超音速光学导引头整流罩的形状优化(1)
第18卷第2期
2010年2月
光学精密工程
ClpticsandPrecisionEngineering
V01.18No.2
Feb.2010
文章编号1004—924X(2010)02—0384—06
超音速光学导引头整流罩的形状优化
魏
群1’2,艾兴乔1’2,姜湖海1’2,宣
明1,贾宏光1
(1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033;
2.中国科学院研究生院,北京100039)
摘要:为了改善导引头整流罩形状对导引头内光学系统成像质量的影响,减小导弹总体飞行阻力,以优化整流罩形状为目的,对整流罩外曲线与内曲线进行了分析和优化。首先进行了计算流体力学(CFD)数值仿真与风动试验对比,得到准确的仿真参数;在此基础上,通过CFD数值仿真得到整流罩外曲线长径比与整流罩阻力系数的归一化关系函数,采用光程差的评价方法得到整流罩外曲线长径比与成像质量的归一化关系函数,在确定空气动力性能与成像质量权重后,得到优化后的整流罩外曲线,外曲线为R为37.5,C为一O.75的椭圆。在获得外曲线形状的基础上,以光线经过整流罩后偏折最小为优化目标,运用光线追迹方法,建立优化函数,最终得到优化的整流罩内曲线,内曲线为R为33.31。C为一0.78的椭圆。对整流罩内、外曲线方程的分析表明,这种优化的整流罩既有良好的空气动力学性能,也有良好的光学性
能。
关键词:整流罩;优化设计;CFD;光线追迹
中圈分类号:V448.1
文献标识码:A
Optimizingdesiofdomefigureforsupersonicseekers
Hu—hail”,XUANMin91,JIAHong—guan91
WEIQunl“,AIXing—qia01~,JIANG
(1.ChangchunInstitudeofOptics,Fine
Mechanics
andPhysics,
ChineseAcademyofSciences,Changchun130033,China;
2.GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100039,China)
Abstract:With
systemfor
a
theaim
toto
reducetheeffectofthefigureof
a
dome
on
theimagingqualityofoptical
missileanddecreasetheflyingdragsofthemissile,thefigureofthedomewasinvesti—
gatedandtheoutsideandinsidefiguresofthedomewereoptimized.Firstly,theCalculatedFluidDy—
namics(CFD)simulationand
a
windtunnelexperimentwerecompared
to
obtaintheaccuracysimula—
tedparameters,andthenormalizedrelationfunctionbetweentheellipticityandthedragofdomewasderivedbytheCFDsimulation.Then,theOpticalPathDifference(OPD)wasused
to
evaluatethe
normalizedrelationoftheopticalperformanceandellipticity,andtheoptimizedoutsidefigurecouldbeobtainedafterdeterminingtheweightsoftheaerodynamicandimagingquality.Theobtainedoutsidefigureis
an
ellipticwithR一37.5andC一一0.75.Onthebasisoftheoutsidefigureandbytakingthe
as
an
minimumdeviationofthelightthroughthedometablishedbyusingraytracingmethod,andTheinsidefigureiS
a
optimizinggoal,theoptimizedfunctionwas
es—
an
optimizedinsidefigureofthedomewasalsoobtained.
conicwithR一33.31andC一一0.78.Ananalysisshowstheoptimizeddomehas
收稿日期:2009-09-18;修订日期:2009—11—10.基金项目:中国科学院“三期”创新工程资助项目
第2期
魏群,等:超音速光学导引头整流罩的形状优化
385
excellentaerodynamicsandgoodopticalperformances.
