稠密大氣中高超聲速導(dǎo)引頭紅外成像面臨的機(jī)遇、挑戰(zhàn)與對(duì)策*

易仕和，丁浩林

(國(guó)防科技大學(xué) 空天科學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073)

0 引言

高超聲速武器具有飛行速度快、毀傷能力大和突防能力強(qiáng)等特點(diǎn)，將在一定程度上改變敵我力量對(duì)比態(tài)勢(shì)。可以想見，該技術(shù)在戰(zhàn)場(chǎng)中的大量使用勢(shì)必會(huì)極大地增強(qiáng)進(jìn)攻方的突防和打擊能力[1]。與此同時(shí)，從國(guó)內(nèi)外高超聲速武器發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，目前，如何實(shí)現(xiàn)高超聲速武器對(duì)于多種高價(jià)值目標(biāo)的精確打擊問(wèn)題仍舊是困擾高超聲速武器作戰(zhàn)效能充分發(fā)揮的關(guān)鍵之一。對(duì)于空天防御而言，高超聲速武器的出現(xiàn)，對(duì)空天防御帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。以超高速、高精度反導(dǎo)對(duì)付空中高超聲速來(lái)襲目標(biāo)，也是主要發(fā)展方向之一。

對(duì)于紅外成像制導(dǎo)技術(shù)而言，其主要利用紅外探測(cè)器實(shí)現(xiàn)對(duì)于被打擊目標(biāo)自身輻射能量的捕獲和追蹤。相比于其他制導(dǎo)體制而言，具有制導(dǎo)精度高，抗無(wú)線電干擾能力強(qiáng)以及可晝夜作戰(zhàn)的特點(diǎn)。對(duì)于較低Ma的紅外制導(dǎo)彈頭，基于紅外成像制導(dǎo)技術(shù)為主的復(fù)合末制導(dǎo)已成為21世紀(jì)精確打擊武器裝備發(fā)展的重要趨勢(shì)[2]。但是，對(duì)于稠密大氣中較高M(jìn)a(Ma>3)的紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈，其紅外成像窗口受到高溫激波流場(chǎng)的影響誘發(fā)的氣動(dòng)加熱以及流場(chǎng)擾動(dòng)，導(dǎo)致成像目標(biāo)出現(xiàn)畸變、模糊、抖動(dòng)以及能量衰減，這些現(xiàn)象統(tǒng)稱為氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)[3-4]。氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)引起紅外成像制導(dǎo)精度降低，嚴(yán)重的甚至導(dǎo)致成像窗口損壞，限制了紅外成像制導(dǎo)技術(shù)在高超聲速飛行器上的應(yīng)用。

本文從稠密大氣中高超聲速導(dǎo)引頭紅外成像面臨的機(jī)遇出發(fā)，重點(diǎn)對(duì)紅外成像制導(dǎo)技術(shù)在高超聲速導(dǎo)引頭上應(yīng)用所面臨的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了分析，提出了以構(gòu)建完善的高超聲速氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)模擬測(cè)試方法以及氣動(dòng)光學(xué)相似律理論體系為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)高超聲速紅外成像導(dǎo)引頭進(jìn)行多參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并積極探索氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)相關(guān)抑制方法，尋求在稠密大氣中高超聲速導(dǎo)引頭紅外成像的有效途徑。

1 紅外成像精確制導(dǎo)技術(shù)是高超聲速武器的力量倍增器

未來(lái)高技術(shù)條件下的戰(zhàn)爭(zhēng)是集快速反應(yīng)、高精確打擊和陸、海、空、天、電為一體的新型綜合作戰(zhàn)模式。作為21世紀(jì)世界軍事強(qiáng)國(guó)空天對(duì)抗的焦點(diǎn)之一，雖然高超聲速武器在技術(shù)發(fā)展成熟的過(guò)程中遇到過(guò)諸多挫折，但是憑借這一技術(shù)的突破性優(yōu)勢(shì)，仍將成為主導(dǎo)未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)勝負(fù)的關(guān)鍵性武器裝備之一。在此背景下，集光、機(jī)、電為一體的紅外成像制導(dǎo)技術(shù)，為各種高超聲速武器打擊精度提升提供了有力手段。既要飛得快，還要打得準(zhǔn)。通過(guò)將高超聲速武器的高速打擊優(yōu)勢(shì)與紅外成像制導(dǎo)的高精度打擊優(yōu)勢(shì)結(jié)合，將在很大的程度上增強(qiáng)自身軍事的控制范圍以及控制能力。高超聲速精確打擊武器的開發(fā)與運(yùn)用，將會(huì)對(duì)維護(hù)國(guó)家主權(quán)、安全和發(fā)展利益具有重要意義。

