一种超声速混合层控制方法

1.一种超声速混合层控制方法，其特征在于，采用在超声速混合层分隔板上粘贴扰动片的方法，来产生扰动，扰动片外端面与分隔板末端之间的水平距离为L，通过调整L来改变扰动的相位；扰动片的厚度为H，通过粘贴不同厚度的扰动片来改变扰动的振幅；通过粘贴不同形状的扰动片来控制扰动的波形；扰动片的长度为λ，扰动片的长度λ等于混合层大尺度涡结构的流向平均波长，λ的数值为已知，调整L，在调整L的过程中，层流段的长度会发生变化，取调整L过程中层流段长度的最大值，来确定L的数值，之后调整扰动片的厚度H，层流段的长度也会随着H的变化而变化，取调整H过程中层流段长度的最大值，来确定H的数值，然后调整扰动片的形状，层流段的长度随着扰动片形状的变化而变化，取调整扰动片形状过程中层流段长度的最大值，来确定扰动片的形状。

一种超声速混合层控制方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种超声速混合层控制方法。\n背景技术\n[0002] 当今世界，军事斗争日益激烈，各国对精确打击武器的依赖度越来越高，采用高制导精度的光学成像制导武器日益受到重视。然而，飞行器冷却射流与来流之间的相互作用，导致其周围混合层流场的折射率在时间和空间上均呈现出明显的不均匀性，来自目标的光线穿过这样的折射率场时，会产生光线偏折、相位畸变或者成像散焦，光学系统接收到的将是受到扰动的目标图像，这将大大影响其探测、识别和跟踪目标的能力，降低击中目标的准[1]\n确度，甚至脱靶 。因此，研究超声速混合层流场的流动机理，探寻其气动光学效应和流场结构之间的内在关系，并采取适当的控制方法降低气动光学影响、提高其光学性能，是光学成像制导武器研究工作中的关键问题之一。\n[0003] Stanek M J等人[2]指出，大尺度湍流结构的运动导致了光束的偏折和抖动；中尺度湍流结构对能量的扩散作用，使得光束发生扩散，进而导致了成像模糊；小尺度湍流结构对光的散射，使得光束通过流场后能量衰减，导致了斯特尔比SR的降低。上述气动光学效应和湍流尺度有关，并且是同时存在的。Fitzgerald E J[3]和Catrakis H J[4]等人的研究发现，湍流剪切层流动中的大尺度结构主导了近场气动光学效应。2006年，Zubair F R等人[5]研究了可压缩湍流中光学波前沿光束传播方向的变化，分析不同分辨率流场对应的近场波前变化，发现波前的整体分布没有明显变化，对近场波前整体分布起重要作用的是湍流中的大尺度结构。从上述关于气动光学效应和流场结构之间关系的研究结果来看，不同尺度的湍流结构对气动光学效应有不同程度的影响，并且这些影响是同时存在的；影响光束偏折和抖动的主要是混合层中的大尺度涡结构。\n[0004] 超声速混合层流场导致的气动光学畸变具有很高的频率，以至于目前的自适应光学系统不能对其进行实时修正[6]。要想降低流场带来的气动光学扰动，可行的办法是通过光学窗口的几何外形改变流场结构，或者往流场中喷射气流来补偿流场的折射率分布不均匀性。Princeton大学的Smitts A J和Miles R B通过往Ma＝8流场中平板边界层的转捩区域和完全发展的湍流区域中喷射氦气，来改善其气动光学性能[7]，并采用FRS技术观察有无喷射氦气的流场结构。2005年，Wyckham C等人对喷射氦气的跨声速和高超声速湍流边界层导致的气动光学畸变进行了测量[8]。Wyckham C等人采用Hartmann波前传感器，对跨声速和高超声速边界层带来的气动光学畸变进行了实时测量，该传感器的时间精度可达2μs。得到了Ma＝0.6和Ma＝8流场中有无喷射氦气的混合层湍流导致的气动光学扰动的一系列数据，这些数据对控制波前畸变有很大帮助[8]。2006年，WyckhamC等人对跨声速和高超声速流场中喷射氦气的湍流混合层产生的光学畸变进行比较，发现混合层中的大尺度结构是影响气动光学畸变的主要因素[9]，验证了大孔径近似假设。在这方面，国内的气动光学研究人员也做了很多卓有成效的工作。费锦东从高速导弹采用红外成像末制导技术所面临的新问题出发，研究了气动光学效应规律，指出进行气动光学效应的校正对高速导弹光学头罩的设计、提高导引头对目标探测的信噪比，以及提高末制导精度和抗干扰能力具有重要作用[10]。\n2004年，张丽琴和费锦东针对高超声速飞行的精确制导飞行器所遇到的气动光学问题，介绍了气动光学效应的光电校正方法，包括基于波前检测与基于像清晰化校正以及高频微型光电子校正等自适应光学校正、图像帧频与帧积分时间自适应变化校正以及光学与图像处理综合校正等方法，并对各种方法进行了比较分析。