Keywords:dome;optimizedesign;CalculatedFluidDynamics(CFD);raytracking
引言导引头作为导弹搜索、锁定与跟踪目标的分系统,位于导弹的最前端,而整流罩位于导引头的最前端,因此整流罩成为导弹最前端的组件。整流罩的作用主要有以下三点:第一,作为光学成像系统的第一片镜片,完成成像任务;第二,整流罩与导引头光学舱壁密封连接,有效地保护了导引头光学舱内部器件;最后,整流罩设计在满足成像探测与跟踪指标的前提下,尽量缩小整流罩半径,进而减小导弹飞行阻力。
在实际工程设计中,为了使光学镜头在整个搜索视场范围内成像清晰,光学成像导引头的整流罩一般设计成球型,在安装过程中,将摄像机稳定平台的俯仰偏航两轴焦点与整流罩的球心重合,以保证稳定平台在转动过程中整流罩产生的像差是相同的。然而,球型整流罩并不是最理想的空气动力学外形,球型整流罩产生的阻力比较大[1]。为了解决这个问题,美国率先开展了“共型光学”的研究[2-11]。同时,也从理论上计算了光线通过非球型整流罩产生的像差[12|。但是,该项研究并没有计算导弹在超音速飞行过程中因激波产生的像差。
本文通过计算流体力学(CFD)仿真与风洞试验对比,获得最优的CFD数值仿真控制参数,在此基础上模拟出整流罩外曲线线形与导引头阻力系数的关系,并得到该关系的归一化曲线方程;以光程差为评价标准,得到整流罩外曲线线形与成像质量之间关系的归一化曲线方程。以上述两个方程为基础建立优化函数,在确定整流罩光学性能与空气动力学性能的权重后,最终得到整流罩外曲线方程,并在此基础上,以光线经过整流罩后光线偏折最小为优化目标,通过光线追迹的方法,得到内曲线方程[1引。
2
CFD仿真与风动试验对比
CFD仿真是一种经济快捷的获得气动数据
的方法,但其准确性欠佳;风洞试验能够得到准确
的空气动力学数据,但其价格昂贵且周期漫长。
因此,本文通过对相同的模型,在相同的试验条件下的风洞试验数据与CFD仿真结果对比,确定仿真参数。在得到准确的仿真控制参数的基础上,通过大量的CFD仿真,得到了整流罩外曲线与阻力系数关系曲线。
对比试验模型几何图如图1所示,对其外部流域划分结构化网格,网格如图2所示。CFD仿真运用计算流体力学软件FLUENT,采用基于密度的求解器,运用k一£湍流模型,仿真状态为速
度3Ma,攻角为0。。
图1对比试验模型结构
Fig.1
Model
structure
ofcomparingexperiment
图2
CFD数值仿真网格
Fig.2
GridofCFDsimulation
风洞试验采用与CFD仿真相同的模型,材料为30CrMnSiA,如图3所示,风洞试验装置如
图3风洞模型
Fig.3
Wind
tunnel
model
386
光学精密工程
第18卷
图4所示,静压云图结果对比如图5所示,经计算CFD仿真与风洞试验数据得阻力值之差<5%。通过云图和数值对比可知,此种仿真方法所得数据精度满足工程试验要求。
图4风洞试验试验装置
Fig.4
Setupforwindtunnel
图5外流场静压云图CFD与风洞试验对比
Fig.5
Static
pressure
comparisonofCFDsimulation
andexperiment
3
整流罩外曲线设计
在众多的二次曲线中,椭圆是最容易校正误
差的,因此整流罩外曲线选择椭圆,椭圆率表示
为:
£一詈,
(1)
其中a为椭圆长轴,b为椭圆短轴。本文计算e值从1到3,间隔为0.2共11个点,仿真模型如图6所示。通过上述经过风洞试验验证的CFD方法,分别计算在3Ma速度飞行下这11个模型,得到其阻力系数。设£一1时的阻力系数为1,得到阻力系数归一化函数为:
YD一0.10436e2—0.70503e+1.593
1,(2)
函数曲线图如图7所示。
图6仿真模型
Fig.6
CFDsimulationmodel
写
兰
>
紫
。
图7阻力系数与椭圆率关系函数曲线
Fig.7
Relationfunctionbetweendragandellipticity
通过CFD仿真,不但能够得到阻力系数,还可以得到整流罩外流场密度云图,通过GFD定律,可以得到整流罩外流场折射率云图。光程差
的计算方法为:
Ⅳ
OPD(x,y)一I
An(x,Y,z)dz,
(3)
J0
其中,z为光路长度。本文将整流罩外流场划分
成有限元网格,因此需将方程(3)离散化,结果为:
i
OPD一∑(z计l—z。)An。,
(4)
第2期
魏群,等:超音速光学导引头整流罩的形状优化
387
经计算得其归一化函数为:
Yo一--0.32131e3+1.8931E2--3.0122£+1.657
9,
生的激波,然后通过附面层,经整流罩折射后,进入光学系统,如图9所示。
(5)
函数曲线如图8所示。
●O●,O9O8O
7
O6O
5
O40
3
0
O
2●
图8光学性能系数与椭圆率关系函数曲线
Fig.8
Relation
ance
图9光线传播示意图
Fig.9
Raytransmitfigure
function
betweenopticalperform
andellipticity
通过上述方法得到了空气动力学与光学评价函数,建立优化函数为:
,(e)=A・YI)一B・Yo,
(6)
由图得知,光线通过整流罩后偏转角度为:
eO=O。一(矾+9)一(03+02)一(伊l+Oz7),(7)
其中,A,B为空气动力学性能和光学性能权重,根据具体工作环境,本文中A=B一1。求解优化函数,可得£一1.9653≈2,至此得到外曲线形状。