1.1 高超聲速武器成為未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)制勝的殺手锏

高超聲速飛行器是指飛行速度Ma超過(guò)5(時(shí)速約6 000 km/h)的飛行器，是21世紀(jì)航空航天領(lǐng)域的高新技術(shù)。高超聲速武器的出現(xiàn)，改變了傳統(tǒng)軍事斗爭(zhēng)態(tài)勢(shì)，對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境帶來(lái)深刻影響。目前，各航空航天技術(shù)強(qiáng)國(guó)正在不斷檢驗(yàn)和評(píng)估高超聲速武器作戰(zhàn)效能，如圖1所示為高超聲速武器未來(lái)作戰(zhàn)應(yīng)用設(shè)想。

飛行速度快是高超聲速武器最顯著的技術(shù)特征。從發(fā)射到命中目標(biāo)時(shí)間短，在一定程度上可以實(shí)現(xiàn)“發(fā)現(xiàn)即摧毀”。高速打擊將極大地提高防守一方對(duì)于反應(yīng)時(shí)間的要求，在一定程度上擾亂防守一方的作戰(zhàn)節(jié)奏。傳統(tǒng)戰(zhàn)爭(zhēng)中準(zhǔn)備、部署以及戰(zhàn)爭(zhēng)升級(jí)等時(shí)間概念將得到根本性改變。與此同時(shí)，高超聲速武器普遍具有較遠(yuǎn)的射程，可以從防區(qū)外對(duì)多種目標(biāo)實(shí)施快速打擊，形成覆蓋全球、高度立體的作戰(zhàn)空間。高超聲速武器高速度、遠(yuǎn)射程的特點(diǎn)將在很大程度上消除空/天之間的界限，等效減小戰(zhàn)場(chǎng)的實(shí)際物理空間距離，進(jìn)而使得傳統(tǒng)戰(zhàn)爭(zhēng)中部署前沿、配置縱深等空間概念模糊化。

二戰(zhàn)中，平面防線因飛機(jī)的大量使用基本被淘汰，而隱身飛機(jī)的不斷發(fā)展與運(yùn)用，又使得傳統(tǒng)雷達(dá)防空體系面臨極大地風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)。對(duì)于高超聲速武器而言，通過(guò)將彈道導(dǎo)彈和飛機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)充分融合，使得其既具有傳統(tǒng)彈道導(dǎo)彈高飛行速度和遠(yuǎn)射程的技術(shù)特點(diǎn)，同時(shí)又具有傳統(tǒng)作戰(zhàn)飛機(jī)高機(jī)動(dòng)性和軌跡不可預(yù)測(cè)的技術(shù)特點(diǎn)。實(shí)質(zhì)上消除了傳統(tǒng)作戰(zhàn)飛機(jī)遠(yuǎn)程奔襲的過(guò)程，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)指定遠(yuǎn)程作戰(zhàn)區(qū)域的快速和高可信度到達(dá)。這使得現(xiàn)有斗爭(zhēng)雙方的攻防體系態(tài)勢(shì)平衡可能被再次顛覆[5]。假如，斗爭(zhēng)中一方率先擁有成熟的高超聲速武器，那么意味著這一方將具有非對(duì)稱攻擊的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而使得現(xiàn)有的傳統(tǒng)防空反導(dǎo)防御體系徹底失效。最終，攻防體系態(tài)勢(shì)將迅速向擁有高超聲速武器的一方傾斜[6]。