指出图像帧频与帧积分时间自适应变化校正技术能提高作用距离和图像清晰度，并可有效地改善图像的模糊与高频抖动。相位差异合成法原理简单、易于实现，比较适合于弹载环境，在气动光学效应校正中具有良好的[11]\n应用前景 。2005年，李艳芳等人介绍了针对平板湍流边界层控制的三种方法：壁面冷却、吸气和壁面形状的优化，研究结果表明这三种方法对于控制平板湍流边界层、降低气动光学扰动能发挥有效作用[12]。\n[0005] 上述学者在气动光学控制技术方面做出了非常重要的工作，然而对于超声速混合层的气动光学控制还没有切实有效的方法。\n发明内容\n[0006] 针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明提出一种超声速混合层控制方法，开发超声速混合层气动光学控制技术，来实现对气动光学效应的有效控制，最终达到提高光学成像制导武器制导精度的目的。\n[0007] 其解决的技术方案是，在超声速混合层分隔板上粘贴扰动片的方法，来产生扰动，扰动片外端面与分隔板末端之间的水平距离为L，通过调整L来改变扰动的相位；扰动片的厚度为H，通过粘贴不同厚度的扰动片来改变扰动的振幅；通过粘贴不同形状的扰动片来控制扰动的波形；扰动片的长度为λ，扰动片的长度λ等于混合层大尺度涡结构的流向平均波长，λ的数值为已知，调整L，在调整L的过程中，层流段的长度会发生变化，取调整L过程中层流段长度的最大值，来确定L的数值；调整扰动片的厚度H，层流段的长度也会随着H的变化而变化，取调整H过程中层流段长度的最大值，来确定H的数值；调整扰动片的形状，层流段的长度随着扰动片形状的变化而变化，取调整扰动片形状过程中层流段长度的最大值，来确定扰动片的形状。\n[0008] 本发明结构巧妙，达到了非常好的技术效果。\n附图说明\n[0009] 图1为超声速混合层密度场结构。\n[0010] 图2为分隔板及扰动片结构示意图。\n[0011] 图3为不同形状的扰动片示意图。\n具体实施方式\n[0012] 以下结合附图对本发明作进一步详细说明。\n[0013] 由图1至图3给出，超声速混合层流场结构存在明显的周期性，如图1所示，图1中的大尺度涡结构是导致光束偏折和抖动的主要因素，因此只有抑制这种大尺度涡结构的产生，也就是延迟转捩，以使光束通过的流场均为层流状态，才能达到气动光学控制的目的。\n[0014] 要延迟混合层的转捩，扰动方式必须具有相应的振幅、相位和波形；本发明采用在超声速混合层分隔板上粘贴扰动片的方法，来产生扰动，扰动片外端面与分隔板末端之间的水平距离为L，通过调整L来改变扰动的相位，如图2所示；扰动片的厚度为H，通过粘贴不同厚度的扰动片来改变扰动的振幅，如图2所示；通过粘贴不同形状的扰动片来控制扰动的波形，如图3所示；扰动片的长度为λ，扰动片的长度λ等于混合层大尺度涡结构的流向平均波长，λ的数值为已知，调整L，在调整L的过程中，层流段的长度会发生变化，取调整L过程中层流段长度的最大值，来确定L的数值；调整扰动片的厚度H，层流段的长度也会随着H的变化而变化，取调整H过程中层流段长度的最大值，来确定H的数值；调整扰动片的形状，层流段的长度随着扰动片形状的变化而变化，取调整扰动片形状过程中层流段长度的最大值，来确定扰动片的形状。\n[0015] 在调整扰动片形状的过程中，扰动片的形状随意选择，直到层流段的长度达到需要的长度；\n[0016] 在调整L、H和扰动片形状的过程中，没有顺序的要求，也可先调整扰动片的厚度H或扰动片的形状。\n[0017] 本发明根据影响大尺度涡结构的三个因素，在分隔板1上粘贴扰动片的方法来达到抑制大尺度涡结构的目的，通过调整扰动片距分隔板1末端之间的距离H、扰动片的厚度H和扰动片的形状，及合理协调三者之间的关系，来抑制大尺度涡的产生。\n[0018] 本发明在一项新技术-基于纳米粒子的平面激光散射(Nanoparticle-based Planar Laser Scattering,NPLS)(Zhao Y X,Yi S H,Tian L F,et al.Supersonic flow imaging via nanoparticles.Sci China Ser