CN104913897A - 一种高空高速环境气动效应的半物理仿真方法及模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高空高速环境气动效应的半物理仿真方法及模拟装置，该方法针对机载相机高空高速的工作环境，首先通过数学方法计算出光学窗口表面的压力、温度数据，并优化出光学窗口最佳厚度；然后将上述压力、温度数据，及光学窗口最佳厚度直接作用于气动效应实物模拟装置，对光学窗口表面直接进行压差、温度调节，进行物理仿真试验；最后通过实物试验结果形成对数学仿真模型的反馈。该装置通过调节舱内、舱外环境模拟室压力、温度系统，在光学窗口表面建立压差环境、高温环境，模拟出高空高速气流横掠过光学窗口表面造成的气动效应。本发明为在地面研究高空高速环境下气动压力、气动热效应对光学窗口性能的影响创造出科学的试验依据和条件。

Description

一种高空高速环境气动效应的半物理仿真方法及模拟装置

技术领域

本发明涉及光学技术的气动效应领域，更具体地，涉及一种高空高速环境下光学窗口气动效应的仿真方法和试验装置。

背景技术

带有光学成像探测系统的飞行器在大气层内高速飞行时，光学头罩与来流之间形成复杂的流场，对光学成像探测系统造成热传导、热辐射和图像传输干扰，引起目标图像的偏移、抖动和模糊，这种效应被称为气动光学效应。

光学窗口是机载光谱相机对地观测不可或缺的关键部分，不仅用于隔离大气环境，保护飞行器系统内部结构，而且为航空相机提供光学窗口，拍照时会直接暴露在飞行环境中，在高空高速环境下，光学窗口的光学性能会受到气动热、气动压力效应的影响。为在地面对航空光谱相机成像性能进行检测，需模拟高空高速环境下光学窗口表面的压力、温度场。

现有技术中的高空高速工作环境模拟装置，主要采用高温高速气流横掠光学窗口表面造成气动压力和气动热，建立接近真实工况的气流环境，但实现小型化简易化风洞实验平台过程复杂，且风洞瞬时产生超声速、高超声速气流，持续时间难以保证，在降噪、冷却方面也会耗费大量能源。

发明内容

本发明提出一种高空高速环境气动效应的半物理仿真方法，从而模拟出高空高速环境气动效应对光学窗口光学性能的影响，并获得出高空高速环境下光学窗口表面的压力、温度场。

本发明还提出一种高空高速环境气动效应模拟装置，模拟出高空高速环境下光学窗口表面的压力、温度场。

本发明的技术方案如下：

一种高空高速环境气动效应的半物理仿真方法，该方法包括如下步骤：

步骤一：针对机载相机高空高速的工作环境，通过数学仿真方法计算出不同高速、速度、攻角下光学窗口表面的压力、温度数据，并优化得到满足力学、光学性能要求的光学窗口最佳厚度；

步骤二：将上述数学仿真所得压力、温度数据，及光学窗口最佳厚度直接作用于气动效应实物模拟装置进行高空高速气动效应实物仿真试验；

步骤三：高空高速环境模拟装置应用于成像光路中，检测该状态下光谱相机成像性能，通过实物试验结果形成对数学仿真模型的反馈。

进一步的，所述步骤二包括：将步骤一数值仿真结果作用于实物装置，该实物装置包括压力调节系统、温度调节系统、密封光学窗口，通过对该光学窗口表面直接调压和调温的实物装置来模拟该飞行状态光学窗口表面的气动压力和气动热效应。

进一步的，步骤三包括：光谱相机通过模拟高空高速环境中的光学窗口和模拟无限远空地距离的平行光管进行拍照，使用分辨率图形胶片和地物影像胶片作为成像目标，检测该状态下光谱相机成像性能，通过实物试验结果形成对数学仿真模型的反馈。

一种高空高速环境气动效应模拟装置，所述装置包括：光学窗口、舱外环境模拟室、舱内环境模拟室、舱内环境模拟室载物台、真空仓升降台。舱外环境模拟室、舱内环境模拟室分别置于卧室圆筒状真空仓左、右两腔室，分别模拟高空高速条件下光学窗口外部环境、内部环境；所述舱外环境模拟室及舱内环境模拟室通过光学窗口密封，所述光学窗口为试验件；所述舱外环境模拟室左侧也以光学窗口密封作为观察窗；舱内环境模拟室载物台用于放置光谱相机，可上下升降及左右平动，以调整其上光谱相机相对于光学窗口的位置；真空仓升降台固定于真空仓下端，用于实现所述高空高速下的气动效应模拟装置相对于所处光学成像链路竖直位置的调整。

进一步的，所述舱外环境模拟室及舱内环境模拟室压力、温度可调，在所述光学窗口内外表面建立压差环境、在所述光学窗口外表面建立高温环境；所述光学窗口表面温度、压力可测。