巨大的作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)和戰(zhàn)爭(zhēng)潛力使得高超聲速武器引起了世界各軍事強(qiáng)國(guó)的極大關(guān)注，通過(guò)結(jié)合本國(guó)技術(shù)基礎(chǔ)和研發(fā)能力紛紛制定出臺(tái)了各自的高超聲速武器發(fā)展計(jì)劃，以期在未來(lái)高超聲速戰(zhàn)爭(zhēng)中可以占據(jù)有利態(tài)勢(shì)。

1.2 高超聲速武器蓬勃發(fā)展并逐漸走向成熟

伴隨著各國(guó)對(duì)于高超聲速武器的大量投入，目前，高超聲速武器已經(jīng)從最初的概念和原理探索研究階段進(jìn)入了以高超聲速巡航彈、高超聲速滑翔彈和高超聲速空天飛機(jī)為代表的具體應(yīng)用技術(shù)開發(fā)甚至型號(hào)開發(fā)階段[7-8]。2018年3月1日，俄羅斯總統(tǒng)普京在年度國(guó)情咨文中首次正式公布了“匕首”空射型高超聲速導(dǎo)彈作戰(zhàn)系統(tǒng)和“先鋒”井射型高超聲速導(dǎo)彈作戰(zhàn)系統(tǒng)，如圖2所示。前者主要采用“米格-31K”作為專用載機(jī)，最大飛行速度Ma約10，最大射程可達(dá)2 000 km，已經(jīng)列裝部隊(duì)，并于2017年底開始正式進(jìn)入戰(zhàn)斗值班。據(jù)悉，后者最大飛行速度Ma有望超過(guò)20，最大射程推測(cè)可達(dá)10 000 km以上，并于2019年正式進(jìn)入戰(zhàn)斗值班。與此同時(shí)，俄軍目前正在推進(jìn)“鋯石”艦射型高超聲速反艦導(dǎo)彈的研制工作，該型導(dǎo)彈于2018年底完成的最新一次飛行試驗(yàn)結(jié)果顯示，試驗(yàn)中導(dǎo)彈最大飛行速度Ma可達(dá)8，預(yù)計(jì)該型導(dǎo)彈將在2022年完成正式列裝[9]。

圖1 高超聲速武器未來(lái)作戰(zhàn)應(yīng)用設(shè)想Fig.1 Application of hypersonic weapon in the future

圖2 俄羅斯近期裝備的高超聲速武器Fig.2 Hypersonic weapons currently equipped in Russia

面對(duì)俄羅斯在高超聲速武器領(lǐng)域取得的重大進(jìn)展，為避免在這場(chǎng)高超聲速競(jìng)賽中屈居“下風(fēng)”，美國(guó)持續(xù)加大在高超聲速武器研制方面投入。目前，美國(guó)在研的多型高超聲速武器尚未進(jìn)入到實(shí)戰(zhàn)部署階段。不過(guò)，根據(jù)2014年8月，美國(guó)空軍科學(xué)顧問(wèn)委員會(huì)公布的《高超聲速飛行器技術(shù)成熟度研究》一文中宣稱，大約能夠在2025年前后，美軍便可以裝備具有戰(zhàn)術(shù)射程的空射型高超聲速武器。2016年，在給國(guó)會(huì)質(zhì)詢聽證的書面答復(fù)中，時(shí)任美國(guó)國(guó)防部長(zhǎng)阿什·卡特明確指出：美國(guó)國(guó)防部將在2018—2022年率先為美軍歐洲司令部和太平洋司令部提供高超聲速快速全球打擊武器裝備系統(tǒng)，其他戰(zhàn)區(qū)則在2022年以后陸續(xù)裝備[7]。如圖3所示，為美國(guó)洛克希德馬丁公司研制的AGM-183A高超聲速導(dǎo)彈整流罩拋開后的情景。

圖3 美國(guó)洛克希德馬丁公司公布的 AGM-183A高超聲速導(dǎo)彈Fig.3 AGM-183A hypersonic missile released by Lockheed Martin company