E-tech,2009,52(12):3640-3648)下对本发明进行验证，NPLS技术是一种新的超声速流场精细结构测试技术，能够对超声速复杂三维流场的某一截面进行时间相关的高时空分辨率瞬态流动显示，其空间分辨率可高达微米量级，时间分辨率为6ns，时间相关分辨率最高可达0.2μs,而且具有较高的信噪比，用普通相机就能够拍摄清晰的流场结构图片，在上述技术的条件下，做两组验证；\n[0019] (1)、在对流马赫数Mc＝0.5的超声速混合层风洞中，L为10mm，H为1mm，λ为37.2mm，扰动片的形状为矩形，在此条件下，层流段的长度测得为30mm，然后调整L，将L调整为21mm，测得层流段的长度为40mm，通过调整L，大大增大了层流段的长度；\n[0020] (2)、在对流马赫数Mc＝0.3的超声速混合层风洞中，L为10mm，H为1.2mm，λ为42mm，扰动片的形状为矩形，在此条件下，测得层流段的长度为42mm，然后调整L，将L调整为7mm，测得层流段的长度为50mm，通过调整L，大大增大了层流段的长度。\n[0021] 本发明基于波形叠加的原理，在混合层分隔板上粘贴扰动片的形式，通过调整扰动片的厚度、形状、以及位置，来抑制大尺度涡的产生，达到了对超声速混合层流场及其气动光学效应有效控制的目的，方法巧妙，效果好。\n[0022] 参考文献\n[0023] [1]李桂春.气动光学[M].北京:国防工业出版社,2006。\n[0024] [2]Stanek M J,Sinha N,Seiner J M,et al.High frequency flow control-suppression of aero-optics in tactical directed energy beam propagation&the birth of a new model(part I)[C].AIAA Paper,2002,2002-2272。\n[0025] [3]Fitzgerald E J,Jumper E J.The optical distortion mechanism in a nearly incompressible free shear layer[J].J.Fluid Mech.,2004,512:153-189。\n[0026] [4]Catrakis H J,Aguirre R C.New interfacial fluid thickness approach in aero-optics with applications to compressible turbulence[J].AIAA Journal,\n2004,42(10):1973-1981。\n[0027] [5]费锦东.气动光学效应校正技术初步分析[J].红外与激光工程,1999,28(5):\n10-12。\n[0028] [6]Truman C R.The influence of turbulent structure on optical phase distortion through turbulent shear flows[C].AIAA Paper,1992,92-2817。\n[0029] [7]Smitts A J,Miles R B.Shock wave and boundary layer control for aero-optic application[R].AFOSR GRANT F-49620-00-1-0139,2002。\n[0030] [8]Wyckham C,Zaidi S H,Miles R B,et al.Measurement of aero-opticdistortion in transonic and hypersonic,turbulent boundary layers with gas injection[C].AIAA Paper,2005,2005-4775。\n[0031] [9]Wyckham C M,Smits A J.Comparison of aero-optic distortion in hypersonic and transonic,turbulent boundary layers with gas injection[C].AIAA Paper,2006,2006-3067。\n[0032] [10]费锦东.高速导弹红外成像末制导对气动光学效应技术研究的需求[J].红外与激光工程,1998,27(1):42-43。\n[0033] [11]张丽琴,费锦东.气动光学效应光电校正方法研究[J].红外与激光工程,\n2004,33(6):580-583。\n[0034] [12]李艳芳,韩志平,殷兴良.气动光学效应校正中湍流流场控制方法[J].现代防御技术,2005,33(1):32-35。