进一步的，所述高空高速环境气动效应模拟装置可置于光学成像链路中进行光学系统测试，得到所述光学窗口在两侧有压差且不断波动、有温差时的传函和像质参数。

与现有技术方案相比，本发明的优点是：

(1)半物理仿真法将数值仿真方法与物理仿真方法相结合，避免了风洞实验高速气流直接作用的可操作性差、稳定性差等缺陷，在继承现有实物模拟方案的基础上，将高速气流产生的压力场和热效应通过数据仿真与实物相结合的方式，进行“直接”效果模拟，避免产生高速气流，引起其他副作用。

(2)该高空高速气动效应模拟装置通用性好，可实现温度和压力的精密控制，实现不同马赫数、不同高度飞行环境的仿真模式转换。且装置结构简洁、功能实用，场地和能源的需求小。

附图说明

图1为高空高速环境气动效应的半物理仿真方法技术路线示意图。

图2为高空高速环境气动效应模拟装置的组成配置示意图。

图3为置于光谱成像链路中的高空高速环境气动效应模拟装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

一种高空高速环境气动效应的半物理仿真方法，该方法包括如下步骤：

步骤一：针对机载相机高空高速的工作环境，建立基于雷诺平均N-S方程和κ-w湍流方程的高速流场数值计算模型，计算出不同高速、速度、攻角下光学窗口外流场的压力、温度数据；根据获得的压力、温度载荷数据，通过基于有限元的流固耦合、流热耦合分析，获得光学窗口表面形变，进行光学窗口强度与可靠性分析，计算最大压力载荷条件下的安全的最小窗口厚度并优化得到满足力学、光学性能要求的光学窗口最佳厚度；利用最小安全窗口厚度分析所获形变数据计算Zernike多项式系数，导入ZEMAX中获得气动压力、热影响下下的光学窗口的波像差变化，综合考虑优化出光学窗口最佳厚度；

步骤二：将上述数学仿真所得压力、温度数据，及光学窗口最佳厚度直接作用于气动效应实物模拟装置进行高空高速气动效应实物仿真试验；气动效应实物模拟装置包括压力调节系统、温度调节系统、密封光学窗口，选用最佳厚度的光学窗口，通过对该光学窗口表面直接调压和调温的实物装置模拟出该飞行状态下光学窗口表面的气动压力和气动热效应；

步骤三：高空高速环境模拟装置应用于成像光路中，光谱相机通过模拟高空高速环境中的光学窗口和模拟无限远空地距离的平行光管进行拍照，使用分辨率图形胶片和地物影像胶片作为成像目标，检测该状态下光谱相机成像性能，通过实物试验结果形成对数学仿真模型的反馈。

一种高空高速环境气动效应模拟装置，该装置具体实施方式如下：

所述高空高速环境气动效应模拟装置如图2，包括如下组成部分：舱外环境模拟室1、密封光学窗口2、真空仓升降台3、舱内环境模拟室载物台4、观察光学窗口5、舱内环境模拟室6、光学窗口7。其中舱外环境模拟室1为卧室圆筒状真空仓左腔室，舱内环境模拟室6为卧室圆筒状真空仓右腔室，舱外环境模拟室1、舱内环境模拟室6分别模拟高空高速条件下光学窗口7外部环境、内部环境；所述舱外环境模拟室1及舱内环境模拟室6通过光学窗口7密封连接，所述光学窗口7为试验件；所述舱外环境模拟室1左侧以光学窗口密封作为密封光学窗口2，所述舱内环境模拟室6以观察光学窗口5密封；舱内环境模拟室载物台4用于放置光谱相机，可上下升降及左右平动，以调整其上光谱相机相对于光学窗口的位置；真空仓升降台3固定于真空仓下端，用于实现所述高空高速下的气动效应模拟装置相对于所处光学成像链路竖直位置的调整。

所述舱外环境模拟室1及舱内环境模拟室6中的压力、温度可调，在所述光学窗口7内外表面建立压差环境、在所述光学窗口外表面建立高温环境。

所述舱外环境模拟室1和所述舱内环境模拟室6均包含压力控制系统，通过压力控制系统控制、调节舱外环境模拟室1及舱内环境模拟室6的压力值和压力波动值，在地面实现高空飞行环境下的光学窗口两侧的气动压差模拟；

所述舱外环境模拟室1还包括温度控制系统，用于控温和测温。在所述舱外环境模拟室1布置电加热装置，加热所述舱外环境模拟室留存的空气并热辐射烘烤光学窗口表面，在地面实现高速飞行环境下的光学窗口外表面的气动加热模拟；同时，还可以监测光学窗口表面温度。