與此同時(shí)，日本防衛(wèi)省于2018財(cái)年首次正式啟動(dòng)高超聲速助推滑翔導(dǎo)彈的研究項(xiàng)目，并宣稱將研發(fā)飛行速度Ma5以上的高超聲速巡航導(dǎo)彈。作為其核武庫(kù)現(xiàn)代化的重要組成部分，法國(guó)也將高超聲速武器研發(fā)作為重中之重。目前，法國(guó)航空航天公司已經(jīng)啟動(dòng)了多項(xiàng)高超聲速武器相關(guān)技術(shù)研究的研發(fā)課題。印度試圖通過(guò)與俄羅斯合作研制“布拉莫斯Ⅱ”型高超聲速巡航導(dǎo)彈以掌握高超聲速武器的核心技術(shù)，目前該型導(dǎo)彈預(yù)計(jì)飛行速度Ma可達(dá)7。通過(guò)與美國(guó)合作，澳大利亞也提出了高超聲速飛行器研發(fā)構(gòu)想，預(yù)計(jì)飛行速度Ma可以超過(guò)10[10]。

總體而言，目前高超聲武器研制如火如荼，在高超聲速武器逐漸成熟并列裝部隊(duì)的背景之下，人們迫切的希望可以實(shí)現(xiàn)高超聲速飛行狀態(tài)下的高精度打擊，以便充分發(fā)揮高超聲速武器在打擊敵方高價(jià)值目標(biāo)方面的巨大優(yōu)勢(shì)。

1.3 高超聲速武器精確打擊對(duì)紅外成像制導(dǎo)技術(shù)的迫切需求

高超聲速精確打擊武器，可以利用其高空、高速、精確的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于高價(jià)值時(shí)敏目標(biāo)、加固目標(biāo)和地下目標(biāo)的有效打擊。并且，一旦高超聲速精確打擊武器真正形成戰(zhàn)斗力，“戰(zhàn)略縱深”這一傳統(tǒng)戰(zhàn)爭(zhēng)中的重要概念將不復(fù)存在，這意味著任何國(guó)家的重要政治、經(jīng)濟(jì)、軍事目標(biāo)都將受到極大地威脅。在目前尚無(wú)有效的高超聲速武器防御體系的情況下，通過(guò)積極研發(fā)高超聲速精確打擊武器，擁有打擊對(duì)方的能力，盡快形成對(duì)敵方的有效戰(zhàn)略威懾便成為最重要的手段之一[11]。

目前，紅外成像制導(dǎo)技術(shù)為核心的復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)已經(jīng)成為21世紀(jì)高精度制導(dǎo)技術(shù)最重要的發(fā)展方向之一。憑借紅外成像制導(dǎo)技術(shù)高靈敏度、高分辨率以及強(qiáng)抗干擾能力的特點(diǎn)，將其與高超聲速飛行器相結(jié)合，勢(shì)必將極大地提升高超聲速武器的打擊精度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高超聲速武器的精確打擊化。

圍繞實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，2014年8月，美國(guó)空軍科學(xué)顧問(wèn)委員會(huì)在《高超聲速飛行器技術(shù)成熟度研究》一文中明確地提出：導(dǎo)引頭和導(dǎo)引頭集成技術(shù)在高超聲速武器研發(fā)中具有最高優(yōu)先級(jí)。這充分說(shuō)明了美國(guó)空軍已經(jīng)將可以用于高超聲速武器的導(dǎo)引頭作為高超聲速武器研發(fā)的重中之重。2015年1月15日，美國(guó)空軍《高超聲速飛行環(huán)境對(duì)光電和紅外傳感器的影響》一文中征詢多型高超聲速武器飛行傳感器的設(shè)計(jì)方案，對(duì)高超聲速飛行環(huán)境對(duì)于光電/紅外傳感器的影響進(jìn)行探討并尋求減輕該不利影響的相關(guān)對(duì)策[12]。2019年11月18日，日本防衛(wèi)省在東京防務(wù)與安全設(shè)備國(guó)際博覽會(huì)上發(fā)布了名為《R&D構(gòu)想：致力但不限于實(shí)現(xiàn)多域防務(wù)力量》的中長(zhǎng)期國(guó)防科技發(fā)展規(guī)劃文件。文件稱，日本計(jì)劃在2030年前研發(fā)速度Ma達(dá)到5或更高的巡航導(dǎo)彈，其中的關(guān)鍵技術(shù)之一便是要使用紅外成像技術(shù)以識(shí)別低反差目標(biāo)，同時(shí)研發(fā)抗熱紅外頭罩以搭載相關(guān)傳感器，如圖4所示。

