高超声速光学头罩气动光学

第1章绪论 高超声速飞行器的发展将给世界军事变革带来重大影响，进而形成全球军事强国的空天对抗焦点。在此背景下，高超声速武器与集光、机、电于一体的红外成像制导技术进行结合，将形成各种远程高超声速红外成像制导的精确打击武器，实现飞得快且打得准的目标，更能充分展现高超声速武器的威力。但是，稠密大气中高超声速导引头光学头罩面临严重的气动光学效应，严重制约红外成像制导技术在高超声速武器中的应用。为突破这一技术瓶颈，亟须开展高超声速气动光学效应研究，为实现高超声速条件下光学成像提供支撑。 1.1研究背景与意义 高超声速武器具有飞行速度快、毁伤能力大和突防能力强等特点，将在一定程度上改变敌我力量对比态势。可以预见，该技术在战场中的大量使用势必会极大地提高进攻方的突防和打击能力［1］。与此同时，从国内外高超声速武器发展现状来看，目前，如何实现高超声速武器对于多种高价值目标的精确打击仍旧是困扰高超声速武器作战效能充分发挥的关键因素之一！高超声速武器的出现，给空天防御带来了严峻的挑战，以超高速、高精度反导对付空中高超声速来袭目标，也是主要发展方向之一。 对于红外成像制导技术，其主要利用红外探测器实现对被打击目标自身辐射能量的捕获和追踪。相比其他制导体制而言，红外成像制导技术具有制导精度高、抗无线电干扰能力强及可昼夜作战的特点。对于较低马赫数的红外成像制导导弹，基于红外成像制导技术为主的复合末制导已成为21世纪精确打击武器装备发展的重要趋势［2］。带有红外成像探测的飞行器在大气层内高速飞行时，气流与光学头罩相互作用，使当地气体密度变化，当目标光线穿过气流时产生畸变，引起目标图像的偏折、模糊、抖动，这就是气动光学效应［３５］，如图1.1所示。高超声速气动光学效应是指，飞行器光学成像窗口在高超声速条件下，热、光、力相互作用产生的影响对目标光学成像的复杂物理过程，包括气动加热导致的光学窗口及流场的高温辐射造成红外成像饱和、光线在高超声速高温流场中传输产生光学畸变、气动力/热作用下成像窗口变形产生光学畸变。高超声速气动光学效应会导致飞行器在高超声速条件下难以对前方目标红外成像，已成为红外成像制导武器打击速度进一步提高的障碍，也是限制高超声速武器作战效能的瓶颈。 图1.1高超声速光学头罩气动光学效应示意图 本书从稠密大气中高超声速导引头红外成像面临的机遇出发，对红外成像制导技术在高超声速导引头的应用中面临的相关问题进行分析，提出以构建完善的高超声速气动光学效应模拟测试方法及气动光学相似律理论体系为基础，通过对高超声速红外成像导引头进行多参数优化设计，并积极探索气动光学效应的相关抑制方法，寻求解决稠密大气中高超声速导引头红外成像问题的途径。 1.1.1高超声速红外成像制导的意义 未来，高技术条件下的战争是集快速反应、高精确打击和陆、海、空、天、电于一体的新型综合作战模式。作为21世纪世界军事强国空天对抗的焦点之一，虽然在高超声速武器技术发展成熟的过程中遇到过诸多挫折，但是凭借这一技术的突破性优势，其仍将成为主导未来战场胜负的关键性武器装备之一。在此背景下，集光、机、电于一体的红外成像制导技术，为各种高超声速武器打击精度的提升提供了有力保障。既要飞得快，还要打得准，通过将高超声速武器的高速打击优势与红外成像制导的高精度打击优势结合，可在很大程度上扩大自身军事的控制范围并提高控制能力。高超声速精确打击武器的开发与运用，将会对维护国家主权、安全和发展利益产生重要意义。 1.高超声速武器成为未来战争制胜的撒手锏 高超声速飞行器是指飞行速度超过马赫数5（速度约6000km/h）的飞行器，是21世纪航空航天领域的高新技术。高超声速武器的出现，改变了传统军事斗争态势，给战场环境带来了深刻影响。目前，各航空航天技术强国正在不断检验和评估高超声速武器作战效能，高超声速武器的未来作战应用设想如图1.2所示。 图1.2高超声速武器的未来作战应用设想 飞行速度快是高超声速武器*显著的技术特征，从发射到命中目标的时间短，在一定程度上可以实现“发现即摧毁”。高速打击将极大地提高防守一方对于反应时间的要求，在一定程度上扰乱防守一方的作战节奏，传统战争中的准备、部署及战争升级等时间概念得到根本性改变。与此同时，高超声速武器普遍具有较远的射程，可以从防区外对多种目标实施快速打击，形成覆盖全球、高度立体的作战空间。高超声速武器具有高速度、远射程的特点，在很大程度上消除了空/天之间的界限，等效减小了战场的实际物理空间距离，进而使得传统战争中的部署前沿、配置纵深等空间概念模糊化。 第二次世界大战中，因飞机的大量使用，平面防线基本被淘汰，而隐身飞机的不断发展与运用，又使得传统雷达防空体系面临极大的风险与挑战。对于高超声速武器而言，通过将弹道导弹和飞机的技术优势充分融合，使得其既具有传统弹道导弹的高飞行速度和远射程的技术特点，同时又具有传统作战飞机的高机动性和轨迹不可预测的技术特点，实质上消除了传统作战飞机远程奔袭的过程，实现对指定远程作战区域的快速和高可信度到达，这使得现有斗争双方的攻防体系态势平衡可能被再次颠覆［6］。