约束 W.引起更大的 .热中剥离出来, 抛开 W.的影响, 单独分析较小的 .纯热, 进一步抓住引起整流罩热炸裂的主导因素。结合双色透波需求, 以硫化锌 ZnS红外整流罩为例, 进行 .纯热仿真分析, ZnS材料强度极限.max大于.纯热, 判定整流罩可以进入约束状态研究。经约束 W.的.热试验验证, 整流罩未炸裂, 佐证此方法为整流罩选材提供一种快捷判断。

红外整流罩位于导弹的最前端,是红外导弹的主要部件之一。根据其工作环境的要求,红外整流罩应具有良好的光、机、热等性能。目前,中波红外导弹的红外整流罩主要采用氟化镁、蓝宝石、尖晶石、ALON和纳米复相陶瓷等材料制造。本文提出了一种高强稀土氧化物稳定的ZrO₂纳米红外透明陶瓷整流罩,通过对陶瓷材料的特性进行研究,证明了该种材料可以用于中波红外导弹。同时,采用该种材料完成了红外整流罩样件的研制,并对样件进行了导弹服役环境下的适应性试验和模拟动态抛罩试验,验证了该材料的性能。

传统整流罩为半球形或半球形的一部分, 产生的空气阻力较大, 不利于**飞行速度的提高。基于空气动力学性能的考虑, 采用共形整流罩的光学技术被提出。文章描述了二次曲面共形整流罩外表面、内表面的设计方法及面型表达式, 通过在CODEV中建立共形整流罩的扫描成像模型, 应用Zernike多项式分解法研究了不同长径比、边缘斜率、口径比和回转中心位置对离焦像差(Z4)、像散(Z5)、彗差(Z8)和球差(Z9)的影响规律。研究结果表明: 二次曲面共形整流罩引入的离焦像差、像散、彗差和球差均随着长径比、边缘斜率和口径比的增加而增大, 但对成像系统回转中心的位置不敏感。因此, 在满足**的空气动力学性能条件下应尽量减小长径比、边缘斜率和口径比, 回转中心的位置主要根据结构需要进行设计。

气动加热的高温整流罩会产生强烈的红外辐射, 影响导引头对目标的探测精度。为了寻求减弱整流罩气动热辐射的方法, 建立了气动热辐射数学模型。利用有限元软件以及建立的气动热辐射数学模型对不同厚度的半球形整流罩气动热和气动热辐射进行了数值仿真, 得到了半球形整流罩厚度对气动热和气动热辐射的影响规律。研究结果表明, 在相同飞行工况下, 工作10 s时, 当半球形整流罩厚度由3 mm增厚到8 mm, 整流罩驻点温度降低了16.23%; 形变量减少了54.2%; 探测器接收面上的最大辐照度减少了84.43%。因此增加整流罩的厚度可以降低整流罩的温度, 有效减小整流罩的热形变和探测器上接收到的干扰辐射照度。

针对热障效应问题, 采用流固耦合法计算了球形整流罩的瞬时温升, 并对其进行了结构改进。首先, 根据风洞及火箭撬实验, 结合熵层涡干扰势分析, 给出判别球型整流罩换热状态的临界来流雷诺数为2.7×106, 并分析了Van Driest层流换热公式对大张角球面处的适用性; 再以Van Driest换热系数为边界条件, 利用有限元法进行球形整流罩瞬时温升计算, 结果表明其温升较快, 需合理轨迹规划以规避热障效应; 针对高速长航时应用需求, 利用多孔陶瓷材料的低热导率设计了新型复合整流罩, 能有效延长制导系统飞行时间; 复合整流罩还具有光学窗口处的气动热冲击应力小以及气动阻力小的优点, 可应用于低空、高马赫数条件下的光学精确制导。

高温整流罩产生强烈的红外辐射, 在探测器接收面上形成背景噪声, 严重影响成像质量。为了评估气动热环境下高速飞行器共形整流罩热辐射对探测器性能的影响, 建立了气动热环境下整流罩热流固耦合计算模型、整流罩热辐射发射以及传输模型, 计算了整流罩非均匀温度场、形变场、应力以及应变场, 仿真得到了共形整流罩热辐射对高速飞行器光学系统成像质量的影响。研究结果表明: 随着时间的不断增长, 探测器接收面的最大辐照度也逐渐增大。在第10 s时, 0°攻角下共形整流罩热干扰辐照度最小值为0.094 W/m2, 最大值为0.108 W/m2。和相同工况下的共形整流罩相比, 球形整流罩10 s时的最大辐照度分别是椭球面和抛物面形整流罩最大辐照度的近12倍和7倍, 即共形整流罩产生的干扰对探测系统的影响较小, 不会对探测器的探测性能产生致命性的影响。

分析了同心球面光学整流罩内、外表面的球心与机载激光通信发射天线的万向节点不重合时，非对称的光学整流罩对通信光束远场发散角的影响。结果表明，在最大通信光束远场发射角约为54°的条件下，外部口径为200 mm、厚度为5 mm的K9球冠整流罩使口径为30 mm的通信光束远场发散角由126 μrad扩展到5.27~6.46 mrad，而仅由整流罩面形加工精度引起的通信光束远场发散角变化相比由整流罩光焦度引起的通信光束远场发散角变化十分微小，可以忽略不计。利用球面透镜补偿通信光束远场发散角的变化，可使通信光束在整个发射角范围内的远场发散角均小于600 μrad。

共形导引头光学系统因在非零观察视场中失去旋转轴对称性而存在随视场不断变化的动态像差。为验证共形光学系统的光学成像性能, 设计了采用固定校正板进行像差校正的万向支架式共形导引头光学系统。系统在±55°观察视场内设计的传递函数值大于 0.5, 像元内能量集中度大于 80%。为简化位标器结构并完成光学系统的成像性能测试, 提出了采用头罩旋转的方式替代位标器结构的旋转。光学系统调制传递函数测量结果表明系统在小观察视场中的调制传递函数大于 0.45, 在全观察视场内大于 0.25, 满足目标探测要求。