總體而言，高超聲速打擊攔截武器作為本世紀(jì)空天對(duì)抗的焦點(diǎn)，結(jié)合紅外成像制導(dǎo)技術(shù)實(shí)現(xiàn)打擊高精度化的過(guò)程中雖然會(huì)遇到不少曲折，但是一旦成功，勢(shì)必將成為主宰未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)的關(guān)鍵力量之一。

2 氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)——限制高超聲速紅外成像制導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用的瓶頸問(wèn)題

對(duì)于帶有紅外成像探測(cè)系統(tǒng)的飛行器而言，其在大氣層內(nèi)以高超聲速飛行時(shí)，受到光學(xué)頭罩與其外部繞流之間相互作用的影響，會(huì)產(chǎn)生氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)。嚴(yán)重的氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)將會(huì)引起探測(cè)器成像出現(xiàn)偏移、模糊和抖動(dòng)，進(jìn)而使成像探測(cè)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的實(shí)際探測(cè)能力降低、探測(cè)精度下降[13]。具體而言，氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)中又包含有熱效應(yīng)、熱輻射效應(yīng)和傳輸效應(yīng)。熱效應(yīng)主要是指由于高超聲速飛行產(chǎn)生的高溫導(dǎo)致紅外成像窗口透波率降低、成像窗口熱變形甚至損壞，從而導(dǎo)致成像窗口失去工作能力。熱輻射效應(yīng)主要是指激波后高溫流場(chǎng)中的氣體分子和電離離子自身的紅外輻射以及成像窗口受到氣動(dòng)加熱后自身的熱輻射，這些熱輻射將會(huì)以成像噪聲的形式減弱紅外探測(cè)器的信噪比，嚴(yán)重的甚至將整個(gè)目標(biāo)的紅外信號(hào)淹沒(méi)。傳輸效應(yīng)主要是指成像窗口附近繞流密度分布具有隨機(jī)高頻變化的特征，使得目標(biāo)紅外輻射產(chǎn)生的光線穿過(guò)該區(qū)域后會(huì)出現(xiàn)偏折，致使探測(cè)器無(wú)法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行有效地定位和跟蹤[2]。如圖5所示為傳輸效應(yīng)引起的光學(xué)頭罩瞄視誤差的示意圖[14]。

在實(shí)際工程實(shí)現(xiàn)中，氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)對(duì)于紅外成像制導(dǎo)精度的影響非常復(fù)雜，涉及了力、熱、光三大要素[15]。相關(guān)研究呈現(xiàn)多學(xué)科交叉的特點(diǎn)，給這一問(wèn)題的解決帶來(lái)了很大的困難和挑戰(zhàn)。

圖5 傳輸效應(yīng)引起的紅外成像導(dǎo)引頭 瞄視誤差示意圖Fig.5 Schematic of boresighting error of infrared imaging seeker caused by transmission effect

3 完善的氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)測(cè)試能力和相似準(zhǔn)則是解決氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)的基礎(chǔ)

構(gòu)建完善的氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)測(cè)試能力是獲取高質(zhì)量氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。同時(shí)，高質(zhì)量的氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)測(cè)試數(shù)據(jù)是驗(yàn)證工程設(shè)計(jì)、仿真結(jié)果、耦合控制模型、材料及組件性能，最后進(jìn)行殺傷力效果評(píng)估的基礎(chǔ)。只是，很多時(shí)候測(cè)試狀態(tài)并不一定能夠完全復(fù)現(xiàn)實(shí)際的飛行狀態(tài)，尤其是對(duì)于稠密大氣中的高超聲速飛行器而言。因此，氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)相似準(zhǔn)則的構(gòu)建又變得至關(guān)重要。盡可能完善的氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)測(cè)試能力耦合完備的氣動(dòng)光學(xué)相似準(zhǔn)則，理論上可以較好的預(yù)測(cè)實(shí)際飛行狀態(tài)氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)的具體影響，進(jìn)而為謀求氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)的抑制和校正提供基礎(chǔ)。