所述舱内环境模拟室6包含温度测量系统，用于测量舱内模拟室的温度。

所述舱外环境模拟室1和舱内环境模拟室6包含控制系统，提供真空保障、设备控制监测、冷却循环等功能。

所述光学窗口7为试验件，其厚度通过一定环境条件下的数值仿真结果确定，可更换；通过调节所述舱外环境模拟室1及舱内环境模拟室6中的压力、温度，在所述光学窗口7内外表面建立压差环境、在所述光学窗口外表面建立高温环境，模拟一定飞行条件下高速气流掠过光学窗口表面产生的压力、温度场。

所述高空高速环境气动效应模拟装置可置于光学成像链路中进行光学系统测试，得到所述光学窗口7在两侧有压差且不断波动、有温差时的传函和像质参数。

根据图3置于光谱成像链路中的高空高速环境气动效应模拟装置的结构示意图所示结构：

首先进行气动效应模拟装置的性能检测，完成后进入光学系统第一次测试，得到所述光学窗口7在两侧无压差、无温差时的传函和像质参数；

通过调节所述舱外环境模拟室1和所述舱内环境模拟室6的压力控制系统，使得所述光学窗口7内外压差等于数值模拟仿真分析得到的数据(或真实飞行实测数值)，从而实现气动压差模拟；完成光学系统第二次测试，得到所述光学窗口7在两侧有压差但无温差时的传函和像质参数；

通过调节所述舱外环境模拟室1中的温度控制系统，将所述光学窗口7两侧温度分别控制在数值模拟仿真分析得到的数据(或真实飞行实测数值)，从而在温度水平和温差上同时实现低压、高温、高速气流横掠光学窗口时所产生的气动压力、热效应模拟；完成光学系统第三次测试，得到相机光学窗口在两侧有压差、有温差时的传函和像质参数；

通过调节所述舱外环境模拟室1和所述舱内环境模拟室6的压力控制系统，让其压力按规定的控制律(或数值模拟仿真分析得到的数据)变化；完成光学系统第四次测试，得到所述光学窗口7在两侧有压差且不断波动、有温差时的传函和像质参数。

Claims (6)

1.一种高空高速环境气动效应的半物理仿真方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤一：针对机载相机高空高速的工作环境，通过数学仿真方法计算出不同高速、速度、攻角下光学窗口表面的压力、温度数据，并优化得到满足力学、光学性能要求的光学窗口最佳厚度；

步骤二：将上述数学仿真所得压力、温度数据，及光学窗口最佳厚度直接作用于气动效应实物模拟装置进行高空高速气动效应实物仿真试验；

步骤三：高空高速环境模拟装置应用于成像光路中，检测该状态下光谱相机成像性能，通过实物试验结果形成对数学仿真模型的反馈。

2.根据权利要求1所述高空高速环境气动效应的半物理仿真方法，其特征在于，所述步骤二包括：将步骤一数值仿真结果作用于实物装置，该实物装置包括压力调节系统、温度调节系统、光学窗口，通过对该光学窗口表面直接调压和调温的实物装置来模拟该飞行状态光学窗口表面的气动压力和气动热效应。

3.根据权利要求1所述高空高速环境气动效应的半物理仿真方法，其特征在于，步骤三包括：光谱相机通过模拟高空高速环境中的光学窗口和模拟无限远空地距离的平行光管进行拍照，使用分辨率图形胶片和地物影像胶片作为成像目标，检测该状态下光谱相机成像性能，通过实物试验结果形成对数学仿真模型的反馈。

4.一种高空高速环境气动效应的模拟装置，所述装置包括：光学窗口、舱外环境模拟室、舱内环境模拟室、舱内环境模拟室载物台和真空仓升降台，其特征在于：舱外环境模拟室、舱内环境模拟室分别为卧室圆筒状真空仓左、右两腔室，分别模拟高空高速条件下光学窗口外部环境、内部环境；所述舱外环境模拟室及舱内环境模拟室通过光学窗口密封，所述光学窗口为试验件；所述舱外环境模拟室左侧也以光学窗口密封作为观察窗；舱内环境模拟室载物台用于放置光谱相机，可上下升降及左右平动，以调整其上光谱相机相对于光学窗口的位置；真空仓升降台固定于真空仓下端，用于实现所述高空高速下的气动效应模拟装置相对于所处光学成像链路竖直位置的调整。

5.根据权利要求4所述高空高速环境气动效应的模拟装置，其特征在于，所述舱外环境模拟室及所述舱内环境模拟室压力、温度可调，在所述光学窗口内外表面建立压差环境、在所述光学窗口外表面建立高温环境；所述光学窗口表面温度、压力可测。

6.根据权利要求4所述高空高速环境气动效应的模拟装置，其特征在于，所述高空高速环境气动效应模拟装置可置于光学成像链路中进行光学系统测试，得到所述光学窗口在两侧有压差且不断波动、有温差时的传函和像质参数。