设外曲线方程为:
f(x,y)一(詈)‘+(詈)2一,一o,
内曲线方程为:
(8)
4整流罩内曲线设计
来自目标的光线首先通过因超音速飞行产
则:
gcz,y,一(孑)2+(芳)2一・=o,
c9,
cos岛7一一尺・三妒一i泛:_二=:专i;i≥兰耋等笔寺亡荔~,n厶
啷易一一R.三;5l】=
(№。~HcYo--y1)2){[(鬈)。]2+[(芳)㈣∥
f{(z。一z1)2+(j,。一y1)2){l(兰)I+l(警)l}】‘
,23sin03=咒2sin02
(12)
!三:二型塑兰二翌(芳)。
(10)
根据折射定律得到‘14]:
理2sin02一靠lsin01,
7,
(13)
经过计算可得:
(z。飞)暑+(y。可)ocos晚7一—————-————_生————————兰———1
.,
6‘Y--L
(14)
[{(暑)2十(劳)2{(Xo--X,)2+cYo--Y1)z)]i
388
光学精密工程
第18卷
COS
9一三I?’・a;J’一
(X≯o)(暑)+(擎)(劳)
(15)
[(》)2+(旁)2m暑)2;(劳)2厂
0.777
其中,竹1=竹3—1,咒2—1.768,a=150,6—75,口7—142.5,求解得b7—68.894,即R一33.308,C一一
252。对比经过优化与不优化的整流罩传
递函数图10所示。
图10
Fig.10
MTF对比图
MTFs
Comparisonfigureof
假设整流罩光学性能与空气动力学性能的权重相
5
结
论
同后,最终得到整流罩外曲线方程,并在此基础上,以光线经过整流罩后光线偏折最小为优化目标,通
本文通过CFD数值仿真与风洞试验对比,获得了最优的CFD数值仿真控制参数。通过大量的仿真分析,得到了整流罩外曲线线形与导引头阻力系数的关系方程,并得到其归一化曲线方程。以光程差为评价标准,得到整流罩外曲线线形与成像质量之间关系的归一化曲线方程。以上述两个方程为基础建立优化函数,根据具体应用环境,
过光线追迹的方法,得到内曲线方程。通过计算,整流罩外曲线为R=37.5,C一一O.75的椭圆,内曲线为R一33.308≈33.31,C一一0.777252≈一0.78的椭圆。
在下一阶段的工作中,将通过风洞试验,验证设计结果的成像质量。
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作者简介:
魏群(1983一),男,黑龙江哈尔滨人,博士研究生,2005年于浙江大学获得学士学位,主要从事气动光学方面的研究。E-mail:wei.q@hotmail.com
艾兴桥(1982一),男,湖北荆门人,博士
研究生,2006年于中南大学获得学士
学位,主要从事结构优化设计方面的研
究。E—mail:aixingqiao@ciomp.ac.cn
姜湖海(1984一),男,山东烟台人,博士研究生,2007年于中国地质大学获得学士学位,主要从事稳定平台控制系统设计方面的研究。E-mail:jianghh@
ctomp.ac.cn
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1025.(inChinese)
贾宏光(1971一),男,黑龙江五常人,研
究员,博士生导师,2000年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位,主要从事光机电系统微小型化与精确制导技术研究。E-mail:ji—
ahg@'ciomp.ac.cn
导师简介:
宣明(1956一),男,吉林长春人,研究员,博士生导师,主要从事微光机电系统方面的研究。E-mail:xuanm@ci—
omP.ac.cn
超音速光学导引头整流罩的形状优化
作者:作者单位:
魏群, 艾兴乔, 姜湖海, 宣明, 贾宏光, WEI Qun, AI Xing-qiao, JIANG Hu-hai, XUAN Ming, JIA Hong-guang
魏群,艾兴乔,姜湖海,WEI Qun,AI Xing-qiao,JIANG Hu-hai(中国科学院,长春光学精密机械与物理研究所,吉林,长春,130033;中国科学院,研究生院,北京,100039), 宣明,贾宏光,XUAN Ming,JIA Hong-guang(中国科学院,长春光学精密机械与物理研究所,吉林,长春,130033)
光学精密工程
OPTICS AND PRECISION ENGINEERING2010,18(2)0次
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18.51%。在设计点2.8Ma处,同比提高26.57%。3.5Ma高速巡航时,同比提高27.95%,推力系数值从原来的0.5612提高到0.7438,比较可观。足见喷管不调节造成发动机高速巡航性能损失有多大,而采用组合喷管流量分配调节措施弥足了该部分损失,使得冲压发动机同时兼备高的高速巡航性能和良好的低速接力性能。
概括起来,本文不仅圆满完成了组合喷管及其流量分配调节和推力矢量技术的原理性设计研究,而且还完成了其技术验证,从而证明该方案不仅理论可行,而且易于工程实现,方案的技术优势明显,工程实用意义大。
本文链接:http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_gxjmgc201002015.aspx
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