3.1 構(gòu)建完善的氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)模擬測(cè)試能力

受到相關(guān)項(xiàng)目的牽引，美國(guó)在氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究方面起步最早，研究范圍最廣，研究深度最深，并且已經(jīng)部分突破了氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)對(duì)于工程應(yīng)用的限制。20世紀(jì)八九十年代，美國(guó)對(duì)于高超聲速流動(dòng)的氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)研究進(jìn)行了大量的研究。美國(guó)空軍的阿諾德工程發(fā)展中心(Arnold engineering development center,AEDC)在這方面的研究中發(fā)揮了重要作用[16]。AEDC依托其強(qiáng)大的地面風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以及氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)測(cè)試設(shè)備，形成了相對(duì)比較完善的地面氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)芰17]。如圖6所示，為AEDC的工程師們進(jìn)行高超聲速導(dǎo)引頭氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)測(cè)試準(zhǔn)備時(shí)的場(chǎng)景。美國(guó)在短時(shí)間內(nèi)針對(duì)高超聲速導(dǎo)引頭氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)研究投入巨大，最終收獲頗豐。公開資料顯示，目前相對(duì)比較成熟的多型高超聲速紅外成像制導(dǎo)攔截彈，例如THAAD、“箭-2”，主要依賴于美國(guó)多年來(lái)在高超聲速氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)研究中獲得的技術(shù)積累。

圖6 工程師正在AEDC #9風(fēng)洞中進(jìn)行高超聲速導(dǎo) 引頭氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)測(cè)試的準(zhǔn)備工作Fig.6 Engineers were preparing to test the aero-optical effect of the hypersonic seeker in the AEDC #9 wind tunnel

需要注意的是，這些導(dǎo)彈飛行高度相對(duì)較高，對(duì)應(yīng)大氣比較稀薄，氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)相對(duì)比較弱，對(duì)成像制導(dǎo)精度影響相對(duì)較小。對(duì)于稠密大氣中的高超聲速武器而言，受到地面風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)M能力的限制，目前，稠密大氣中的高超聲速氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)研究仍舊比較有限。不過(guò)，得益于近年來(lái)國(guó)內(nèi)外風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ牟粩嘣鰪?qiáng)，依托于具有強(qiáng)大實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ娘L(fēng)洞構(gòu)建氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)模擬測(cè)試平臺(tái)，著重研究稠密大氣中高超聲速氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)對(duì)導(dǎo)引頭成像質(zhì)量的影響，對(duì)于高超聲速氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)研究意義重大。目前，國(guó)內(nèi)氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)研究在相關(guān)單位持續(xù)的支持下已經(jīng)取得了諸多成果，包括初步建立了具有一定能力的氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)地面測(cè)試平臺(tái)，搭建了多套氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)測(cè)試平臺(tái)，形成了一定的氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)理論體系。但是，總體而言，氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)專用實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)還相對(duì)匱乏，而且模擬測(cè)試能力相對(duì)較弱，從而限制了高超聲速氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)的進(jìn)一步深入研究。

3.2 構(gòu)建完備的氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)相似準(zhǔn)則

依托氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)地面模擬測(cè)試裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)于全飛行狀態(tài)高超聲速飛行器氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)研究是不現(xiàn)實(shí)的。一方面這類實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量較少，很難滿足大頻次實(shí)驗(yàn)的需求；另一方面即便是實(shí)驗(yàn)?zāi)芰θ绱酥畯?qiáng)的設(shè)備，也很難完全模擬所有的飛行狀態(tài)。高超聲速氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)研究最重要的實(shí)驗(yàn)范圍覆蓋了速度1.8～4.6 km/s，高度15～46 km。這對(duì)地面實(shí)驗(yàn)設(shè)備提出了非常高的要求，比如，為了在等效高度23 km處實(shí)現(xiàn)4.3 km/s的速度，需要試驗(yàn)總溫和總壓分別達(dá)到8 000 K和280 MPa[18]。這就使得構(gòu)建氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)相似準(zhǔn)則，依靠理論擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)包絡(luò)變得至關(guān)重要。

