【摘要】：高超聲速飛行器在高空飛行時會與氣流發(fā)生劇烈作用,使光學(xué)成像系統(tǒng)的目標(biāo)圖像發(fā)生偏移、模糊、畸變等現(xiàn)象,這稱為氣動光學(xué)效應(yīng)。研究飛行器周圍的流場特性以及流場造成的氣動光學(xué)效應(yīng),對于提高目標(biāo)成像的清晰度和定位精確度,以及對于氣動光學(xué)效應(yīng)的校正,都具有重要的研究意義。本文采用計算流體力學(xué)技術(shù),借助ICEM軟件建立了飛行器光學(xué)頭罩鈍錐體模型,隨后通過Fluent軟件仿真出光學(xué)頭罩壁面附近的高速流場在不同高度和馬赫數(shù)狀態(tài)下的密度場分布特性,并試著從空氣動力學(xué)角度對這種分布做出合理解釋。為了方便對目標(biāo)流場的研究,本文對流場網(wǎng)格進(jìn)行了預(yù)處理,包括流場坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換、計算流體區(qū)域的選擇以及利用G-D公式求解流場的折射率分布。為了精確計算光線在流場中的傳輸,本文運(yùn)用誤差后向反饋(BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法,對不同狀態(tài)下的折射率場進(jìn)行插值訓(xùn)練,得到了規(guī)則的網(wǎng)格矩陣、足夠密集的折射率值分布。本文從流場的密度分布開始,分別從幾何光學(xué)法和物理光學(xué)法兩個角度對層流流場的氣動光學(xué)效應(yīng)進(jìn)行分析。首先從幾何光學(xué)方法入手,采用基于流體計算網(wǎng)格的光線追跡方法,大大降低了計算量和計算復(fù)雜度。根據(jù)光線在網(wǎng)格中傳輸?shù)木唧w情況,提出了四種不同的折射率插值計算方法,提高了計算精度。最后重點(diǎn)計算了光線在流場中傳輸最終到達(dá)壁面窗口的光程差、角偏差和瞄視誤差,并研究了它們隨著高度、馬赫數(shù)和光線入射角的變化規(guī)律。結(jié)果表明,飛行馬赫數(shù)和光線入射角的增大,會使氣動光學(xué)效應(yīng)增強(qiáng);相反,氣動光學(xué)效應(yīng)隨著高度的上升而減弱,且當(dāng)高度上升到一定程度,可以明顯削弱其他因素對氣動光學(xué)效應(yīng)的影響。物理光學(xué)方法的研究從光程差開始,首先給出了光束穿過流場到達(dá)成像面的光程差、波像差、點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)和斯特列爾比的計算方法。接著研究了高度、馬赫數(shù)和光束入射角對成像面內(nèi)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)分布和斯特列爾比的影響。結(jié)果表明,光束入射角的增大會加重成像的模糊并且減弱中心成像的亮度,使氣動光學(xué)效應(yīng)增強(qiáng);隨著高度的增加,斯特列爾比變大,氣動光學(xué)效應(yīng)逐漸減弱,這與上文的結(jié)論相呼應(yīng)。本文還從新的角度入手,研究了基于折射率梯度門限的重構(gòu)折射率場并驗(yàn)證了用它來研究氣動光學(xué)效應(yīng)的精確度和可靠性。首先利用不同閥值時的折射率梯度門限重構(gòu)了折射率場,并與原來的折射率場進(jìn)行比較。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)忽略的折射率梯度元素的個數(shù)占總個數(shù)的50%以內(nèi)時,重構(gòu)折射率場幾乎等同于原折射率場。最后通過光線追跡法計算光程差的均方根相對誤差,驗(yàn)證了這一結(jié)論。這對于研究氣動光學(xué)效應(yīng)機(jī)理以及修正氣動光學(xué)效應(yīng)有重要參考價值,為氣動光學(xué)效應(yīng)的研究提供了一個新的思路。
【圖文】：

論文的研究框圖

穿過流場時損失了部分能量，，因此研究并且校正氣動光學(xué)效應(yīng)引起的光學(xué)偏差和能量損失對于高能激光武器來說同樣具有重要意義。圖2.1 氣動光學(xué)效應(yīng)示意圖2.2 氣動流場的基本概念2.2.1 氣動流場概述氣動流場即飛行器高速飛行時與周圍空氣相互作用產(chǎn)生的流場。當(dāng)飛行速度到達(dá)一定程度時，會對周圍的氣流產(chǎn)生壓縮效應(yīng)，飛行器將部分動能轉(zhuǎn)化為頭罩附近空氣
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：V219;V419

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本文編號：2638312