假如斗争一方率先拥有成熟的高超声速武器，那么意味着这一方将具有非对称攻击的绝对优势，进而使得现有的传统防空反导防御体系彻底失效，*终，攻防体系态势将迅速向拥有高超声速武器的一方倾斜［7］。 巨大的作战优势和战争潜力使得高超声速武器引起世界各军事强国的极大关注，结合本国技术基础和研发能力，各国纷纷制定出台了各自的高超声速武器发展计划，以期在未来高超声速战争中占据有利态势。 2.高超声速武器蓬勃发展并逐渐走向成熟 伴随着各国对于高超声速武器的大量研发，目前，高超声速武器已经从*初的概念和原理探索研究阶段进入了以高超声速巡航弹、高超声速滑翔弹和高超声速空天飞机为代表的具体应用技术开发甚至型号开发阶段［8，9］。2018年3月1日，俄罗斯首次正式公布了“匕首”空射型高超声速导弹作战系统和“先锋”井射型高超声速洲际导弹作战系统，如图1.3所示。前者主要采用米格－31K作为专用载机，*大飞行速度约马赫数10，*大射程可达2000km，已经列装部队，并于2017年底开始正式进入战斗值班。据悉，后者的*大飞行速度有望超过马赫数20，*大射程推测可达10000km以上，并于2019年正式进入战斗值班。与此同时，俄军目前正在推进“锆石”舰射型高超声速反舰导弹的研制工作，该型导弹于2018年底完成的*新一次飞行试验结果显示，试验中导弹的*大飞行速度可达马赫数8，于2022年8月完成正式列装［10］。 图1.3俄罗斯装配的高超声速武器 面对俄罗斯在高超声速武器领域取得的重大进展，为避免在这场高超声速竞赛中屈居“下风”，美国持续加大在高超声速武器研制方面的投入。目前，美国在研的多型高超声速武器尚未进入实战部署阶段。不过，根据美国空军科学顾问委员会于2014年8月公布的《高超声速飞行器技术成熟度研究》，在2025年前后，美军便可以装备具有战术射程的空射型高超声速武器。2016年，在给美国国会质询听证的书面答复中，美国国防部部长阿什顿 卡特明确指出：美国国防部将在2018～2022年率先为美军欧洲司令部和印度洋太平洋司令部提供高超声速快速全球打击武器装备系统，其他战区则在2022年以后陆续装备［8］。如图1.4所示，为美国洛克希德 马丁空间系统公司研制的AGM183A高超声速导弹整流罩抛开后的情景。 与此同时，日本防卫省于2018年首次正式启动高超声速助推滑翔导弹的研究项目，并宣称将研发飞行速度在马赫数5以上的高超声速巡航导弹。作为核武库现代化的重要组成部分，法国也将高超声速武器研发工作作为重中之重。目前，法国国家航空航天研究院已经启动了多项高超声速武器相关技术研究的研发课题。印度试图通过与俄罗斯合作研制“布拉莫斯2”型高超声速巡航导弹来掌握高超声速武器核心技术，目前该型导弹预计飞行速度可达马赫数7。通过与美国合作，澳大利亚也提出了高超声速飞行器研发构想，预计飞行速度可以超过马赫数10［11］。 总体而言，目前高超声武器研制如火如荼，在高超声速武器逐渐成熟并列装部队的背景下，人们迫切希望可以实现高超声速飞行状态下的高精度打击，以便充分发挥高超声速武器在打击敌方高价值目标方面的巨大优势。 3. 高超声速武器精确打击对红外成像制导技术的迫切需求 对于高超声速精确打击武器，可以利用其高空、高速、精确的特点，实现对于高价值时敏目标、加固目标和地下目标的有效打击。并且，一旦高超声速精确打击武器真正形成战斗力，“战略纵深”这一传统战争中的重要概念将不复存在，这意味着所有国家的重要政治、经济、军事目标都将受到极大的威胁。在目前尚无有效的高超声速武器防御体系的情况下，通过积极研发高超声速精确打击武器，尽快形成对敌方的战略威慑便成为唯一的手段［12］。 目前，以红外成像制导技术为核心的复合制导技术已经成为21世纪高精度制导技术的重要发展方向之一。凭借红外成像制导技术高灵敏度、高分辨率及强抗干扰能力的特点，将其与高超声速飞行器相结合，势必将极大地提升高超声速武器的打击精度，进而实现高超声速武器的精确打击化。 围绕实现这一目标，2014年8月，美国空军科学顾问委员会在公布的《高超声速飞行器技术成熟度研究》中明确提出： 导引头和导引头集成技术在高超声速武器研发中具有*高优先级。这充分说明了美国空军已经将可以用于高超声速武器的导引头作为高超声速武器研发的重中之重。2015年1月15日，美国空军在发表的《高超声速飞行环境对光电和红外传感器的影响》一文中征询了多型高超声速武器飞行传感器的设计方案，针对高超声速飞行环境对于光电/红外传感器的影响进行了探讨并寻求减少该不利影响的相关对策［13］。2019年11月18日，日本防卫省在于东京举办的“防务与安全设备国际博览会”上发布了名为《科学研究与试验发展构想：致力但不限于实现多域防务力量》的中长期国防科技发展规划报告。报告中指出，日本计划在2030年前研发速度达到马赫数5或更高的巡航导弹，关键技术之一便是研发红外成像技术，以识别低反差目标，同时研发抗热红外头罩，以搭载传感器，研发计划路线如图1.5所示。 图1.5日本高超声速武器关键技术研发计划路线 总体而言，高超声速打击武器作为21世纪空天对抗的焦点，在结合红外成像制导技术实现高精度打击的过程中虽然会有不少曲折，但是其一旦成功，势必将成为主宰未来战场的关键力量之一。