對(duì)于高超聲速飛行器而言，其飛行狀態(tài)參數(shù)一般包括飛行Ma、高度以及姿態(tài)角等。飛行狀態(tài)的改變，會(huì)使得成像窗口外部相關(guān)流動(dòng)參數(shù)發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)發(fā)生改變。通過(guò)研究不同飛行狀態(tài)參數(shù)對(duì)于氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)的具體作用規(guī)律，構(gòu)建完備的氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)天地一致性準(zhǔn)則，有助于合理規(guī)劃高超聲速飛行器紅外成像制導(dǎo)飛行路徑和姿態(tài)，具有十分重要的工程意義[3]。

4 高超聲速紅外成像導(dǎo)引頭綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)是降低氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)的可靠途徑

4.1 高超聲速紅外成像導(dǎo)引頭綜合降溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到紅外成像制導(dǎo)器件對(duì)于溫度非常敏感，而高超聲速飛行時(shí)又伴隨嚴(yán)重的氣動(dòng)加熱作用。為克服嚴(yán)重氣動(dòng)加熱對(duì)紅外成像探測(cè)的影響，必須運(yùn)用一定的導(dǎo)引頭環(huán)境控制措施以抑制氣動(dòng)加熱導(dǎo)致的高溫窗口熱輻射和導(dǎo)引頭內(nèi)部溫升。具體而言，可采用多種致冷技術(shù)，諸如：外部噴流冷卻、內(nèi)部通道致冷以及采用高導(dǎo)熱硬質(zhì)膜等，以減小氣動(dòng)加熱對(duì)紅外成像探測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用的影響[15]。如圖7所示，為可供參考的常見基礎(chǔ)熱防護(hù)機(jī)制[19]。

具體而言，高速紅外成像導(dǎo)引頭受到的氣動(dòng)加熱作用比較強(qiáng)烈，導(dǎo)致其成像窗口需要承受比低速紅外成像導(dǎo)引頭更大的氣動(dòng)加熱量。為了減小氣動(dòng)加熱對(duì)于窗口的影響，降低冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度，更多的使用側(cè)面成像窗口而非頭部共形窗口。20世紀(jì)90年代，美國(guó)針對(duì)帶側(cè)窗光學(xué)頭罩進(jìn)行了大量的探索，提出了包括內(nèi)流道窗口冷卻、制冷馬賽克式窗口、外部離散縫噴流冷卻、斜向噴流冷卻、切向噴流冷卻等多種窗口冷卻方式，以實(shí)現(xiàn)對(duì)于高溫主流的隔離[20]。如圖8所示，為利用基于納米示蹤粒子的平面激光散射(Nano-tracer-based planar laser scattering,NPLS)技術(shù)獲取的壓力匹配(噴流出口靜壓與局部主流靜壓相等)狀態(tài)下切向超聲速冷卻氣膜流動(dòng)顯示結(jié)果[21]。

圖7 基礎(chǔ)熱防護(hù)機(jī)制分析Fig.7 Basic thermal protection mechanism analysis

4.2 多目標(biāo)優(yōu)化高超聲速紅外成像導(dǎo)引頭氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)

在進(jìn)行高超聲速紅外成像導(dǎo)引頭設(shè)計(jì)時(shí)，需要耦合考慮多種設(shè)計(jì)要素的影響。包括成像制導(dǎo)系統(tǒng)，氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)，頭部防熱，紅外窗口以及氣動(dòng)阻力等問(wèn)題。結(jié)合這些設(shè)計(jì)需求，建立了圖9所示的帶切向噴流高超聲速紅外成像導(dǎo)引頭平面?zhèn)却皫缀螀?shù)以及成像光束參數(shù)示意圖[22]。

總體而言，高超聲速光學(xué)頭罩設(shè)計(jì)是彈頭熱流指標(biāo)、成像系統(tǒng)指標(biāo)、冷卻性能指標(biāo)、氣動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)、容積率指標(biāo)以及氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)強(qiáng)弱指標(biāo)綜合權(quán)衡的結(jié)果。通過(guò)運(yùn)用目前比較成熟的多目標(biāo)優(yōu)化方法，理論上可以對(duì)高超聲速導(dǎo)引頭氣動(dòng)外形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)上述多參數(shù)問(wèn)題的最優(yōu)化處理。就目前而言，除了氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)強(qiáng)弱指標(biāo)外，其他指標(biāo)都已經(jīng)具有相對(duì)比較成熟的理論可以指導(dǎo)具體設(shè)計(jì)，這也再次體現(xiàn)了構(gòu)建氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)相似準(zhǔn)則的重要意義。

圖8 切向超聲速冷卻氣膜流動(dòng)顯示結(jié)果Fig.8 Flow visualization results of tangential supersonic cooling film

圖9 典型帶切向噴流平面?zhèn)却皫缀螀?shù)以及成像光束參數(shù)示意圖Fig.9 Schematic of geometric parameters and imaging beam parameters of a typical plane side window with tangential jet

4.3 基于主/被動(dòng)流場(chǎng)控制的光傳輸效應(yīng)抑制方法從本質(zhì)上講，氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)中的光傳輸效應(yīng)是由流場(chǎng)密度脈動(dòng)引起的。理論上，通過(guò)抑制流場(chǎng)中的密度脈動(dòng)，可以起到氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)抑制的作用。Childs提出利用窗口橫向匯聚(lateral convergence,LC)和流向彎曲(streamline curvature,SC)2種方法抑制湍流強(qiáng)度，進(jìn)而降低密度脈動(dòng)達(dá)到抑制氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)的目的[23]。并利用大渦模式(large eddy simulation,LES)方法初步驗(yàn)證了上述2種方法在氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)抑制方面的有效性。Smith and Gordeyev提出了2種抑制湍流邊界層氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)的方法：方法1，使用全部或部分壁面冷卻的方法，實(shí)現(xiàn)邊界層總溫降低，減小邊界層內(nèi)密度脈動(dòng)的強(qiáng)度，以此實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)抑制;方法2，使用大渦破碎(Large-eddy break-up,LEBU)裝置來(lái)抑制大尺寸、外層湍流結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)通常被認(rèn)為是氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)主要的來(lái)源[24-26]。總體而言，氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)抑制方法最基本的原理便是通過(guò)各種主/被動(dòng)流動(dòng)控制方法實(shí)現(xiàn)對(duì)于密度脈動(dòng)的抑制，具體體現(xiàn)在對(duì)于大尺度湍流結(jié)構(gòu)的抑制，進(jìn)而減小成像窗口繞流對(duì)于紅外成像探測(cè)的影響。

5 結(jié)束語(yǔ)

作為21世紀(jì)世界航空航天事業(yè)發(fā)展的重要方向之一，高超聲速飛行器的發(fā)展與應(yīng)用將給世界軍事帶來(lái)重大影響，進(jìn)而形成未來(lái)空天對(duì)抗新的焦點(diǎn)。在此背景下，高超聲速武器與集光、機(jī)、電為一體的紅外成像制導(dǎo)技術(shù)的結(jié)合，將形成各種遠(yuǎn)程高超聲速紅外成像制導(dǎo)的精確打擊攔截武器，實(shí)現(xiàn)飛得快而且打得準(zhǔn)，更充分發(fā)揮高超聲速武器的威力。稠密大氣中高超聲速導(dǎo)引頭紅外成像面臨著較為嚴(yán)重的氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)，嚴(yán)重制約了紅外成像制導(dǎo)技術(shù)在高超聲速武器中的應(yīng)用。本文重點(diǎn)分析了紅外成像制導(dǎo)技術(shù)在高超聲速武器紅外成像精確打擊中的應(yīng)用，指出了該技術(shù)發(fā)展可能遇到的主要技術(shù)難點(diǎn)，提出了一些可供參考的解決方法。